Modelagem, Simulaçao E Otimizaçao De Sistemas De
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UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS I FACULDADE DE ENGENHARIA QUIMICA DEPARTAMENTO DE PROCESSOS QUÍMICOS ÁREA DE CONCENTRAÇÃO: DESENVOLVIMENTO DE PROCESSOS QUÍMICOS MODELAGEM, SIMULAÇAO- E OTIMIZAÇAO- DE SISTEMAS DE EVAPORAÇÃO AUTOR: Denis Libert Westphalen ORIENTADOR: Profa. Ora. Maria Regina Wolf Maciel Tese de Doutorado apresentada à Faculdade de Engenharia Química como parte dos requisitos exigidos para a obtenção do título de Doutor em Engenharia Química. Janeiro f 1999 UNIDAOE_ .... N.' CHAMADA ; FICHA CATALOGRÁFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECA DA ÁREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP Westphalen, Denis Libert W528m Modelagem, simulação e otimização de sistemas de evaporação I Denis Libert Westphalen.--Campinas, SP: [s.n.], 1999. Orientador: Maria Regina WolfMaciel. Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química. l.Evaporadores- Modelos matemáticos. 2. Programação orientada a objetos (Computação). 3. Energia- Conservação. I. Maciel, Maria Regina Wolf. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Química. III. Título. Tese de Doutorado defendida e aprovada em 19 de janeiro de 1999 pela banca examinadora constituída pelos professores doutores: Profa. Dr Maria Regina Wolf Maciel Profa. Dra. Uliane Maria F. L. Batista Prof. Dr. Roger J. Zemp Pro f. -------------------------------------- Esta versão corresponde à redação final da Tese de Doutorado em Engenharia Química defendida pelo Eng. Denis Libert Westphalen e aprovada pela Comissão Julgadora em 19 de janeiro de 1999. Dedico esta Tese aos meus filhos Gerhard e Fernando e à minha esposa Helena, que certamente representaram a maior motivação para este desenvolvimento. Dedico a eles este trabalho, com a certeza que toda a minha ausência não foi sem motivo. Agradecimentos Gostaria de registrar em primeiro lugar os meus agradecimentos à minha orientadora - Profa. Dra. Maria Regina Wolf Maciel - por todo o apoio, incentivo, paciência e liberdade de idéias que recebi para o desenvolvimento desta Tese. Diversos tópicos, que tanto engrandeceram este trabalho, só foram concretizados após muita insistência e motivação por parte da Maria Regina. Sou grato também aos amigos do Laboratório de Desenvolvimento de Processos de Separação (LDSP), em particular ao Luiz Fernando de Lima Luz Jr., pelo auxílio no desenvolvimento e resolução das equações do modelo dinâmico de sistemas de evaporação. Agradeço a Deus pela inspiração e condições para que eu pudesse conquistar mais uma etapa de minha vida. E sem querer fazer injustiça a ninguém, agradeço a todos que fizeram parte da torcida para que este trabalho chegasse até o fim. RESUMO Sistemas de evaporação são equipamentos de separação com larga aplicação na indústria química e de processamento químico. As inúmeras possibilidades de tipos de arranjos dos efeitos (frontal, reverso ou misto) e de inclusão de acessórios (compressores mecânicos, termocompressores, trocadores de calor, tambores de expansão e correntes de extração) tornam a sua modelagem e simulação uma atividade complexa. Neste trabalho, foi desenvolvido um modelo matemático para a simulação estática e dinâmica de sistemas de evaporação. Este modelo foi implementado na forma de um programa de computador baseado na programação orientada por objetos e no uso de listas de conexões. A influência de variáveis como número e arranjo dos efeitos, temperatura da alimentação, aproveitamento de condensado e recompressão de vapor no projeto de um sistema de evaporação foi ilustrada no estudo de caso da concentração de soluções de açúcar. A flexibilidade do programa desenvolvido foi exemplificada na simulação estática de um evaporador de suco de laranja, revelando resultados próximos a valores publicados na literatura. A análise de resultados da simulação dinâmica de um equipamento de concentração de suco de maçã mostraram que o modelo dinâmico desenvolvido é capaz de reproduzir dados reais de operação. O estudo de um sistema de concentração de malto-dextrina revelou que um evaporador pode apresentar um comportamento dinâmico complexo com resposta do tipo inversa. A otimização de uma operação unitária não deve ser efetuada de forma isolada. Todo equipamento deve ser otimizado dentro do contexto no qual este está inserido. Seguindo este princípio, foi proposta uma metodologia para a integração energética de um sistema de evaporação baseado na Análise Pinch. Esta metodologia consiste na otimização das correntes de extração de vapor e sua aplicação foi ilustrada no processo de fabricação de glicose cristal. ii ABSTRACT Evaporation systems are separation processes widely used at chemical and chemical processing industries. The large number of possibilities for effects