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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.106.2017.tde-24012017-220458
Document
Author
Full name
Marcello Lima Galvão
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2016
Supervisor
Committee
Matai, Patricia Helena Lara dos Santos (President)
Fagá, Murilo Tadeu Werneck
Moraes, José Ermirio Ferreira de
Oliveira Junior, Silvio de
Title in Portuguese
Aplicação de bombas de calor em planta de separação de propeno
Keywords in Portuguese
Análise Exergética
Bombas de calor
Destilação
Exergia - análise
Abstract in Portuguese
Processos de refinação de petróleo caracterizam-se pelo intenso consumo energético. Dentre as mais variadas operações presentes nesta indústria, a separação de correntes por torres de destilação apresenta posição de destaque, despendendo mais de 40% da energia gasta por uma refinaria. Plantas de separação de propeno, importante produto para a indústria petroquímica visando a produção de polipropileno, se enquadram neste sentido, requerendo torres de destilação de considerável uso energético. Apesar da grande rejeição de calor referente a este consumo, por apresentar baixo nível térmico associado, frequentemente não se observa o seu aproveitamento. Neste contexto, bombas de calor apresentam-se como excelente alternativa para recuperação energética de correntes de rejeito térmico, com vastos exemplos na literatura aplicados à indústria e, especificamente associados a torres de destilação. Neste trabalho avaliou-se, por meio de modelagem e simulação computacional, a aplicação de duas modalidades de bomba de calor em ciclo de compressão de vapor (compressão de topo e compressão do fundo despressurizado), e uma em ciclo de absorção, integradas a uma planta de separação de propeno de uma refinaria localizada no Brasil, comparativamente a uma planta equivalente utilizando processo de destilação convencional com refervedor de fundo e condensador de topo. Para as premissas definidas no trabalho, verificou-se como o melhor resultado, a aplicação da bomba de calor por compressão de vapor de topo da coluna de destilação, o qual demonstra que 4,1 MW associado ao trabalho de eixo do compressor, torna possível uma economia energética de mais de 80% do consumo de vapor dágua e água de resfriamento, se comparados à planta convencional, sem a utilização de bomba de calor. Cálculos de rendimento exergético demonstram a melhor configuração ser 2,4 vezes mais eficiente que o modelo convencional. Limitações de troca térmica foram observadas no estudo de caso da bomba de calor de compressão de fundo despressurizado, demandando uma recirculação adicional de propano ao ciclo, com consequente redução de rendimento exergético a um patamar intermediário entre o caso convencional e o melhor resultado observado. Já para a bomba de calor de absorção, verificou-se, para o fluido de trabalho praticado e condição simulada, resultado aquém da situação convencional. Por fim, avalia-se que a aplicação de fonte térmica alternativa (vapor sub-atmosférico), de baixo conteúdo exergético, ainda que de difícil obtenção junto à refinaria, poderia viabilizar a inversão dos resultados observados, recomendando a sua verificação de uso para estudos futuros.
Title in English
Application of Heat Pumps at Propylene Distillation Plant
Keywords in English
Distillation
Exergetic Analysis
Exergy
Heat pumps
Abstract in English
Oil refining process are recognized by its very intense energy consumption. In this industry, distillation columns are extensively used for product separation. Contributing with more than 40% of refinery energy consumption, distillation units typically require high level of heat rejection, frequently not capable of being directly used, due to its low temperature profile. In this scenario, the distillation of propylene, important product for petrochemical industry is set as one of the most energy intense refinery process. Process integration using heat pumps are considered an excellent choice to provide waste heat upgrade, with numerous examples applied to industry and specifically for distillation towers cited in the literature. In this work, two different vapor compression heat pump cycles (tower overhead compression and bottom flash compression) and an absorption heat pump cycle were applied to a propylene distillation facility located at a Brazilian refinery, in a comparison analysis with a conventional distillation process with typical bottom reboiler and overhead condenser. Considering the defined basis, the overhead vapor compression scheme has shown the better result, since its shaft compressor work of 4.1 MW, integrated to the tower allows reducing more than 80% of steam and cooling water consumption originally associated. An exergetic analysis was performed, confirming the proposal scheme to be 2.4 times more efficient than the process without heat pump integration. An intermediate result, between the conventional distillation and associated overhead vapor compression heat pump was observed in the bottom flash case, since, as consequence of a heat exchange bottlenecking, an additional propane compression loop had to be applied. With regards to the absorption heat pump scheme, considering the chosen fluid and the plant work conditions, no advantage was observed in comparison to the conventional case. In time, an alternative utility (vacuum steam), with low exergy content, was applied to the conventional system, replacing the low pressure steam originally used. Besides its difficult practical application, the alternative utility has proved to be able to reverse the previous work results, thus, further studies are recommended regarding its viability of use.
 
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Publishing Date
2017-03-06
 
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