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Baixar aqui - Engenharia Mecânica

1. Energia disponibilizada Como a primeira lei n o engloba as perdas por irreversibilidades seu princ pio b sico que a energia se conserva ent o teremos resultados que n o s o confi veis 23 4 5 2 Efici ncia de Segunda Lei A efici ncia pela Segunda Lei da Termodin mica tamb m chamada de efic cia ou efici ncia exeg tica uma rela o entre exergias desta forma espelha melhor o aproveitamento da energia no sistema t rmico uma vez que toda exergia pode teoricamente ser utiliz vel SOUZA 2007 Exergia dos produtos g Mo cos produtos 4 13 Exergia dos insumos Est efici ncia nos mostra um valor mais real a respeito do desempenho dos equipamentos do ciclo 4 6 Defini o dos volumes de controle A defini o dos volumes de controles para o processo de desidrata o foi delineado para que todos os componentes fossem envolvidos permitindo contornar os problemas pela aplica o dos balan os de massa esp cie e de energia da aus ncia de dados de medi es e na literatura para alguns pontos dos ciclos Tra ados os objetivos a serem atingidos os volumes de controle escolhidos foram e Trocador de calor 4gua CO Resfriador e Trocador de calor Am nia CO Desumidificador 4 7 Aplica o das Leis de Conserva o nos volumes de controle do processo de desidrata o do CO Conjunto de restri es adotados na an lise do processo e O estado da subst ncia cada ponto do volu
2. perda de mat ria prima atualmente na Unidade Sergipe da AmBev e buscar uma solu o para contornar este problema bastante desafiador e de grande relev ncia dado as dificuldades inerentes ao processo de beneficiamento purifica o do g s carb nico No conte do do projeto citado os estudos e an lises desenvolvidos durante o acompanhamento da rotina de funcionamento an lises termodin micas contatos com empresas fabricantes e fornecedoras de pe as e servi os contemplados na usina trabalhos realizados com opera o t cnica e orienta es do coordenador t cnico do projeto Contudo destaca se o estudo desenvolvido para readequar o funcionamento da usina de beneficiamento de g s carb nico que ocorre no setor de Utilidades da unidade Sergipe pois de acordo com levantamentos recentes realizados na viabiliza o do projeto o setor de utilidades apresenta uma taxa relativamente alta de perdas durante processo Diversos fatores afetam o beneficiamento do g s carb nico dentre os quais grau de pureza umidade do g s ap s filtros desidratadores e capacidade de liquefa o da usina ENGEL 2002 O primeiro por ser dentre os fatores de perdas por qualidade do g s o item de controle mais importante por se tratar de uma das principais medidas de controle da qualidade Realmente impurezas dissolvidas no g s carb nico a partir de certa quantidade impactam diretamente no que mais importante quanto ao seu uso final carbona
3. e Tempos de opera es maiores e Economia de Energia e Economia de CO aquecimento com ar e Facilidade de Manuten o 3 3 9 Filtros de carv o ativado Equipamento que t m como fun o remover odores do CO compostos de enxofre Equipado com e V lvulas autom ticas e Sistema de regenera o a ar com aquecimento e compressor radial e Sistema de resfriamento com CO topo do condensador gases inertes e Purga p s aquecimento e Retorno de CO de resfriamento para o processo Separador de espuma e Transmissores de temperatura e press o e V lvulas de seguran a e Filtros de part culas Considera es de Projeto e Regenera o independente dos 02 filtros e Controle autom tico do tempo de opera o e posterior regenera o 13 e Tempos de opera es maiores e Economia de Energia e Economia de CO aquecimento com ar e Facilidade de Manuten o 3 3 10 Condensador de CO O g s CO proveniente dos filtros desidratadores passa pelo Reboiler refervedor ou evaporador da unidade de purifica o onde resfriado antes de seguir para o condensador de CO da planta de CO e neste ltimo sua maior parte condensada tubos a uma temperatura entre 25 C e 30 C dependendo da press o de trabalho da unidade utilizando se como meio refrigerante NH casco que possui press o e temperatura controladas pelo sistema de refrigera o da usina de CO existente A inje o d
4. tha ha To 84 1 To T1 Qrri gua QREV tr gua ex Thi ex Tha ex4 1 To TI Qrri gua QreAL tr gua tin ha To 81 tha gt ha To 84 1 To T1 Qrr gua To Sgerstri gua C lculo das irreversibilidades Ler gua GS To i Serata Por Gouy Stodola lime QREV tr gua ez QREAL tri gua Por Exergia TROCADOR DE CALOR AM NIA COs Volume de controle da am nia Qiriam nia2 0 6 Orada efici ncia na troca t rmica Cv am nia y Ammonia T T7 P P7 Mi quidosat h Ammonia X 0 P P7 hvaporsat h Ammonia X 1 P P7 T7 satura o Ammonia P P7 Qlatente hvaporsat hi quidosat Qir am nia2 my Cv am nia ria z 17 my 2 atente 51 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 52 Balan o de massa O rn 7 M 13 1 Lei da Termodin mica 0 tz h7 mas hig Qir am nia 91 2 Lei da Termodin mica 0 my SOT M13 813 APRI TD a Sirena 92 QREV triam niao M7 hz To 87 tias hig To 813 1 To T7 Qirsamonia2 93 QREV triam nia2 ex mhz ex7 mas ex13 1 ai To T7 ARR 94 QREAL tr amonia2 m7 h7 To s7 mag J hi3 a To i 813 1 Pa Ty T7 Qircamonia2 T0 Sgerstramoniaz 95 C lculo das irreversibilidades ERROR LE E 96 Por Gouy Stodola lirramonia2ier QREV triamoniazier QRE
5. 30 31 32 33 7 T3 Ponto 8 T8 tk 10 P8 17 mg m Tg T Ponto 9 T9 T8 P9 P8 mg Ma Tg T2 Ponto 10 PIO P9 T10 tk 10 tino mo 0 3 Tio 23 Ponto 11 P11 PIO TH TIO ma tho 0 7 Ponto 12 T12 T10 49 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 P12 PIO miz m Quantidade de gua na tubula o de CO2 depois do filtro de alumina Ponto 13 m z M7 P13 P7 TI3 T7 satura o Exergias dos pontos duplicate z 1 13 ex hz h0 To sz s0 end TROCADOR DE CALOR GUA CO Volume de controle da gua Qiri gua2 0 6 Qiri gua efici ncia na troca t rmica Cv gua v Water T T3 P P3 Qu Me Cu agua T6 T3 Balan o de massa 0 m 3 M 6 1 Lei da Termodin mica 0 tia hg the he Qrri guas calor est negativo pois este volume de controle est recebendo o calor retirado da cerveja 2 Lei da Termodin mica 0 ms 837 me E 56 Qir gua2 To Sgerstri gua QREVtri guas Ths hg To 83 me he To 86 1 To T3 Qtri guas 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 50 QREVtri guad er ms X3 me ex6 1 i To T3 E Qiri gua2 65 QREAL tri gua ms hs i To 83
6. a torre possui um selo d gua de aproximadamente 250 mmca que ao romper purga o g s bruto para atmosfera S o utilizados como refer ncia para o c lculo de dimensionamento das torres e Volume de CO e Perda de carga e Quantidade de gua raz o de 2 1 e Tempo de contato gua e g s 10 3 3 5 Declorador Equipamento que tem por finalidade remover Cloro Cl da gua para as torres lavadoras impedindo a oxida o do a o inox Equipado com e Carv o Ativado e V lvulas de bloqueio e V lvula by pass e V lvula de dreno Fabricado em a o inox 304 Tipo de carv o utilizado betuminoso sem impregna o O vaso desenhado para garantir que o carv o ativado seja capaz de reter os ons de Cloro Cl de acordo com a vaz o de gua necess ria para suprir os lavadores da usina impedindo a corros o do sistema O carv o ativado deve ser substitu do a cada 6 meses de opera o 3 3 6 Bal o Equipamento que tem por finalidade acumular o CO proveniente dos lavadores e controlar a capacidade de carga dos compressores de CO permitindo que a planta opere sem partidas e paradas constantes Equipado com e Sensores ou transmissor de n vel e Man metro tipo U mmca e V lvulas de dreno e Fabricado em PVC refor ado e projetado para suportar uma press o de at 500mmca e Possui entrada e sa da de CO independentes e Seu tamanho varia de acordo com a capacidade de compress o da usina de modo
7. T T8 P P8 vg v CarbonDioxide T T8 P P8 Propriedades para o fluido refrigerado H2O 53 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 ponto 2 h2 h Steam T T2 P P2 s2 s Steam T T2 P P2 v2 v Steam T T2 P PI ponto 5 he h Steam T T5 P P5 s5 s Steam T T5 P P5 v5 s Steam T T5 P P5 ponto 9 hg h WATER T T9 P P9 s9 s WATER T T9 P P9 vg v WATER T T9 P P9 Propriedades para o fluido refrigerante H2O ponto 3 h3 h WATER T T3 P P3 s3 s WATER T T3 P P3 v3 v WATER T T3 P P3 ponto 6 h 6 ENTHALPY WATER T T6 P P6 s s WATER T T6 P P6 ve v WATER T T6 P P6 ponto 10 h o h WATER T T10 P P10 s10 s WATER T T10 P P10 vio v WATER T T10 P P10 54 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 55 ponto 11 h h WATER T T11 P P11 134 11 s WATER T T11 P P11 135 vi v WATER T T11 P P11 136 ponto 12 h 2 h CarbonDioxide T T12 P P12 137 12 s CarbonDioxide T T12 P P12 138 v12 v CarbonDioxide T 7 2 P P12 139 Propriedades para o fluido refrigerante Am nia ponto 7 hz h R717 T T7 P P7 140 s7 s
8. bomba de permanganato para se evitar o ac mulo de cristais da solu o e a incorreta leitura da press o e Verificar o funcionamento do p ndulo do bal o Compressores de CO e Verificar o tensionamento e alinhamento das correias e Limpar os filtros de etanol e gua 61 Condensador de CO l Di Drenar leo do condensador de CO conforme descrito abaixo Fechar a v lvula manual Certificar de que a v lvula piloto esteja parcialmente aberta Para isso basta girar o registro piloto em sentido anti hor rio at o fim abertura total da v lvula e posteriormente gir lo uma volta completa no sentido hor rio 3 4 Certificar de que a v lvula esteja fechada Aguardar 24 horas Esse per odo deve ser suficiente para que toda am nia remanescente na tubula o de drenagem evapore e retorne ao sistema atrav s da v lvula piloto 5 6 7 8 Abrir a v lvula Abrir a v lvula de dreno para a retirada do leo Finalizada a drenagem fechar a v lvula Abrir a v lvula manual A cada 2 semanas Filtros de carv o ativado e desidratadores Observar a queda de press o no filtro de part culas verificando o diferencial de press o entre os man metros instalados no filtro Limpar os filtros localizados nos ventiladores A cada 3 meses Limpar o filtro de suc o da bomba de dreno Limpar o filtro de suc o da bomba de refluxo Limpar o filtro do sistema de inje o de am ni
9. dessa vez operou 4 dias at que os tubos da serpentina do Reboiler congelassem Foi notado que o tempo de congelamento havia aumentado em rela o ao tempo de funcionamento com a utiliza o da outra alumina que possu a caracter sticas bem similares Adsor o Isot rmica F 200 1 8 25 C 40 80 Relativa de umidade Figura 7 Gr fico relativo de umidade x em peso de gua adsorvida Usina 1200 kg h Fonte Union Engenharia O gr fico visto na figura 6 ilustra um leve poder de adsor o da alumina F 200 linha preta frente a atual alumina utilizada na usina linha vermelha Por m conforme definido acima somente o fato de substituir a atual alumina por uma que apresente um maior poder de adsor o de gua tendo como entrada gases com 20 de umidade relativa n o resolveria a anomalia da usina e n o possibilitaria a opera o do sistema de purifica o 36 6 4 2 3 Filtros secadores Como visto anteriormente o ltimo equipamento da usina respons vel por retirar umidade presente do g s incorporado durante lavagem do g s nas torres de pr e p s lavagem s o os filtros secadores O primeiro passo dado no intuito de verificar as condi es de opera o dos filtros foi solicitar ao fabricante do equipamento dados que contemplassem a capacidade m xima em toneladas hora que o equipamento trabalhasse em sua melhor efici ncia O valor repassado pela Union Engenharia foi de fundamental import ncia