configuration (frontal, reverse or mixed) and of inclusion of accessories (mechanical compressors, thermocompressors, heat exchangers, flash coolers and bleed streams) turn its modeling and simulation into a hard task. In this work, it was developed a mathematical model for static and dynamic simulation of evaporation systems. This model was implemented in a computer program based on object-oriented-programming and on the use of linked lists. The influence of variables as effect number and configuration, feed temperature, use of condensate and vapor recompression in a evaporation system were illustrated in a case study of sugar solutions concentration. The flexibility of the software was exemplified at the steady state simulation of an orange juice evaporator, showing results near to published values. The analysis of the dynamic simulation results of an apple juice concentrator showed that the dynamic model developed in this work is able to reproduce real operational data. The study of the malt-dextrin concentration showed that an evaporator can exhibit a complex dynamical behavior with inverse response. Unit operations optimization can not be performed isolated. Ali pieces of equipment have to be optimized in the context of the overall process. Following this rule, it was proposed a methodology for heat integration of evaporation systems based on Pinch Analysis. This methodology consists in the optimization of bleed streams and its applications was illustrated at the cristal glucose process. iii SUMÁRIO CAPÍTULO 1 - INTRODUÇÃO ................................................ 1 CAPÍTULO 2- METODOLOGIA DO TRABALHO ..................... 3 CAPÍTULO 3- CONTEXTO DO PROBLEMA ............................ 5 3.1- SISTEMAS DE EVAPORAÇÃO ...................................................................... 5 3.1.1- Definição e aplicações ................................................................. 5 3.1.2- Equipamentos de evaporação ...................................................... 8 3.1.3- Representação esquemática de evaporadores ............................ 17 3.1.4- Estratégias para redução no consumo de energia ....................... 19 3.1.5- Propriedades físicas empregadas no dimensionamento de evaporadores ...................................................................................... 33 3.1.6- Predição dos coeficientes globais de transferência de calor em evaporadores ...................................................................................... 49 3.2- ANÁLISE PINCH .................................................................................. 51 3.2.1- Metas de energia ...................................................................... 51 3.2.2 -Construção de curvas compostas ............................................... 53 3.2.3 - Regras da Análise Pinch ............................................................ 57 3.2.4- Algoritmo "Problem Table" ........................................................ 58 3.2.5 -Construção do diagrama de cascata ........................................... 61 3.2.6- Metas de área .......................................................................... 67 3.2.7- Integração energética de equipamentos de separação ................ 72 CAPÍTULO 4- MODELAGEM E SIMULAÇÃO DE SISTEMAS DE EVAPORAÇÃO EM REGIME PERMANENTE .......................... 76 4.1- INTRODUÇÃO ..................................................................................... 76 4.2 - PONTEIROS E ESTRUTURAS DE DADOS ...................................................... 77 4.3- PROGRAMAÇÃO ORIENTADA POR OBJETOS .................................................. 79 i v 4.4- REPRESENTAÇÃO COMPUTACIONAL DOS MÓDULOS DE UM EVAPORADOR .............. 84 4.5- MODELAGEM DOS MÓDULOS DE UM EVAPORADOR ........................................ 90 4.5.1 -Corrente de alimentação ........................................................... 90 4.5.2- Corrente de vapor de aquecimento ............................................ 91 4.5.3- Corrente de produto ................................................................. 94 4.5.4- Corrente de extração de vapor .................................................. 94 4.5.5 - Efeito simples ........................................................................... 95 4.5.6- Efeito com aquecimento externo ............................................... 97 4.5.7- Trocador de calor intermediário ................................................. 99 4.5.8- Trocador de calor com aquecimento externo ............................. 100 4.5.9- Compressor mecânico .............................................................. 101 4.5.10- Termocompressor .................................................................. 102 4.5.11- Tambor de expansão ............................................................. 104 4.5.12 -Condensador