UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS FACULDADE DE ENGENHARIA QUMICA

REA DE CONCENTRAO SISTEMAS DE PROCESSOS QUMICOS E INFORMTICA

Otimizao Termoeconmica de Sistemas de Refrigerao do Processo de Produo de Etileno e Propileno

Autora: Francine de Mendona Fbrega

Orientador: Prof. Dr. Jos Vicente Hallak dAngelo

Campinas - SP Maro de 2010

Tese de Doutorado apresentada Faculdade de Engenharia Qumica da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos requisitos exigidos para a obteno do ttulo de Doutor em Engenharia Qumica.

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FICHA CATALOGRFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA REA DE ENGENHARIA E ARQUITETURA - BAE - UNICAMP

F114o

Fbrega, Francine de Mendona Otimizao termoeconmica de sistemas de refrigerao do processo de produo de etileno e propileno / Francine de Mendona Fbrega. --Campinas, SP: [s.n.], 2010.

Orientador: Jos Vicente Hallak D'Angelo. Tese de Doutorado - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Qumica.

1. Otimizao. 2. Etileno. 3. Exergia. 4. Refrigerao. I. D'Angelo, Jos Vicente Hallak. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Qumica. III. Ttulo.

Ttulo em Ingls: Thermoeconomic optimization of refrigeration systems of the production process of ethylene and propylene

Palavras-chave em Ingls: Optimization, Ethylene, Exergy, Refrigeration rea de concentrao: Sistemas de Processos Qumicos e Informtica Titulao: Doutor em Engenharia Qumica Banca examinadora: Artur Zaghini Francesconi, Martin Aznar, Marcelo Modesto

da Silva, Song Won Park Data da defesa: 16/03/2010 Programa de Ps Graduao: Engenharia Qumica

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Este exemplar corresponde verso final da Tese de Doutorado em Engenharia Qumica defendida por Francine de Mendona Fbrega e aprovada em 16 de maro de 2010 pela banca examinadora.

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Aos meus pais Francisco Luque Fbrega (em memria) e Neuza de Mendona Fbrega

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Agradecimentos

Deus.

Ao meu orientador Jos Vicente Hallak dAngelo, pelo apoio e amizade.

Ao meu noivo Rodrigo Pasti, pelo amor, pacincia e pelas aulas de otimizao.

aluna de iniciao cientfica Jakeline Santos Rossi.

FEQ/UNICAMP.

Ao engenheiro qumico Reinaldo Antnio Cardoso (Quattor), que forneceu as informaes necessrias para o desenvolvimento deste trabalho.

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Resumo

A indstria petroqumica o setor industrial que utiliza como matria prima derivados do petrleo, principalmente a nafta petroqumica, da qual se produzem substncias como o etileno e propileno. Nesse processo industrial utilizam-se ciclos de refrigerao de larga escala que fornecem utilidades frias ao processo, em especial aos condensadores das colunas de destilao e destacam-se por serem grandes consumidores de energia, sendo de extrema importncia que estes ciclos operem de forma otimizada visando a reduo de custos. A Quattor Unidade de Qumicos Bsicos Cracker ABC, localizada no Plo Petroqumico de Capuava, em Santo Andr (SP) vem produzindo atualmente 700 mil t/ano de etileno, sendo umas das principais produtoras do setor. A fim de reduzir os custos de processos industriais, as anlises exergtica e exergoeconmica seguidas da otimizao termoeconmica so ferramentas que tm sido empregadas com sucesso. Neste trabalho, com o objetivo de otimizar o sistema de refrigerao que produz as utilidades frias, foi utilizado o simulador comercial Hysys verso 3.2 para a simulao do processo produtivo e do ciclo de refrigerao, obtendo-se as grandezas termodinmicas necessrias para o clculo da anlise exergtica. Aplicando a metodologia desenvolvida por Lozano e Valero (1993) foi possvel calcular os custos de cada corrente do processo utilizando o software Matlab 7.0. A otimizao do processo foi realizada utilizando-se a ferramenta Optimizer presente no prprio simulador. A funo objetivo foi definida visando minimizar a exergia destruda no processo e o mtodo de otimizao utilizado foi o SQP (Sequential Quadratic Programing). Com a metodologia aplicada a exergia destruda foi reduzida em 19,95%. Em relao aos custos exergticos foi obtida uma reduo de 10,94% e os custos exergoeconmicos foram reduzidos em 6,45% (SQP) representando uma economia de 77000 R$/h.

Palavras-chave: etileno; exergia; otimizao.

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Abstract

Petrochemical industries use many oil derivatives as raw materials, especially petrochemical naphtha, from which many chemicals, like ethylene and propylene, are obtained. The industrial process that produces these products uses large scale refrigeration cycles which generate the cold utilities streams used in the condensers of the distillation columns. These refrigeration cycles are great energy consumers, so it is very important that they operate in an optimized way in order to reduce operational costs. Quattor Unidade de Qumicos Bsicos Cracker ABC, located at Capuava Petrochemical Pole in Santo Andr (So Paulo State) produces 700 thousand tons of ethylene per year and is one of the main producers of the petrochemical sector in Brazil. Exergetic and exergoeconomic analysis followed by a procedure of thermoeconomic optimization are a set of important tools used to improve industrial processes and they have been used successfully in many cases. In this work, aiming the optimization of the refrigeration system that generates the cold utilities for the process, a commercial simulator, Hysys version 3.2, was used to simulate both the industrial process of ethylene and propylene production and the refrigeration cycles of the process, obtaining the thermodynamic properties of the streams present in the process, which are necessary for the exergetic analysis. Using the methodology developed by Lozano and Valero (1993) it was possible to calculate the costs of each process stream using software Matlab 7.0. The optimization of the process was performed using the Optimizer Tool available in the simulator, by defining an objective function to be minimized as being the total destroyed exergy in the process. The chosen optimization method was SQP (Sequential Quadratic Programming). With these tools and using the referred methodology, the total destroyed exergy in the process was reduced in 19.95%. Considering exergetic costs, a reduction of 10.94% was achieved and the exergoeconomic costs were reduced in 6.45%, representing an economy of 77000 R$/h for the process.

Keywords: ethylene; exergy; simulation; optimization.

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Sumrio

Agradecimentos ........................................................................................................................ ix Resumo ..................................................................................................................................... xi

Abstract ................................................................................................................................... xiii Sumrio .................................................................................................................................... xv Lista de Figuras .................................................................................................................... xviii Lista de Tabelas ....................................................................................................................... xx Nomenclatura .......................................................................................................................... xxi

1 Introduo ......................................................................................................................... 1 1.1 Justificativas do Trabalho .......................................................................................... 1 1.2 Objetivos .................................................................................................................... 4 2 O Processo de Produo de Etileno e Propileno ............................................................... 5

2.1 Produo de Etileno e Propileno atravs da Pirlise de Hidrocarbonetos ................. 6 2.2 Os produtos obtidos da pirlise da nafta.................................................................. 10 2.3 O Sistema de Refrigerao ...................................................................................... 11 3 A Exergia Aplicada a Processos Industriais Reais ......................................................... 14

3.1 Exergia. .................................................................................................................... 14 3.2 Anlise Exergtica. .................................................................................................. 17

3.3 A Eficincia Exergtica. .......................................................................................... 20 3.4 Anlise Exergoeconmica. ...................................................................................... 21

3.4.1 A Teoria do Custo Exergtico. ................................................................................ 23 3.4.1.1 O Custo Exergtico. ................................................................................................. 25 3.4.1.1.1 O Custo Exergtico Unitrio. .................................................................................. 26 3.4.1.2 O Custo Exergoeconmico. ..................................................................................... 26 3.4.1.2.1 Anlise exergoeconmica para sistemas existentes. ................................................ 27 3.4.1.2.2 Custo Exergoeconmico Unitrio............................................................................ 27

3.5 Otimizao Termoeconmica .................................................................................. 28 3.6 Trabalhos referentes aos tpicos deste captulo....................................................... 29 4 Pesquisa Operacional e Programao Matemtica Aplicada a Processos Qumicos

Industriais ...................................................................................................................................... 37

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4.1 Breve Histrico. ....................................................................................................... 38 4.2 Pesquisa Operacional: Tomadas de Decises em Problemas da Vida Real. ........... 40 4.3 Programao Matemtica: Modelagem e Mtodos de Otimizao. ........................ 43

4.3.1 Construo do Modelo. .................................................................................... 43 4.3.2 Programao No-Linear Irrestrita. .................................................................. 46 4.3.3 Programao No-Linear com Restries. ....................................................... 54 4.3.3.1 Programao Quadrtica Seqencial. ............................................................... 55 4.3.3.2 Mtodo Complex (Mtodo de Box). ................................................................ 57 4.3.3.3 Mtodo dos Quadrados Mnimos como Problema de Otimizao. .................. 58

5 Metodologia .................................................................................................................... 60 5.1 Simulao do processo de produo do etileno e propileno. ................................... 61 5.2 Simulao do sistema de refrigerao. .................................................................... 62 5.3 Anlise Exergtica. .................................................................................................. 62 5.4 Anlise Exergoeconmica. ...................................................................................... 63 5.5 Otimizao termoeconmica. .................................................................................. 63 6 Resultados e Discusses ................................................................................................. 64

6.1 Simulao do processo de produo de etileno e propileno. ................................... 64 6.2 Simulao do sistema de refrigerao utilizado no processo produtivo de etileno e propileno. ................................................................................................................................ 70

6.3 Anlise Exergtica ................................................................................................... 74 6.4 Anlise Exergoeconmica. ...................................................................................... 76

6.4.1 Custos Exergticos. .......................................................................................... 83 6.4.1.1 Custos Exergticos Unitrios. .......................................................................... 84 6.4.2 Custos Exergoeconmicos. .............................................................................. 86 6.4.2.1 Custos Exergoeconmicos Unitrios. .............................................................. 87