10. em gua principalmente lcool O pr lavador utiliza gua drenada do p s lavador que posteriormente ser reaproveitada pelo separador de espuma S o utilizados como refer ncia para o c lculo de dimensionamento das torres e Volume de CO e Perda de carga e Quantidade de gua e Quantidade de lcool a ser removido e Tempo de contato gua e g s Fabricado em a o inox 304 ENGEL 2002 3 3 3 Lavador de permanganato Equipamento que tem por finalidade remover compostos de Enxofre tais como H2 COS e DMS Equipado com e Recheio pl stico e Bomba de recircula o e Demister e Prato distribuidor e Visor de n vel e Conjunto de v lvulas para retro lavagem da bomba e Vaso misturador incluindo agitador e V lvula de dreno S o utilizados como refer ncia para o c lculo de dimensionamento da torre e Volume de CO e Perda de carga e Quantidade de solu o circulando curva de opera o e Quantidade de compostos a serem removidos e Tempo de contato solu o e g s e Fabricado em a o inox 304 Considera es Importantes e Preparo da solu o Misturar 35g de permanganato de pot ssio KMnO2 para cada litro de gua quente 60 a 70 C por aproximadamente 60 minutos agitador e Controle da solu o diariamente Cor recolher uma amostra do lavador e verificar se a cor atual da solu o a mesma do preparo inicial Caso a solu o tenha perdido sua cor original lil s ou ten
11. gt 10 a 4 4 b Organizando essas equa es temos um sistema 2 2a b 5 4 4a b 10 Para resolver vamos trocar os sinais da primeira equa o e depois somar 1 2 2a b 5 2 44a b 10 2 2a 5 gt a 2 273 Substituindo a 2 273 na primeira equa o temos 2 2 x 2 273 b 5 b 5 2 2 x 2 273 b 0 Logo a fun o procurada e y 2 273 x 58 e Vaz o entrada 1500Kg h e Umidade relativa do fl ido 10 e Peso de gua adsorvido para vaz o 1200Kg h 4 4 52 8 Kg Logo dos 150Kg de gua que representa 10 da vaz o de entrada apenas 52 8Kg foram adsorvido pela alumina 150 52 8 97 2 1500 52 8 1447 2 1447 2 gt 100 972 gt X X 100 x 97 2 1447 2 6 71 X 6 71 ANEXO B Diariamente 1 Lavadores e Bal o e Verificar a vaz o de gua na entrada do p s lavador e Verificar o n vel de gua no p s lavador e Verificar a colora o da solu o de permanganato de pot ssio e Verificar o n vel da solu o de permanganato de pot ssio dentro da torre lavadora e Verificar o n vel de gua no pr lavador 2 Compressores de CO e Certifique se que os drenos autom ticos de gua dos separadores de gua no resfriador intermedi rio e aftercooler dos compressores de CO est o funcionando de forma correta Em caso de d vida abra as v lvulas manuais pr ximas ao dreno Apenas uma pequena quantidade de condensado dever ser notada e Verificar n vel de leo atrav s dos vi
12. obtidos no projeto realizado na Companhia de Bebidas das Am ricas tendo como ponto cr tico a entrada do CO mido no equipamento evaporador de CO da unidade de purifica o Reboiler todos os equipamentos antes desse resfriador e ap s a descarga dos compressores foram minuciosamente analisados no intuito de chegar ao ponto espec fico que necessita de ajuste mudan a de par metros ou at mesmo altera o no projeto inicial O fato de haver umidade no g s que chega a serpentina do Reboiler e troca calor com o CO l quido que se encontra do lado do casco no trocador leva ao congelamento dos tubos devido elevada temperatura de orvalho da gua comparado ao do CO puro Em virtude da temperatura dentro do reboliler variar entre 25 C a 30 C a gua que passa arrastada com CO automaticamente altera seu estado gasoso para o estado s lido assim camadas de gelo v o se formando no interior da serpentina at um ponto em que os tubos encontram se todos obstru dos impedindo dessa forma a passagem do CO Como conseqii ncia do congelamento do reboiler ocorre uma eleva o instant nea da press o no sistema anterior a esse equipamento com isso o compressor por medida de seguran a desabilitado automaticamente desligando em sequ ncia a usina por inteiro Os equipamentos analisados nesse projeto de otimiza o foram aqueles cuja fun o de retirar umidade do CO fator observado como cr tico e eliminador de anomalia na elabo
13. respons veis pela inefici ncia no sistema de desidrata o Inicialmente foram realizados nos dois trocadores de calor calibra o nos instrumentos aferidores de temperatura e press o e testes de estanqueidade assim como comparados os par metros operacionais reais com os previamente estabelecidos pelo padr o t cnico da usina An lises termodin micas feitas nesses mesmos equipamentos encontraram valores satisfat rios para as efici ncias exerg ticas de 52 para o resfriador e 81 para o desumidificador o que evidencia problemas inerentes ao filtro secador A alumina que preenche o filtro foi trocada por uma nova por m a falta de especifica o na umidade de sa da do filtro persiste Com aux lio dos representantes do fabricante do filtro foi verificada a necessidade do aumento volum trico da alumina com isso conclui se que mais vi vel economicamente a compra de um par desses equipamentos de mesmo porte que o atual do que a substitui o por um maior A viabilidade econ mica da solu o proposta foi embasada com an lise de retorno do capital Palavras chave Usina de G s Carb nico Umidade e An lise Termodin mica vii ABSTRACT The loss of carbon dioxide is a major source of loss related to the loss of raw materialin the unit of AmBev and Sergipe seek a solution to overcome this problem is quite challenging and very relevant given the difficulties inherent in the process ofprocessing purification of carbon dio
14. transfer ncia de calor Transfer ncia de Calor Sao Paulo 2001 KREITH F Princ pios de Transmiss o de Calor Edgard Bliicher S o Paulo 1997 VENTURINE O J Efici ncia Energ tica em Sistema de Refrigera o Industrial e Comercial Rio de Janeiro Eletrobr s 2005 ENGEL L Treinamento Operacional para Usina de Recupera o de CO com Economizer 1 Ed rev Curitiba 2002 SMITH J M VAN NESS H C ABBOTT M M Tradu o QUEIROZ E M Introdu o Termodin mica da Engenharia Qu mica 7ed Rio de Janeiro LTC 2007 SOUZA W L An lise Exergoecon mica dos Ciclos de Refrigera o por Absor o de nica Press o 2007 274f Tese Doutorado em Engenharia Programa de P s Gradua o em Engenharia Mec nica Universidade Federal da Para ba Jo o Pessoa 2007 TORRES E A Avalia o Exerg tica e Termoecon mica de um Sistema de Cogera o de um P lo Petroqu mico Tese de D Sc FEM UNICAMP Campinas SP 1999 45 MORAN Michael J SHAPIRO Howard N Princ pios de Termodin mica para Engenharia 6ed Rio de Janeiro LTC 2008 INCROPERA Frank P et al Fundamentos de Transfer ncia de Calor e Massa 6ed Rio de Janeiro LTC 2008 46 APENDICE A Usina de CO CO H 0 Etr gua 0 9649 Etr am nia 1 co co CO Trocador de Calor Trocador de Calor CO H 0 na Casco tubo 45 Casco tubo o DESIDRATADOR FILTRO E POR DE al ABSOR O CARV O 3 3 7 ALUMINA Compres
15. AL tram nio 97 Por Exergia TROCADOR DE CALOR AM NIA CO Volume de controle gua Balan o de massa 0 m 4 mM s 1 Lei da Termodin mica 0 tha ha rhs hg Qersamonia 98 calor est negativo pois este volume de controle est recebendo o calor retirado da cerveja 2 Lei da Termodin mica 0 m4 eo A mg Sg Qtr am nia To a Sana 99 QREV tr amonia my h4 To s4 E mg E hg To sg 1 To T4 E Qiriam nia 100 QREV triam nia ez a eX4 mg exg a 1 z To T4 F Qiriam nia 101 QREAL tr am nia mma i h4 To n s4 msg A As To i sg 1 o To T4 Qeram nia To Sger tram nia 102 C lculo das irreversibilidades Liriam nia GsS To Sger triam nia Por Gouy Stodola libia QREV triam nia ez Se ORBALimam nio Por Exergia Efici ncia pela 1 Lei mma h4 mg hg Ttr am nia E Raina Efici ncia pela 2 Lei ma ex4 Mg exg Qir am nia 1 To T4 tr am nia ma ex4 M7 ex7 Etr am nia m13 X13 Oriana E 1 mu To T7 Mg ezg Propriedades para o fluido refrigerado CO2 ponto 1 h h CarbonDioxide T T1 P PI s s CarbonDioxide T TI P PI v v CarbonDioxide T T1 P PI ponto 4 h4 h CarbonDioxide T 74 P P4 s4 s CarbonDioxide T T4 P P4 v4 v CarbonDioxide T T4 P P4 ponto 8 hg h CarbonDioxide T T8 P P8 sg s CarbonDioxide
16. E me he To i s6 1 To T3 i Qiri gua2 To g Sger tr gua2 66 C lculo das irreversibilidades Lr guaz as To Sger tr gua 67 Por Gouy Stodola Ier guanes QREV tridguazie QREAL tr gua 68 Por Exergia GERAL Balan o de massa O m 1 4 1 Lei da Termodin mica 0 rm hy hg hg the he tha ha Qtrocador 69 calor est negativo pois este volume de controle est recebendo o calor retirado da cerveja 2 Lei da Termodin mica 0 m Spr ma 887 Me 86 ma gt 84 Qirocador To Saeki neo 70 QREV trocadorex Tha ex1 Tg ex3 The exg Tha ex4 1 To T1 Qtrocador 71 Lirocador1 GS To Sini 72 QREALitrocador O ReWnodidoria Lirocador1 GS 13 Efici ncia pela 1 Lei m hi mms hg me he ma ha Ntr gua z 14 Qirocador Efici ncia pela 2 Lei Etr gua2 QREALitrocador Q REV trocadores 15 Grau de Perfei o Termodin mico My ex1 mg ex3 76 Ctri gua OI ring ex4 me exe Qrri guas 1 To T4 TROCADOR DE CALOR AGUA CO gt Volume de controle da gua Balan o de massa O0 m 1 4 1 Lei da Termodinamica 0 thy hi tina ha Qiri gua calor est negativo pois este volume de controle est recebendo o calor retirado da cerveja 2 Lei da Termodin mica 0 hy s1 Tha 84 Qrr gual To Sger tri gua QREV tr qua fa ht To 81
17. R717 T T7 P P7 141 vr v R717 T T7 P P7 142 Ponto 13 13 s Ammonia h hig P P13 143 v13 v Ammonia h hi3 P P13 144 Solution Cijam nia 3 691 kJ kg K Cuj gua 4 138 kJ kg K tr am nia 0 8085 Etri gua 0 5257 Mr am nia 1 Mir gua 1 ho 298 6 kJ kg Aiiquidosat 157 5 kJ kg hvaporsat 1452 kJ kg Ltrocador1 GS 65 75 kW ltr am nia2 ex Hi 913 kW Itr amonia2 GS 913 kW Lip sam niajex 0 1402 kW ltr amonia GS 0 1402 kW Itr gua2 ex 1 691 kW Itr agua2 GS 1 691 kW Itr agua ex 64 06 kW Itr agua GS 64 06 kW P1 17 bar P10 17 bar P11 17 bar P12 17 bar P13 3 bar P2 17 bar P3 4 bar P4 17 bar P5 17 bar P6 4 bar P7 3 bar P8 17 bar P9 17 bar Po 1 bar QREAL trocador 72 87 kW QREAL tr am nia 0 1734 kW Q REAL tr am nia2 1 221 kW QREAL tr agua 48 kW QREAL tr gua2 E 111 1 kW QREV trocador ex 138 6 kW QREV tr am nia 3136 kW QREV tr am nia2 0 6918 kW QREV tr am nia2 ex 6918 kW QREV tr am nia ex 0 3136 kW QREV tr gua 12 58 kW QREV tri gua 112 8 kW QREV tri guaz ex 112 8 kW O REVitri guasda 12 58 kW Qir am nia2 14 65 kW Qatente 1294 kJ Sger tr am nia 0 0004703 kW K iroad 91 57 Qir gua 34 34 KW s0 5 699 kJ kg K S ger triam nia2 0 006415 kW K
