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. / 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.

Neste trabalho, o conceito de exergia é utilizado na proposição de um indicador de idade exergética que permita observar alterações da expectativa de vida de um indivíduo a partir da exergia destruída durante seu ciclo de vida. Para tal, a análise exergética é aplicada ao corpo humano e a volumes de controle menores dentro do corpo para diferentes cenários nos quais ocorram alterações nas reações metabólicas, a fim de determinar a taxa de exergia destruída em função da idade cronológica. Com essa informação, é calculado o indicador de idade exergética, podendo comparar a taxa de progressão da vida do indivíduo nas diferentes condições avaliadas com base na ideia de que há um valor máximo de exergia destruída acumulada durante a vida. Os efeitos do tabagismo e da obesidade são avaliados, e observa-se uma redução de aproximadamente 15 anos na expectativa de vida de fumantes, enquanto, para os obesos, o indicador mostra um aumento. Portanto, a identificação da obesidade como um fator de risco se deve ao desenvolvimento de patologias associadas à obesidade, e não ao aumento do metabolismo e à presença de gordura corporal subcutânea. Uma vez que maior parte das patologias relacionadas à obesidade está associada ao sistema cardiovascular, é proposto um modelo exergético do coração. Observa-se um aumento da taxa de exergia destruída na presença de hipertensão, que leva a uma redução de cerca de quatro anos na expectativa de vida. Por fim, é proposto um modelo do metabolismo de uma célula de câncer que leva em conta as alterações das rotas metabólicas, a partir do qual é possível observar um aumento de quase três vezes no metabolismo exergético de uma célula de câncer em comparação com uma célula saudável. A análise da progressão de um tumor indica que, na ausência de tratamento, a redução da expectativa de vida é de 27 anos. Além disso, no caso de tratamento, cada seis meses na presença da doença reduz a expectativa de vida em cerca de quatro anos. / In the present work, the concept of exergy is applied in order to propose an index of exergetic age that allows observing changes in life expectancy of a subject based on the exergy destruction throughout the life cycle. To do so, exergy analysis is applied to the human body and smaller internal control volumes for different scenarios where changes in metabolic reactions take place, aiming at determining the destroyed exergy rate as a function of chronological age. From this data, exergetic age index is calculated, enabling to compare the rate of life progression of the subject under different circumstances, based on the idea that there is a maximum value of cumulative destroyed exergy throughout life. The effects of smoking and obesity are evaluated and a reduction of approximately 15 years is observed for smokers, while, for obese people, the index shows an increase. Thus, the identification of obesity as a risk factor is more associated to the development of obesity-related diseases than to the metabolic rate increase and the presence of a thicker layer of subcutaneous fat. Since most of the obesity-related diseases are associated to the cardiovascular system, an exergy model of the human heart is proposed. The model reports an increase of the exergy destruction in case of hypertension that causes a reduction of about four years in life expectancy. Finally, a model of the metabolism of a cancer cell is proposed taking into account the changes in the metabolic paths, from which it is possible to observe a threefold increase of the exergy metabolism of a cancer cell, in comparison to a healthy one. The analysis of tumor progression indicates that, in the absence of treatment, the reduction of life expectancy is about 27 years. Furthermore, in case of treatment, each six months living with the disease causes a reduction of almost four years in life expectancy.

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. / 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.