6.5 Novas Condies Operacionais Utilizando o Mtodo Tentativa e Erro. ................. 89 6.5.1. Anlise Exergtica. .................................................................................................. 89 6.5.2. Custos Exergticos................................................................................................... 92 6.5.2.1. Custos Exergticos Unitrios. .................................................................................. 93 6.5.3. Custos Exergoeconmicos. ...................................................................................... 94 6.5.3.1. Custos Exergoeconmicos Unitrios. ...................................................................... 96

xvii

6.6 Otimizao Termoeconmica. ................................................................................. 96 6.6.1. Anlise Exergtica. .................................................................................................. 99 6.6.2. Custos Exergticos................................................................................................. 101 6.6.2.1. Custos Exergticos Unitrios. ................................................................................ 102 6.6.3. Custos Exergoeconmicos. .................................................................................... 102 6.6.3.1. Custos Exergoeconmicos Unitrios. .................................................................... 104 7 Concluses .................................................................................................................... 106 8 Sugestes para Trabalhos Futuros ................................................................................ 108 9 Referncias Bibliogrficas ............................................................................................ 109 Anexo A ................................................................................................................................. 118

Anexo B ................................................................................................................................. 141

Anexo C..................................................................................................................................150 Anexo D..................................................................................................................................161

xviii

Lista de Figuras

Figura 1.1 - Quattor Unidade de Qumicos Bsicos Cracker ABC. ................................................ 2 Figura 1.2 - Cadeia petroqumica de produtos gerados por indstrias ............................................ 3 Figura 2.1 Fluxograma da seo quente do processo de produo de etileno e propileno. .......... 7 Figura 2.2 - Fluxograma da seo fria do processo de produo de etileno e propileno. ............... 9 Figura 2.3 - Distribuio da carga trmica e trabalho requerido do sistema de refrigerao: (a) carga trmica e (b) trabalho requerido (Gerhartz, 1987). .............................................................. 12 Figura 3.1- Analogia: Exergia. (Gnther, 2008). .......................................................................... 15 Figura 4.1 - Conceito de mnimo local e mnimo global definido dentro de um dado domnio da funo. ........................................................................................................................................... 47

Figura 4.2 Funo Quadrtica. ................................................................................................... 49 Figura 5.1 - Etapas da metodologia estudada. ............................................................................... 60 Figura 6.1 Fluxograma da etapa do fracionamento criognico para formao das quatro entradas de alimentao da demetanizadora. ................................................................................. 65 Figura 6.2 - Fluxograma da planta de produo de etileno e propileno utilizado na simulao. .. 67 Figura 6.3 Ciclo de Etileno. ........................................................................................................ 71 Figura 6.4 Ciclo de Propileno ..................................................................................................... 73 Figura 6.5 Distribuio da destruio de exergia no ciclo de refrigerao por equipamentos. .. 75 Figura 6.6 - Destruio de exergia: (a) ciclo de etileno, (b) ciclo de propileno. ........................... 75 Figura 6.7 Custos Exergticos por ciclo. .................................................................................... 84 Figura 6.8 - Custos Exergticos por equipamento: (a) ciclo de etileno, (b) ciclo de propileno. ... 84 Figura 6.9 Custos Exergoeconmicos por ciclo. ........................................................................ 86 Figura 6.10 - Custos Exergoeconmicos por equipamento: (a) ciclo de etileno, (b) ciclo de propileno. ....................................................................................................................................... 87

Figura 6.11 Anlise exergtica aps aplicao de novas condies operacionais. .................... 90 Figura 6.12 Custos Exergticos aps aplicao de novas condies operacionais. ................... 92 Figura 6.13 - Custos Exergticos por equipamento aps aplicao de novas condies operacionais para o ciclo de etileno. .............................................................................................. 93 Figura 6.14 Custos Exergoeconmicos aps aplicao de novas condies operacionais. ....... 95

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Figura 6.15 - Custos Exergoeconmicos por equipamento aps aplicao de novas condies operacionais para o ciclo de etileno. .............................................................................................. 95 Figura 6.16 - Anlise exergtica aps otimizao do sistema de refrigerao: (a) ciclo de etileno, (b) ciclo de propileno. .................................................................................................................. 100 Figura 6.17 Eficincia Exergtica aps otimizao do sistema de refrigerao. ..................... 100 Figura 6.18 Comparao dos custos exergticos antes e aps a otimizao. ........................... 101 Figura 6.19 - Custos Exergticos por equipamento aps otimizao: (a) ciclo de etileno, (b) ciclo de propileno. ................................................................................................................................ 101 Figura 6.20 - Comparao dos custos exergoeconmicos antes e aps a otimizao. ................ 103 Figura 6.21 - Custos Exergoeconmicos por equipamento aps otimizao: (a) ciclo de etileno, (b) ciclo de propileno. .................................................................................................................. 104

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Lista de Tabelas

Tabela 6.1 - Composio da nafta craqueada a temperatura de 15C e ........................................ 65 Tabela 6.2 - Composio (frao molar), presso e temperatura das correntes ............................ 66 Tabela 6.3 - Dados do processo Industriais(1) e simulados(2). ..................................................... 67 Tabela 6.4 - Composio das correntes da demetanizadora .......................................................... 68 Tabela 6.5 - Composio das correntes da deetanizadora ............................................................. 68 Tabela 6.6 - Composio das correntes da separadora etileno etano ............................................ 69 Tabela 6.7 - Composio das correntes da depropanizadora ......................................................... 69 Tabela 6.8 - Composio das correntes da separadora propano .................................................... 69 Tabela 6.9 - Composio das correntes da debutanizadora ........................................................... 69 Tabela 6.10- Condies operacionais fornecidas pela Quattor para o ciclo de etileno. ................ 70 Tabela 6.11 - Condies operacionais fornecidas pela Quattor para o ciclo de propileno. .......... 72 Tabela 6.12 Dados Industriais: vazo dos refrigerantes e potncia dos compressores. ............. 73 Tabela 6.13 Custos Exergticos Unitrios. ................................................................................. 85 Tabela 6.14 Custos Exergoeconmicos Unitrios. ..................................................................... 88 Tabela 6.15 Condies atuais e propostas para o misturador do ciclo de etileno. ..................... 90 Tabela 6.16 Eficincia Exergtica para o ciclo de etileno (condies atuais e propostas) ......... 91 Tabela 6.17 Custos Exergticos Unitrios: Condies Atuais e Propostas. ............................... 93 Tabela 6.18 - Custos Exergoeconmicos Unitrios: Condies Atuais e Propostas ..................... 96 Tabela 6.19 Condies Operacionais Atuais e Propostas com a Otimizao. ........................... 99 Tabela 6.20 Custos exergticos unitrios atuais e propostos aps otimizao. ........................ 102 Tabela 6.21 - Custos exergoeconmicos unitrios (R$/MJ) atuais e propostos aps otimizao. ..................................................................................................................................................... 105

xxi

Nomenclatura

m& vazo mssica (kg/h)

&Q calor (kJ/h)

&W trabalho (kJ/h)

eficincia exergtica

Ex exergia (kJ/h)

EC energia cintica (J/s)

EP energia potencial (J/s)

h entalpia especfica (kJ/kg)

P presso (bar)

s entropia especfica (kJ/kg.K)

T temperatura (K)

V volume (m3)

g gravidade (m/s2)

v velocidade (m/s)

h altura (m)

TC temperatura crtica (K)

PC presso crtica (bar)

TR temperatura reduzida (=T/TC) (K)

R constante universal dos gases ideais = 8,314472 (J)/(Kmol)

volume molar (L/mol)

fator acntrico

xxii

Ex* custo exergtico (kJ/h)

custo exergoeconmico (R$/h)

k custo exergtico unitrio

c custo exergoeconmico unitrio (R$/MJ)

C custo (R$)

A matriz de incidncia

x vetor de resultados

b vetor de incgnitas

Z fator exergoeconmico (R$/h)

Subscritos o estado de referncia cin cintica comp compressor

comb combustvel vc volume de controle D destruda e corrente de entrada f fsica mix misturador pot potential

qui qumica

i corrente de sada val valvla

E evaporador

1

1 Introduo

Neste captulo ser apresentada uma introduo terica sobre a indstria petroqumica, especificamente sobre a produo de etileno e propileno e sua necessidade de operar com um sistema de refrigerao de larga escala, grande consumidor de energia, que motivou este estudo baseado em tcnicas que combinam a termodinmica com a economia visando reduo de custos e reduo do consumo energtico.

1.1 Justificativas do Trabalho

A indstria petroqumica caracteriza-se por utilizar um derivado de petrleo (a nafta) ou o gs natural como matrias-primas bsicas para produzir diversos produtos que so essenciais vida humana, sob vrios aspectos. Dentre estes produtos, o etileno um dos que ocupa maior destaque. No ano de 2009, 60% da produo mundial de etileno utilizaram a nafta como matria-prima e no Brasil este percentual foi de 90% (ABIQUIM, 2009), sendo utilizada na produo de 3,6 milhes de toneladas por ano, das quais 36% correspondem produo da Petroqumica Unio S/A (PQU), hoje Quattor Unidade de Qumicos Bsicos Cracker ABC, localizada no Plo Petroqumico de Capuava, em Santo Andr (SP).

O processo de produo de etileno e propileno da Quattor Unidade de Qumicos Bsicos Cracker ABC, Figura 1.1, foi escolhido para a aplicao da metodologia desenvolvida neste trabalho por ocupar uma posio entre as 20 maiores indstrias petroqumica do pas, com faturamento anual estimado em R$ 9 bilhes produzindo atualmente 700 mil t/ano de etileno. Suas cadeias produtivas integradas de primeira e segunda gerao envolvem a produo de petroqumicos bsicos (etileno, propileno, etc.) e resinas termoplsticas (polietilenos e polipropileno), permitindo Quattor oferecer um portflio completo de produtos.

importante destacar que a Quattor fruto da unio de ativos da UNIPAR e da Petrobras, sendo atualmente formada pelo conjunto de 5 empresas, Quattor Participaes S.A., Quattor Qumicos Bsicos S.A. (ex-Petroqumica Unio S.A.), Quattor Petroqumica S.A. (ex-Suzano Petroqumica S.A.), Polietilenos Unio S.A. e Rio Polmeros S.A.. A Quattor opera com tecnologias que permitem flexibilidade no uso de matrias-primas: nafta ou gs-natural e, agora,

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passa a operar de forma indita no pas, com o gs de refinaria, proveniente da REVAP, localizada em So Jos dos Campos/SP.