18. Sger tr agua2 0 005672 kW K TI 388 2 K T11 283 1 K T12 283 1 K T2 388 2 K T3 298 1 K T5 304 1 K T6 323 1 K T7 satura o 263 9 K T8 283 1 K To 298 1 K Etr am nia 1 Arrays Row Mi Li hi Si Vi eX kg s kJ kg _ kJ kg K m kJ kg 1 0 42 0 909 70 69 0 3163 0 04164 1566 2 0 014 0 091 483 6 1 472 0 001055 1445 3 0 5532 1 105 1 0 3668 0 001003 1396 4 0 42 0 909 11 07 0 5536 0 03097 1555 5 0 014 0 091 131 4 0 4498 0 4498 1398 6 0 5532 1 1 674 0 7036 0 001012 1193 7 0 01098 1 108 6 0 6534 0 001503 1314 8 0 42 0 909 32 0 625 0 02804 1555 9 0 014 0 091 43 64 0 1508 0 0009995 1399 10 0 0042 1 43 64 0 1508 0 0009995 1399 11 0 0098 43 64 0 1508 0 0009995 1399 12 0 42 32 0 625 0 02804 1555 13 0 01098 1443 5 711 0 4032 1140 56 Qtriam nia 8 791 kW Qtr gua2 57 23 kW Sger trocador 0 2205 kW K Sger trsaqua 0 2149 kW K TIO 283 1 K T13 263 9 K T4 304 1 K T7 253 2 K T9 283 1 K Etr gua 0 9649 57 ANEXO A X Y 0 0 22 5 4 4 10 6 6 15 8 8 20 11 25 13 2 30 15 4 35 17 6 40 19 8 45 21 50 Tabela 6 Umidade em X peso de gua adsorvida em Usina 1200 kg h Descobrir a fun o do 1 grau que cont m os pontos 2 2 5 e 4 4 10 Solu o A fun o do 1 grau tem a forma y ax b Vamos substituir nessa express o os dois dados Substituindo 2 2 5 gt 5 a 2 2 b Substituindo 4 4 10
19. Universidade Federal de Sergipe a H Centro de Ci ncias Exatas e Tecnologia N cleo de Engenharia Mec nica Adequa o no Funcionamento de uma Usina de Beneficiamento de G s Carb nico por EDUNOEL RAIMUNDO LEAL BEL M FILHO Trabalho de Conclus o de Curso S o Crist v o SE Julho de 2011 i Universidade Federal de Sergipe H Centro de Ci ncias Exatas e Tecnologia Nucleo de Engenharia Mecanica Adequa o no Funcionamento de uma Usina de Beneficiamento de G s Carb nico Trabalho de Conclus o do Curso de Engenharia Mec nica entregue como requisito parcial para obten o do grau de Engenheiro Mec nico EDUNOEL RAIMUNDO LEAL BEL M FILHO S o Crist v o SE Julho de 2011 ADEQUA O NO FUNCIONAMENTO DE UMA USINA DE G S CARB NICO EDUNOEL RAIMUNDO LEAL BEL M FILHO Esse documento foi julgado adequado para a obten o do T tulo de Engenheiro Mec nico e aprovado em sua forma final pelo colegiado do Curso de Engenharia Mec nica da Universidade Federal de Sergipe Prof Dr Wilson Luciano de Souza Coordenador do Trabalho de Conclus o de Curso Banca Examinadora Nota Prof Dr Wilson Luciano de Souza Orientador Prof Dr Paulo M rio Machado de Araujo Prof Dr Seyyed Said Dana M dia Final Agrade o a Deus meus pais Diana Ribeiro e Edunoel Bel m meus irm os Rayssa minha namorada toda minha fam lia e amigos pelo amor e carinho deposi
20. a garantir que a mesma opere com sua menor capacidade durante 10 minutos 11 3 3 7 Compressores de CO2 Equipamento que tem como fun o comprimir o CO gasoso O compressor utilizado na usina de tratamento de CO do tipo alternativo Esse tipo de m quina se utiliza de um sistema biela manivela para converter o movimento rotativo de um eixo no movimento translacional de um pist o ou embolo como mostra a figura abaixo Dessa maneira a cada rota o do acionador o pist o efetua um percurso de ida e outro de vinda na dire o do cabe ote estabelecendo um ciclo de opera o Equipado com e Transmissores de temperatura e press o e Sensores e Trocadores de calor e Separadores de l quido e Purgadores mec nicos e V lvulas de seguran a e V lvulas de bloqueio Figura 1 Est gios de compress o compressor alternativo DOSSAT 2004 3 3 8 Filtros desidratadores Equipamento que t m como fun o remover a umidade do CO2 12 Equipado com e V lvulas autom ticas e Sistema de regenera o a ar com aquecimento e compressor radial e Sistema de resfriamento com CO topo do condensador e Purga p s aquecimento e Retorno de CO de resfriamento para o processo Separador de Espuma e Transmissores de temperatura e press o e V lvulas de seguran a Considera es de Projeto e Regenera o independente dos 02 filtros e Controle autom tico do tempo de opera o e posterior regenera o
21. a NH3 Calibrar o transmissor de pureza do CO2 Verificar o alinhamento do acoplamento do compressor de NH3 Limpar o fundo da torre de permanganato dos sais e cristais acumulados 62 A cada ano e Certificar se que todos os transmissores de temperatura e press o est o ajustados corretamente 6 Certificar se que todas as v lvulas de seguran a est o ajustadas corretamente Ta Certificar se que o leo na planta de refrigera o est em boas condi es limpo e transparente Certificar se que o leo nos compressores de CO est em boas condi es 8 limpo e transparente 9 Trocar o leo em caso de mudan a de cor 10 Trocar o carv o ativado no filtro declorador A cada 2 anos e max 12 000 h de opera o dos compressores de CO2 Trocar os elementos de secagem dos Desidratadores Trocar o carv o ativado nos filtros de carv o
22. a CO2 31 C Temperatura de sa da CO2 10 C Press o entrada NH3 3 bar Press o sa da NH3 3bar Temperatura de entrada NH3 30 C 5 2 Universo e Amostra Conforme as necessidades deste projeto o universo da pesquisa foi realizado na usina de tratamento de g s carb nico da planta da Companhia de bebidas das Am ricas ambev e teve suporte t cnico dos funcion rios do setor de utilidades e do Centro de Engenharia da Companhia CENG 5 3 Instrumentos de Coleta de Dados O estudo foi realizado atrav s das an lises de par metros do funcionamento da planta de CO em condi es ideais e em condi es n o favor veis as altera es sist micas testadas tamb m auxiliaram gerando novos par metros de an lises al m disso foi utilizada a t cnica de observa o no intu do de possibilitar maior entendimento na realiza o do projeto 5 4 Plano de An lise de Dados Para tratamento dos dados do presente estudo ser utilizada valores referentes obtidos nas an lises termodin mica dos trocadores an lise comparativa onde o par metro coletado no campo nos possibilitar chegar a n meros que represente a efici ncia do nosso equipamento gargalo sendo poss vel assim simular situa es timas de funcionamento desse equipamento e propor melhorias consistentes no processo estudado 27 6 ANALISE DO FUNCIONAMENTO DE UMA USINA DE CO 6 1 Introdu o Neste cap tulo ser o analisados e interpretados os dados
23. a F sica Exergia Qu mica Referencial Figura 3 Diagrama de Exergia SOUZA 2007 apud TORRES 1998 A exergia est dividida em tr s partes exergia cin tica potencial e t rmica No nosso estudo iremos considerar apenas o uso da exergia t rmica ou seja consideraremos a exergia potencial e t rmica desprez veis temos 22 ex h ho To s So ext 4 8 A partir do conceito de exergia pode se definir de outra forma a irreversibilidade Sabendo se que o trabalho revers vel deve ser igual soma da varia o da disponibilidade associada ao fluido que escoa no volume de controle com trabalho revers vel que pode ser extra do das m quinas t rmicas revers veis que operam entre os reservat rios t rmicos com temperatura T e a temperatura do meio To ou seja To A ve Me Xe 2 Tnsexs Dl a n Que j 4 9 Sendo assim temos a irreversibilidade como Le Wier Wyreal 4 10 4 5 Efici ncias A efici ncia de um equipamento medida que mostra o quanto do potencial te rico total do sistema estamos usando ou seja seu desempenho 4 5 1 Efici ncia de Primeira Lei A efici ncia do ponto de vista da primeira Lei da Termodinamica ou efici ncia energ tica corresponde compara o entre duas quantidades energ ticas que relacionam a energia efetivamente til e a energia disponibilizada ao sistema t rmico ou seja SOUZA 2007 n Energia til 4 12
24. abilidade no funcionamento de cada trocador de calor analisado foi o que deu credibilidade a decis o em priorizar como equipamento gargalo os filtros secadores A an lise de funcionamento dos filtros secadores com alumina F200 foi uma relevante tentativa de reverter o percentual de gua remanescente no g s desumidificado Por m como visto o ganho na secagem do g s n o foi suficiente para impedir o congelamento da serpentina do trocador de calor do refervedor Foi verificado que a maneira mais vi vel de secar o g s carb nico dentro das caracter sticas necess rias para opera o da unidade de purifica o ap s o projeto de amplia o da usina seria a aquisi o de mais um par de filtros secadores com as mesmas caracter sticas do atual Dessa forma a usina passaria a operar com um par de filtros por vez A an lise de viabilidade econ mica do projeto mostra um retorno em 3 5 meses para do capital investido na readequa o da usina levando em considera o que na atual situa o 70 da compra do fluido tem como origem fornecedores externos 44 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Energia e primeira e segunda lei da termodin mica Disponfel em lt http www fem unicamp br em3 13 paginas textos apostila2 htm gt Acesso em 08 07 2011 Propriedades gerais do CO Disponivel em lt http albertopitanga blogspot com 2008 1 1 propriedades fsicas do co2 html gt Acesso em 15 05 2011 JUNIOR L C M Coeficiente global de
25. ada com uma baixa press o na suc o do compressor de NH3 existentes pode ser um indicativo de ac mulo excessivo dos gases inertes no topo do vaso Verificar e anotar o n vel de NH3 Compressor de NH3 Verificar n vel de leo atrav s do visor 60 Semanalmente Lavadores e Bal o e Limpar o filtro e Efetuar a retro lavagem do filtro declorador conforme descrito abaixo 1 Abrir a v lvula by pass 2 Fechar a valvula de entrada do filtro declorador 3 Abrir lentamente a v lvula de dreno do declorador Fechar a v lvula de dreno do declorador 4 Abrir a v lvula de entrada do filtro declorador 5 Fechar a v lvula by pass e Verificar ajustar a vaz o da solu o de permanganato conforme descrito abaixo 1 Desligar a bomba de permanganato 2 Aguardar 5 minutos para se garantir o assentamento total do l quido na torre 3 Efetuar a marca o do n vel indicado por 4 Ligar a bomba de permanganato 5 Com um cron metro verificar se o n vel de solu o cai 60 mm em 10 segundos 6 Caso o n vel baixe mais de 60 mm nesse intervalo de tempo restringir um pouco mais a v lvula na descarga da bomba Caso o n vel baixe menos de 60 mm nesse intervalo de tempo abrir um pouco mais a v lvula 7 Repita os passos 1 a 7 at que o ajuste esteja correto Isso garantir uma vaz o de 8m h necess ria para uma recupera o continua de CO de 1000 kg h e Limpar o man metro na descarga da
26. alor do processo de desidrata o do CO O resultados obtidos da an lise termodin mica do processo de desidrata o do CO atrav s do c digo computacional est o mostrados na Tab 5 e nas Figs 8 9 e 10 Na tabela 5 os fluxos envolvidos no sistema e os valores da vaz o m press o P temperatura T concentra o x entalpia h entropia s e exergia ex fornecidos pelo c digo computacional s o apresentados 39 Tabela 5 Par metros termodin micos da unidade de desidrata o T h s ex 2C kJ kg kJ kgK kJ kg 0 909 70 69 0 3163 1566 2 vapores eta Na ANANA 17 115 0 091 4836 1 472 1445 resfriador gua de resfriamento entrada do 3 l 4 resfriador Descri o dos fluxos CO g s entrada do resfriador 105 1 0 3668 1396 ES 0 909 11 07 0 5536 1555 area eau 1 0 091 1314 0 4498 1398 entrada de gua no desumidificador gua de resfriamento sa da do 4 50 1 1 674 0 7036 1193 resfriador 3 Am nia l quida entrada do trocador 3 20 1 1086 06534 1314 E saraa de cO do desumidificador Agua liquida sa da do 17 10 0 091 43 64 0 1508 1399 desumidificador Sa da de CO do desidratador 43 64 0 1508 1399 11 17 10 Sa da de gua do desidratador 0 01 43 64 0 1508 1399 12 Sa da de CO do filtro de carv o 0 42 17 0 625 1555 10 32 13 sald doemeniade 0011 3 1443 5711 1140 desumidificador A taxa de tra
