Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:53Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5833.pdf: 3594761 bytes, checksum: 22ca28a1942a7b8b691c4f52f98f2924 (MD5) Previous issue date: 2014-02-17 / Universidade Federal de Sao Carlos / The increase in demand for biofuels has driven the development of new technologies such as ethanol production from sugarcane bagasse hydrolysis. Given the importance of Brazil in the ethanol market, the inclusion of technology of second generation ethanol will intensify its production. Energy integration in a sugarcane biorefinery provides important advantages for industrial processes such as better energy management, environmental benefits and increased ethanol production. The last factor is due to lower steam consumption in plant with energy integration, so, less bagasse is needed for cogeneration and a fraction of the surplus can be made available for production of second generation ethanol. In this context, the present study conducted energy integration of a sugarcane biorefinery in order to reduce the consumption of utilities. The technique used was Pinch analysis, an established methodology in the area of energy integration. The biorefinery used in this work consists of process for first and second generation ethanol and electricity production simulated in EMSO software (Environment for Modeling, Simulation, and Optimization). Six different scenarios of biorefinery were evaluated, which differ by pretreatment for bagasse (hydrothermal, diluted acid and steam explosion) and by inclusion or not of pentoses fermentation step. Processes that consider pentoses fermentation step have higher ethanol production when compared to processes that do not make use of pentoses fraction, but steam consumption increases in the same order of magnitude of ethanol production. For the six scenarios evaluated energy integration demonstrated a reduction in energy consumption over 50% when compared to corresponding processes without energy integration and over 30% when compared to process with project integration, as commonly found in Brazilian plants. Besides the economic advantage due to decreased costs of hot and cold utilities, the energy integration provides better energy management, reduction in emission of gases and liquid effluents and increases the availability of bagasse for production of second generation ethanol and/or electricity. / O aumento na demanda por biocombustíveis tem impulsionado o desenvolvimento de novas tecnologias como a produção de etanol a partir da hidrólise do bagaço de cana-de-açúcar. Dada a grande importância do Brasil no mercado de etanol, a inserção da tecnologia de etanol de segunda geração potencializará o crescimento da produção. A integração energética em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar proporciona importantes vantagens ao processo industrial como a melhor gestão de energia, benefícios ambientais e aumento na produção de etanol. O último fator se deve ao menor consumo de vapor na planta com a integração energética, logo, menos bagaço é necessário para o sistema de cogeração e parte do excedente pode ser disponibilizado para a produção de etanol de segunda geração. Neste contexto, o presente estudo realizou a integração energética de uma biorrefinaria de cana-de-açúcar com o objetivo de reduzir o consumo de utilidades. A técnica utilizada foi a análise Pinch, metodologia consagrada na área de integração energética. A biorrefinaria empregada neste trabalho consiste do processo de produção de etanol de primeira e segunda geração e energia elétrica por simulação computacional realizada no software EMSO (Environment for Modeling, Simulation, and Optimization). Foram avaliados seis cenários diferentes da biorrefinaria, os quais diferem pelo tipo de pré-tratamento para o bagaço (hidrotérmico, ácido diluído e explosão a vapor) e pela consideração ou não da etapa de fermentação das pentoses. Os processos com os pré-tratamentos hidrotérmico, ácido diluído e explosão a vapor com a inclusão da etapa de fermentação das pentoses tem maior produção de etanol quando comparado aos processos que não fazem uso da fração de pentoses, porém o consumo de vapor aumenta na mesma ordem de grandeza da produção de etanol. Para os seis cenários avaliados a aplicação da integração energética demonstrou uma redução no consumo de energia acima de 50% se comparada aos correspondentes processos sem integração energética e acima de 30% se comparada aos processos com integração de projeto, como comumente encontrados nas usinas brasileiras. Além da vantagem econômica, devido à diminuição nos custos de utilidades quentes e frias, a integração energética do processo proporciona melhor gestão de energia, redução na emissão de gases e efluentes líquidos e aumenta a disponibilidade de bagaço para a produção de etanol de segunda geração e/ou energia elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Marcelo Modesto / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do ABC. Programa de Pós-Graduação em Energia, 2015. / Nas últimas