Figura 1.1 - Quattor Unidade de Qumicos Bsicos Cracker ABC.

A cadeia de produtos petroqumicos tradicionalmente dividida em trs geraes. Como pode ser observado na Figura 1.2, a indstria petroqumica de primeira gerao tem como principais produtos o etileno e o propileno, que so utilizados pelas indstrias qumicas de segunda gerao para a produo de produtos como polietileno, polipropileno, entre outros. A terceira gerao a indstria de transformao que utiliza os produtos da segunda gerao como matria-prima. Neste segmento, produzido o produto que entregue ao consumidor final sob a forma de filmes, embalagens, revestimentos, borrachas, solventes, fibras sintticas, brinquedos, resinas, etc.

Os processos de produo de etileno e propileno necessitam de sistemas de refrigerao que so responsveis pela liquefao de gases comprimidos e principalmente para fornecer utilidades criognicas aos condensadores das diversas colunas de destilao presentes no processo. Devido s substncias terem um ponto de ebulio muito baixo, temperaturas da ordem de -100 oC esto presentes no processo.

Destaca-se que estas etapas de compresso e refrigerao so grandes consumidoras de energia, demonstrando assim a importncia de buscar operar estes sistemas de forma otimizada. O dimensionamento e a seleo de equipamentos de um sistema de refrigerao so determinados

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em condies de operao pr-definidas como, por exemplo, a carga trmica e as temperaturas de operao de acordo com a aplicao e o fluido refrigerante utilizado. Entretanto, as oscilaes em relao a estas condies podem ocasionar uma sub ou super utilizao do sistema, gerando maiores custos de energia num regime real de operao.

Figura 1.2 - Cadeia petroqumica de produtos gerados por indstrias de primeira e segunda geraes (Quattor, 2009).

Para a realizao deste trabalho, foram utilizados dados industriais reais da planta de produo de etileno e propileno, bem como de seus sistemas de refrigerao, que foram cedidos pela empresa Quattor Unidade de Qumicos Bsicos Cracker ABC.

Neste contexto, o presente trabalho visa realizar anlises exergticas e exergoeconmicas do sistema de refrigerao, bem como sua otimizao termoeconmica, com o objetivo de minimizar a destruio de exergia, irreversibilidades e custos deste sistema, implementando uma metodologia de otimizao termoeconmica, visando condies operacionais que levem a um custo mnimo do sistema de refrigerao como um todo.

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1.2 Objetivos

O presente trabalho tem, como objetivo global, propor uma metodologia de otimizao termoeconmica para sistemas de refrigerao reais utilizados em plantas de produo de etileno e propileno, determinando as condies operacionais do sistema de refrigerao, de forma a minimizar a exergia destruda (irreversibilidades) e os custos destes sistemas. Como objetivos especficos desta tese de doutorado, tem-se:

Simulao e validao do processo: simular e validar o processo de produo de etileno e propileno, bem como seu sistema de refrigerao utilizando configurao e dados industriais da empresa Quattor Qumicos Bsicos S.A.

Anlise exergtica: avaliao da magnitude da parcela de exergia destruda em relao exergia fornecida ao sistema de refrigerao, determinando as principais irreversibilidades encontradas e mostrando possibilidade de melhoria do processo;

Anlise exergoeconmica: calcular os custos exergticos e exergoeconmicos associados s destruio de exergia, avaliar os custos de produo de cada corrente do processo e tornar viveis estudos de otimizao e de melhoramentos, aplicando a metodologia TCE - Teoria do Custo Exergtico desenvolvida por Lozano e Valero (1993).

Otimizao termoeconmica: identificadas as reais perdas de exergia do processo, definir a funo objetivo para reduzir a destruio exergtica, aplicar mtodos de otimizao da ferramenta Optimizer presente no prprio simulador.

Uma vez apresentados os objetivos deste trabalho, no Captulo 2 descrito mais detalhadamente o processo de produo de etileno e propileno. No Captulo 3 so mostrados os principais conceitos e equaes termodinmicas necessrios ao desenvolvimento do trabalho. No Captulo 4 so apresentados os mtodos de otimizao necessrios para o entendimento e aplicao neste trabalho. A metodologia adotada neste trabalho detalhada no Captulo 5. Os resultados so apresentados e discutidos no Captulo 6. Em seguida, no Captulo 7, as concluses obtidas neste trabalho so apresentadas e, finalmente, no Captulo 8, apresenta-se as sugestes para trabalhos futuros.

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2 O Processo de Produo de Etileno e Propileno

O crescimento da indstria petroqumica est relacionado com a expanso das indstrias produtoras de plstico, fibras sintticas, detergentes e muitos outros produtos da qumica orgnica, exigindo maiores quantidades de hidrocarbonetos como matrias-primas a cada ano.

Todo o ciclo de fabricao do plstico desencadeado, principalmente, pelo petrleo e pelo gs natural. A partir da extrao e do refino do leo bruto e da extrao do gs natural, obtm-se as principais matrias-primas das centrais petroqumicas: a nafta e o gs natural.

Etileno e propileno, obtidos a partir da pirlise de nafta, so dois dos produtos mais importantes para as indstrias petroqumicas de primeira gerao. Hoje em dia, quase 60% da produo mundial de etileno utilizam a nafta como matria-prima e no Brasil esse percentual de 90% (Abiquim, 2009). A produo mundial de etileno equivale a 3,7 milhes de toneladas por ano e 36% destes so produzidos pela Quattor Qumicos Bsicos (ex - Petroqumica Unio - PQU), localizada no Plo Petroqumico de Capuava, em Santo Andr (Brasil).

O etileno, o mais importante petroqumico bsico em volume de produo, cuja capacidade atual de produo mundial aproximadamente de 116 milhes de toneladas, utilizado na fabricao de produtos qumicos, destacando os polietilenos (de alta e baixa densidade), petroqumicos de segunda gerao que, juntos, respondem por quase 60% do mercado total de etileno, sendo o restante usado na produo de xido de etileno, dicloroetano, etilbenzeno etc.

O propileno, segundo petroqumico bsico em volume de produo (73 milhes de toneladas consumidas mundialmente em 2007), pode ser usado na fabricao tanto de compostos para combustveis automotivos quanto de produtos qumicos, como o polipropileno, cido acrlico/acrilatos, acrilonitrila e xido de propileno. quase sempre um subproduto, seja do refino do petrleo ou da produo de etileno pela pirlise da nafta e do etano (um tero do propeno existente).

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2.1 Produo de Etileno e Propileno atravs da Pirlise de Hidrocarbonetos

O etileno produzido principalmente atravs da pirlise de hidrocarbonetos e tem vrias alternativas tecnolgicas, embora as mais tradicionais sejam com base na nafta, etano e gs natural. No caso do propileno, o principal processo tambm a pirlise, alm da recuperao de correntes de refinaria e, mais recentemente, desidrogenao do propano. O processo de produo de etileno e propileno descrito neste captulo e utilizado no presente trabalho foi baseado em Chauvel e Lefebvre (1989) e Gerhartz (1987).

A nafta craqueada produz principalmente o etileno, mas tambm o propileno e outros produtos secundrios. Dependendo da matria-prima empregada, um corte C4 rico em butadieno e um corte C5+ com um teor elevado de aromticos, especialmente o benzeno, tambm podem ser produzidos. A complexidade da planta steam-cracking est relacionada com o tipo de matria-prima tratada. Entre as vrias alternativas, no entanto, a escolha da nafta petroqumica oferece um estudo de caso mais representativo.

O termo nafta usado para designar um corte de petrleo no qual os componentes mais leves tm cinco tomos de carbono e o ponto final de ebulio bastante elevado alcanando aproximadamente 200 C. De acordo com suas temperaturas de destilao, feita uma distino entre short naftas, cujo ponto final de ebulio varia de 100-140 C, e long naftas, cujo ponto final de ebulio a cerca de 200 a 220 C.

No seu conjunto, uma instalao steam-cracking compreende duas sees principais: uma chamada seo quente, onde a matria-prima pirolisada e o efluente condicionado, e uma seo chamada fria, onde os produtos formados na seo quente so separados e purificados.

A Figura 2.1 mostra um fluxograma da seo quente do processo de etileno e propileno utilizando a nafta como matria-prima. O processo inicia quando a matria-prima (nafta) entra na seo quente da unidade atravs da zona de conveco do forno, onde pr-aquecida e ento misturada com vapor que tambm pr-aquecido nesta zona. Os hidrocarbonetos e a gua passam pela zona de radiao do forno, onde ocorre um aumento rpido da temperatura e reaes de pirlise ocorrem. Na sada do forno, para evitar qualquer reao subseqente, os efluentes passam por um rpido resfriamento, geralmente realizado em duas etapas: uma com gua, seguido de uma utilizando o resduo pesado, subproduto da pirlise.

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Forno

Nafta

Vapor0,8 MPa

Zona deconveco

Zona deradiao

lavagem

Vapor12 MPa

CompressoLavagem

Hidrxido de SdioSecagem

Seo Fria

Resduo Pesado

Gasolina de Pirlise

gua

Frac

iona

men

to Pr

imr

io

gua

lavagem

Figura 2.1 Fluxograma da seo quente do processo de produo de etileno e propileno.

Os efluentes so ento transferidos para uma coluna de fracionamento primrio, que separa um resduo pesado no fundo, uma frao de gasolina e gua em sadas laterais, enquanto os produtos leves da pirlise saem pelo topo da coluna em forma de gs.