27. aporadores e Alta produ o x baixo consumo redu o na efici ncia de condensa o que dever ser suprida pelos compressores de refrigera o havendo portanto um aumento no consumo de energia el trica ENGEL 2002 CONSUMO AGE 3 ECONOMIZADOR EVAPORADOR f re i o 4 CONDENSADOR DE CO2 Aa TANQUE CO2 e __ 7 TORRE 7 DESTILAG O f TANQUE DE si a FILTROS gt __ REFLUXO REFERVEDOR Figura 2 Sistema economizer integrado a usina de CO Fonte Union Engenharia Ltda Est ncia Se 2011 3 4 Plano de manuten o A correta manuten o da usina de tratamento de g s carb nico sem duvida alguma o ponto diferencial para garantir que a planta opere com grande efici ncia 17 Segue em anexo plano de manuten o da usina que tem por finalidade aumentar gradativamente a vida til dos equipamentos 18 4 FUNDAMENTACAO TEORICA 4 1 Introdu o Neste cap tulo ser o apresentadas a Lei da conserva o da Massa e da Esp cie a Primeira e a Segunda Lei da Termodin mica e o conceito de exergia uma vez que s o ferramentas essenciais para a determina o dos balan os de massa e de energia no c lculo das efici ncia e irreversibilidades dos processos apresentado tamb m a ferramenta que servir na avalia o da viabilidade e do retorno do capital investido 4 2 Conserva o da massa da esp cie e a 1 e 2 Leis da Termodin mica Energia um concei
28. arb nico comprado em um m s de aproximadamente 37 toneladas O custo do CO no principal fornecedor da unidade White Martins gira em torno de R 2 15 por kg por m a transfer ncia de CO de outra unidade da Cia gera o custo de R 0 15 por kg Com a an lise de payback verificado que o tempo de retorno do investimento pode ser de at 2 5 meses caso o CO seja comprado do fornecedor externo ou at 36 meses caso o CO seja adquirido por transfer ncia interna Segundo hist rico de compra da unidade temos que 70 do g s comprado externo Dessa forma temos o retorno do capital investido no equipamento em 3 5 meses e um excelente atrativo financeiro para a viabilidade do projeto 43 8 CONCLUSAO Observou se que a inefici ncia da usina de tratamento de CO gera grande lacuna no estoque de suprimento da f brica Calculou se que a unidade como um todo opera com 80 de efici ncia fato esse gera a necessidade de compra do g s carb nico Seguindo o fluxo correto da an lise de causa e efeito realizada pelo presente trabalho na planta de tratamento de CO todos os pontos analisados como potenciais causadores da anomalia foram estudados Os resultados dos c lculos das efici ncias termodin micas realizados no programa Engineering Equation Solver EES foram satisfat rios para o resfriador 52 e para o desumidificador 80 tendo em considera o suas caracter sticas de funcionamento A investiga o da efici ncia e confi
29. bela temos que o g s que entra no desidratador com 10 de umidade relativa e sai do mesmo com umidade de 5 85 Esse valor de 5 85 segundo fabricante da usina de purifica o o limite de porcentagem ideal de umidade no g s para que n o ocorram congelamentos Os c lculos em anexo 1 apontam a umidade real do g s na sa da do desidratador e entrada da unidade de purifica o O percentual de 6 71 representa a umidade relativa do g s ap s passar pelo filtro desidratador esse valor esta acima do m ximo descrito pelo fabricante da unidade de purifica o como m ximo necess rio para n o ocorr ncia de congelamento da serpentina do refervedor A quantida de alumina utilizada em cada um dos dois filtro desidratador 500 kg Conforme visto essa quantidade de alumina n o atende a atual vaz o de g s carb nico beneficiado Como o peso de alumina utilizada quando usina opera com 1200 kg h esta pr ximo ao valor limite de umidade do g s na entrada da usina de purifica o a readequa o do filtro para capacidade de suportar 25 a mais de alumina uma alternativa que atenderia os par metros de umidade do g s na sa da da usina 42 7 4 An lise de viabilidade econ mica A proposta enviada pela Union engenharia empresa fabricante do filtro desidratador ap s solicita o da unidade Sergipe contemplava o custo de aquisi o e instala o do equipamento em R 198 000 00 Conforme calculado anteriormente o volume de g s c
30. ciente poss vel depende das condi es de press o e temperatura vinda do primeiro resfriador citado na sess o 6 1 Conforme avaliado na inspe o do resfriador podemos garantir que os gases na entrada do desumidificador encontram se nos par metros ideais de funcionamento Conforme cat logo do fabricante da usina a temperatura de entrada do g s no desumidificador deve ser igual ao da sa da do resfriador 31 C temperatura de sa da deve estar dentro da faixa de 10 a 8 C e na mesma press o de entrada O primeiro ponto de verifica o nesse equipamento foi calibra o dos instrumentos de medi es de temperatura e press o com a calibra o desses as indica es permaneceram as mesmas ou seja n o havia erro nas leituras tanto de press o como de temperatura do equipamento O segundo ponto verificado foi o funcionamento do purgador de gua do desumidificador O purgador do tipo b ia permite a passagem de l quido quando o mesmo chegar ao n vel de abertura da b ia nesse ponto que desidratamos o g s retirando a gua condensada O funcionamento do purgador conforme an lises de dois instrumentistas estavam dentro do recomendado ou seja a gua condensada estava sendo eliminada com efici ncia Terceiro ponto analisado foi estanqueidade do trocador para que isso fosse poss vel foi necess rio despressurizar o do trecho resfriado por am nia e retirado dos parafusos do flange do trocador Depois de sacado o trocador foi po
31. d agli 26 5 3 Instrumentos de Coletas de Cados anioni 26 54 Plano de Analise d Dados su e E a ee aE A ER 26 6 AN LISE DO FUNCIONAMENTO DE UMA USINA DE CO 27 Gell TO GU CAO nse a e ENA E EE elio 27 6 2 Fro dor de Calor Casco Cubo aaa ana Sale Beene eG ee ee as 29 6 gt Desumidincador sects tai aaa eee ahead Ci le Alene ie he ee 30 G AE Secador EEE EE TTE E iii eee 31 6 4 1 Ciclo de Regenera o irreale ad 32 6 4 2 Pontos de Inleryenc ES 5 1nc02 s0rngsreuennsoneseatwaze guar IO Ae ESITA ands on erison e otini n tapossa iseten 33 6 4 2 1 Instrumentos de Medicdo i ila 33 0422 Agente ASR VETO wags saia esas EG EE Eea A OELSE AE eae 33 G72 2D Paltros SeCAdOres iaeiiai saanen a ae ba na Eaa a Tiaa ae IINR 36 6 5 Evolu o T pica do CO proveniente dos fermentadores i 37 7 RESULTADOS E DISCUSSOES i 38 pd Do ico o Li To To PETE CEDER SURDO MERAS UU UCA RESP RD E SU RE NBR ERRO RED SD RES PEDE DURE 38 7 2 An lise termodin mica dos trocadores de calor do processo de desidrata o do CO2 38 7 3 An lise da umidade do CO nos filtros desidratadores 41 7 4 An lise de viabilidade econ mica 42 B CONCLUS O assitir tails ness Dri A E E ra 43 REFER NCIAS BIBLIOGR FICAS eee 44 AP NDICE xiii ANEXOS 1 INTRODUCAO A perda de g s carb nico uma das maiores fontes de preju zo relacionado
32. de PUNTICACAO RR a Sanne A a a 14 3 312 Unidade de Refrigera o spt er insisto asda sin aaa 15 3 3 13 ECONOMIZE sisien h ts atau cated onda aaa aea aee SEAS a cado hi a TNR 15 3 4 Plano de manuten o aussi a Gado ads Cd A QU as dd 16 4 FUNDAMENTA O TE RICA ie 18 4 1 Introdu o stri IRIS TEORIA TORA Deda CAT NI ai nanda dotadas 18 4 2 Conserva o da massa da esp cie e 1 e 2 Lei da termodinamica 18 4 2 1 Lei da conserva o da Massaia 18 4 2 2 Primeira lei da termodinamica ais O E SO a 19 4 2 3 Segunda lei da lenmodinamica asa 19 xii 4 2 4 O conceito de 1treversibili dade 5 2 1 Lillo lello polipo leali 20 E 230 COMCE ILO deere ei 20 AD EHCICHCIAS lai ce ase ai Raia iui e lic asda ie 22 45 Ehndienciade Ol 2 sce eana cease ORE a SUR BENI E AEREAS RS RETIRO CER ESPN ENE PER E PS 22 4 S 2 Efici ncia de 2 els use i ne o E E a E E KEE eae ee eee 23 4 6 Defini o dos volumes de controle yic c5 ccccccasesessisnctatecessssseuseesenotsaaaeeeceensadensnegaeeessonseens 23 4 7 Aplica o das Leis de Conserva o nos volumes de controle do processo de desidrata o do CO rP EAEE E 23 4 8 Custo MONETA O orientation nni reale DA DN RD IN RR RR E lea 24 5 METODOLOGIA ssa ATENA sinta aa PRIA RIINA LARIO Ira er 25 5 1 M todos e Classifica o da Pesquisa 1cic2ccjasndesdaaandiesscasdvatiadnaddaduas aaa aaa A aaa 25 5 2 Universo e ATMOStra praticata aida ie iaia leda ESR E ate
33. de toda a torre dessecante 2 Alta resist ncia ao esmagamento F 200 tem uma alta resist ncia ao esmagamento que permite carregamento pneum tico r pida de torres A resist ncia ao esmagamento de alta tamb m permite utiliza o de torres mais altas que fazem mais utiliza o eficiente do dessecante F 200 alumina ativada altamente resistente a amina ataque Al m disso F 200 de alta resist ncia ao esmagamento permite para desidratar o cido contendo gases e l quidos tais como o CO2 por uma vida til mais longa 3 Baixa abras o A baixa abras o da F 200 garante menos p durante vida transporte carregamento e servi os que reduz a queda de press o e minimiza a v lvula a jusante e entupimento do filtro comum com empoeirado produtos 4 Alta capacidade de adsor o F 200 de elevada rea superficial e poros sob medida distribui o de proporcionar uma elevada din mica HO capacidade de adsor o Com projeto de torre correta e eficaz regenera o F 200 pode atingir um 35 especifica o H2O baix ssimo efluentes isto do ponto de orvalho F 200 tamb m tem excelente estabilidade c clica que rende uma maior vida til A substitui o da alumina foi o primeiro par metro do projeto que poderia ser modificado que apresentasse ganho real ao sistema No dia 25 05 2011 a alumina F 200 foi substitu da no sistema O primeiro passo apos substitui o da alumina foi alinhar o striper para opera o A planta
34. e NH no condensador casco feita atrav s de uma v lvula tendo sua abertura fechamento controlado por um transmissor de n vel A expans o do refrigerante NH ocorre atrav s de v lvula piloto ou redutora agulha sendo seu ajuste efetuado durante o comissionamento e de acordo com a press o nominal na descarga do compressor de NH e o volume de l quido a ser injetado O condensado proveniente do condensador de CO levado atrav s de gravidade para o tanque de refluxo A inclina o do vaso 5 permite o ac mulo dos gases inertes provenientes do sistema de purifica o no seu ponto mais alto facilitando a purga dos mesmos e que ser controlada por um transmissor Equipado com e Sistema autom tico de inje o e controle de n vel de NHs e V lvulas de bloqueio e Transmissor de press o CO2 e V lvulas de seguran a e Dreno de leo do lado casco NH3 e V lvulas de dreno e Analisador de pureza para purga autom tica do CO e Medidor de vaz o para purga regenera o 14 3 3 11 Unidade de Purifica o Com o objetivo de garantir a maior pureza poss vel do CO pela remo o do oxig nio e nitrog nio a planta fornecida com a op o de um sistema de purifica o com capacidade nominal de 1 000 kg h O g s CO proveniente dos filtros desidratadores passa pelo refeverdor ou evaporador da unidade de purifica o onde resfriado antes de seguir para o condensador de CO da planta de CO e n
