As simulações em CFD permitem reproduzir virtualmente a operação de todos os equipamentos de processos presentes na indústria química, garantindo sua melhoria e otimização de processos. O resultado é o aumento de produção e a redução de custos! Veja como neste post!
A indústria química engloba a fabricação de diversos produtos presentes em nosso dia a dia. Desde as tintas utilizadas em nossas residências ou usadas para dar vida às obras de artistas, passando pelos fertilizantes tão fundamentais em nossa agricultura, o cimento utilizado na construção civil, o papel que utilizamos diariamente em nossa leitura, os detergentes e produtos de limpeza, o esmalte que colore nossas unhas, os adesivos que crianças colam em seus cadernos da escola, os cosméticos que utilizamos para melhorar nossa aparência, todo o tipo de material plástico que faz parte de nossa rotina diária, os medicamentos que usamos quando estamos doentes, a embalagem de nosso chocolate favorito até o vidro do copo d’água. A fabricação de todos esses produtos se enquadra dentro da Indústria Química!
A indústria química brasileira é a 6ª maior do mundo, de acordo com a Abiquim, sendo responsável por 3,4% do PIB total em 2022 e por 11% do PIB industrial.
É importante destacar que a participação da indústria química na economia brasileira poderia ser maior frente a nosso potencial, mas nem por isso o tamanho deste setor deve ser desprezado. Afinal, a indústria gera empregos de qualidade e ajuda a girar todo um ciclo industrial e de consumo.
A indústria química envolve transformação de componentes químicos, seja via mistura, separação, mudança de fase ou reação química. Para cada uma destas operações, é necessária energia.
Dentro deste contexto, o principal desafio da indústria química é a redução de custos, mantendo ou aumentando a produtividade. É neste ponto que a simulação em CFD pode contribuir de forma decisiva para o aumento de eficiência e maior competitividade da indústria química.
Equipamentos e processos na Indústria Química
Alguns equipamentos e processos se destacam na indústria química, e a simulação em CFD auxilia na otimização de cada um destes processos e equipamentos.
- Equipamentos térmicos
- Reatores
- Misturadores
- Separadores
- Tratamento de efluentes
Veja como a simulação fornece as respostas para otimizar cada um desses equipamentos!
Equipamentos Térmicos
Os equipamentos térmicos são fundamentais em processos químicos. Eles fornecem calor necessário para reações químicas e transformações necessárias para os processos.
Estes equipamentos são também os principais “vilões” no custo operacional de uma unidade, pois o consumo energético nestes equipamentos é considerável.
Nesse sentido, as simulações permitem identificar ineficiências, propondo melhorias para buscar maior eficiência energética.
Em equipamentos envolvendo combustão, por exemplo, os modelos matemáticos do STAR-CCM+ permitem reproduzir em detalhes o perfil de chama e mistura estequiométrica, avaliando a melhor configuração de ar primário, secundário, bem como mistura ar/combustível.
Como resultado, é possível buscar o ajuste ótimo para menor consumo de combustível, mantendo a eficiência de troca térmica requerida pelo processo.
Trocadores de calor são também muito utilizados, e novamente a simulação permite reproduzir em detalhes a operação de trocadores tipo casco e tubos, trocadores de placas, serpentinas, radiadores, entre outros.
Reatores Químicos
Os reatores químicos são os principais equipamentos em uma indústria química. Sua performance é fundamental para a viabilidade e padrão de qualidade dos insumos químicos produzidos na unidade industrial.
Diferentes tipos de reatores podem ser simulados e otimizados, sempre buscando a melhor eficiência de processo.
Reatores de mistura, seja batelada ou contínuo (CSTR) são aplicações clássicas de simulação em CFD. Os objetivos são a melhoria do tempo de mistura e redução do consumo energético (torque no impelidor).
Outros tipos de reatores, como reator de leito fluidizado e reatores de leito fixo (PBR), são também facilmente simulados e otimizados. Modelos do STAR-CCM+ permitem reproduzir reações catalíticas e fenômenos de superfície.
Misturadores
Os misturadores são essenciais para a preparação de matérias-primas, envolvendo componentes líquidos, sólidos e gasosos. Muitos processos de mistura compreendem também fenômenos de dissolução de componentes, o que torna relevante estudar a dinâmica do processo, bem como a dosagem dos componentes.
Evitar a presença de zonas mortas são fundamentais para maior homogeneidade da mistura, e todos esses fatores podem ser medidos através da simulação.
Como resultado, é possível chegar à melhor condição de mistura com o menor consumo energético. O tempo de mistura pode ser também reduzido uma vez que todo o processo se torne mais eficiente.
Outros tipos de misturadores são também estudados e otimizados através de simulação em CFD no STAR-CCM+. Por exemplo, misturadores estáticos presentes em linhas de processo.
Separadores
Processos de separação compreendem uma das principais operações unitárias na indústria de processos. Sua eficiência é um ponto crítico para manter a qualidade e estabilidade na unidade industrial.
Equipamentos para controle de particulado comumente utilizados são ciclones, filtros de mangas e precipitadores eletrostáticos. A simulação permite otimizá-los para reduzir a quantidade de material particulado lançado na atmosfera, visando atender as regulamentações ambientais.
Quando falamos de indústria petroquímica, a coluna de destilação aparece como principal equipamento de separação, dado seu elevado consumo energético. A simulação permite avaliar em detalhes a eficiência de pratos de separação considerando equações de equilíbrio termodinâmico. É possível também otimizar a alimentação de carga na coluna, visando distribuição mais homogênea do hidrocarboneto.
Equipamentos complexos de separação gravitacional, como o separador trifásico (muito utilizado na indústria de petróleo) podem ser também otimizados através dos completos modelos multifásicos presentes no STAR-CCM+.
Tratamentos de Efluentes
Indústrias químicas utilizam muita água em seus processos. Sabemos o quanto a água é um recurso importante e muitas vezes escasso em nosso planeta. A boa gestão da água é um dever para com a humanidade.
Nos processos de tratamentos de efluentes, equipamentos como sedimentadores, hidrociclones e lagoas de decantação são comumente utilizados. A otimização destes equipamentos promove uma maior qualidade e volume de água tratada, indo de acordo com as melhores práticas das novas políticas ESG.
A simulação permite identificar zonas de recirculação e caminhos preferenciais (by-pass) na planta de tratamento de efluente, melhorando assim o processo e sua eficiência.
Processos biológicos com aeração para degradação de matéria orgânica podem ser também estudados através do STAR-CCM+.
Conclusão
A simulação em CFD é uma ferramenta poderosa para garantir a eficiência de processos na indústria química.
Com o software STAR-CCM+ e o gêmeo digital de equipamentos comumente utilizados em diferentes operações unitárias da engenharia química e engenharia de processos.
Através dessa abordagem, é possível obter uma visão detalhada do comportamento dos fluidos, identificando pontos de melhoria e otimizando os equipamentos de acordo com os dados de projeto.
A simulação permite reduzir custos e aumentar a segurança operacional. Seja através da maior eficiência do equipamento e processo, seja através da redução de paradas para manutenção.
Portanto, investir em software de simulação de CFD é uma estratégia inteligente para as indústrias químicas que desejam se manter competitivas. Isso vai ao encontro também das políticas ESG cada vez mais presentes no setor industrial. Buscar a maior eficiência energética é fundamental para a viabilidade da unidade industrial.
Quer aplicar a simulação em CFD para otimização de processos na indústria química? Fale com a JL Engenharia & Software.
SIEMENS Digital Industries Software – Where today meets tomorrow!