Aps o fracionamento primrio, necessrio que o gs seja comprimido a uma presso de 3200-3800 kPa. Alguma condensao ocorre durante a compresso, e nos estgios posteriores, os gases cidos e o acetileno podem ser removidos. A compresso realizada tipicamente por um compressor centrfugo em quatro a seis estgios com refrigerao entre eles.

Refrigerao entre os estgios de compresso e controladores de temperatura mantm o

gs craqueado com temperatura abaixo de 100 C para prevenir a polimerizao das olefinas e

consequentemente depsito de sujeiras nos equipamentos. Essa refrigerao emprega geralmente gua de refrigerao, mas o estgio final usa tipicamente a gua e propileno como refrigerante.

O primeiro estgio de suco do compressor mantido normalmente um tanto acima da presso atmosfrica para impedir a entrada de oxignio. A presso de operao definida considerando o equilbrio econmico. A presso de descarga de compressor ajustada pela escolha do refrigerante de modo que o metano condense no condensador da demetanizadora. A temperatura de condensao varia de acordo com relao hidrognio-metano. A presso da

descarga utilizando etileno como refrigerante em torno de -100 C, e a presso normalmente

de 3200-3800 kPa. Encerrada a compresso, o dixido de carbono e o sulfeto de hidrognio so removidos do

gs. O gs cido removido geralmente antes do ltimo estgio da compresso. O dixido de carbono removido porque pode se congelar na temperatura baixa do trocador de calor e na

8

demetanizadora. O dixido de carbono pode tambm ser absorvido no etileno, afetando a qualidade de produto. O sulfeto de hidrognio corrosivo. Estes gases cidos so lavados com hidrxido de sdio.

Nessa etapa do processo, o gs craqueado est saturado com gua e essa umidade deve ser removida antes do fracionamento, para impedir a formao dos hidratos e do gelo. Tipicamente, isto realizado atravs da adsoro em peneira molecular.

O gs seco condensado pelo sistema de refrigerao, que um grande consumidor de energia e tambm necessita de um alto custo de investimento e pelo produto de baixa temperatura. O tipo de refrigerante, o nmero de nveis de refrigerao e o projeto do sistema de refrigerao e trocadores de calor dependem da temperatura e da presso requeridas pelo equipamento de fracionamento.

A nafta craqueada condensada entra ento na seo fria do processo para ser fracionada, obtendo os produtos desejados. A seo fria formada, principalmente, por 6 colunas de destilao as quais podem ser observadas atravs do fluxograma mostrado na Figura 2.2.

A demetanizadora separa o metano e o hidrognio pelo topo da coluna dos componentes C2 e mais pesados, que saem pelo fundo da coluna. O metano usado tipicamente como combustvel na planta ou vendido; os componentes que saem pelo fundo da coluna demetanizadora continuam no processo e seguem para a coluna deetanizadora. A demetanizao consome a maior quantidade de energia do sistema de refrigerao.

A coluna deetanizadora separa o acetileno, o etileno, e o etano dos componentes C3+. A deetanizadora geralmente a terceira maior usuria de energia do sistema de refrigerao. A depropanizadora separa o propano, o propileno e o propadieno das fraes C4+. a coluna que requer menos refrigerao por causa de sua temperatura de operao mais alta que as outras.

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Hidrognio + MetanoEtileno

Etano

Propano

H2 H2

Propileno

C5+

C4-100 oC

3,2 x103 kPa

19 oC

-10 oC2,6 x103 kPa

70 oC

120 oC 120 oC

-35 oC1,9 x103 kPa 25 oC

1,5 x103 kPa20 oC

1,8 x103 kPa50 oC

0,3 x103 kPa

Dem

etan

izado

ra

Deet

aniza

dora

Sepa

rado

ra Et

ileno-

Etan

o

Depr

opan

izado

ra

Sepa

rado

ra Pr

opile

no-

Prop

ano

Debu

taniza

dora

Figura 2.2 - Fluxograma da seo fria do processo de produo de etileno e propileno.

A corrente que sai pelo fundo da depropanizadora segue para a coluna debutanizadora que separa os componentes C4 pelo topo da coluna, dos componentes C5 que saem pelo fundo da coluna.

As correntes de topo da deetanizadora e da depropanizadora seguem para um processo de hidrogenao. Essa etapa do processo necessria porque a corrente C2 rica em acetileno e a corrente C3 rica em propadieno. Existem plantas que retiram esses produtos para serem vendidos comercialmente, mas no processo estudado esses compostos passam por uma reao que ocorre em um reator de leito empacotado com catalisador, onde reagem com uma corrente de hidrognio e se convertem em etileno e propileno, seguindo para suas colunas separadoras.

A coluna que realiza a separao C2 separa o etileno como produto de topo de alta pureza (> 99,9 %) do etano. Este fracionamento considerado difcil, e exige eficincia do sistema de refrigerao, pois o refluxo precisa ter vazo elevada e temperatura baixa requerida.

A coluna de fracionamento de propileno separa o propileno do propano com pureza de 90-92%, que vendido. O propileno tambm obtido com grande pureza (> 99,8 %). Esta separao requer de 100 a 300 estgios e uma relao de refluxo de 12 a 20 por causa dos pontos de ebulio prximos do propileno e do propano.

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2.2 Os produtos obtidos da pirlise da nafta

Os mercados locais e a quantidade de plantas produtoras de etileno integradas com refinarias ou complexos petroqumicos influenciam nos produtos desejados e nas matrias-primas mais usadas. Como j mencionado neste captulo os principais produtos gerados atravs da pirlise da nafta so o etileno e o propileno, porm muitos outros tipos de sub-produtos podem ser produzidos.

Os principais sub-produtos deste processo so:

O acetileno e propadieno (C2 e C3) restante da hidrogenao do etano, etileno, propano, e propileno podem ser reciclados/recuperados do processo.

Os compostos aromticos (vrias fraes) podem ser recuperados. As olefinas C4 podem ser refinadas para o butadieno, o butileno, o isobutileno, ou

as misturas.

As olefinas C5 podem ser recuperadas e refinadas para produzir o isopreno e ciclopentadieno.

O etano pode ser usado como matria-prima para outros produtos ou como combustvel.

O leo combustvel usado para produzir coque ou carbono.

O hidrognio vendido ou usado como o combustvel na planta.

O metano usado como o combustvel ou vendido.

O naftaleno recuperado para a venda.

O propano utilizado como matria-prima para outros produtos ou como combustvel.

O propileno vendido em vrias classes.

A gasolina de pirlise vendida como a gasolina de motor ou usada como matria-prima para a produo dos compostos aromticos.

O piche vendido como combustvel, usado como matria-prima para produo de coque, ou diludo com hidrocarbonetos produzir resinas.

O enxofre recuperado em algumas plantas e vendido.

11

2.3 O Sistema de Refrigerao

As indstrias qumica, petroqumica, de refino de petrleo e farmacutica utilizam sistemas de refrigerao de grande porte. Dentre as operaes que normalmente exigem refrigerao, podem ser citadas as seguintes (Stoecker e Saiz Jabardo, 2002): separao e/ou condensao de gases; cristalizao; controle de presso de vasos de armazenamento e remoo de calor de reao. As indstrias de alimentos e bebidas tambm utilizam sistemas de refrigerao em diversas aplicaes, em especial no armazenamento e transporte de produtos. Tambm as indstrias de manufatura empregam freqentemente a refrigerao em processos de usinagem e conformao de metais.

O sistema de refrigerao, em plantas do etileno e propileno, importante e possui um custo alto, sendo vital sua otimizao no projeto de planta, alm de ser bastante complexo. Tipicamente, dois ciclos de refrigerao diferentes so empregados, isto , etileno e propileno, cada um produz de duas a cinco temperaturas diferentes. Os circuitos so fechados e separados protegendo a pureza dos produtos e dos refrigerantes. As temperaturas dos refrigerantes so escolhidas de modo a satisfazer as necessidades da planta. Etileno, propeno e propano so usados como refrigerantes por causa de suas propriedades fsicas e disponibilidade na planta do etileno.

A Quattor Qumicos Bsicos S.A. possui um sistema de refrigerao constitudo por diversos equipamentos como: compressores, vlvulas, evaporadores, trocadores e calor, separadores, entre outros. importante comentar que atualmente os processos da empresa so avaliados utilizando-se somente a anlise energtica que envolve apenas os conceitos da Primeira Lei da Termodinmica, este trabalho visou a aplicao de tcnicas que combinam a Primeira e a Segunda Leis da Termodinmica, avaliando assim os conceitos da degradao da energia. Tambm importante frisar que na bibliografia h carncia da aplicao da metodologia em questo em processos reais e complexos como o sistema de refrigerao mencionado.

Assim sendo, a melhoria, otimizao e controle de sistemas de refrigerao deste tipo um aspecto crucial. Uma anlise terica de um sistema trmico, para ser confivel, deve ser capaz de representar o mais fielmente possvel a realidade relacionada aos processos de transferncia de calor e escoamento de fluidos, que ocorrem na instalao. Visando um melhor desempenho dos sistemas de refrigerao necessrio buscar a minimizao das irreversibilidades termodinmicas provenientes da transferncia de calor, escoamento de fluidos e transferncia de massa.

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A Figura 2.3 mostra a carga trmica e o trabalho requerido do sistema de refrigerao pelas principais colunas de destilao da planta de etileno e propileno. Pode-se observar que a coluna demetanizadora, que utiliza etileno como refrigerante, requer maior trabalho por unidade de refrigerao sendo de 41% e o calor absorvido pelo sistema de refrigerao de etileno de 50% do trabalho. J as colunas deetanizadora e separadora C2 , que utilizam propileno como refrigerante, necessitam de menores quantidades de calor e trabalho pois requerem temperaturas um pouco mais elevadas.

Figura 2.3 - Distribuio da carga trmica e trabalho requerido do sistema de refrigerao: (a) carga trmica e (b) trabalho requerido (Gerhartz, 1987).