35. e m todo uma forma de aumentar a seguran a dos neg cios da empresa e Adequado avalia o de projetos em contexto de risco elevado e Adequado avalia o de projetos com vida limitada 25 5 METODOLOGIA Este cap tulo tem o objetivo avaliar as ferramentas necess rias na constru o do presente projeto e os recursos para atender o escopo do projeto 5 1 M todos e Classifica o do Projeto Foi utilizado como m todo de pesquisa dois estudos de caso que permite analisar fen menos decorrente na mudan a de layout e par metros operacionais conduzindo o investigador a concentrar se em aspectos ou situa es espec ficas na tentativa de identificar os diversos processos de intera o no assunto estudado Os dados de entrada do processo foram coletados no campo e ser o mostrado nessa se o separados por equipamento Segue abaixo dados necess rios para c lculo de efici ncia termodin mica nos trocadores de calor analisados Tabela 3 Dados do resfriador Dados Valor Press o entrada CO2 17 bar Press o sa da CO2 177 bar Temperatura entrada CO 115 C Temperatura sa da CO2 31 C Press o entrada gua 4 bar Press o sa da gua 4 bar Temperatura entrada gua 250 Temperatura sa da gua 50 C 26 Tabela 4 Dados conhecidos do desumidificador Dados Valor Press o entrada CO 17 bar Press o sa da CO2 17 bar Temperatura de entrad
36. em condi es normais de opera o para um valor pr ximo a 31 C nesse equipamento n o retirado umidade Apesar dos equipamentos medidores de temperatura indicarem valores bem pr ximos ao esperado na sa da do g s no trocador de calor foi decidido abrir o equipamento e verificar calibra o do equipamento de medi o de temperatura com isso foi poss vel tamb m realizar teste de estanqueidade nos tubos do trocador Foi verificado que o trocador estava em excelente estado de funcionamento sem incorpora o de gua nos tubos Apesar da press o da gua de resfriamento 3 bar ser bem inferior ao do g s 17 bar e nessas condi es ser imposs vel que se passe gua para dentro dos tubos preenchidos pelos gases a incorpora o poderia ocorrer no momento em que a planta parasse e houvesse despressurizar o do sistema Figura 5 Tubos do trocador de calor casco tubo Com a an lise termodin mica ap ndice foi constatado que a efici ncia do trocador gira em torno de 52 O valor de efici ncia n o maior em virtude das grossas camadas de a o 30 dos tubos do trocador que tem por finalidade evitar o m ximo a possibilidade de incorpora o de gua no g s comprimido 6 3 Desumidificador A fun o do desumidificador fazer uma pr desidrata o do g s ou seja retirar parte da gua que se encontra misturado com o CO2 Os par metros ideais para que essa pr desidrata o ocorra da maneira mais efi
37. endo o ger vc calculado pela Segunda Lei da Termodin mica Eq 4 3 4 2 5 O conceito de Exergia A exergia o m ximo de trabalho te rico poss vel de ser obtido a partir de um sistema global composto por um sistema e o ambiente conforme este entra em equil brio com o ambiente atinge o estado morto MORAN SHAPIRO 2008 Exergia em termos pr ticos seria o trabalho necess rio poss vel que o sistema entre em equil brio com o ambiente Est vari vel relacionado com a irreversibilidade pois quanto 21 menor a exergia do sistema maior ser o trabalho revers vel diminuindo a irreversibilidade O trabalho revers vel na sa da de qualquer volume de controle ser m ximo quando este estiver com potencial qu mico m nimo energia potencial m nima e velocidade desprez vel ou seja suas condi es se assemelham ao meio ambiente Sendo assim temos 2 ex h a gZ Tos ho 9Zo Toso 4 6 Para um processo em regime permanente e admitindo que o volume de controle apresente uma se o de entrada e outra de sa da a equa o do trabalho revers vel por unidade de massa referente ao fluxo escolhido tem a seguinte forma Ti vc he Ase hs Toss dj 01 7 Que j 4 7 Didaticamente existe uma divis o da exergia que representada em forma de diagrama como mostrado abaixo Exergia Cin tica Exergia Potencial Exergia Exergia Total Termomec nica Exergia ou T rmic
38. este ltimo sua maior parte condensada a uma temperatura entre 25 C e 30 C dependendo da press o de trabalho da unidade O condensado proveniente do condensador de CO levado atrav s de gravidade para o tanque de refluxo que tem seu n vel indicado por um transmissor e controlado por uma bomba atrav s de um inversor de freqii ncia A velocidade da bomba proporcional ao n vel dentro do tanque que ter o CO l quido transferido para o topo da coluna de destila o O CO l quido flui pela coluna de cima para baixo em contra fluxo do CO gasoso evaporado no Reboiler Esse processo destila o CO l quido at sua pureza desejada Todos os gases inertes provenientes da coluna de destila o acumulam se no topo do condensador de CO sendo posteriormente purgados automaticamente atrav s de uma v lvula de acordo com a pureza lida no analisador de CO O CO l quido proveniente do fundo do Reboiler casco altamente puro ent o levado aos tanques de estocagem por uma bomba de drenagem tendo sua partida parada controlada por dois sensores de n veis A v lvula de reten o localizada na linha de g s proveniente dos tanques de estocagem tem como fun o impedir a contamina o dos mesmos por gases inertes provenientes da coluna de destila o Caso a press o dos tanques de estocagem aumente em rela o press o de trabalho da usina de CO a v lvula de reten o permitir o retorno desses gase
39. eu ciclo do ponto onde se encontrava anteriormente assim que a energia retornar e os alarmes forem eliminados Alarmes referentes ao per odo de regenera o n o permitir o a contagem regressiva do tempo da mesma at que o problema seja resolvido e os alarmes eliminados Os filtros de carv o ativado seguem o seguinte ciclo de opera o regenera o 33 e Opera o 24 horas de produ o ou 720 horas de usina inoperante e Opera o Paralela 60 segundos e Despressurizarao 30 minutos e Aquecimento 220 a 720 minutos e Resfriamento com ar 15 minutos e Resfriamento CO2 1 30 minutos e Resfriamento CO2 2 300 a 600 minutos e Pressuriza o 45 minutos e Stand by At que o filtro saia de opera o 6 4 2 Pontos de interven es A seguir ser o relatados os pontos nos quais foram analisados o secador 6 4 2 1 Instrumentos de medi o O primeiro ponto monitorado nesse equipamento foi s calibra es de seus instrumentos Aproveitando o dia de inventario da f brica em que houve corte de gua para todas as reas foram retirados todos os instrumentos utilizados nesse equipamento como v lvula autom tica v lvula de seguran a e transmissores de press o e temperatura conferindo assim a calibra o dos mesmos Conforme orientado pelo plano de calibra o dessas v lvulas e transmissores todos esses instrumentos estavam em seu per odo correto de calibra o e em perfeita condi es de funcionamento 6 4 2 2 A
40. fici ncia confirma o perfeito estado de operabilidade do equipamento como verificado em an lise de campo 6 4 Secador O equipamento da usina especificamente respons vel pela desidrata o do g s s o os filtros secadores Sem sombra de d vidas nele que se deve dedicar maior aten o nesse trabalho O princ pio de funcionamento desse equipamento tem como elemento adsorvedor de umidade a alumina Dois filtros com volume interno dos tanques de 1 5 m3 completamente preenchidos por alumina trabalham de maneira alternada na maneira que um filtro satura suas resinas com umidade o outro filtro entra em opera o para que o outro possa ser regenerado Segue o ciclo de regenera o dos filtros secadores que impreterivelmente deve ser obedecido 32 Figura 6 Filtros Secadores Fonte Usina Union Engenharia 6 4 1 Ciclo de regenera o Os dois filtros desidratadores est o em opera o regenera o de acordo com um ciclo de 48 horas de produ o definidas de acordo com a capacidade dos compressores de CO2 e Usina a 50 de sua capacidade ser o contados 02 minutos corridos para cada minuto de opera o do filtro e Usina a 100 cada minuto corrido ser considerado como 01 minuto de opera o do filtro Sempre haver um filtro em opera o e outro em regenera o Caso durante a regenera o do filtro ocorrer uma falta de energia parada de emerg ncia ou qualquer alarme de regenera o o mesmo continuar s
41. genera o safda do fluido de 2120 C P 8 inferior do secador regenera o Fonte Dados da Union Engenharia Est ncia SE 2011 A seguir s o descritos o objetivo do uso dos equipamentos seu princ pio de funcionamento e os instrumentos necess rios para o correto funcionamento de uma usina de tratamento de g s carb nico 3 3 1 Separador de espuma Ap s sa da dos tanques fermentadores a press o relativa de 0 30 bar o CO entra na usina O primeiro equipamento da planta o separador de espuma que tem como fun o prevenir a passagem de espuma na entrada da usina A distribui o interna dos bicos injetores possibilita a forma o de uma ampla nuvem de gua e garantindo a remo o da espuma e outras subst ncias s lidas Toda agua utilizada prov m do pr lavador atrav s de uma bomba de dreno proporcionando economia da mesma Fabricado em a o inox 304 Equipado com e Sensor de n vel alto seguran a e V lvula de sopro que opera de acordo com os sensores de n vel do bal o funcionando como seguran a para evitar o rompimento do mesmo e V lvula de Bloqueio que atua de acordo com a opera o da usina e o sensor de n vel alto do bal o e Bicos injetores spray que garantem a correta distribui o da gua dentro do vaso para a lavagem do g s e Dreno autom tico respiro e V lvula manual de dreno 3 3 2 Pr lavador Equipamento que tem por finalidade remover subst ncias sol veis
42. gente adsorvedor O segundo ponto monitorado e de fundamental import ncia para atingimento do par metro necess rio ponto de orvalho do g s igual a 60 C a alumina utilizada para adsor o Em contato direto com o fabricante do equipamento empresa dinamarquesa Union foi relatado pelos seus t cnicos exist ncia de uma alumina com o poder de adsor o de l quido um pouco maior da que est vamos usando atualmente Segue abaixo caracter stica desse produto 34 Informa es sobre a Alumina F 200 F 200 uma esfera lisa de carv o activado alumina produzida pela Almatis exclusivo processo de fabrica o e est dispon vel em uma variedade de tamanhos F 200 uma excelente dessecante para secagem de uma ampla variedade de l quidos e gases Apesar de todas as mol culas s o adsorvido em certa medida F 200 essas mol culas tendo a maior polaridade s o preferencialmente adsorvidas Condi es de fluxo tais como press o concentra o e peso molecular das mol culas temperatura e site mol culas concorrentes afetam o efici ncia de adsor o Benef cios do produto 1 Uniforme tamanho de uma bola Esta propriedade especialmente til em alta press o desidrata o de g s ondea minimiza o queda de press o importante O uniforme tamanho e esfericidade da F 200 impedem a segrega o adsorvente durante o carregamento pneum tico assim minimizando canaliza o e rendendo utiliza o mais eficiente
