Estudo da otimização de trocadores de calor do tipo Kettle presentes em sistema de propileno refrigerante de uma unidade de processamento de gás de refinaria

Abstract

O presente trabalho avaliou a oportunidade de otimização de trocadores de calor do tipo Kettle pertencentes ao sistema de propileno refrigerante de uma Unidade de Processamento de Gás de Refinaria. Essa unidade é uma planta industrial complexa responsável pelo aumento da produção de Eteno e Propeno em uma petroquímica. Estes equipamentos consistem em trocadores de calor do tipo casco e tubo, porém possuem uma geometria peculiar com um aumento no casco para que seu fluido possa evaporar completamente. Os trocadores de calor do tipo Kettle do presente estudo não apresentavam controle de nível de fluido refrigerante visando uma operação otimizada, de modo que poderiam estar com troca térmica deficiente ou excessiva. Por meio de simulações computacionais utilizando os softwares Aspen EDR® e Aspen Hysys®, em conjunto com diversos conhecimentos adquiridos no curso de engenharia química, principalmente análises dimensionais, noções termodinâmicas e balanço de massa, foi possível desvendar o comportamento do sistema em operação, comprovando que os trocadores de calor em questão estão superestimados para a faixa de vazão na qual operam. O estudo possibilitou a obtenção de níveis otimizados para dois dos trocadores de calor do tipo Kettle do sistema de refrigeração, diminuindo o nível em operação com vazões baixas de 50% para 28%, e em vazões elevadas de 55% para 34%, o que equivale a 5m³ de propileno em cada equipamento e gera ganhos financeiros para a empresa, pois o produto pode ser vendido ao invés de utilizado. Além disto, esta economia também reflete em um impacto positivo em descarbonização durante o desinventariamento. Por fim, o presente estudo também pode servir como base para estudos futuros nestes equipamentos, visando a otimização ainda maior do sistema.

This study evaluated the opportunity to optimize Kettle-type heat exchangers belonging to the propylene refrigerant system of a Refinery Gas Processing Unit. This unit is a complex industrial plant responsible for increasing the production of Ethylene and Propylene in a petrochemical company. This equipment consists of shell and tube heat exchangers, but with a peculiar geometry with an increase in the shell so that their fluid can evaporate completely. The Kettle-type heat exchangers in this study did not have refrigerant level control aiming at optimized operation, so they could have deficient or excessive heat exchange. Through computer simulations using the Aspen EDR® and Aspen Hysys® software, together with various knowledge acquired in the chemical engineering course, mainly dimensional analyses, thermodynamic notions and mass balance, it was possible to unravel the behavior of the system in operation, proving that the heat exchangers in question are overestimated for the flow range in which they operate. The study made it possible to obtain optimized levels for two of the Kettle-type heat exchangers in the refrigeration system, reducing the level in operation with low flows from 50% to 28%, and at high flows from 55% to 34%, which is equivalent to 5m³ of propylene each equipment and generates financial gains for the company, as the product can be sold instead of used. In addition, this savings also reflects a positive impact on decarbonization during deinventorying. Finally, this study can also serve as a basis for future studies on this equipment, aiming at further optimization of the system.