O sistema possui muitos equipamentos, entre eles compressores, separadores, vlvulas e trocadores de calor. Os refrigerantes so geralmente comprimidos de 1600 a 2000 kPa em mltiplos estgios, seguidos pela expanso para gerar uma temperatura mais baixa e, dentre as possibilidades a serem utilizadas na planta, o etileno o mais caro, contudo mais adequado s faixas de temperatura necessrias para o bom funcionamento da planta, atendendo temperaturas de -40 a -100 C.

O ciclo de refrigerao de etileno proporciona a utilidade mais fria no processo, com temperaturas de aproximadamente -100 C. O compressor de etileno consiste em trs estgios de

a b

Deetanizadora

30%

Depropanizadora 21%

Separadora C2 8 %

Demetanizadora

41%

Deetanizadora 13 %

Depropanizadora - 21%

Separadora C2 - 26 %

Demetanizadora - 50%

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compresso. No exemplo dado por Gerhartz (1987), o vapor de etileno da ltima etapa de compresso resfriado e condensado com dois nveis de refrigerao de propileno e se torna disponvel para ser utilizado na refrigerao aps a expanso adiabtica a -54 C. O refrigerante

resfriado at -100 C, onde fornece a utilidade fria para o condensador da coluna demetanizadora.

O ciclo de refrigerao de propileno produz quatro nveis diferentes de temperatura para o processo, sendo o compressor composto por quatro estgios de compresso. Vapor de propileno retirado do terceiro estgio para fornecer refrigerao ao condensador da deetenizadora e retirado do quarto estgio para o condensador da coluna separadora de C2. Os ciclos de refrigerao tambm fornecem utilidades frias para os chillers que condensam a nafta craqueada antes do incio do fracionamento.

A otimizao do sistema de refrigerao feita considerando custos importantes relacionados energia, facilidade da operao do processo, exigncias do controle de qualidade do produto e dos co-produtos, segurana, e entre outros fatores. Desde os anos 70, os aumentos dos custos de energia conduziram as indstrias a uma reduo do consumo em 50%. Porm, ainda necessrio que a reduo continue sendo feita nesses processos.

Como poder ser visto no Captulo 3, a anlise exergtica uma ferramenta adequada para ser utilizada em conjunto com uma metodologia de otimizao, pois oferece a possibilidade de localizar e quantificar os recursos energticos disponveis no processo permitindo tomar medidas visando a sua otimizao e apresenta, tambm, caractersticas aplicadas aos estudos das cincias econmicas.

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3 A Exergia Aplicada a Processos Industriais Reais

Neste Captulo so apresentados conceitos termodinmicos utilizados no desenvolvimento deste trabalho.

3.1 Exergia.

A Primeira Lei da Termodinmica estabelece que a energia conservada em qualquer dispositivo ou processo, no podendo ser destruda, apenas transformada ou transferida. Segundo Tsatsaronis e Valero (1989) uma anlise baseada na Primeira Lei da Termodinmica (anlise energtica) geralmente falha em identificar as perdas da qualidade da energia ou o uso ineficiente dos insumos, os quais podem ser quantificados pela Segunda Lei da Termodinmica.

A exergia definida como a quantidade mxima de trabalho que um sistema pode desenvolver quando trazido para um estado de equilbrio termodinmico com o ambiente (Kotas, 1985). O estado do ambiente usualmente chamado de estado de referncia.

Para melhor compreenso do conceito de exergia, pode-se considerar a Figura 3.1 como uma analogia: um tubo de creme dental. necessrio apert-lo para conseguir o que realmente precisa, o creme dental. Quando voc apertar o tubo (= conduzir qualquer processo), o creme (exergia =) sai, mas no ser possvel colocar o creme de volta no tubo. Quando todo creme tiver sido utilizado (= exergia) s existir o tubo em si. Nestas circunstncias, a palavra entropia aparece. Na figura representada uma depresso no tubo. Quando o tudo apertado, as depresses (= entropia) vo aumentar. A entropia de um sistema aumenta quando a exergia se perde, mas a depresso no o negativo do creme (no possvel utilizar a depresso para escovar os dentes). A entropia no o negativo da exergia, mas uma outra descrio do sistema (Gnther, 2008).

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Figura 3.1- Analogia: Exergia. (Gnther, 2008).

Todos os processos reais so irreversveis, conseqentemente haver sempre uma perda (destruio) de exergia e produo de entropia (Jrgensen e Svirezhev, 2004). Ento conforme a Segunda Lei da Termodinmica, considerando a exergia, todos os processos reais so irreversveis implicando que a destruio de exergia inevitvel. Exergia no conservada em processos reais, diferentemente da energia que conservada para todos os processos de acordo com a Primeira Lei da Termodinmica. A exergia destruda representa a real degradao de energia e que no pode ser identificada atravs de um balano energtico (Tsatsaronis, 1993).

A exergia pode ser dividida em quatro componentes: fsica, qumica, potencial e cintica, como apresentado pela Equao (3.1). A exergia fsica corresponde ao mximo trabalho terico que pode ser obtido de um sistema ao sair de seu estado inicial e atingir um estado de equilbrio mecnico e trmico com o ambiente em condies especficas (T0, P0). As componentes cintica e potencial esto relacionadas ao movimento e posio do sistema e, quando este encontra-se parado e no mesmo nvel do ambiente, podem-se excluir estas duas componentes da equao, igualando-as a zero, caso contrrio as energias potencial e cintica podem ser integralmente convertidas em outras formas de trabalhos, considerando-as, portanto, iguais s componentes potencial e cintica da exergia, respectivamente. A exergia qumica considerada para casos em que o sistema no se encontra em equilbrio qumico com o ambiente, ou seja, caso haja reaes qumicas ou mudanas de composio (Bejan et al., 1996).

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f qui pot cinEx Ex Ex Ex Ex= + + + (3.1)

na qual: Exf = exergia fsica; Exqui = exergia qumica, Excin = exergia cintica e Expot = exergia

potencial.

No presente trabalho ser considerada apenas a componente fsica da exergia, visto que o sistema de refrigerao em estudo no apresenta movimento nem mudana de posio com relao ao ambiente e nem apresenta reaes qumicas, mudanas de composio e variao de temperatura e presso. A exergia fsica para uma corrente de processo representada pela Equao (3.2) (Moran e Shapiro, 2007).

( ) ( )0 0 0fEx h h T s s= (3.2)

na qual h0 e s0 so a entalpia e a entropia da substncia avaliada nas condies do estado de referncia do ambiente (T0 = 25 C e P0 = 1 bar) e h e s so a entalpia e a entropia da corrente de processo nas condies de operao. Como se pode observar, a exergia fsica independe da com-posio qumica do estado de referncia (ambiente). A exergia fsica pode ser ainda dividida em duas componentes, uma devida presso e outra devida temperatura.

A exergia similar energia de Gibbs, porm elas possuem significados diferentes. A energia de Gibbs uma funo de estado que depende somente das grandezas do sistema, j a exergia depende tambm da presso e temperatura do ambiente.

Kotas (1985) ressalta que uma das principais vantagens do conceito de exergia oferecer meios para se calcular numericamente as irreversibilidades associadas aos processos. Os vrios fluxos que interagem com o volume de controle podem ser na forma de trabalho, calor ou matria.

Todas as irreversibilidades esto localizadas dentro do sistema de interesse e de suas vizinhanas. As irreversibilidades internas localizam-se no sistema, ou seja, dentro dos limites onde se d o processo principal. J as irreversibilidades externas localizam-se nas vizinhanas imediatas do sistema considerando-se que o ambiente livre de irreversibilidades (Moran e Sciubba, 1994).

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Em sistemas de refrigerao, a exergia destruda calculada por meio de um balano de exergia para cada componente do sistema. Diferente o contrrio do balano de energia, no balano de exergia sempre ocorre uma taxa de entrada maior do que aquela de sada, sendo que esta diferena definida como uma destruio de exergia do subsistema analisado. Estas perdas devem ser reduzidas para aumentar a eficincia termodinmica do sistema. Este balano de exergia realizado atravs da anlise exergtica.

3.2 Anlise Exergtica.

Quando uma anlise exergtica realizada em uma planta, como em uma indstria petroqumica ou em uma unidade de refrigerao de grande porte, as imperfeies termodinmicas podem ser quantificadas atravs da destruio de exergia, que o desperdcio de trabalho ou de potencial para a produo de trabalho. Como a energia, exergia pode ser transferida atravs da fronteira de um sistema. Para cada tipo de transferncia de energia h uma transferncia de exergia correspondente. Em particular, a anlise exergtica leva em conta os diferentes valores termodinmicos de trabalho e calor. A transferncia de exergia associada ao trabalho de eixo igual ao trabalho de eixo. A transferncia de exergia associada transferncia de calor, no entanto, depende do nvel de temperatura em que ocorre em relao temperatura do ambiente.

A principal funo da anlise exergtica encontrar as causas das perdas de qualidade da energia dos processos trmicos e estimar a sua magnitude. Esta anlise leva a um melhor entendimento da influncia da anlise termodinmica com respeito eficincia do processo, permitindo tambm uma comparao dos diferentes fatores termodinmicos e a determinao da forma efetiva de otimizar o processo em considerao (Szargut et al., 1988).

A importncia de se desenvolverem sistemas trmicos que utilizem eficientemente recursos energticos no-renovveis, como petrleo, gs natural e carvo, evidente. O mtodo da anlise de exergia particularmente apropriado para maximizar o objetivo de um uso mais eficiente de energia, j que ele permite a determinao de rejeitos e perdas em termos de sua localizao, tipo e valores reais. Essas informaes podem ser utilizadas no projeto de sistemas trmicos, mas tambm na indicao de esforos para a reduo de fontes de ineficincias em sistemas j construdos e na avaliao do custo de sistemas.

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importante frisar que anlise exergtica no um substituto da anlise energtica, mas sim um complemento importante, principalmente quando so analisados sistemas trmicos novos e complexos.