43. ha se tornado marrom substitu la e Consumo Considerar 0 2 kg de permanganato de pot ssio para cada tonelada de CO2 desde que respeitado o limite dos compostos do enxofre do projeto e Controle da vaz o Evitar um diferencial de press o superior a 3barg na descarga da bomba o que poderia provocar um aquecimento desnecess rio da solu o e Funcionamento da bomba Deve ser cont nuo independente do status da usina de CO2 evitando se assim a incrusta o de res duos no rotor e seu posterior travamento e Limpeza da torre A torre deve ser aberta a cada 90 dias para a retirada dos sais acumulados no fundo O recheio pl stico deve ser retirado para limpeza manual externa a cada 6 meses de opera o ENGEL 2002 3 3 4 P s lavador Equipamento que tem por finalidade remover subst ncias sol veis em gua remanescentes no g s al m de evitar o arraste do vapor da solu o de permanganato para o bal o protegendo o tamb m contra sobre press o Equipado com e Recheio pl stico e Bomba de dreno e Demister e Bico de spray e V lvulas para ajuste bloqueio da vaz o de gua e Rot metro e Sensor de vaz o seguran a e Visor de n vel e V lvula de dreno A torre desenhada de forma a proporcionar o menor consumo de gua poss vel O pr lavador utiliza gua drenada do p s lavador que posteriormente ser reaproveitada pelo separador de espuma Para proteger o bal o contra sobre press o
44. im Sane eres Diario PETE S de distribui o distribui o Teor de SO no CO Max 100 ppb Leitura direta no medidor Lasers pontino produzido eletr nico eon de OOF no CO Max 100 ppb Leitura di ae dido Uma vez por turno produzido eletr nico Teor de O no CO 5 Leitura direta no medidor M x 20 ppm Ss Uma vez por turno produzido eletr nico Fonte Dados da Union Engenharia Est ncia SE 2011 Tabela 2 Par metro de controle necess rios para consumo do CO PARAMETROS DE CONTROLE VALOR FREQU NCIA An lise com bureta Pureza do CO na entrada volum trica ou do condensador f brica 299 80 Obisphere na entrada da Uma vez por turno com stripper usina e safda do purificador An lise com bureta Pureza do CO na entrada volum trica ou do condensador fabrica Obisphere na entrada da Uma vez por turno com stripper usina e safda do purificador Temperatura final de Leitura direta no regenera o do carv o gt 140 C indicador de temperatura Ada nao sa da do fluido de na sa da dos gases de regenera o regenera o Teste de c mfora na Isen o de leo e graxa no sa da de distribui o Di rio CO de distribui o 0018 PT 03301 005 LC permaganato ativo Leitura direta no 20 a 40 C indicador de temperatura Uma vez por turno evaporador Temperatura do CO ap s evaporar Temperatura final de regenera o do secador Leitura direta no E gt 120 indicador de temperatura A cada re
45. ina da planta de CO2 Foi solicitada a ger ncia fabril da unidade a visita do fabricante do equipamento para an lise dos fatos e parecer t cnico dos especialistas Segundo especialista da Union engenharia outra planta de CO da AmBev j havia apresentado essas caracter stica no congelamento A solu o proposta nessa outra unidade foi diminuir o tempo de regenera o 37 dos filtros Foi constatado em nossa unidade que o tempo de regenera o dos filtros j estava o menor poss vel e que a solu o adequada realmente pudesse ser a substitui o dos filtros 6 5 Evolu o T pica do CO proveniente dos fermentadores O gr fico abaixo define o ganho em CO quando operamos a usina com o sistema de purifica o pu EEE ani A Kg h CO AE E BO qi i MIRI boot DDD XX LASA S q Produ o Disa Di ria ISLAS AS AAA SAS AA Horas Figura 8 Beneficiamento de CO usina padr o e usina com purifica o Levando em considera o tanques fermentadores com capacidade volum trica de 4000 hl pode se contabilizar no final de 30 dias de fermenta o ganhos de ate 37 toneladas de CO 38 7 RESULTADOS E DISCUSSOES 7 1 Introdu o Este cap tulo apresenta os resultados obtidos com as an lises termodin micas do processo obtidos a partir de simula es no programa Engineer Equation Solver EES e estudo de campo do equipamento desidratador 7 2 An lise Termodin mica dos trocadores de c
46. ito utilizando a gua como fluido refrigerante os pontos 3 6 representam entrada e sa da do fluido no trocador de calor respectivamente No segundo trocador de calor do sistema desumidificador parte do vapor de gua presente no g s em desidrata o 4 5 condensado e drenado atrav s de um purgador do tipo b ia a propor o de gua ainda presente no g s representado pelo ponto 9 o CO g s na sa da do desumidificador indicado pelo ponto 8 O filtro desidratador por alumina a ltima etapa de desidrata o do g s em condi es de funcionamento ideal da usina praticamente toda gua presente no g s retirada pelo ponto 11 e o CO desidratado segue para purifica o conforme orienta o do ponto 10 29 6 2 Trocador de calor casco tubo Uma das aplica es da transmiss o de calor o estudo dos transmissores de calor elementos comuns a qualquer tipo de ind stria O transmissor de calor um aparelho que se prop e a transmitir calor entre dois sistemas flu do quente e flu do frio Esta transmiss o pode ser feita atrav s de elementos que separam os sistemas ou diretamente misturados os componentes JUNIOR 2001 Esse equipamento conforme citado acima o primeiro respons vel pelo resfriamento do g s que apresenta aproximadamente 10 de umidade Sua fun o no sistema baixar a temperatura do g s de 115 C temperatura da descarga do segundo est gio do compressor de CO
47. itu do por mol culas de geometria linear e de car ter apolar Por isso as atra es intermoleculares s o muito fracas tornando o nas condi es ambientais um g s Da o seu nome comercial g s carb nico O di xido de carbono essencial vida no planeta Visto que um dos compostos essenciais para a realiza o da fotoss ntese processo pelo qual os organismos fotossintetizantes transformam a energia solar em energia qu mica Esta energia qu mica por sua vez distribu da para todos os seres vivos por meio da teia alimentar Este processo uma das fases do ciclo do carbono e vital para a manuten o dos seres vivos A concentra o de CO na atmosfera come ou a aumentar no final do s culo XVIII quando ocorreu a revolu o industrial a qual demandou a utiliza o de grandes quantidades de carv o mineral e petr leo como fontes de energia Desde ent o a concentra o de CO2 passou de 280 ppm partes por milh o no ano de 1750 para os 368 ppm atuais representando um incremento de aproximadamente 30 Este acr scimo na concentra o de CO implica no aumento da capacidade da atmosfera em reter calor e mas n o consegiientemente da temperatura do planeta pois houve decr scimos de temperatura tamb m neste per odo As emiss es de CO continuam a crescer e provavelmente a concentra o deste g s poder alcan ar 550 ppm por volta do ano 2100 PITANGA 2008 3 3 Dados informa es e conhecimentos O pr
48. me de controle n o varia com o tempo regime permanente e O fluxo de massa e o estado dessa massa em cada rea discreta de escoamento na superf cie de controle n o variam com o tempo As taxas nas quais o calor e o trabalho cruzam a superf cie de controle permanecem constante 24 e As varia es de energia potencial e cin tica s o desprez veis para todos os processos analisados e N o h realiza o de trabalho no ciclo e O volume de controle de cada componente envolve apenas os fluidos de trabalho de entrada e sa da e Desprezadas as perdas de carga na tubula o 4 8 Custo monet rio Qualquer projeto de investimento possui de in cio um per odo de despesas em investimento a que se segue um per odo de receitas liquidas liquidas dos custos do exerc cio As receitas recuperam o capital investido O per odo de tempo necess rio para as receitas recuperam a despesa em investimento o per odo de recupera o Payback o tempo decorrido entre o investimento inicial e o momento no qual o lucro l quido acumulado se iguala ao valor desse investimento Algebricamente tem se T PR T quando CF o t 0 Sendo PR Per odo de Recupera o CFt Fluxo de caixa total no ano t o Io Fluxo de caixa do investimento Inicial Vantagens do m todo Payback e Fornece uma id ia do grau de liquidez e de risco do projeto e Em tempo de grande instabilidade e pela raz o anterior a utiliza o dest
49. nsfer ncia de calor dos volumes de controle representado pela forma Sa da do CO do resfriador e entrada do CO no desumidificador gr fica na figura 8 Trocador de calor gua CO2 E Fluxo energ tico atual kW Trocador de calor Am nia CO2 Figura 9 Fluxo energ tico do sistema de desidrata o Observa se na Figura 8 que o fluxo de calor no trocador de calor gua CO apresenta um valor significante esse fato devido ao processo de absor o que uma rea o exort rmica ter sido agravado em virtude da falta de revestimento t rmico no equipamento 40 Como se sabe a efici ncia pela 1 Leia da Termodin mica n o quantifica as perdas do sistema dessa forma a sua efici ncia ser sempre de 100 A raz o de sua utiliza o de servir de par metro para montagem do equacionamento da efici ncia pela 2 Lei da Termodin mica A Figura 9 mostra a efici ncia da segunda Lei da Termodin mica e o Grau de Perfei o Termodin mico para cada trocador de calor do processo Trocador de Calor Am nia CO gt E Efici ncia pela segunda lei Trocador de calor Agua CO2 E Grau de perfei o Figura 10 Efici ncia pela 2 Lei da Termodin mica e o Grau de Perfei o Termodin mico O complemento da an lise energ tica se expressa pela avalia o exerg tica onde o princ pio da exergia a identifica o das irreversibilidades do sistema bem como a detec o das perdas mais pronunciadas Este
50. nto deste sistema necess rio um diferencial de press o entre condensa o e evapora o de 4 bar Est inclu da uma v lvula de controle de press o que atua somente quando o Economizer est trabalhando com pouca vaz o by pass O Economizer tem a fun o de reduzir a carga t rmica de condensa o pr condensando o CO Para isso o fluido de refrigera o utilizado o pr prio CO l quido proveniente dos tanques de estocagem A principal finalidade do sistema reduzir significativamente o trabalho dos compressores de frio acarretando em redu o do consumo de energia Utilizando se do CO l quido dos tanques no Economizer t m se ganhos na reevapora o do CO para consumo pois os evaporadores estar o apenas aquecendo o CO g s e n o mais evaporando 16 Sua efici ncia ser diretamente proporcional raz o produ o x consumo ou seja dever existir um equil brio entre os dois fatores citados ENGEL 2002 Vejamos as condi es de trabalho do equipamento e Raz o de 1 x 1 m xima efici ncia de condensa o tubos evapora o casco que pode chegar a 85 de liquefa o do CO nos tubos Inje o constante de CO l quido proveniente dos tanques de estocagem casco atrav s da v lvula LCV diferencial de press o e Baixa produ o x alto consumo redu o na efici ncia de evapora o havendo necessidade de inje o de CO2 l quido diretamente dos tanques de estocagem nos ev
