Promoting excess heat using chemical reactions – case study

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Silva, Luís António Pinela da
Data de Publicação: 2021
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10400.21/13728
Resumo: Trabalho Final de Mestrado para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica
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spelling Promoting excess heat using chemical reactions – case studyChemical heat pumpReversible organic reactionsExcess-heat recovery and upgradeAspen HYSYSDesign of experimentsIsopropanol/Acetone/HydrogenTert-butanol/Isobutene/WaterEnthalpy efficiencyEntransy efficiencyEconomic analysisBomba de calor químicaReações orgânicas reversíveisRecuperação e promoção de excesso de calorDesenho de experiênciasIsopropanol/Acetona/HidrogénioTert-butanol/Isobuteno/ÁguaEficiência entálpicasEficiência entrópicaAnálise económicaTrabalho Final de Mestrado para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Química e BiológicaHeat recovery and promotion is an invaluable asset on the road to decarbonization and organic reaction chemical heat pumps present sufficient arguments to become a successful solution if proper politico-economic support and incentives are established. This technology’s ability to recover low-temperature heat and promote it to usable temperatures allows savings regarding energy costs and significant decreases in greenhouse gas emissions. This work focused on the study and optimization of the isopropanol/acetone/hydrogen (IAH) and the tert-butanol/isobutene/water (tB/iB) systems regarding their performance and economic competitiveness (EComp). The main studies found that the IAH and the tB/iB systems reached performances of around 71% and 56%, respectively, however, their EComp left much to be desired. On this note, the IAH system underwent further experimentation focusing on i) the excess hydrogen in circulation, ii) the reactors’ operating pressures, and iii) the use of a distillation column as the system’s separation equipment. The first led to a decrease of 10% in the system’s performance, but its EComp improved around 20%. The second did not alter the system’s performance significantly, but resulted in an enhancement of its EComp by around 8%. The third resulted in an increase in the system’s heat capacity, since the column’s reboiler can be fed the same low-temperature heat as the endothermic reactor, which created a scenario for which the payback period can be determined. Unfortunately, the best value found was of 14 years, however, if implemented, this solution prevents the emission of approximately 7500 ton CO2/year. This work found that these systems are both technically and economically feasible, but suffer from poor economic performance. Despite this, their potential and relatively early stage of investigation should serve as motivation to improve upon this technology’s existing foundations, whether through the catalysts employed, reactive distillation solutions, or the development of entirely new systems.A recuperação e promoção de excesso de calor é uma das áreas de investigação mais importantes da atualidade, dentro da qual as bombas de calor químicas exibem potencial no que toca à melhoria da eficiência energética de um vasto leque de indústrias e na prevenção da emissão de grandes quantidades de gases com efeito de estufa. Esta tecnologia tem o potencial de se tornar numa solução de sucesso se receber incentivos político-económicos adequados. Além dos pontos mencionados, esta tecnologia apresenta ainda as vantagens de utilizarem quantidades desprezáveis de trabalho mecânico ou energia elétrica, as reações envolvidas poderem ocorrer a elevadas temperaturas e em maiores intervalos, ocuparem volumes relativamente pequenos, não carecerem de isolamento térmico significativo uma vez que a energia é armazenada nas ligações químicas, e da maioria dos sistemas existentes se basearem em reações bastante comuns e presentes em vários sectores industriais. No que diz respeito ao funcionamento desta tecnologia, o esquema base é composto por um reator endotérmico, onde é fornecido calor de baixa temperatura para promover a reação endotérmica, e um reator exotérmico, onde é libertado calor de alta temperatura resultante da reação exotérmica. Além destes, é ainda utilizado algum equipamento de separação e um permutador de calor responsável por pré-aquecer a corrente de entrada do reator exotérmico. Este trabalho propôs-se a estudar dois sistemas, o isopropanol/acetona/hidrogénio (IAH) e o tert-butanol/isobuteno/água (tB/iB), a nível de performance e competitividade económica. A performance foi avaliada através da eficiência entálpica, dada pela effectiveness, e da eficiência entrópica, dada pela entransy efficiency. A competitividade económica dos sistemas em estudo foi determinada por comparação com o custo de utilização de gás natural para produção da mesma quantidade de calor de alta temperatura. Os estudos principais deste trabalho foram realizados com recurso à metodologia de desenho de experiências que assenta na construção de um planeamento experimental, ou seja, a definição de uma estratégia que permite maximizar a aprendizagem sobre um qualquer sistema, minimizando, simultaneamente, os recursos necessários. Esta metodologia permite a identificação das interações existentes entre as diversas variáveis, algo fundamental uma vez que são inúmeras as situações em que os efeitos das interações se revelam mais relevantes do que os efeitos dos fatores individuais. vi Começando pelo sistema IAH, o primeiro passo consistiu na construção do seu flowsheet no simulador de processos Aspen HYSYS, sendo que o resultado final se assemelhou bastante ao esquema genérico, com a exceção de que se utilizou um separador flash uma vez que que a diferença de temperatura entre os pontos de ebulição do isopropanol e da acetona o permite. Concluído este passo, foram identificados todos os fatores passíveis de manipulação e realizadas sete experiências. As experiências realizadas produziram um volume significativo de informação, do qual se devem salientar as ações da temperatura de reação e da pressão de operação do reator endotérmico na capacidade do sistema para absorver calor de baixa temperatura, e da temperatura de reação do reator exotérmico na produção de calor de alta temperatura. Relativamente ao custo