Artigo profundo e valioso ‖ Como reformar de maneira eficaz equipamentos antigos, visando economizar energia e aumentar a eficiência!

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Artigo profundo e valioso ‖ Como reformar de maneira eficaz equipamentos antigos, visando economizar energia e aumentar a eficiência! 2016-08-13 Relação com a indústria petroquímica: uma abordagem para a vida. Ao se buscar melhorar a capacidade de processamento da torre, é necessário resolver alguns problemas. Por exemplo: qual é o potencial dos equipamentos antigos? Quais são os fatores que limitam a capacidade de processamento desses equipamentos? Quais métodos podem ser utilizados para realizar as reformas de maneira econômica e, ao mesmo tempo, atender às necessidades de aumento da produção? O problema fundamental aqui é, na verdade, a previsão da capacidade máxima de processamento da torre. No entanto, nesse momento há uma diferença em relação à fase de projeto: na fase de otimização e reforma, é necessário fazer previsões mais precisas. Uma margem de erro de 10% a 20% é geralmente aceitável na fase de projeto, mas, na fase de otimização e reforma, esse tipo de erro é considerado muito grande. Neste momento, o ponto positivo é a existência de equipamentos antigos, além de uma vasta experiência operacional e de informações relevantes. Essas condições favoráveis devem ser aproveitadas ao máximo para tornar as previsões mais precisas e realistas. A previsão da capacidade máxima na fase de eliminação de gargalos é baseada em medições confiáveis, e não em fórmulas genéricas. Pode-se dizer que esta é uma visão básica para a reforma de equipamentos antigos, o mesmo valendo para a melhoria da qualidade do produto e para a economia de energia. Para obter a máxima capacidade de processamento do equipamento antigo, ou seja, a maior capacidade de processamento das matérias-primas ou a maior quantidade de produtos que podem ser produzidos, são necessários dois testes. Primeiro, altere a posição de alimentação para determinar a melhor posição de alimentação ； Reduza gradualmente a razão de refluxo R, ao mesmo tempo em que se verifica a qualidade do produto, a fim de determinar o valor mínimo dessa razão necessário para produzir produtos de qualidade. Um valor tão baixo em comparação com as operações de produção normais indica que a torre possui alguma capacidade extra. Por fim, foi realizado um teste de transbordamento do líquido na coluna, com esse mínimo rácio de refluxo operacional, a fim de determinar o fluxo máximo da coluna. Através dos testes acima, é possível determinar a capacidade máxima de processamento das matérias-primas ou a quantidade máxima de produtos que o equipamento antigo consegue produzir. Se essa capacidade for suficiente para atender às necessidades de aumento da produção, então o problema está resolvido. Se ainda houver alguma diferença, a torre deve ser reformada. Nesse momento, é necessário identificar os fatores que limitam a capacidade de processamento da torre, para então decidir sobre o plano de reforma. Os cálculos de simulação da coluna desempenham um papel importante na reforma de equipamentos. No entanto, as diversas equações e dados básicos utilizados nos cálculos de simulação devem ser verificados com base em dados reais obtidos a partir da operação da coluna de destilação, a fim de garantir que os resultados dos cálculos reflitam corretamente as condições reais de funcionamento da coluna. As equações de correlação e os dados mais básicos nos cálculos de simulação de colunas de destilação são os seguintes. 1. Relação de equilíbrio de fases – A relação deve ser obtida a partir de dados de equilíbrio de fases medidos experimentalmente, e esses dados devem ter alta qualidade. Ou seja, é necessário que, através da verificação de consistência termodinâmica, o erro entre os dados de equilíbrio de fases previstos com base nas relações estabelecidas e os valores medidos seja pequeno. Além disso, a faixa de concentração dos dados medidos deve abranger toda a faixa de concentrações presente na coluna, evitando assim a necessidade de extrapolações. Por exemplo, se a concentração do produto for de 99,5%, mas os valores medidos forem apenas 95% ou menos, esse intervalo de valores medidos é muito estreito. De 95% a 99,5%, parece que não há muita diferença, mas, na verdade, para purificar o produto nesse intervalo é necessário usar um grande número de placas de destilação. Qualquer pequeno erro pode afetar significativamente os valores calculados. 