Simulação computacional da troca térmica no refervedor da coluna de fracionamento a vácuo

Introdução

A destilação é uma das operações unitárias mais importantes da indústria de refino de petróleo, apresentando elevado consumo energético, com etapas de aquecimento e vaporização e grandes gradientes de temperatura. Nesse contexto, a recuperação e a integração térmica constituem estratégias relevantes para o aumento da eficiência energética, com reaproveitamento da energia de correntes quentes, onde trocadores de calor para essa finalidade são amplamente empregados. A corrente pesada de fundo da coluna de destilação apresenta elevado conteúdo de energia térmica. Dessa forma, o presente trabalho concentrou-se no aproveitamento da energia disponível nessa corrente, investigando a redução da demanda de energia externa do processo.

Objetivo

Desenvolver uma modelagem computacional para avaliar o potencial de recuperação de calor da corrente de fundo da coluna de destilação a vácuo, utilizando essa energia para o aquecimento de uma corrente de ar em um trocador de calor bitubular.

Método

O trabalho foi desenvolvido em duas etapas: a modelagem térmica do sistema de recuperação de calor na linguagem MATLAB e a proposição de uma estratégia de automação baseada em PLC. As propriedades físicas utilizadas foram obtidas de uma condição simulada no HYSYS. O desempenho térmico foi determinado pelo método da Efetividade - NUT, com as temperaturas de saída das correntes obtidas por balanço de energia. A estratégia de automação foi estruturada considerando um PLC Siemens S7-1200 G2, PLCSIM Advanced e supervisório WinCC Unified. Foram propostas duas malhas principais, um FIC para controle da vazão e um TIC independente para manutenção da temperatura.

Resultados e discussão

O modelo desenvolvido em MATLAB convergiu para todas as vazões mássicas de ar avaliadas entre 0,50 e 0,80 kg/s. Para a configuração final com dois módulos do trocador, a potência térmica recuperada aumentou de 75,95 kW para 110,74 kW, com o aumento da vazão de ar, enquanto o coeficiente global de transferência de calor variou de 33,27 W/m2.K para 47,18 W/m2.K. A temperatura de saída do ar diminuiu de 248,8 C para 235,8 C. A efetividade variou de 0,422 para 0,385, enquanto o NUT de 0,549 para 0,487

Conclusão

A modelagem desenvolvida permitiu avaliar o potencial de recuperação de calor da corrente de fundo, por meio do aquecimento da corrente de ar em um trocador de calor contracorrente. Os resultados demonstraram o potencial de aproveitamento energético da corrente residual e permitiram estabelecer uma relação entre a vazão mássica do ar e a resposta térmica do sistema.

Palavras-chave

• Coluna de destilação
• Simulação computacional
• Trocador de calor