do sistema, é de destacar a influência, ainda que indireta, da pressão de operação do reator exotérmico sobre o compressor, equipamento de onde surgem as parcelas de custo mais significativas. O resultado final deste estudo consistiu na produção de uma solução capaz de atingir eficiências de aproximadamente 31% e 71% em termos entálpicos e entrópicos, respetivamente. No entanto, esta mesma solução é cerca de duas vezes mais cara que utilizar gás natural, sendo necessário continuar o estudo e otimização deste sistema. O segundo estudo debruçou-se sobre a manipulação do excesso de hidrogénio em circulação no sistema através da comparação da situação base com três outros cenários. Como seria de esperar, a diminuição da quantidade de matéria em circulação levou a uma diminuição da performance do sistema e a um aumento da sua competitividade económica, pelo que se torna importante atingir um equilíbrio entre estes parâmetros. Aquela que se considerou como a melhor solução apresentou performances de 26% (entálpicas) e 61% (entrópica), no entanto, e apesar de se registar uma melhoria relativamente ao estudo base, esta solução é ainda cerca de 30% mais cara do que utilizar gás natural. O terceiro estudo focou-se nas pressões de funcionamento de ambos os reatores. As grandes observações deste estudo foram que i) maiores pressões no reator endotérmico levam a melhores resultados em termos de custo e performance, mas piores a nível de capacidade energética e competitividade económica, e ii) maiores pressões a nível do reator exotérmico levam a melhores resultados em termos de performance e capacidade energética, mas piores a nível de custo e competitividade económica. Estes resultados levaram a que, tal como sucedido anteriormente, se procurasse atingir um equilíbrio entre as várias respostas, sendo que pressões de 2.1/2.2 atm ofereceram as soluções mais equilibradas. vii O último estudo centrou-se no equipamento de separação utilizado. Como supramencionado, tem vindo a utilizar-se um separador flash, no entanto é interessante tentar perceber qual o efeito de utilização de uma coluna de destilação no seu lugar uma vez que, apesar do incremento de custo, a maior eficiência de separação, bem como o aumento da capacidade energética do sistema, podem conduzir a soluções mais competitivas. Como esperado, os resultados deste estudo revelaram um aumento do custo total do sistema, no entanto, o aumento da capacidade energética, efeito da absorção de calor de baixa temperatura por parte do ebulidor da coluna, levou ao surgimento de duas soluções cujo custo é inferior ao de utilizar gás natural, permitindo que se calcule o tempo de retorno de investimento das mesmas. Infelizmente, obtiveram-se valores muito elevados, 14 e 16 anos, respetivamente, para taxas internas de retorno muito baixas (3% e 5%), no entanto, é fundamental ressalvar que a melhor solução deste sistema é, ainda assim, muito prometedora, e capaz de evitar a emissão de cerca de 7500 ton CO2/ano, uma quantidade extremamente significativa e que deve servir de inspiração e motivação para continuar os esforços de investigação que têm vindo a ser desenvolvidos sobre este sistema e outros que se lhe assemelhem. Relativamente à performance deste sistema, a utilização de uma coluna de destilação teve uma consequência bastante interessante, a maior eficiência energética da mesma levou a um aumento da eficiência entálpica, para cerca de 38%, mas a maior entropia, natural deste equipamento, levou a uma diminuição da eficiência entrópica, para cerca de 54%. Passando ao sistema tB/iB, a formação de um azeótropo binário entre o tert-butanol e a água levou a que fosse necessário adicionar uma coluna de destilação azeotrópica e um pré-concentrador ao esquema base, o que aumentou significativamente a complexidade do seu flowsheet. Assim como no caso anterior, identificaram-se todas as variáveis passíveis de otimização e procedeu-se à realização de cinco experiências baseadas em planeamentos experimentais de diferentes designs. Para este sistema, além de se salientar novamente a influência da pressão de funcionamento do reator exotérmico sobre o custo, é ainda de assinalar o aumento dos custos relacionados com utilidades, consequência do maior número de equipamentos existentes no processo. Relativamente à sua performance, é interessante assinalar a existência de valores superiores a 100%. Esta aparente impossibilidade advém do facto de uma das equações utilizadas no cálculo da effectiveness não considerar a entrada de calor de baixa temperatura através do ebulidor da coluna. Sintetizando, o estudo deste sistema produziu informação muito semelhante ao estudo do primeiro sistema, até em termos de competitividade económica, sendo que a melhor solução obtida após este primeiro estudo é também cerca de duas vezes viii mais cara que utilizar gás natural. Já a sua performance entrópica é ligeiramente superior à do primeiro sistema, registando um valor de cerca de 56%. O segundo estudo abordou as pressões de funcionamento de ambos os reatores. Este foi muito claro no que tocou à identificação das melhores condições, no entanto estas originaram uma solução apenas marginalmente melhor que a obtida a partir do estudo base (apresentou uma performance de cerca de 58%), sendo que a sua competitividade económica relativamente à utilização de gás natural regista uma melhoria de apenas 1% relativamente à solução encontrada anteriormente. Este trabalho mostrou que é possível otimizar significativamente o sistema IAH. Ademais, verificou-se que os estudos focados no excesso de hidrogénio em circulação e na utilização da coluna de destilação foram os que mais impactaram a sua competitividade económica. O futuro desta tecnologia passará pelo desenvolvimento dos catalisadores utilizados e pela investigação de soluções baseadas em destilação reativa, sendo que o desenvolvimento e aplicação de novos sistemas deve ser uma constante.Instituto Superior de Engenharia de LisboaSilva, João Miguel Alves daJoão, Isabel Maria da SilvaRCIPLSilva, Luís António Pinela da2021-09-16T14:25:35Z2021-072021-07-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10400.21/13728TID:202765822engSILVA, Luís António Pinela da – Promoting excess heat using chemical reactions – case study. Lisboa: Instituto Superior de Engenharia de Lisboa, 2021. 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