51. o Termodinamico cy Calor espec fico a volume constante kJ kg ex Exergia especifica kJ kg h Entalpia espec fica kJ kg I Taxa de gera o de irreversibilidade kW m Fluxo m ssico kg s Q Taxa de transfer ncia de calor kW T Temperatura C Sa Gera o de entropia kW s Entropia espec fica kJ kg K W Pot ncia KW n Efici ncia pela Primeira Lei e Efici ncia pela Segunda Lei xi SUMARIO PAINTRODUGCAGO sds sates se da Bolas Gaetan th Agia O 01 ZOBJETIVOS Ss E DS ng 03 21 Gerais cia hdi vended io rali 03 22 ESDECINCOS cy teloni oa e 03 3 REVIS O BIBLIOGR FICA sus vili 04 3 1 Introductio asia gerais esta e sines ines sin sie ie tia io ie a ee 04 3 2 Propriedades seraisdo COS sinto lee aaa G 04 3 3 Dados informa es e COMMEC mentos s erariale a AA E 05 3 dal Separador de Espima s allea Geese aliena 06 3 32 Rre l avador pic 30 our cd alati ida iaia iu ESP RED NERD A 07 3 3 Lavador de Permanganato riuniranno nanigana zan teia adia dalia 07 3 S4PosrbavadoFs 7 sot poni elia iii i ii fess 09 33 53 Deeloradot pt arprine ratori testsesiiAuararieasezi n dedos cosi so UU icona iii piste idro pile 10 EO BAI O Leelee 10 ss Compressores d CO rien 11 3 328 Filtros Desidratad Ores 2 11 13131 ca nidi iaia iaia scabies Maasai aed aie ened iaia ala 11 3 3 9 Filtros de carv o ativado sia ork od needa Aa Ae eet ee ee ceeds 12 3 3 10 Condensadores de CO Reato 13 ti Unidade
52. ocesso de beneficiamento do g s carb nico envolve uma sequ ncia de passos necess rios para Desidrata o purifica o e condensa o O g s em quest o ao ser obtido da fermenta o da cerveja necessita obrigatoriamente de passar por filtros lavadores compressores desidratadores purificadores e condensadores O g s carb nico e os produtos qu micos coadjuvante s o submetidos a an lises de pureza e concentra o ao longo de todo processo de beneficiamento O objetivo desses testes garantir qualidade no produto final e corre o dos par metros fora de faixa antes que o g s seja condensado A tabela 1 e 2 nos indica os par metros desejados no processo Tabela 1 Itens de controle necess rios para consumo do CO2 ITENS DE CONTROLE VALOR A p a ASSEGURADO METODO FREQU NCIA M NIMA An lise com bureta gt 99 99 Cerveja volum trica ou analisador Uma vez por turno cerveja filtra o eletr nico na sa da de Di rio Refrigerante distribui o Pureza do CO na distribui o para carbonata o Pureza do CO na An lise com bureta distribui o para 299 80 volum trica ou Obisphere Uma vez por turno inertiza o na sa da de distribui o Organd ptico na sa da de Isen o de gosto e distribui o odor no CO de Sim borbulhamento em gua Di rio distribui o destilhada e teste do gelo seco conforme padr o Toenga de dl d e Teste de c mfora na sa da graxa no CO de S
53. otal do volume de controle Se Entropia espec fica da subst ncia na entrada do volume de controle Ss Entropia espec fica da subst ncia na sa da do volume de controle 20 4 2 4 O conceito de Irreversibilidade Zz Um processo considerado irrevers vel quando um sistema e suas vizinhan as sofrerem transforma es termodin micas e n o puderem retornar ao seu estado original Um processo considerado revers vel quando ap s transforma es termodin micas consegue restaurar seu estado original seus sistemas e vizinhan as Num sistema irrevers vel que s o os que mais ocorrem nos processos naturais podemos retornar o seu estado original ap s transforma o desde que sua vizinhan a seja alterada assim conseguimos fazer um sistema funcionar medida que lhe fornecemos trabalho ou calor A irreversibilidade definida como a diferen a entre o trabalho revers vel e o trabalho real ou seja ine Woe wa 44 A irreversibilidade uma medida da inefici ncia de um processo real pois quanto menor for o trabalho real produzido para uma dada mudan a de estado maior ser a irreversibilidade A irreversibilidade ser somente nula quando o processo for totalmente revers vel e ser positiva para os outros processos Outra forma de calcular a irreversibilidade pelo teorema de Gouy Stodola onde usamos a gera o de entropia e temperatura ambiente no c lculo desta vari vel Tyc ToSger ve 4 5 S
54. para entendimento da anomalia De acordo com os cat logos apresentados a capacidade na qual os filtros foram dimensionados para trabalharem foi em usina com capacidade de 1200 kg h de CO bruto Foi chegado que ap s entrar em opera o a usina da ambev Sergipe passou por uma amplia o na capacidade de beneficiamento com a instala o de mais um compressor que possu a capacidade volum trica de 300 kg h de CO Seguindo a ordem cronol gica das a es ap s sofrer aumento na capacidade volum trica de CO passando de 1200 kg h para 1500 kg h o nico equipamento da usina que perdeu em efici ncia foi os secadores todos os demais equipamentos eram projetados para sofrerem essas altera es A baixa efici ncia desse equipamento foi evidenciada ap s a compra do sistema de purifica o striper pois anterior a isso a condensa o do CO ocorria toda no condensador aonde a temperatura chega pr ximo a 25 C e o di metro dos tubos s o mais largos do que os da serpentina do reboiller Com a utiliza o do stripper a temperatura em que o CO condensado ocorre na faixa de 30 C a 35 C e os tubos da serpentina s o bem inferiores ao do condensador tradicional Com todo esse levantamento das condi es atuais de funcionamento e varia es do projeto inicial da usina foi poss vel observar que todo problema de congelamento do sistema de condensa o possivelmente ocorria em virtude do sub dimensionamento dos filtros secadores por alum
55. ra o da pesquisa Sendo assim podemos dividir as etapas analisadas em e Trocador de calor casco tubo Primeiro resfriamento do g s e Desumidificador Trocador casco tubo refrigerado por am nia e Secador Filtro adsorvedor por alumina A descri o do funcionamento do ciclo de desidrata o da usina de CO2 pode ser encontrada na literatura ENGEL 2002 Para facilitar o entendimento do princ pio de opera o deste processo adotamos o fluxograma do refer ncia para an lises co Resfriador Trocador de Calor Casco tubo Desumidificador Trocador de Calor co Casco tubo 4 0 dra A Ho 45 io 3 13 Compressor NH3 de CO H20 H20 co co co H 0 DESIDRATADOR POR ADSOR O ALUMINA Trocador de Calor co Casco tubo sistema Fig 28 4 como ponto de FILTRO DE CARV O co ECONOMIZER Trocador de Calor Serpentina TANQUE DECO REFLUXO REBOILER Trocador de Calor Casco tubo CONDENSADOR DE CO TANQUE DE ESTOCAGEM DECO Figura 4 Fluxograma do sistema de desidrata o e purifica o da usina de CO2 Ap s o CO ter acesso a usina de beneficiamento ter sido lavado e comprimido segue em sentido a desidrata o Os pontos 1 2 representam a etapa inicial de desidrata o do g s mido nesses pontos temos vapor de gua misturado ao CO g s O resfriamento do g s no resfriador fe
56. s o compressor alternativo ie 11 Figura 2 Sistema economizer integrado a usina de CO 16 Fig ra Diagrama de Exerpia ipir pollini le ad leh aad ance da pilo 21 Figura 4 Fluxograma do sistema de desidrata o e purifica o da usina de CO gt 28 Figura 5 Tubos do trocador de calor casco tub0 i 29 Fipura 6 Fillros Secadores a rintraccia lane 32 Figura 7 Gr fico relativo a de umidade x em peso de gua adsorvida 35 Figura 8 Beneficiamento de CO2 usina padr o e usina com purificag do 37 Figura 9 Fluxo energ tico do sistema de desidrataga0 39 Figura 10 Efici ncia pela 2 Lei da Termodin mica e o Grau de Perfei o Termodin mico 40 Figura 11 Irreversibilidade de cada trocador em rela o a total do sistema de desidrata o 40 LISTA DE TABELAS Tabela 1 Itens de controle necess rios para consumo do CO32 05 Tabela 2 Par metro de controle necess rios para consumo do CO2 i 06 Tabela 3 Dadas do resi ad Or sad ada ds Ts lun da al 25 Fabela d Dados do desunndificadoti sipario ail 25 Tabela 5 Par metros termodin micos da unidade de desidratacdo seese 39 Tabela 6 Umidade em X peso de gua adsorvida em W ii 47 LISTA DE SIMBOLOS GPT Grau de Perfei
57. s para o condensador de CO Devido inexist ncia de equaliza o de press o entre os tanques de estocagem e a usina de CO recomenda se n o suprir a f brica com CO gasoso e l quido ao mesmo tempo o que poderia acarretar em uma redu o brusca da press o interna do tanque ENGEL 2002 3 3 12 Unidade de refrigera o Tem como fun o liquefazer o CO e controlar a press o dos tanques de armazenagem Projetada para operar com 35 C suc o e 35 C condensa o 15 Equipado com e Compressor tipo parafuso completo e Fluido refrigerante NHs e Reservat rio de L quido e Condensador a placas de NHs e V lvulas de bloqueio e V lvulas de seguran a Considera es de Projeto e Sistema integrado a automa o da usina com interface nica e Controle de velocidade e carga do compressor em fun o da press o do CO no condensador e Consumo de energia reduzido e Dimensionado para controlar a press o do tanque 3 3 13 Economizer Evaporador de CO inundado do tipo casco tubo trabalhando como pr condensador de CO usando o calor do CO gasoso proveniente da usina Este equipamento trabalha em fun o do diferencial de temperatura press o do CO a ser evaporado casco e a ser condensado tubo O sistema tem um controle de n vel de CO para inje o de CO liquido e na sa da um controle de press o al m de v lvulas manuais para bloqueio e v lvulas de seguran a Para o correto funcioname
58. s resultados possibilitam que o investimento para melhoria do sistema seja direcionado a ponto onde a resposta ser mais expressiva A Figura 10 mostra as irreversibilidade dos dois trocadores de calor do sistema de desidrata o Esta informa o a ess ncia da an lise atrav s da 2 Lei da Termodin mica pois informa onde ocorre as perdas do sistema Trocador de calor GUA CO2 E Irreversibilidade relativa Trocador de calor Am nia Cerveja 0 00 25 00 50 00 75 00 100 00 Figura 11 Irreversibilidade de cada trocador em rela o a total do sistema de desidrata o 41 O trocador de calor 4gua COz2 como pode ser observado na Figura 10 o respons vel pela maior parcela da irreversibilidade gerada no processo de desidrata o devido ao n o aproveitamento do calor rejeitado pelo equipamento Os resultados de irreversibilidades obtidos nesse trabalho indica que o trocador de calor gua CO requer investimento para aquisi o de revestimento t rmico objetivando a melhoria do sistema 7 3 An lise da umidade do CO nos filtros desidratadores Tendo como base a Figura 6 do t pico 6 3 2 2 foi realizado uma aproxima o para uma reta dos dados do determinado gr fico no intuito de determinar a umidade atual e a umidade ideal do CO na sa da do desidratador as contas encontram se no anexo 1 Analisando os dados pode se afirmar que em condi es ideais de opera o segundo dados extra dos da ta
