A potência fornecida pelo vapor de média pressão que entra num equipamento, foi contabilizada a partir da diferença de entalpias entre o vapor que entra na unidade e a entalpia de líquido saturado, à pressão de entrada do vapor (4.5.1).
66 Na equação anterior , é a potência entálpica do vapor de média pressão que é fornecido ao equipamento, . a entalpia específica do vapor à entrada, função da pressão e temperatura, . a entalpia específica do líquido saturado à pressão de entrada do vapor de média pressão e , o caudal de vapor de média pressão que entra no equipamento. Assume-se assim que os
condensados saem no estado de líquido saturado à pressão do vapor admitido.
Além do vapor de média pressão utilizado nos permutadores, há vapor de média pressão utilizado nas fornalhas para atomização do combustível. A potência entálpica deste vapor é dada pela equação (4.5.2).
, , . , (4.5.2)
sendo , a potência entálpica do vapor de média pressão utilizada na fornalha, , o caudal mássico de vapor de atomização e . a entalpia do vapor que entra na fornalha.
Assim a potência total de vapor de média pressão, , , que é fornecida a cada uma das unidades, é dada pela expressão (4.5.3).
, ∑ , ∑ , (4.5.3)
correspondendo o índice x no primeiro termo do segundo membro aos permutadores com vapor em análise e no segundo termo às fornalhas, para o caso das unidades que têm mais que uma fornalha, como a Un-0300 e Un-0400.
No caso do vapor de alta pressão, a potência entálpica que entra na unidade foi contabilizada a partir da diferença entre a entalpia do vapor que entra na unidade, e a entalpia do vapor à saída da mesma unidade (vapor sobreaquecido de média pressão, a uma pressão igual a 14,5 bar e temperatura de 260 ºC), equação (4.5.4).
, , . , . , (4.5.4)
67 As entalpias e entropias do vapor de média e de alta pressão nas condições de entrada, podem ser determinadas através das tabelas termodinâmicas, por exemplo as apresentadas em Çengel e Boles (1998). Contudo, uma vez que se torna mais prático a obtenção destes dados através de um
software, recorreu-se ao “site” http://www.peacesoftware.de/einigewerte/calc_dampf.php5, que
apresenta um software para cálculo das propriedades do vapor de água de média pressão. Verificou-se que os valores são idênticos aos de Çengel e Boles (1998), pelo que nos formulários será referido o endereço para o software em alternativa à referência bibliográfica.
Para o cálculo das propriedades do vapor de média pressão nas condições de saída, foram consultadas as tabelas de líquido saturado (Figuras J.1 e J.2 dos anexos). Neste caso, não se recorreu ao software, uma vez que este não fornece as propriedades termodinâmicas de líquido saturado. Na Tabela 18 são apresentadas as expressões para o cálculo da entalpia e entropia de líquido saturado nas condições de pressão do presente trabalho.
Tabela 18. Expressão de cálculo da entalpia e entropia de saída de líquido saturado, para o intervalo de
pressão entre 1,5 e 1,75 MPa (Çengel e Boles (1998)).
Entalpia (kJ/kg) Entropia (kJ/kg.K)
h = 134,44 P + 643,23 s = 0,2804 P + 1,8944
Nas equações referidas na tabela anterior, a pressão é expressa em MPa.
Para o vapor de alta pressão nas condições de saída, recorreu-se ao software para determinar as propriedades de vapor sobreaquecido a uma pressão absoluta de 14,5 bar e a uma temperatura de 260 ºC .
4.6. Eletricidade
A potência elétrica fornecida às bombas e ventiladores da unidade é controlada e registada diariamente nas utilidades da fábrica. Na análise realizada, a média anual de consumos de eletricidade é contabilizada através desses dados. É feita apenas uma simples conversão de unidades, uma vez que os valores são fornecidos em MWh/d, para um dia de 24 horas de laboração contínua (Eq. 4.6.1).
, , (4.6.1)
68 4.7. Fumos
Os fumos são emitidos pela fornalha para o ambiente, não sendo aproveitado o seu valor energético. No entanto, este tem de ser quantificado não só pela necessidade da avaliação das perdas nas unidades, mas também para se aferir da possibilidade de aproveitamento dessa energia em outros processos. É também útil para se verificar se o funcionamento da fornalha se encontra ajustado. Refira-se, que o caudal de vapor usado para a atomização do fuelóleo é elevado e que por isso a quantidade de vapor de água que sai nos fumos é, praticamente, o dobro da que se forma na combustão.
O caudal dos fumos é composto por três parcelas, a dos produtos húmidos da combustão onde, como o próprio nome indica, se inclui a água formada na combustão , a do vapor de água proveniente da humidade do ar ambiente , e a do vapor de água de atomização quando o combustível é o fuelóleo . . A sua potência entálpica é obtida através da expressão (4.7.1).