O balano de exergia similar ao balano de energia, mas tem uma diferena fundamental: enquanto o balano de energia baseado na lei de conservao de energia, o balano de exergia baseado na lei de degradao da qualidade da energia. Entende-se degradao da qualidade da exergia como sendo equivalente s perdas irrecuperveis devido a todos os processos reais serem irreversveis (Kotas, 1985). Um balano de exergia aplicado a um processo ou a uma planta completa nos informa o quanto de potencial de trabalho til, ou exergia, fornecida como uma entrada para o sistema sob considerao, foi consumida (perdida) no processo. A perda de exergia, ou irreversibilidade, fornece uma medida quantitativa geral da ineficincia do processo. A anlise dos diversos componentes de uma planta fornece a distribuio de irreversibilidades nos componentes dessa planta, facilitando o estudo e anlise dos componentes que mais contribuem para sua ineficincia.

Segundo Kotas (1985), os casos mais comuns de destruio de exergia so: o atrito (incluindo a perda associada ao escoamento de fluidos em tubos e canais), mistura de fluxos de matria em estados termodinmicos diferentes e transferncia de calor por diferena finita de temperatura, como ocorre entre gases quentes e a gua a ser vaporizada na caldeira. Kotas (1985) aponta ainda como causa mais comum da destruio da exergia o fluxo de calor que sai do sistema para o ambiente, ou sada de massa com grande exergia do sistema para o ambinte, sem gerao de trabalho mecnico, ou outro aproveitamento da energia cedida para o ambiente.

Ao contrrio do critrio tradicional de desempenho, o conceito de irreversibilidade fortemente baseado nas duas principais leis da termodinmica. O balano de exergia para um volume de controle, no qual a taxa de irreversibilidade pode ser calculada, derivado de uma combinao da primeira lei da termodinmica com a segunda lei da termodinmica. Embora a segunda lei da termodinmica no esteja explcita no mtodo da exergia, sua aplicao na anlise do processo demonstra suas implicaes prticas. Assim, o estudo de diferentes formas de irreversibilidades e seus efeitos no desempenho de sistemas fornece um entendimento til e mais completo desses sistemas.

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A Equao 3.3 representa o balano exergtico completo (Moran e Shapiro, 2007). Vale ressaltar que o termo de derivao empregado para representar a taxa de aumento ou diminuio de exergia no sistema.

1 1 11

n m mvc o vc

j vc o i i i i Dj i ij e s

dEx T dVQ W P m Ex m Ex Exdt T dt

= = =

= + & & && & (3.3)

na qual:

vcdExdt

: representa a taxa de variao da exergia do sistema com o tempo;

=

n

jj

j

o QTT

11 & : este somatrio representa a transferncia de exergia associada com a

transferncia de calor considerando que jQ& representa a taxa de transferncia de calor com o tempo em um ponto j na superfcie do volume de controle onde a temperatura Tj;

vcvc o

dVW Pdt

&

: onde vcW& representa o fluxo de transferncia de exergia relacionada ao trabalho

e dVvc/dt taxa de alterao de volume com o tempo.

1

m

i ii e

m Ex=

& : este termo representa o fluxo de transferncia de exergia que acompanha o fluxo de

massa na entrada do sistema.

1

m

i ii s

m Ex=

& : este termo representa o fluxo de transferncia de exergia que acompanha o fluxo

de massa na sada do sistema.

DxE& : finalmente, este termo representa a taxa de exergia destruda devido as irreversibilidades do

sistema.

Neste trabalho, foi considerado que o processo est operando em estado estacionrio, de modo que os termos relacionados variao com o tempo so nulos (Ahern, 1980; Szargut et al., 1988; Moran e Shapiro, 2007). Tambm todos os equipamentos do ciclo so considerados

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adiabticos, para que no haja perdas de energia devido transferncia de calor entre o sistema e o ambiente. Com estes pressupostos a Equao 3.3 pode ser reescrita conforme a Equao 3.4.

1 1

m m

D vc i i i ii ie s

Ex W m Ex m Ex= =

= +

& & & & (3.4)

O termo de transferncia de exergia associada a transferncia de trabalho ( vcW& ) est presente apenas no balano exergtico de compressores. Assim, para os outros componentes do ciclo, com exceo de compressores, a quantidade de exergia destruda (dissipada) calculada pela Equao 3.5.

1 1

m m

D i i i ii ie s

Ex m Ex m Ex= =

= & & & (3.5)

O balano exergtico pode ser aplicado para cada componente do ciclo e para o ciclo como um todo. O balano exergtico bastante til na anlise de ciclos trmicos, pois permite a identificao dos pontos fracos do sistema, onde o grau de irreversibilidade maior, os quais, portanto, possuem maior potencial de otimizao.

No presente trabalho, ser realizada a anlise exergtica dos ciclos de refrigerao utilizados para produzir as utilidades frias necessrias nos condensadores das colunas de destilao do processo de produo de etileno e propileno, procurando identificar a destruio exergtica inerentes de cada componente do processo e ser analisado um procedimento de reduo das perdas de exergia, provenientes das transformaes de energia do sistema.

3.3 A Eficincia Exergtica.

A eficincia exergtica de um sistema pode ser definida de vrias maneiras. Kotas (1985) utiliza o termo eficincia racional para definir o parmetro termodinmico que mede a relao entre o que foi exergeticamente aproveitado e a exergia necessria adicionada ao sistema. Segundo Tsatsaronis (1993) definida como a porcentagem da exergia do insumo de um

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componente que pode ser encontrada na exergia do produto. O insumo exergtico representa os recursos lquidos que foram utilizados para se gerar os produtos, sendo que o produto representa o resultado desejado produzido no sistema, devendo ser consistente com o propsito pelo qual se adquiriu e se utilizou o sistema. A definio de eficincia exergtica deve ser indicativa tanto do ponto de vista termodinmico como do econmico.

Szargut (1988) props o chamado grau de perfeio termodinmica que consiste em expressar a relao entre o somatrio da exergia na sada pelo somatrio da exergia na entrada do sistema. Segundo Szargut (1988) a eficincia exergtica tem as seguintes vantagens: fornece uma indicao do grau de perfeio termodinmica, ou seja, o quanto um componente se aproxima da operao reversvel; e, fornece uma avaliao do desempenho de plantas com mais de um produto. Esta metodologia de eficincia exergtica tem sido a mais aplicada em sistemas de refrigerao e, por isso utilizada neste trabalho. A eficincia exergtica pode ser dada pela Eq. (3.6).

1

1

n

ii sn

ii e

Ex

Ex =

=

=

&

&

(3.6)

sendo a eficincia exergtica, Ex& o fluxo exergtico.

3.4 Anlise Exergoeconmica.

Em 1962, o trabalho de Tribus e Evans deu origem ao conceito de Termoeconomia, que possibilita relacionar em um s estudo aspectos termodinmicos e econmicos de um sistema trmico. Desta forma, as equaes de custo de gerao dos produtos de um sistema trmico podem ser expressas em termos das variveis termodinmicas deste sistema.

Segundo Tsatsaronis (1993), exergoeconomia a rea da engenharia que combina apropriadamente, ao nvel dos componentes de um sistema, clculos termodinmicos baseados na anlise exergtica com princpios econmicos, de maneira a fornecer ao projetista ou ao operador do sistema informaes teis de projeto e operao com relao ao custo desse sistema. Essas

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informaes normalmente no seriam obtidas por meio das anlises energtica, exergtica ou econmica somente. A exergoeconomia se baseia no princpio de que a exergia a nica base racional para avaliao dos custos monetrios de um sistema juntamente com suas interaes com as vizinhanas e com as fontes de ineficincias termodinmicas. Essa anlise denominada de custo exergtico. Este conceito, como afirma Nebra (1999), pode ser considerado como uma medida objetiva do valor termodinmico de um portador de energia, sendo que, a relao da exergia com o valor econmico do portador energtico, uma das premissas fundamentais da anlise termoeconmica.

A anlise exergoeconmica um dos campos da Engenharia de Sistemas Trmicos que envolve princpios de mecnica dos fluidos, transferncia de calor e da termodinmica (Moran e Shapiro, 1998). A anlise exergoeconmica definida como a unio da anlise exergtica junto a conceitos econmicos, cujo objetivo essencial atribuir um custo ao contedo exergtico de um sistema ou corrente do sistema e que, quando aplicada, permite obter uma funo de custo adequada para aquele sistema (Valero et al. 1994(1)). A anlise exergoeconmica tem sido estudada por diversos autores, tais como: Frangopoulos (1987), Szargut et al. (1988), Kotas (1995), (Valero et al., 1994(2)), Kim et al. (1998), dAccadia e Rossi (1998a); Ferreira (2003).

Todos estes objetivos podem ser resumidos em um s: obter um sistema que cumpra sua funo a um custo baixo e com uma eficincia tal que se possa economizar energia. Segundo Lozano e Valero (1993) as possibilidades tcnicas para economizar energia so sempre menores que o limite terico das possibilidades termodinmicas para economizar energia. Esta diferena depende do nvel de deciso que limita os tipos de aes a serem tomadas e este um papel fundamental do engenheiro qumico.

De acordo com Bejan et al. (1996), a contabilidade de custos em uma empresa est relacionada com a determinao do valor real dos custos, produtos e servios; ao estabelecimento de uma base racional para a definio dos preos dos mesmos produtos e servios; definio de uma forma de alocao e controle dos gastos e previso de informaes para a avaliao e tomada de decises.

Na prtica quando se impem estudos sobre o uso racional da energia nestes sistemas, consideram trs questes adicionais (Lozano e Valero, 1993):

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As possibilidades tcnicas de reduo das irreversibilidades so sempre menores que os limites tericos delas. O nvel de deciso que limita os tipos de ao a serem empreendidos define esta diferena.

As economias de exergia obtidas em nvel local nos diferentes processos de uma instalao, no representam quantidades equivalentes. Assim, a mesma diminuio na irreversibilidade local nos distintos componentes conduz em geral a diferentes variaes no consumo de energia da planta.

