Orientador: José Vicente Hallak D'Angelo

Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química

Resumo: Uma das preocupações recorrentes nas indústrias tem que ver com o consumo de energia e a consequente emissão de poluentes. Visando reduzir a demanda energética de um processo, ferramentas baseadas na Termodinâmica podem ser empregadas a fim de chamar a atenção para as perdas termodinâmicas...

Resumo: Uma das preocupações recorrentes nas indústrias tem que ver com o consumo de energia e a consequente emissão de poluentes. Visando reduzir a demanda energética de um processo, ferramentas baseadas na Termodinâmica podem ser empregadas a fim de chamar a atenção para as perdas termodinâmicas mais relevantes. Em vista disso, no presente trabalho, a análise exergética ¿ fundamentada na Primeira e na Segunda Leis da Termodinâmica ¿ foi usada para investigar diferentes sistemas de refrigeração, a saber, ciclos de liquefação do gás natural (cascata e APCI C3MR, formados por ciclos de compressão de vapor acoplados) e ciclos de absorção. Em todos os casos, o objetivo geral consistiu em examinar oportunidades de melhoria. Para os ciclos de liquefação do gás natural, foi seguida uma sequência lógica de avaliação inicial de um caso base e posterior análise de algumas oportunidades de melhoria identificadas. Já para os ciclos de absorção, o foco foi a comparação direta entre duas misturas H2O/absorvente alternativas e uma clássica. A análise do caso base do ciclo cascata indicou que as perdas termodinâmicas estavam majoritariamente concentradas no subciclo superior. Nele, por meio de análises de sensibilidade, observou-se que medidas como o uso de misturas refrigerantes binárias e configurações alternativas de ciclo foram capazes de reduzir a potência de compressão, partindo de um caso base definido arbitrariamente, de 42,5 %, valor que foi acrescido de 3,9 % quando se usou um método de otimização para minimizar a potência. No caso base do ciclo APCI C3MR, as irreversibilidades mais expressivas foram verificadas no subciclo a refrigerante misto, embora irreversibilidades também pronunciadas tenham sido computadas para o subciclo de pré-resfriamento. Assim, oportunidades de melhoria foram investigadas em ambos os subciclos, entre as quais se destacam o uso de um ciclo de absorção com NH3/H2O em lugar do subciclo de pré-resfriamento e a otimização da composição do refrigerante misto. A primeira resultou em uma redução da potência de compressão específica de 1681 kJ/kgGNL para até 1573 kJ/kgGNL; a segunda, em uma redução de 1655 kJ/kgGNL para até 1122 kJ/kgGNL. As misturas de trabalho alternativas exploradas nos ciclos de absorção foram a H2O/[EMIM][EtSO4] e a H2O/[EMIM][BF4], em que os absorventes são os líquidos iônicos 1-etil-3-metil-imidazólio etilsulfato e 1-etil-3-metil-imidazólio tetrafluoroborato. Sob as perspectivas de todos os critérios de avaliação, a H2O/[EMIM][BF4] se mostrou desinteressante. Por outro lado, por meio de análises de sensibilidade, constatou-se que a H2O/[EMIM][EtSO4], apesar de entregar desempenhos mais baixos, pode ser considerada competitiva em comparação à clássica H2O/LiBr, particularmente a temperaturas mais baixas no absorvedor & condensador e altas no evaporador, com a vantagem da ausência de risco de cristalização do LiBr. Em casos otimizados, as diferenças entre as eficiências exergéticas providas pelas misturas H2O/[EMIM][EtSO4] e H2O/LiBr foram de 3,0 % e 4,1 % nos sistemas de simples efeito e duplo efeito com fluxo em série, respectivamente

Abstract: One of the main concerns in industry is related to the consumption of energy and the resulting polluting emission. Aiming to reduce the energy requirement of a process, tools based on Thermodynamics can be applied to bring out the most relevant thermodynamic losses. So, the exergetic...

Abstract: One of the main concerns in industry is related to the consumption of energy and the resulting polluting emission. Aiming to reduce the energy requirement of a process, tools based on Thermodynamics can be applied to bring out the most relevant thermodynamic losses. So, the exergetic analysis, which is founded on both the First and Second Law of Thermodynamics, was used in this work to investigate different refrigeration systems, namely natural gas liquefaction cycles (cascade and APCI C3MR, composed by coupled mechanical compression cycles) and absorption cycles. In all cases, the general goal was to analyze improvement opportunities. For natural gas liquefaction cycles, it was followed the logical sequence of initial assessment of a base case and subsequent analysis of some improvement opportunities previously identified. For absorption cycles, attention was given to the direct comparison between two alternative H2O/absorbent mixtures and a classical one. Base case analysis of cascade cycle for natural gas liquefaction showed that thermodynamic losses were mainly located in upper subcycle. By means of sensitivity analysis, it was observed that use of binary refrigerant mixtures and alternative cycle configurations in upper subcycle were capable to reduce the compression power by 42.5 % from a base case defined arbitrarily, which was increased additionally by 3.9 % when an optimization method was applied to minimize required power. In the base of APCI C3MR cycle for natural gas liquefaction, greater irreversibilities were verified in mixed refrigerant subcycle, although significant irreversibilities have also been computed for pre-cooling subcycle. Thus, improvement opportunities were investigated for both subcycles. Among them, the main ones were the use of an absorption NH3/H2O cycle as a substitute for pre-cooling subcycle and the optimization of mixed refrigerant composition. The first opportunity resulted in a reduction of specific compression power from 1681 kJ/kgGNL to 1573 kJ/kgGNL, while the second one resulted in a reduction from 1655 kJ/kgGNL to 1122 kJ/kgGNL. Alternative working mixtures used in absorption cycles were H2O/[EMIM][EtSO4] and H2O/[EMIM][BF4], in which absorbents are the ionic liquids 1-ethyl-3-methylimidazolium ethyl sulfate and 1-ethyl-3-ethylimidazolium tetrafluoroborate. From perspectives of all evaluation criteria, H2O/[EMIM][BF4] was shown uninteresting. On the other hand, by means of sensitivity analysis, it was verified that H2O/[EMIM][EtSO4], although gives lower performances, can be considered competitive in comparison to the classical H2O/LiBr, particularly at lower absorber & condenser temperatures and higher evaporator temperatures, with the advantage of absence of LiBr crystallization risk. In optimized cases, differences between exergetic efficiencies due to mixtures H2O/[EMIM][EtSO4] and H2O/LiBr were 3,0 % and 4,1 % in single- and double-effect with series flow systems, respectively

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