2. Dados de eficiência de transferência de massa: nas colunas de placa, costuma-se utilizar a eficiência da coluna; também é possível usar valores diferentes para as seções de destilação e de extração. Já nas colunas com material de preenchimento, utiliza-se o HETP. Com as relações corretas de equilíbrio de fases, é possível, a partir das composições dos produtos e dos insumos medidos, bem como do estado térmico, das quantidades de insumo e de produto, da relação de refluxo e da pressão de operação, além da localização das linhas laterais, das quantidades e composições extraídas (se houver), calcular, por meio de simulações, o número real de placas teóricas presentes em toda a coluna (e em cada seção dela). Dessa forma, pode-se determinar a eficiência da coluna (ou da cada seção) ou o HETP. Neste teste, é recomendável que a razão de refluxo seja maior, a fim de evitar problemas de “ponto de estrangulamento” na separação dos componentes importantes, o que poderia levar a resultados errôneos. Nos testes com torres de enchimento, é necessário prestar especial atenção à qualidade da distribuição do líquido pelo distribuidor. A verificação dos desenhos estruturais permite avaliar a qualidade da distribuição do líquido pelo distribuidor. Em geral, em torres que funcionam corretamente e atendem aos critérios de projeto, a qualidade da distribuição do líquido pelo distribuidor é satisfatória. Se houver suspeitas quanto à qualidade da distribuição do líquido durante as operações de produção, é possível avaliá-la por meio de testes no local. Para verificar rigorosamente se os dados de equilíbrio e a eficiência estão em conformidade com as operações de produção, nos testes em campo deve-se tentar medir a distribuição da temperatura ao longo da altura da torre. Claro, seria ainda melhor poder medir também a distribuição da concentração ao longo dessa mesma altura. Ao utilizar esses dados para comparar com os resultados dos cálculos de simulação, é possível analisar e ajustar as relações envolvidas, obtendo assim dados mais realistas sobre o equilíbrio de fases e a eficiência. 3. Relação entre a entalpia das fases gasosa e líquida: seria ideal ter dados experimentais para verificar essa relação, mas não existem muitos dados nesse sentido. Geralmente, só é possível optar por algumas relações que são amplamente recomendadas na literatura especializada. A precisão da entalpia afeta principalmente a taxa de fluxo das fases gasosa e líquida na coluna, bem como a carga térmica dos condensadores e reboilers. Se o erro na carga térmica for pequeno, os resultados obtidos por meio de simulações com essa valorização são aceitáveis. 4. Algumas relações entre as propriedades hidrodinâmicas das colunas de placas ou de enchimento: a mais importante é a relação entre a velocidade de transbordamento do líquido e a queda de pressão. Primeiro, é necessário identificar as causas do transbordamento do líquido; em seguida, escolhe-se e verifica-se a equação a ser utilizada. Kist apresentou um exemplo em que a estimativa otimista fornecida pelo fabricante da coluna de enchimento quanto à transbordância do líquido levou a uma subestimação da taxa de expansão que poderia ser alcançada após as modificações. É muito importante conhecer a quantidade de dados experimentais em que se baseiam as diferentes correlações descritas na literatura, bem como a faixa de variação das variáveis e os sistemas experimentais utilizados, para escolher corretamente uma correlação confiável. É necessário escolher corretamente as várias relações apropriadas, utilizando os equipamentos da fábrica e os dados de testes necessários para verificar essas relações. Dessa forma, os resultados dos cálculos de simulação poderão refletir com precisão a situação real dentro da torre. Só então é possível utilizar esses cálculos como ferramenta útil para identificar os principais fatores que limitam a capacidade de processamento dos equipamentos e para elaborar planos de reforma. Métodos para aumentar a capacidade de processamento da torre ► Alterar os componentes internos do equipamento da torre. ►Adaptar os processos de acordo com as condições locais. ►Aumentar a pressão de operação da coluna, além disso, reduzir a razão de refluxo por meio do aumento do número de pratos da coluna, também pode contribuir para aumentar a produção. 