. . ∆
(4.7.1) onde é o calor específico dos fumos a pressão constante, a temperatura a que os fumos abandonam a fornalha e Ta a temperatura ambiente de referência. O caudal de água
existente no ar, , foi determinado assumindo que existem 0,006 kg de água por kg de ar, valor este, tirado de um diagrama psicométrico para condições atmosféricas médias naquela região e para o período do ano a que se referem os dados. O caudal de vapor de atomização injetado na fornalha, , , foi calculado considerando que são necessários 0,5 kg de vapor por kg de fuelóleo (Baptista, 2013
)
.O calor específico dos fumos a pressão constante é calculado a partir de uma média ponderada dos calores específicos de cada um dos constituintes, sendo estes: dióxido de carbono, vapor de água, oxigénio e azoto, equação (4.7.2), já que, nesta análise, vai ser considerada a combustão completa com excesso de ar.
69 em que é calor específico a pressão constante de cada constituinte dos fumos e yi. a fração
mássica de cada constituinte. Estes valores foram também obtidos no software EES à temperatura média entre a temperatura a que os fumos abandonam a fornalha e a temperatura do estado de referência (Equação 4.7.3).
(4.7.3) A temperatura a que os fumos saem da fornalha foi diariamente monitorizada, no entanto o mesmo não acontece com o caudal, que é desconhecido. É necessário realizar um balanço energético à fornalha para se conhecer este caudal. Neste balanço, a energia que entra no volume de controlo é a referente ao fuel-gás e ao fuelóleo, assim como a energia do vapor de água de atomização do fuelóleo e o calor de vaporização da humidade existente no ar de combustão, de acordo com o diagrama psicométrico. A energia que abandona o volume de controlo é referente às perdas da fornalha (condução, convecção e radiação), ao calor dos fumos e ao calor útil que é utilizado para o aquecimento da corrente em causa (Figura 12).
70 O combustível líquido, fuelóleo, possui, segundo informação da refinaria, uma fração mássica (yli) de 15 % de hidrogénio e os restantes 85 % são de carbono. O combustível gasoso,
fuel-gás, é constituído por 80 % de metano, 10 % de propano e 10 % de butano (n/n) e as suas frações mássicas são calculadas pela seguinte equação (Pinho, 2011).
∑ (4.7.4)
A fração mássica de cada composto do combustível gasoso é referida por ygi, enquanto xgi
representa a fração molar e Mgi a massa molar de cada composto do combustível gasoso. São
assim conhecidas as frações mássicas de cada um dos componentes de cada um dos combustíveis.
Uma vez que são conhecidas as quantidades de fuel-gás e fuelóleo introduzidas na fornalha é possível saber a fração, em massa, de cada uma delas no caudal total, equações (4.7.5) e (4.7.6).
(4.7.5)
(4.7.6)
Partindo do conhecimento da percentagem de cada combustível no caudal total fornecido à fornalha, bem como, das frações mássicas de cada um dos compostos de cada um dos combustíveis, a composição mássica global do combustível é dada por,
(4.7.7)
Com esta composição mássica já é possível escrever a equação de combustão na base estequiométrica como se de apenas um combustível se tratasse,
12,011 2,016 16,043 44,096 58,122
3,76
71 A partir dos balanços ao carbono (4.7.9), hidrogénio (4.7.10), oxigénio (4.7.11) e azoto (4.7.12) é possível determinar o valor de n0, que aparece na equação (4.7.8), além dos valores de
, e .
, , 3 , 4 , (4.7.9)
2 , 4 , 8 , 10 , 2 (4.7.10)
2 2 (4.7.11)
2 3,76 2 (4.7.12)
Para analisar uma queima com excesso de ar há que reescrever a equação de combustão:
, , , , , 1
3,76 2 1 2 2 2 3 2 4 2 (4.7.13)
As equações de balanços ao carbono, hidrogénio, oxigénio e azoto (4.7.14, 4.7.15, 4.7.16 e 4.7.17) tornam-se insuficientes, pois existe um número de incógnitas superior ao número de equações. No entanto, a refinaria realiza medições diárias da fração molar de oxigénio emitido para a atmosfera, obtendo-se assim uma equação extra relativa à fração molar na base seca do oxigénio, equação (4.7.18).
, , 3 , 4 , (4.7.14)
2 , 4 , 8 , 10 , 2 (4.7.15)
2 1 2 2 (4.7.16)
72
(4.7.18)
É possível calcular a razão ar-combustível para a combustão oxidante de um hidrocarboneto (Pinho, 2011) através da seguinte equação,
1 1 31,999 3,76 28,15 (4.7.19)
onde n1 e n2 são respetivamente as incógnitas dos balanços do carbono e do hidrogénio para a
queima com excesso de ar, determinadas anteriormente nas equações (4.7.14) e (4.7.15).
Com o valor da razão ar-combustível, é, finalmente, possível calcular o caudal mássico de ar, equação (4.7.20) e a consequente massa dos produtos de combustão, equação (4.7.21).
. (4.7.20)
(4.7.21) Após a realização deste balanço de combustão à fornalha, com o conhecimento do caudal mássico de fumos, contabiliza-se a energia perdida por estes fumos através da chaminé da fornalha.