As oportunidades de economia s podem ser especificadas por meio de um estudo detalhado dos mecanismos fundamentais de gerao de entropia, precisando ainda vincular as possibilidades de controlar estes mecanismos s variveis livres do projeto e aos custos dos investimentos necessrios. Apesar dos recentes avanos das tcnicas de otimizao e melhoramento

exergoeconmico de sistemas trmicos, ainda no h uma metodologia consolidada para a soluo de todos os problemas de reduo do custo de gerao dos produtos de sistemas trmicos, com o conseqente aumento da eficincia de utilizao dos recursos energticos disponveis.

Segundo Borgert Jnior (2003), otimizar sistemas de refrigerao diminui os custos de um processo consideravelmente. As metodologias de otimizao atingiram um certo grau de maturidade nos ltimos anos e tm sido utilizadas nas mais diversas atividades, principalmente devido s capacidades computacionais atuais. A otimizao de sistemas energticos, assim como a maioria dos problemas de engenharia, so problemas complexos. Por isso, para que a otimizao siga para a convergncia sem oscilaes, cuidados devem ser tomados. A escolha das variveis e das restries representa um passo importante neste processo.

Os aspectos citados contriburam para o surgimento de diversas teorias baseadas nos postulados termodinmicos emanados da Segunda Lei. Estas teorias compartilham os propsitos de atribuio de custos e otimizao econmica para sistemas trmicos.

3.4.1 A Teoria do Custo Exergtico.

A Teoria do Custo Exergtico (TCE) possibilita a determinao dos custos exergoeconmicos e exergticos de todas as correntes que aparecem interligados na estrutura

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produtiva da planta de refrigerao, assumindo-se que o estado de equilbrio termodinmico do sistema seja conhecido. A TCE consiste em se realizar um balano de base energtica e exergtica com o estabelecimento de seus custos associados. Para os clculos dos custos dos investimentos dos equipamentos, autores como Bohem (1987), Tuna (1999) e Atalla et al. (2001), demonstram algumas relaes teis.

A determinao dos custos feita seguindo as quatro proposies apresentadas a seguir, que utilizam as definies prvias de estrutura fsica e produtiva. Importante observar que a mesma estrutura empregada para a determinao tanto do custo exergtico, definido como a quantidade de exergia necessria para a produo da exergia de um fluxo, produto ou insumo, quanto do custo exergoeconmico (custo monetrio). Este definido como a soma dos custos da exergia utilizada e dos demais custos associados (capital, operao e manuteno) produo de um fluxo, produto ou insumo. Cerqueira (1999) resume esses postulados:

(P1) Os custos exergtico (Ex*) e exergoeconmico () so quantidades conservativas, como conseqncia de suas definies, e pode-se, portanto escrever uma equao de balano para cada unidade do sistema. Na determinao do custo exergtico, o lado direito de cada equao de balano ser igual a zero e, na determinao do custo exergoeconmico, igual aos demais custos associados ao sistema, com o sinal negativo.

(P2) Na ausncia de informaes externas, o custo exergtico de um insumo suprido externamente ao sistema igual sua exergia (Ex*=Ex); o custo exergoeconmico o custo de aquisio do insumo (=C).

(P3) Todos os custos gerados no processo produtivo devem ser includos no custo final dos produtos, o que se traduz na atribuio de custo zero a todas as perdas (Ex*= =0). As proposies 1, 2 e 3 permitem escrever tantas equaes quantos forem os fluxos

supridos ao sistema e as perdas. Como em geral o nmero de fluxos superior soma do nmero de sistemas, dos fluxos de entrada e das perdas, as equaes obtidas pela aplicao das proposies 1 a 3 no constituem um sistema determinado. As equaes adicionais sero obtidas pela aplicao da proposio 4 que se divide em 2 partes.

(P4a) Se uma parcela ou todo o insumo de uma unidade a variao da exergia de um fluxo que a atravessa, ento o custo exergtico unitrio do fluxo constante atravs da unidade.

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(P4b) Se o produto de uma unidade composto por mais de um fluxo, ento so iguais os custos exergticos unitrios cada um destes fluxos.

A Teoria do Custo Exergtico no estabelece regras gerais para unidades dissipativas, cujo produto no pode ser definido em termos termodinmicos. Apenas estabelece que os custos das irreversibilidades associadas a sua operao devem ser cobrados como insumo para todas as unidades produtivas.

Para a resoluo do sistema de equaes lineares gerado conforme as proposies da TCE utiliza-se a forma matricial representada pela Equao 3.7.

Ax b= (3.7)

A matriz A (chamada de matriz de custos) constituda por quatro submatrizes correspondentes aos quatro postulados: a matriz de incidncia (P1), matriz de entradas (P2), matriz de perdas (P3) e a matriz de bifurcaes (P4). Associados a elas esto quatro sub vetores em que se divide o vetor de valorao externa b. Assim determina-se o vetor x onde os custos de todas as correntes do sistema so especificados.

3.4.1.1 O Custo Exergtico.

A determinao do custo exergtico fundamental na anlise exergoeconmica de processos industriais. O custo exergtico de um fluxo de exergia igual quantidade de exergia necessria para produzir este fluxo. Atravs da determinao do custo exergtico, quantificam-se as irreversibilidades dos subsistemas e os seus reflexos pertinentes na composio dos fluxos considerados como produto. O custo exergtico calculado atravs da resoluo de um sistema de equaes lineares que so modeladas atravs das proposies da TCE, como mostrado anteriormente. A Equao 3.8 representa o sistema de equaes utilizado para o clculo, onde A a matriz de incidncia e b o vetor destruio exergtica, porm como o custo exergtico j corresponde exergia mais a destruio devido s irreversibilidades, logo esse vetor constitudo

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de zeros. O vetor x da Equao 3.7 simboliza o vetor de resultados, portanto para a Equao 3.8 foi utilizado a prpria nomenclatura de custo exergtico.

[ ] [ ]*A Ex b = (3.8)

3.4.1.1.1 O Custo Exergtico Unitrio.

Tendo os custos exergticos calculados, pode-se agora definir e quantificar uma nova varivel, o custo exergtico unitrio. O custo exergtico unitrio definido como a quantidade de exergia necessria para produzir o valor unitrio de exergia. A Equao 3.9 representa o custo unitrio em uma dada corrente do processo e pode ser calculado pela razo entre o custo exergtico e a exergia desta corrente.

*ii

i

ExkEx

= (3.9)

3.4.1.2 O Custo Exergoeconmico.

A anlise termoeconmica de um processo tem como objetivo calcular os custos exergoeconmicos das correntes que constituem um determinado processo. Conforme Lozano e

Valero (1993), Tsatsaronis foi o primeiro a utilizar tal conceito. De acordo com Gomes (2001) o custo exergoeconmico de um fluxo formado de duas parcelas: a primeira corresponde ao custo

monetrio da exergia de entrada necessria para produzir tal fluxo e a segunda corresponde aos custos originrios do prprio processo produtivo (capital, operao e manuteno). Dessa maneira, para um determinado equipamento, Bejan et al. (1996) propuseram a seguinte equao de balano de custos:

total combC C Z= +& & (3.10)

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onde representa o custo exergoeconmico, Z o fator exergoeconmico que envolve custos de investimento, e operao e manuteno e os ndices total e comb representam o custo total da

corrente e o custo de combustveis utilizados, respectivamente. Como se pode observar, os custos relacionados ao investimento, operao e manuteno correspondem aos custos no energticos

do sistema, sendo obtidos atravs dos valores monetrios anuais divididos pelo nmero de horas de operao do sistema.

A metodologia utilizada na determinao dos custos exergoeconmicos semelhante empregada nos custos exergticos. A resoluo do sistema de equaes de m linhas e n colunas,

representada pela expresso matricial:

[ ]A C b = & (3.11)

3.4.1.2.1 Anlise exergoeconmica para sistemas existentes.

Segundo Rojas (2007), para sistemas existentes, em que o custo de capital de investimento e o capital de manuteno e operao so zero, o fator exergoeconmico (Z) zero. Tornando a equao de balano de custos de Bejan et al. (1996) resumida ao custo dos combustveis utilizados no processo, conforme a Equao 3.12.

total combC C=& & (3.12)

3.4.1.2.2 Custo Exergoeconmico Unitrio.

O custo exergoeconmico unitrio utilizado para avaliar e quantificar a evoluo dos

custos exergoeconmicos dos fluxos ao longo do sistema. Os custos exergoeconmicos unitrios so representados pela Equao (3.13), onde c o custo exergoeoconmico unitrio e pode ser calculado pela razo entre a exergia da corrente desejada e o custo exergoeconmico.

Exc

C=

& (3.13)

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3.5 Otimizao Termoeconmica

Com a necessidade de suprir uma demanda crescente por um custo unitrio menor, a otimizao termoeconmica vem sendo aplicada em processos industriais apresentando grande

xito. O objetivo da otimizao termoeconmica encontrar valores variveis do sistema, como presses e temperaturas, que minimizem os custos dos produtos gerados.

Segundo Ferreira (2003), a otimizao de sistemas energticos apresenta grande importncia no campo da anlise de sistemas trmicos. Ao lado da simulao, a otimizao

compreende um conjunto de ferramentas matemticas que possibilitam a tomada de deciso com base em parmetros ajustados de acordo com as perspectivas de desempenho que se pretende para um certo sistema. A otimizao termoeconmica de plantas de refrigerao foi estudada por autores como Frangopoulos (1987); Bejan et al. (1996); dAccadia e Rossi, (1998b); Ferreira (2003); Al-Otaibi et al. (2004).