1. Reforma dos componentes internos da coluna de destilação: (1) Utilização de novos tipos de material de preenchimento eficientes, em substituição aos materiais ou placas de preenchimento mais antigos. Os materiais de preenchimento de terceira geração, bem como os materiais de preenchimento padronizados, apresentam menor pressão de descarga, maior eficiência (HETP menor) e maior fluxo (FP menor). Ao substituir os materiais de preenchimento antigos, a velocidade de vaporização do líquido na coluna aumenta significativamente ； Além disso, o número teórico de placas em uma camada de material de preenchimento da mesma altura aumentou, o que permite que a razão de refluxo operacional seja reduzida. Isso, por sua vez, aumenta indiretamente a quantidade de matéria-prima processada e a produção. É importante ressaltar que os distribuidores e redistribuidores de líquido também precisam ser modificados, a fim de atender às exigências dos novos preenchimentos de alta eficiência. As colunas de preenchimento e as colunas de placas, quando operadas em condições ótimas, podem funcionar sob pressão reduzida, pressão normal e baixa pressão. Os preenchedores estruturados oferecem vantagens tanto em termos de eficiência quanto de fluxo ； Em condições de alta pressão (>2 MPa), as vantagens mencionadas dos recheios ordenados desaparecem, sendo que os recheios a granel eficientes apresentam certas vantagens. Na reforma da torre, a utilização de material de preenchimento no lugar das placas da torre resulta em um aumento mais significativo na produção, pois a queda de pressão em cada placa teórica pode ser reduzida em quase 90%. Geralmente, a queda de pressão em cada placa de destilação fica entre 0,4 e 1,05 kPa. Na destilação por redução de pressão, esse valor é um pouco menor. Já para materiais de preenchimento como anéis metálicos, a queda de pressão pode chegar a 55 Pa por placa teórica; já para materiais de preenchimento padronizados, esse valor é de 13 Pa por placa teórica. Esse vantajoso aspecto confere a ele uma vantagem significativa na reforma de colunas de destilação em vácuo elevado, pois, nesse caso, o cálculo do diâmetro da coluna é determinado pela queda de pressão especificada. Com uma queda de pressão menor, é possível utilizar velocidades de vapor mais altas. De acordo com as estimativas de Strieger, com a mesma queda de pressão, o material de preenchimento em formato de anel metálico permite uma capacidade de processamento cerca de 70% maior do que a das colunas de placas. Já o uso de materiais de preenchimento mais organizados permite ainda maiores capacidades de processamento. A utilização de enchimentos eficientes para reformar as colunas de destilação de estireno é um exemplo típico de como se podem obter grandes benefícios econômicos. A Universidade de Tianjin conseguiu reformar com sucesso mais de uma dúzia dessas colunas, utilizando enchimentos em formato de ondas. Essa modificação não só permite aumentar a produção, mas também elimina praticamente as perdas durante a polimerização do estireno, devido à redução da temperatura na base da coluna e da temperatura média em toda a seção de destilação. Além disso, há uma diminuição na quantidade de líquido retido na coluna (o que acaba encurtando o tempo de permanência do líquido lá), o que aumenta a taxa de obtenção de estireno. Para a destilação a pressão normal e alta, as vantagens de menor resistência e menor quantidade de líquido retido nas colunas de enchimento já não são tão importantes. No entanto, usar enchimentos no lugar de colunas de placas ainda permite obter um aumento significativo na produção. Embora Brierley considerasse que o uso de torres de placas em condições de alta pressão (>2 MPa) era mais confiável, devido à experiência de sucesso acumulada ao longo do tempo, ele reconheceu que o uso de material de preenchimento em tais condições também pode gerar resultados significativos. Além disso, em comparação com as colunas de placas, os recheios padronizados apresentam maior capacidade de processamento e eficiência na grande maioria das situações em regiões de baixa pressão. Strieger acredita que, nas torres de alta pressão, a substituição das placas de controle por anéis metálicos pode resultar em um aumento de produção de aproximadamente 25%. A principal razão é que, sob alta pressão, a coluna de placas precisa ocupar uma área considerável para a região de transbordamento, enquanto toda a área da coluna de malhas pode ser utilizada para a transferência de massa entre as duas fases. Na coluna de desmetanização de alta pressão da unidade de produção de 300 mil toneladas de etileno, a substituição das válvulas flutuantes responsáveis por limitar a produção por anéis metálicos em forma de “S” resultou em um aumento na produção de cerca