décadas, a integração energética tem se desenvolvido em busca do melhor uso da energia e de recursos em processos industriais e consequente redução do consumo de combustíveis fósseis e dos impactos negativos ao meio ambiente. Dentre os métodos de integração energética, o Método Pinch é, sem dúvida, o mais popular devido a sua simplicidade de implementação e eficiência. Os repetitivos cálculos que a metodologia requer levaram ao desenvolvimento de softwares a fim de agilizar e simplificar o trabalho do projetista. No presente trabalho, foi desenvolvida uma ferramenta computacional para realizar a integração energética de correntes pelo Método Pinch que será utilizada como módulo auxiliar ao programa principal do Projeto Temático FAPESP (Processo Fapesp 2012/04179-2) da Biorrefinaria Virtual de 1ª Geração, a ser desenvolvido na plataforma EMSO. A ferramenta foi desenvolvida na forma de um plug-in, o que facilita o seu uso e distribuição entre vários usuários, na linguagem de programação C++ e fornece ao usuário as metas energéticas, subsidiandoo na elaboração da rede preliminar de trocadores de calor e indicando possibilidades de integração entre correntes que demandem utilidades quentes ou frias. A validação da ferramenta se deu por meio de sua aplicação na integração energética de cinco casos de diferentes níveis de complexidade, sendo um voltado à indústria sucroalcooleira. Os resultados obtidos pelo plug-in foram comparados aos encontrados na literatura e aos da consagrada ferramenta Aspen Energy Analyser®, comprovando-se a consistência e eficiência do plug-in, até mesmo para casos mais complexos, como problemas limiares e de múltiplos pontos Pinch. Como o EMSO não oferece suporte à criação de gráficos, uma planilha suporte em Excel® foi desenvolvida a fim de construir as Curvas Compostas e a Grande Curva Composta, funcionando de modo inteiramente automatizado. / Over the last few decades, heat integration has been developed in search for the better use of energy and resources in industrial processes and eventual reduction in fossil fuels consumption and in the negative environmental impacts. Among the heat integration methods, Pinch technology is without a doubt the most popular one due to its implementation simplicity and efficiency. The monotonous calculations it requires have led to the development of computer software to reduce time and simplify the designer¿s work. In the present study, a computational tool was developed for heat integration through Pinch Analysis to be used as an auxiliary module to the main FAPESP Thematic Project (Fapesp process 2012/04179-2) program of the 1st generation virtual biorefinery, which is being developed on EMSO platform. The computational tool was developed in the form of a plug-in, making its use and distribution among several users easier, in the C++ programming language and it supplies the user with the energy targets, aiding him or her with the design of the preliminary heat transfer network and indicating integration possibilities between hot or cold utility requiring streams. The tool validation was carried out through its application in five case studies of different complexity levels, one of them being related to the sugarcane industry. The plug-in¿s results were compared to the ones gathered from the literature and the ones obtained from the well-stablished heat integration tool Aspen Energy and Analyser®, proving the plug-in¿s consistency and efficiency even for more complex cases such as threshold problems and multiple Pinch problems. As EMSO does not support the design of charts like the Composite Curves and the Grand Composite Curve, an Excel® spreadsheet was developed for this purpose, working on an entirely automated way.

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:56:49Z (GMT). No. of bitstreams: 1 4983.pdf: 2300350 bytes, checksum: d86b92bce6ba28c7a9e288585bab12f1 (MD5) Previous issue date: 2013-02-25 / Universidade Federal de Sao Carlos / The increasing concern about environmental impacts caused by human activities has led scientists to look for ways to settle the situation. As regards chemical industries, one of the main focuses of this concern is the energy saving. Over several studies down the years, the idea of Pinch technology has risen up as one of the main and most efficient techniques of energy integration so far. It is based on the division of the problem into two systems starting from Pinch point, in which retrofits and/or synthesis of heat exchanger networks are realized separately, grounded on Thermodynamics principles. Nevertheless, at times, the calculation needed for this methodology can be tedious and time consuming. For that effect, there is the need to use software s to execute faster the initial calculations that Pinch method demands, in order to make it easier the future project of heat exchanger networks. The purpose of this work was to create a computer program in Scilab® language, for application of basic principles of Pinch analysis. Five case studies were presented to illustrate and test the