59. simplificar o aprendizado sobre as m quinas para a opera o de maneira que o conhecimento ajude os a aumentar seus resultados Finalmente apresentado o problema de inefici ncia da usina gerada pela baixa capta o do g s de maneira explicativa e num rica para melhor compreens o 2 OBJETIVOS 2 1 Gerais O que se pretende alcan ar com o desenvolvimento t cnico desse projeto s o melhorias em potencial de usinas de beneficiamento de CO para que as plantas possam operar pr ximo de sua capacidade nominal 2 2 Espec ficos e Identificar os pontos de anomalias da usina e Avaliar os par metros de funcionamento dos equipamentos cr ticos e Identificar o equipamento mais impactante da n o operabilidade da unidade de purifica o e Propor melhorias ao sistema e Propor solu o economicamente vi vel 3 REVISAO BIBLIOGRAFICA 3 1 Introdu o Este cap tulo trata da evolu o hist rica do g s carb nico par metros de controle para seu uso defini o t cnica de cada componente da usina de beneficiamento e plano de manuten o preventiva dos equipamentos da usina 3 2 Propriedades gerias dos CO O di xido de carbono ou anidrido carb nico ou g s carb nico um composto qu mico constitu do por dois tomos de oxig nio e um tomo de carbono A representa o qu mica CO2 O di xido de carbono foi descoberto pelo escoc s Joseph Black em 1754 Estruturalmente o di xido de carbono const
60. sor lt t NH3 i deco H20 H20 0 5257 E nia 0 8085 12 co tr agua2 7 tr am nia Ho pod Trocador de Calor CO Casco tubo Trocador de Calor Casco tubo co CONDENSADOR DE CO ECONOMIZER Trocador de Calor Serpentina REBOILER co TANQUE DE ESTOCAGEM DE CO CO Equations Modelagem Termodin mica para o Sistema de Resfriamento da Usina de Beneficiamento de CO Hip teses gerais Regime Permanente Ser o desprezadas as energias cin ticas e potencial Perdas de carga na tubula o despreziveis n t rmicas nas tubula es desprez veis I Pontos referentes ao sistema de beneficiamento de CO2 Rotina para convers o de unidade de temperatura de Celsius para Kelvin function tk T tk ConvertTemp C K T end Dados Ponto Temperatura ambiente To tk 25 Po 1 bar s0 s Air T To P Po h0 h Air T To Ponto 1 TI tk 115 PI 17 x 0 909 my 0 42 Ponto 2 mg 0 014 T2 T P2 P z 0 091 47 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Ponto 3 T3 tk 25 Ponto4 T4 tk 31 P4 17 m4 M L4 T1 Ponto 5 T5 T4 P5 P4 ms Ma T5 T2 Ponto 6 T6 tk 50 P6 4 Le T3 Ponto 7 T7 tk 20 P7 3 48 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
61. sores Efetuar a drenagem de gua a cada 04 horas se houver nos seguintes pontos e Tubula o de entrada do bal o e Tubula o de sa da do bal o e Suc o dos compressores de CO2 59 Desidratadores Verificar a vaz o no rot metro Procurar por vazamentos na linha pneum tica Verificar e anotar temperaturas e press es durante a regenera o dos vasos Verificar e anotar o status de regenera o opera o dos vasos Comparar os valores dos setpoints inseridos Alarmes devem ser verificados e as a es tomadas de acordo com as descri es contidas no manual de opera o e manuten o da usina Sistema de Purifica o Verificar se n o h vazamento de CO2 l quido pelo selo da bomba Em caso de vazamento parar imediatamente a bomba danificada para reparos Ver adiante os procedimentos para manuten o da bomba de CO2 Verificar e anotar as press es na descarga das bombas Verificar e anotar a temperatura do CO2 g s na sa da do Reboiler atrav s do term metro TI151170 Aumento significativo no valor da temperatura com a usina em opera o pode ser um indicativo de congelamento na serpentina interna ao Reboiler Ver adiante os procedimentos para manuten o do Reboiler Condensador de COZ Verificar a vaz o no rot metro Verificar a press o na v lvula reguladora Verificar o funcionamento do sistema de purga dos gases inertes Press o elevada no condensador de CO2 combin
62. ss vel injetar gua por dentro dos tubos e verificar que n o existem furos nem trincas que permite a passagem de am nia do lado do casco para o interno dos tubos N o havendo incorpora o de am nia nos tubos podemos com isso certificar que o g s que sai do desumidificador esta corretamente dentro dos par metros ideal de funcionamento Quarto ponto avaliado foi a certifica o da correta elimina o do ar presente no sistema O ar presente no sistema dificulta a troca t rmica entre os fluidos devido o ar ser o mais eficiente isolante t rmico que existe Como valores t picos do coeficiente de convec o externo tem se 7 0 kcal h m2 C para o ar parado e at 35 kcal h m2 C para o ar com 31 velocidade pr xima de 20 km h O coeficiente de convec o interno que tamb m depende da movimenta o do ar dentro da c mara varia de 7 0 a 15 0 kcal h m2 C Os valores da condutividade t rmica dos materiais construtivos das c maras pode ser obtido de tabelas ou para o caso dos isolantes de dados do fabricante VENTURINE 2005 As propriedades mec nicas de um isolamento variam com a composi o b sica densidade di metro da fibra e orienta o tipo e quantidade de material fibroso que aumenta o poder de coes o se existir e com a temperatura qual realizada a avalia o KREITH 2007 A an lise termodin mica anexo do desumidificador aponta uma efici ncia pr xima a 81 para o trocador O valor encontrado de e
63. ta o da cerveja no sabor do produto A quantidade de gua presente no g s ap s filtros desidratadores foco principal de estudo neste trabalho extremamente mal fico a todo sistema pois impossibilita o funcionamento de alguns equipamentos essenciais para maior ganho no beneficiamento Por ltimo as perdas decorrentes da inefici ncia do poder de liquefa o da usina que acaba por elevar a press o de todo o sistema limitando o volume de g s carb nico liquefeito Portanto o objetivo do projeto em readequar o funcionamento da usina de beneficiamento foi entender como a usina se organiza entre suas manuten es opera es e produ o e como os problemas que causam as perdas financeiras podem ser geridos de forma a aumentar cada vez mais a qualidade do produto final e efici ncia da produ o Para tanto foram desenvolvidos implantados e adequados na usina rotinas para dar solu es pr prias a eventuais anormalidades Neste processo foi fundamental o envolvimento dos t cnicos da rea e fabricantes dos equipamentos A descri o do local de trabalho extremamente necess ria para o entendimento de como os problemas s o gerados e sua resolu o O conhecimento dos princ pios de funcionamento das m quinas de seus elementos seus riscos para a seguran a e de seu programa de manuten o de primordial import ncia para entender o papel da forma o em Engenharia Mec nica que a de ajudar na resolu o de problemas e
64. tados a mim AGRADECIMENTOS Agrade o a Deus por ser ref gio e refrig rio nos momentos de infort nio e de descren a Obrigado Pai por me ensina a orar Ao meu pai Edunoel e minha m e Diana pela educa o e carinho incondicionais prestados a mim em todos os momentos Aos professores que n o economizaram esfor os para oferecer o seu melhor transferindo os seus conhecimentos e experi ncias profissionais Em especial ao Professor Wilson Luciano pela dedica o e paci ncia na orienta o deste trabalho A minha namorada Rayssa por estar sempre ao meu lado e acreditar que o futuro n s reserva a felicidade plena A todos os meus colegas de trabalho e amigos pela compreens o e apoio na realiza o desse projeto N o deixo todavia de experimentar uma extrema satisfa o com o progresso que penso ja haver feito na indaga o da verdade e de conceber tais esperan as para o futuro que se entre as ocupa es dos homens puramente humanas alguma existe solidamente boa e importante ou o crer que foi a que escolhi Decartes vi RESUMO Medi es confirmaram que ap s o aumento da capacidade produtiva da usina de g s carb nico de 1200 kg h para 1500 kg h os valores de umidade relativa do CO na entrada da unidade de purifica o de uma usina de beneficiamento atingem o valor de 6 71 onde o mesmo n o pode exceder 5 85 tal fato levou a elabora o de uma estrat gia de an lise espec fica nos tr s equipamentos
65. to fundamental em termodin mica e um dos mais significativos aspectos das an lises em engenharia Neste cap tulo ser o apresentadas as equa es para aplicar o princ pio da conserva o da energia e defini o de efici ncia em nosso sistema 4 2 1 Lei da conserva o da massa A equa o da lei da conserva o da massa escrita da seguinte forma dMmyc i e Lhe LM 4 1 Onde Myc Massa total do volume de controle me Fluxo de massa que entra no volume de controle m Fluxo de massa que sai do volume de controle 19 4 2 2 Primeira lei da termodinamica A equa o da primeira lei da termodin mica para um volume de controle qualquer com diversos fluxos m ssicos dada por dEve _ DE me hi Zaha x Ones Woe 4 2 Onde Eve Energia do volume de controle Que Taxa de transfer ncia de calor na superf cie do volume de controle Wc Taxa l quida de realiza o de trabalho na superficie de controle 4 2 3 Segunda lei da termodin mica A equa o da segunda lei da termodin mica para um volume de controle em que a taxa de transfer ncia de calor total representada pelo somat rio das v rias taxas transferidas de reservat rios que apresentam temperaturas diferentes onde existem m ltiplas correntes de fluxo que podem entrar ou sair do volume de controle dada por dSve dt Qvej T Me Se Ms Ss dy T Sa ve 4 3 Onde Sc Entropia t
66. xide The treatment plant CO2 was thereforechosen as design studies and analysis in this work of completing the course whichhas as main objective to seek viable alternatives that can minimize these losses and thus reduce the costs of the company However it is important to mention that among the losses caused by inefficient plant s carbon dioxide the significant presence of moisture in the gas after passing through the drying stage is the most striking itemcontrol The dehydrated gas at the plant now has 6 71 moisture an amountexceeding 5 85 which is the most desirable to operate properly functioning Afterthe thermodynamic analysis andanalysis of field operation has been concluded thatthe first two equipment responsible for the dehydration of the gas cooler and drier with yields were as expected 52 and81 respectively the last stage of drying drier alumina showed inefficiency in gas dehydration It was found that this abnormality began to occur after an increase of the plant s production capacity of 1200 kg h to 1500 kg hof carbon dioxide The project proposes usingthermodynamic analysis increase in volumetric capacity of alumina in the filter drieras providential action in the readjustment of the plant The verification of the feasibility of the project analyzed by Payback indicates a rapid return on investment required Keywords Plant Carbon Dioxide Moisture and Energy Study viii LISTA DE FIGURAS Figura 1 Est gios de compres

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