de 20%. A utilização de material de preenchimento padronizado em áreas de alta pressão ainda não é amplamente difundida; é preciso ter cuidado ao utilizá-lo. Existem exemplos na literatura de reformas bem-sucedidas utilizando torres de desmetanização (pressão de 3 MPa), torres de despropanização (1,8 MPa), torres de deetanização (2 MPa) e torres C3/C4 (3,2 MPa). Essas reformas resultaram em um aumento na produção de 20% a 25%. No entanto, a eficiência de separação não é tão boa quanto em condições de baixa pressão; portanto, ainda são necessárias mais pesquisas. Existem relatos na literatura científica de que a empresa americana Precision Distillation Research realizou testes em escala industrial com o material de preenchimento regular Telox 2T, sob uma pressão de 3,2 MPa. O sistema utilizado nos testes era composto por isobutano e butano, mas não foram obtidos resultados satisfatórios em termos de eficiência de separação e fluxo. Quando se utiliza material de preenchimento no lugar das placas da coluna, os anéis de suporte das placas originais devem ser removidos. A largura restante deve ser inferior a 12 mm; caso contrário, haverá uma distribuição inadequada do líquido, o que reduzirá a eficiência da separação e também diminuirá o fluxo na coluna. Além disso, as interfaces dos materiais de partida, das interfaces de vapor e dos instrumentos de medição de pressão e temperatura também precisam ser cuidadosamente localizadas e verificadas; às vezes, é necessário realocá-las. É preciso ressaltar que, no momento, estamos discutindo a reforma da torre para aumentar sua capacidade de produção. É possível atender às necessidades de aumento da produção por meio da modificação dos componentes internos da torre. Isso é mais econômico do que construir um novo equipamento. Mesmo que o custo dos componentes substituídos seja um pouco maior, ainda assim vale a pena. Isso é diferente do projeto para a construção de novas fábricas; de forma alguma, as colunas de enchimento são sempre melhores do que as colunas de placas. (2) Modificação das dimensões da estrutura original das placas de coluna ou utilização de novas placas de coluna com maior eficiência e capacidade de processamento. Geralmente, devido a vários erros relacionados no projeto original, é utilizado um fator de segurança para tornar o design mais confiável. Isso também possibilita um aumento adicional na produção. No entanto, frequentemente, devido à restrição de algum fator, é difícil obter um grande aumento na produção sem uma modificação adequada. Após verificar as relações da hidrodinâmica das placas de troca por meio de dados experimentais, é possível tornar os cálculos de redesenho mais realistas, identificar fatores limitantes e, assim, alcançar a melhor estrutura possível. Kapus sugere que se utilize o gráfico de desempenho da carga da placa de troca de calor para fazer essa avaliação (Figura 7-1). Figura 7-1: Gráfico que indica se as dimensões da estrutura da placa de separação estão otimizadas. A Figura 7-lb mostra que o transbordamento do líquido no tubo de descida ocorre prematuramente. Isso pode ser corrigido ajustando a taxa de abertura das aberturas na placa, a altura da barreira de transbordamento, o espaçamento entre as placas ou o espaço inferior ao tubo de descida ； A Figura 7-1c mostra que a seção transversal do tubo de descida é muito pequena; isso causa obstruções que limitam a capacidade de processamento da torre ； A Figura 7-ld mostra que o transporte excessivo de névoa ou a formação de espuma limitam a capacidade de processamento da torre. Isso pode ser corrigido ajustando a distância entre as placas, a altura do talude e o diâmetro dos orifícios, entre outros fatores. Após uma reforma adequada das placas de troca, é possível obter um aumento significativo na produção, atendendo assim às exigências. Levando em consideração o sistema de separação específico, as condições operacionais e a carga nas fases gasosa e líquida, a escolha de novos tipos de placas de coluna especialmente adequadas também representa uma maneira de aumentar a produção das colunas existentes. As válvulas orientadoras parecem poder substituir amplamente as placas de peneira e as placas de coluna com válvulas flutuantes, permitindo assim um aumento na produção. 2. Processo de reforma: Quando a capacidade de separação e de processamento da torre ociosa não atende aos requisitos, ao combiná-la com as torres de produção existentes, sua capacidade de processamento aumenta significativamente. A Figura 7-2 mostra três possíveis combinações; é possível determinar a combinação mais adequada por meio de simulações de fluxo. Figura 7-2: Combinações entre torres ociosas e torres de produção. 