performance of the new program. Furthermore, some of the main properties of this technique are presented, proving to be very interesting and inspiring for the rising or new researches in the area. From this work, it can be concluded that Pinch analysis is a relatively simple and efficient way to the retrofit and synthesis of heat exchanger networks, being able to be used in the solution of a several range of problems. Thus, energy savings associated to capital savings are possible, making it easier to exist a quality deal between the environment and profitability of chemical industries. Besides, the new program implemented in Scilab® has shown up to be a really efficient tool in the application of the method, facilitating the learning of users recent presented to Pinch technology and also being useful to more experienced designers, presenting satisfactory results regarding energy optimization of processes. / A crescente preocupação com impactos ambientais causados por atividades humanas tem levado cientistas a buscar alternativas para amenizar a situação. No que se refere a indústrias químicas, um dos focos principais dessa preocupação é a economia de energia. Através de vários estudos realizados ao longo dos anos, surgiu então a ideia da tecnologia Pinch, uma das principais e mais eficientes técnicas de integração energética existente. É baseada na divisão do problema em dois sistemas através do ponto Pinch, nos quais são realizados reprojetos e/ou sínteses de Redes de Trocadores de Calor (RTC) separadamente, fundamentados em princípios da Termodinâmica. No entanto, por vezes, os cálculos necessários a essa metodologia podem ser demorados e tediosos. Por esta razão, há a necessidade do uso de softwares para efetuar mais rapidamente os cálculos iniciais do método Pinch, facilitando, então, o futuro projeto de redes de trocadores de calor. O objetivo deste trabalho foi criar um programa computacional em linguagem Scilab®, para aplicação dos princípios básicos da análise Pinch. Cinco estudos de caso foram apresentados para ilustrar e testar o desempenho do novo programa. Ademais, são apresentadas algumas das principais propriedades relativas a esta técnica, mostrando-se bastante interessantes e inspiradoras para a realização de novas pesquisas dentro da área. Através deste trabalho, conclui-se que a análise Pinch é uma maneira relativamente simples e eficaz para síntese de RTC, podendo ser utilizada para a resolução de uma vasta gama de problemas. Desta forma, é possível uma recuperação energética aliada à economia de capital, possibilitando um acordo de qualidade entre meio ambiente e lucratividade das indústrias químicas. Ademais, o programa computacional implementado em Scilab® mostrou-se uma ferramenta bastante eficiente para aplicação do método, facilitando o aprendizado da tecnologia Pinch por usuários iniciantes e também sendo útil para projetistas mais experientes, apresentando resultados satisfatórios no que se refere à otimização energética do processo.

Made available in DSpace on 2017-07-10T18:08:13Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Carlos Coutinho Fernandes Junior.pdf: 1216021 bytes, checksum: 140e087a28751c7c2ea0079d79d89a2d (MD5) Previous issue date: 2009-10-13 / In the process of soy oil the consumption of energy is extremely high, which is always important to create new alternatives to energetic consumption reduction. This paper is carried on a case study of energetic integration in a soy oil factory operating with an average production of 15.000 tons/month. At first, the rate of flow, the input and output temperatures and the calorific capacity of all currents in the extraction phase were evaluated. After this assessment, based on the thermal potential change, four currents were selected, two denominated hot currents and two denominated cold currents. The first hot current (Q1) consists of a crude oil current from the post-separation phase of the solvent hexane with the input temperature of 110 ºC and output temperature of 80ºC. The second hot current (Q2) consists of a water current coming out of a boiler with an input temperature of 90 ºC and goes to the effluent treatment station having to be cooled to 55 ºC. These two currents have a thermal potential change of 262,8 kW/h. The third current denominated cold current F1, consists of a water current that comes from the decanter with a input temperature of 40 ºC and enters in the heater to reach an output temperature of 90 ºC, where the residual hexane is evaporated. The fourth current, denominated cold current F2, is a mixture of 70% of oil and 30% of hexane with an input temperature of 60 ºC and output temperature of 90 ºC. These two currents have a thermal necessity of 330 kW, for their heating. The synthesis methodology adopted for the heat exchangers network synthesis, due to the easiness in application and interaction with the user, was the Pinch Analysis. In the synthesis procedure, the Problem Table was developed and the Pinch Point was identified and the goals for the consumption of utilities