Valero et al. (1994) apresentam uma estratgia de otimizao para sistemas trmicos complexos. A estratgia baseada em tcnicas convencionais e incorpora suposies e conseqncias da TCE e do mtodo do simbolismo exergoeconmico (Valero, Wimmert e Torres, 1991). Este mtodo organiza as informaes sobre a planta a ser otimizada e separa as restries termodinmicas das restries estruturais. A planta otimizada no estudo o problema CGAM (Valero et al., 1994). Em 1990 um grupo de conceituados especialistas no ramo da termoeconomia (C. Frangopoulos, G. Tsatsaronis, A. Valero e M. von Spakovsky) decidiram comparar suas metodologias resolvendo um problema de otimizao pr-definido: o problema

CGAM. A estrutura fsica do sistema CGAM consiste em uma turbina a gs com sistema de recuperao de calor dos gases de exausto associada a uma caldeira de recuperao (unidade geradora de vapor) (Rcker, 2005).

De acordo com Prieto (2003), o custo de um sistema de refrigerao pode ser expresso em termos de exergia, ou em termos monetrios, sendo a anlise de custo exergtico baseada na contabilidade da destruio de exergia que experimentam as correntes na sua passagem atravs

dos diferentes equipamentos componentes do sistema. Desta forma, so contabilizadas as eficincias (e destruio exergtica) em cada um dos volumes de controle do sistema, tendo como resultado o custo da destruio exergtica em cada um dos componentes.

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Neste contexto, mesmo para aqueles sistemas que no apresentam uma complexidade fsica pronunciada, as tcnicas de otimizao termoeconmica baseadas na Teoria de Custo

Exergtico (Valero et al., 1986) so vlidas e mostram algumas vantagens. A principal delas est relacionada com a sua capacidade de resolver muitos problemas prticos, no importando a

complexidade, pois no necessita de sofisticados programas de simulao e anlise numrica. Assim, considerando uma proporo direta entre custo monetrio e contedo exergtico

de um componente, possvel obter a funo global de custo da planta, questo importante na tomada de decises do ponto de vista de manuteno, na escolha entre alternativas tecnolgicas,

ou para a otimizao do funcionamento da mesma. Pode-se observar que as plantas de refrigerao apresentam normalmente uma grande

complexidade, aumentando as dificuldades genricas pertinentes ao tratamento matemtico de otimizao, o que implica que nem sempre esta otimizao de sistemas de refrigerao pode ser

conduzida atravs de tcnicas numricas convencionais (dAccadia e Rossi, 1998b).

3.6 Trabalhos referentes aos tpicos deste captulo.

Nesta seo sero apresentados alguns trabalhos relevantes sobre exergia, anlise

exergtica, anlise exergoeconmica e otimizao termoeconmica.

Cerqueira (1999) realizou um estudo das principais metodologias da termoeconomia, atravs de sua aplicao a um problema de cogerao. Quatro das principais metodologias, a Anlise funcional Termoeconmica, a Teoria do Custo Exergtico, a Exergoeconomia e a Metodologia Estrutural foram aplicadas a este problema. Foi

analisada a influncia da diviso da exergia em parcelas trmicas e mecnicas para a determinao dos custos dos produtos do sistema. Os diferentes tratamentos dados aos

custos das irreversibilidades externas, advindas da sada para o ambiente de fluxos de exergia, revelaram-se essenciais para esclarecer os diferentes valores dos custos dos

produtos do sistema.

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Zhang et al. (2000) desenvolveram uma metodologia exergoeconmica para anlise e otimizao de processos em sistemas trmicos. Atravs da utilizao do mtodo do custo

exergtico, um modelo exergoeconmico foi desenvolvido e uma estratgia de otimizao foi introduzida para analisar o processo como um todo. Para ilustrar o mtodo, foi

estudado um sistema de separao de aromticos.

DAccadia e Rossi (1998b) estudaram a otimizao exergoeconmica para ciclos de refrigerao utilizando R22 como fluido refrigerante. Foi aplicada a TCE Teoria do Custo Exergtico para avaliar o custo de todas as correntes internas e os produtos da instalao. Os autores obtiveram resultados que indicaram uma preciso aceitvel do

modelo quando comparado com metodologias mais complexas de otimizao.

Can et al. (2002) desenvolveram uma anlise termoeconmica para um condensador de correntes paralelas. Perdas de exergia do trocador de calor e custos de aquisio e operao do equipamento foram determinados como funo da vazo mssica de vapor de

gua e temperatura de sada da gua. A temperatura de entrada da gua era 18 C e as temperaturas de sada da gua variam de 25 C a 36 C. As condies do ambiente foram admitidas como constantes. Na determinao dos custos anuais de operao foram levados em considerao a hora anual de operao e o preo unitrio da energia eltrica.

Custos de investimento foram obtidos de acordo com a taxa de variao da capacidade trmica, com a mdia logartmica da diferena de temperaturas e com as dimenses do trocador de calor. Espera-se que a presente anlise seja til na determinao de parmetros efetivos relativos s perdas exergticas juntamente com condies operacionais de maneira a encontrar pontos timos de trabalho para trocadores de calor

tipo condensador.

Gallego (1998) analisou algumas propostas de gerao combinada de calor, refrigerao e potncia com o uso de cogerao no setor industrial de produo de cerveja. A partir dos balanos de massa e energia, dos rendimentos exergticos, das simulaes de consumo

energtico envolvendo energia eltrica, energia trmica e refrigerao, e das anlises dos

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custos operacionais e de equipamentos, foi discutida a viabilidade tcnico-econmica da gerao combinada de energia para o setor utilizando turbinas a gs natural, caldeira de

recuperao e sistemas de refrigerao por compresso de amnia e/ou por absoro de amnia-gua. As simulaes com possibilidade de venda de energia para a concessionria

apresentaram-se atraentes dentro do cenrio proposto de tarifa de venda de energia.

Garagatti Arriola (2000) realizou anlises exergtica e termoeconmica em dois tipos de sistemas de cogerao, sendo estes caracterizados por possurem uma turbina a gs

acoplada a uma caldeira de recuperao e uma turbina a vapor de extrao e condensao. Em um dos sistemas de cogerao, o vapor extrado da turbina a vapor serve de insumo

energtico para um sistema de refrigerao por absoro com trs estgios, e em um outro sistema, o vapor extrado serve de insumo para um sistema de refrigerao hbrido que

opera segundo o ciclo de absoro com auxlio de ejetores de vapor. Por fim, foi observado que estes sistemas podem produzir eletricidade e gua gelada a preos bastante

atrativos, comparados com os custos de mercado.

Guarinello Jr. (1997) determinou os custos exergticos e monetrios em um sistema de turbina a gs e caldeira de recuperao, utilizando ciclo de turbina a gs simples e ciclo STIG (Steam Injected Gas Turbine) para produo de vapor e energia eltrica em um plo industrial do nordeste, com o propsito de venda de excedentes. Foram utilizados dois mtodos de partio de custos: o mtodo da extrao e o mtodo da igualdade, tendo sido

demonstrado que os custos, tanto exergticos quanto monetrios, so maiores para o ciclo STIG. Neste trabalho foi destacada ainda a flexibilidade desse tipo de sistema na

produo de eletricidade ou vapor. Alm disso, foram calculados parmetros econmicos para o estudo da viabilidade de implantao da planta de cogerao em questo com duas

alternativas de financiamento: na situao de autofinanciamento e financiamento atravs do BNDES.

Huang et al. (2007) utilizaram o conceito de exergia na anlise de recursos energticos e impactos ambientais em uma avaliao ecolgica. Como indicador apropriado para a avaliao ecolgica, o conceito de exergia fornece uma medida termodinmica para a

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anlise de recursos ambientais. Foi apresentado um estudo de caso relativo avaliao da qualidade da gua utilizando anlise exergtica. A quantidade de poluio da gua foi

avaliada por uma anlise exergtica e comparada com outros mtodos existentes na literatura.

Kim et al. (1998) propuseram uma anlise de sistemas complexos atravs de uma anlise exergtica e uma anlise econmica. Para cada componente do sistema foi escrita uma equao geral de balano de custos. Alm disso, a exergia de cada corrente de escoamento

foi decomposta em exergia trmica, mecnica e qumica. Um custo exergtico unitrio foi atribudo para cada exergia desagregada. Essa metodologia permite a obteno de um

sistema de equaes para os custos unitrios das vrias exergias atravs da equao de balano de custos aplicada a cada componente do sistema. Atravs desse sistema de

equaes, o clculo monetrio dos vrios custos exergticos (trmico, mecnico, etc.), alm do custo de produo de eletricidade a partir do sistema trmico puderam ser

obtidos. Esse mtodo permite tambm a obteno dos custos de perdas para cada componente do sistema trmico. O mtodo do custo exergtico proposto foi aplicado a um

sistema de cogerao com turbina a gs de 1000 kW e os resultados obtidos foram discutidos e analisados.

Kwak et al. (2003) realizaram uma anlise exergtica e econmica de um ciclo de gerao de potncia de 500 MW. Os princpios da conservao da massa e da energia foram aplicados para cada um dos componentes do ciclo. Foram considerados tambm balanos

de exergia e de custo exergtico para cada um dos componentes do ciclo, bem como para todo o ciclo. O modelo exergoeconmico, que representa a estrutura produtiva do sistema

considerado, foi utilizado para visualizar o processo de formao de custo e a interao produtiva entre os componentes. Foi desenvolvido um programa computacional para

estimar custos de produo de plantas de potncia, tais como plantas de turbinas a vapor ou a gs e plantas de cogerao.

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Lior e Zhang (2007) publicaram um trabalho com o objetivo de esclarecer alguns conceitos termodinmicos e propiciar uma padronizao internacional de algumas

definies. Dentre esses conceitos, podem-se citar critrios de desempenho, tais como coeficientes de desempenho calculados atravs de uma anlise energtica. Usualmente,

estes coeficientes no proporcionam uma anlise suficiente e consistente do sistema em anlise. Essa situao torna-se particularmente incoerente quando ocorrem interaes

simultneas de diversos tipos de energia, tais como, trabalho, aquecimento e resfriamento.

Logrado (2000) desenvolveu uma ferramenta computacional para anlise e otimizao termoeconmica de turbina a gs e ciclos combinados. O modelo termoeconmico

proposto baseia-se na teoria do custo exergtico