1 – Torre de produção ； 2- Torre ociosa: Quando a separação de um determinado produto é feita por meio de duas torres conectadas em série, a torre utilizada para a fase de destilação tem, claramente, maior capacidade de processamento do que a torre utilizada para a fase de stripping. Além disso, o fenômeno de transbordamento na torre de stripping limita significativamente a capacidade de processamento de toda a instalação. Para aumentar a capacidade de processamento de toda a torre, é possível adicionar um reboiler intermediário na parte inferior da seção de destilação. Dessa forma, parte da carga de fase gasosa e líquida da seção de extração é transferida para a seção de destilação, permitindo assim um equilíbrio entre as cargas das duas seções e, consequentemente, um aumento na produção. Do ponto de vista do uso de energia, a quantidade de calor fornecida pelo reator de ebulição intermediário permite que ocorra a separação nas seções de destilação, mas sua eficiência é baixa. Se a fábrica tiver fontes de calor de baixa temperatura disponíveis, será possível realizar uma utilização eficiente e integrada da energia. Sob a condição de que a altura da torre possa ser aumentada, é possível aumentar o número de placas da torre em uma quantidade adequada (o que permite reduzir o valor de R). Além disso, ajustar a posição da entrada de matéria-prima para o ponto ideal, bem como ajustar as condições térmicas da matéria-prima (pois a fase de destilação é fator crucial para limitar a capacidade de processamento; nesse caso, pode-se optar por um fornecimento de matéria-prima em mistura gasosa-líquida ou apenas em fase gasosa), tudo isso pode contribuir para aumentar a produção de maneira adequada. 3. Aumentar a pressão de operação da torre. A razão para utilizar operação sob pressão é aumentar a temperatura do condensador localizado no topo da torre, de modo que seja possível utilizar resfriamento por ar, resfriamento por água ou um refrigerante com temperatura mais alta ； A razão para utilizar a operação de redução de pressão é diminuir a temperatura no fundo da coluna, a fim de evitar que os materiais se superaqueçam e se deteriorem, ou que ocorra coagulação, polimerização, etc. Além disso, isso permite o uso de vapor d’água ou de um agente de aquecimento com temperatura ligeiramente mais baixa. Portanto, desde que a temperatura do tanque de reação não seja determinada pela deterioração dos materiais, pela polimerização ou pelo acúmulo de carbonização, se a pressão do tanque pode ser aumentada é uma questão de análise econômica. Se for possível aumentar a produção por meio do aumento da pressão, o que permitiria economizar nos investimentos necessários para a construção de novas instalações, isso costuma ser economicamente atrativo. O aumento da pressão permite um maior volume de produção, pois, à medida que a pressão aumenta, a densidade do vapor também aumenta de maneira proporcional. Embora a elevação da pressão na coluna faça com que a velocidade de vaporização do líquido na coluna diminua um pouco, a vazão máxima de gás permitida na coluna aumenta significativamente. Se a razão de refluxo permanecer constante, ou seja, a produção da torre ou a quantidade de matéria-prima processada aumentará da mesma forma. Mas, à medida que a pressão aumenta exponencialmente, a volatilidade relativa também diminui ligeiramente. Assim, a razão mínima de refluxo aumenta, e a razão de refluxo operacional também aumenta. Isso compensa, em parte, o efeito do pG e o aumento na produção. Em geral, a destilação sob pressão reduzida e a destilação a pressões próximas à pressão atmosférica permitem facilmente adaptações para aumentar a produção por meio da aplicação de pressão. Isso porque basta aumentar ligeiramente a pressão absoluta para que o valor de pG aumente significativamente, sem que haja problemas relacionados à resistência dos equipamentos. Na destilação a alta pressão, para que o valor de pG aumente exponencialmente, surgem problemas relacionados à resistência dos equipamentos. Além disso, a operação normal das colunas de enchimento a alta pressão se torna mais difícil. As colunas de placas também podem apresentar o problema de tubos de descida excessivamente pequenos. Este texto é proveniente do Chemical Engineering 707. Sua reprodução visa apenas a compartilhamento de informações; os direitos autorais pertencem ao autor original