were obtained for the maximum energy recovery. The problem was divided into two regions, below and above the Pinch Point. After the synthesis and optimization, the total cost for the network was calculated and all thermal exchange occurs above the Pinch Point . The proposed network consists of two heat exchangers and two boilers, so that a exchanger performs the thermal change between the Q1 (crude oil) and Q2 (miscela) currents. The second exchanger performs the change between Q2 (the water in the boiler exit) and F1 (water in the decanter exit) currents. The additional heating for the cold currents to reach final temperatures is provided by the boilers that are already being used in the factory. The economy generated by the reduction in the consumption of utilities was of R$ 91,000.00/year, meaning a reduction of steam consumption of 79,6% and a reduction of 5,3% in the global consumption of the plant steam. The investment needed for the two proposed heat exchangers in the network, is R$ 16.540,00. Evaluating the year total cost, that includes the annual capital cost of the exchangers, an annual reduction of R$ 114.445,00 for R$ 25.800,00 is verified corresponding to 77.5% reduction in the annual total cost after the network synthesis. The return rate for the investment proposed is only 3 months. Therefore, Pinch Analysis is confirmed to be efficient in the energetic integration of processes reaching meaningful economy results in thermal energy, contributing for the industrial processes that are more and more competitive. / No processo de fabricação de óleo de soja, o consumo de energia é extremamente alto, sendo sempre um tema de foco para criar alternativas de redução do consumo energético. Neste trabalho, realizou-se um estudo de caso de integração energética na etapa da extração de uma fábrica de óleo de soja operando com produção média de 15.000 toneladas/mês. Inicialmente avaliou-se as vazões, as temperaturas de entrada e saída e as capacidades caloríficas de todas as correntes da etapa de extração. Após esta avaliação, baseando-se no potencial de troca térmica, foram selecionadas quatro correntes, sendo duas delas denominadas de correntes quentes e outras duas denominadas de correntes frias. A primeira corrente quente (Q1), consiste em uma corrente de óleo bruto oriunda da etapa pós-separação do solvente hexano, com temperatura de entrada de 110 ºC e temperatura de saída de 80ºC. A segunda corrente quente (Q2), consiste em uma corrente de água que sai de um aquecedor com temperatura de entrada de 90ºC e vai para a estação de tratamento de efluentes, necessitando ser resfriada até 55 ºC. Essas duas correntes quentes têm um potencial de troca térmica de 262,8 kW/h. A terceira corrente, denominada de corrente fria F1, consiste em uma corrente de água que sai do decantador a 40 ºC, e entra no aquecedor para atingir a temperatura de saída de 90 ºC, onde hexano residual é evaporado. A quarta corrente, denominada de corrente fria F2, consiste em uma mistura de 70% óleo e 30% hexano com temperaturas de entrada de 60 ºC e de saída de 90 ºC. Essas duas correntes (F1 e F2) tem uma necessidade térmica para seu aquecimento de 330 kW. A metodologia de síntese adotada para a síntese da rede de trocadores de calor, devido à facilidade de aplicação e interação com o usuário, foi a Análise Pinch. No procedimento de síntese, inicialmente é construída a tabela do problema onde identificou-se o ponto de estrangulamento energético, ou ponto Pinch, obtendo-se assim as metas de consumo de utilidades para a máxima recuperação de energia. Após esta etapa, o problema foi dividido em duas regiões: abaixo e acima do Pinch, sendo realizada a síntese da rede. No caso estudado, toda a troca térmica ocorre na região acima do Pinch. Assim, após a síntese e otimização da rede, calculou-se o custo total anual. A rede proposta consiste em 2 trocadores de calor e dois aquecedores, sendo que um trocador realiza troca térmica entre a corrente Q1 (óleo bruto) e a corrente F2 (a miscela), e o segundo trocador realiza troca entre a corrente Q2 (água na saída do aquecedor) e a corrente F1 (água na saída do decantador). O aquecimento complementar para as correntes frias atingirem suas temperaturas finais, é provido pelos aquecedores já existentes na linha. A economia gerada pela redução de consumo de utilidades foi de R$ 91.000,00/ano, o que representa uma economia de consumo de vapor de 79,6%, acarretando uma redução de 5,3% do consumo global de vapor da planta. O investimento necessário para os dois trocadores de calor propostos na rede é de R$ 16.540,00, e avaliando-se o custo total anual, verifica-se uma redução de R$ 114.445,00 para R$ 25.800,00, correspondendo a uma redução de 77,5% no custo total anual, após a síntese da rede. A taxa de retorno para o investimento proposto é de apenas 3 meses. Desta forma, confirma-se a eficiência da Análise Pinch na integração energética de processos, atingindo resultados significativos de economia de energia térmica,contribuindo para processos industriais cada vez mais competitivos.