Neste trabalho, o conceito de exergia é utilizado na proposição de um indicador de idade exergética que permita observar alterações da expectativa de vida de um indivíduo a partir da exergia destruída durante seu ciclo de vida. Para tal, a análise exergética é aplicada ao corpo humano e a volumes de controle menores dentro do corpo para diferentes cenários nos quais ocorram alterações nas reações metabólicas, a fim de determinar a taxa de exergia destruída em função da idade cronológica. Com essa informação, é calculado o indicador de idade exergética, podendo comparar a taxa de progressão da vida do indivíduo nas diferentes condições avaliadas com base na ideia de que há um valor máximo de exergia destruída acumulada durante a vida. Os efeitos do tabagismo e da obesidade são avaliados, e observa-se uma redução de aproximadamente 15 anos na expectativa de vida de fumantes, enquanto, para os obesos, o indicador mostra um aumento. Portanto, a identificação da obesidade como um fator de risco se deve ao desenvolvimento de patologias associadas à obesidade, e não ao aumento do metabolismo e à presença de gordura corporal subcutânea. Uma vez que maior parte das patologias relacionadas à obesidade está associada ao sistema cardiovascular, é proposto um modelo exergético do coração. Observa-se um aumento da taxa de exergia destruída na presença de hipertensão, que leva a uma redução de cerca de quatro anos na expectativa de vida. Por fim, é proposto um modelo do metabolismo de uma célula de câncer que leva em conta as alterações das rotas metabólicas, a partir do qual é possível observar um aumento de quase três vezes no metabolismo exergético de uma célula de câncer em comparação com uma célula saudável. A análise da progressão de um tumor indica que, na ausência de tratamento, a redução da expectativa de vida é de 27 anos. Além disso, no caso de tratamento, cada seis meses na presença da doença reduz a expectativa de vida em cerca de quatro anos. / In the present work, the concept of exergy is applied in order to propose an index of exergetic age that allows observing changes in life expectancy of a subject based on the exergy destruction throughout the life cycle. To do so, exergy analysis is applied to the human body and smaller internal control volumes for different scenarios where changes in metabolic reactions take place, aiming at determining the destroyed exergy rate as a function of chronological age. From this data, exergetic age index is calculated, enabling to compare the rate of life progression of the subject under different circumstances, based on the idea that there is a maximum value of cumulative destroyed exergy throughout life. The effects of smoking and obesity are evaluated and a reduction of approximately 15 years is observed for smokers, while, for obese people, the index shows an increase. Thus, the identification of obesity as a risk factor is more associated to the development of obesity-related diseases than to the metabolic rate increase and the presence of a thicker layer of subcutaneous fat. Since most of the obesity-related diseases are associated to the cardiovascular system, an exergy model of the human heart is proposed. The model reports an increase of the exergy destruction in case of hypertension that causes a reduction of about four years in life expectancy. Finally, a model of the metabolism of a cancer cell is proposed taking into account the changes in the metabolic paths, from which it is possible to observe a threefold increase of the exergy metabolism of a cancer cell, in comparison to a healthy one. The analysis of tumor progression indicates that, in the absence of treatment, the reduction of life expectancy is about 27 years. Furthermore, in case of treatment, each six months living with the disease causes a reduction of almost four years in life expectancy.

Com o constante desenvolvimento das áreas urbanas e aumento do consumo energético destinado a conforto térmico, um estudo foi realizado para formulação de uma metodologia de análise termoeconômica de sistemas distritais de resfriamento. O objetivo principal é descrever uma metodologia referente à implantação de sistemas distritais no Brasil, por sua vez, o objetivo secundário é aplicar a metodologia no estado de São Paulo, analisando as premissas utilizadas na metodologia. Primeiramente, apresentou-se uma visão geral e revisão de literatura dos sistemas de aquecimento e resfriamento distrital, indicando suas vantagens e desvantagens, bem como as diversas aplicações e desafios para sua implantação. Aplicações no cenário mundial foram expostas e analisadas, demonstrando que sua utilização em diversos países se estende por décadas. As principais vantagens observadas nas aplicações existentes estão relacionadas a maior eficiência energética e exergética global, redução das emissões de gases poluentes e confiabilidade do sistema. Por fim, a metodologia aplicada está apresentada em cinco etapas, de forma ordenada, baseando-se nas etapas de um projeto de sistemas distritais. Seu resultado é baseado em rotinas, simulações de processos e procedimentos de otimização, bem como aplicação de indicadores energéticos. Ao final das etapas e seu desenvolvimento matemático obtém-se um estudo preliminar de viabilidade da implantação de um sistema distrital. O estudo de caso apresentado aplica a metodologia para a cidade de São Paulo buscando descrever com detalhamento as premissas e etapas descritas. / The constant development of urban areas and increased energy consumption for thermal comfort encourage studies that formulate a methodology for thermoeconomic analysis of district cooling systems. The main objective is to describe a thermoeconomic methodology related to the implementation of district systems in Brazil. The secondary objective is to apply the methodology in the state of São Paulo, analyzing the premises used in the methodology. At first, an overview and literature review of district heating and cooling systems was presented, indicating their advantages and disadvantages, just as the various applications and challenges for their implementation. Applications on the world stage have been introduced and analyzed, demonstrating that their use in several countries extends for decades. The main advantages observed in the existing applications are related to global energy and exergy efficiency, reduction in greenhouse gases and reliability of the systems. Finally, the applied methodology is presented in five steps in an orderly manner based on the steps of a district system project. Its result is based on routines, process simulations and optimization procedures, as well as application of energy indicators. At the end of the steps and their mathematical development a preliminary study of the feasibility of the implantation of a district system is obtained. The present case study applies the methodology for the city of São Paulo and describe in detail the premises and steps.