O uso de cogeração a partir de gases residuais tem ganhado destaque como solução inteligente para elevar a eficiência energética industrial e reduzir emissões. Um dos projetos mais relevantes nessa frente — premiado internacionalmente com o POWER Top Plant e com o Prêmio SB COP Awards na COP30 — contou com a contribuição da Figener em etapas decisivas para sua viabilização.

O Desafio

O objetivo do projeto era transformar gás residual rico em hidrogênio em uma fonte estável de geração de energia elétrica e vapor, reduzindo a dependência de fontes externas, aumentando a eficiência da planta e assegurando confiabilidade operacional.

Como a Figener Contribuiu

A Figener atuou em pontos estratégicos para garantir segurança, viabilidade técnica e desempenho do sistema, incluindo:

• Modelagem energética e definição de cenários técnico-econômicos
  Suporte na concepção do projeto, avaliando condições de operação e alternativas tecnológicas.
  
• Estudos de integração com o sistema elétrico da planta
  Análises para garantir estabilidade, seletividade e operação segura da cogeração com a rede industrial existente.
  
• Avaliação para uso de combustível com alto teor de hidrogênio
  Estudos específicos para assegurar desempenho, confiabilidade e segurança na combustão e operação com gás de composição variável.
  

Impacto gerado

A implementação trouxe benefícios significativos ao cliente:

• Maior eficiência energética com geração simultânea de energia e vapor
  
• Redução de emissões em comparação a modelos convencionais
  
• Autonomia operacional e menor dependência da rede externa
  
• Valorização de um recurso antes subutilizado
  

Engenharia que impulsiona a transição energética

A participação da Figener reforça a importância da engenharia aplicada para transformar desafios industriais em ganhos reais de eficiência, competitividade e sustentabilidade — especialmente em projetos de alta complexidade envolvendo cogeração e combustíveis alternativos.

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Reconhecida nacionalmente como referência em soluções ecoeficientes, a empresa mantém um plano estratégico de ESG voltado à descarbonização, inovação e desenvolvimento de processos sustentáveis. O projeto apresentado neste artigo integra esse movimento, reforçando a aplicação prática de iniciativas de P&D com impacto ambiental mensurável.

Da análise técnica à implantação: como o ganho foi alcançado

A redução foi obtida por meio do Projeto de Otimização Energética, que ampliou a recuperação térmica do conjunto formado pelo incinerador de resíduos e pelo aquecedor de fluido térmico.

A Figener iniciou o trabalho com um estudo detalhado para mapear e quantificar oportunidades de recuperação de calor no processo. O diagnóstico indicou que seria possível elevar significativamente a eficiência térmica ao:

• Aumentar a temperatura de operação da fornalha, e
  
• Reduzir a temperatura de saída dos gases de combustão.
  

A partir desses dados, o projeto executivo contemplou:

• Adequações no sistema de combustão da fornalha
  
• Substituição do aquecedor de fluido térmico
  
• Instalação de um preaquecedor de ar
  
• Melhorias no sistema de tratamento de gases
  

O projeto executivo iniciou em março de 2022 e, em dezembro do mesmo ano, a unidade já operava dentro das novas condições.

Créditos da imagem: Arquivo Figener

Resultados técnicos e ambientais

Além do menor consumo de gás natural — equivalente a mais de 570 Nm³/h, redução de 38% frente aos dados de 2021 — os benefícios incluem:

• Menor emissão de gases de efeito estufa (potencial de 9.900 tCO₂eq/ano)
  
• Aumento do tempo de campanha
  
• Melhor eficiência na captação de material particulado
  
• Redução do consumo de água de resfriamento (cerca de 100.000 m³/ano)
  

Esses resultados reforçam que eficiência energética, redução de custos operacionais e metas de ESG podem e devem caminhar juntos quando há embasamento técnico e projeto estruturado.

Créditos da imagem: Arquivo Figener

Se sua indústria busca reduzir custos energéticos, modernizar processos e avançar nas metas de sustentabilidade, a Figener pode apoiar em todas as etapas: diagnóstico, estudos, modelagem, projeto executivo, comissionamento e suporte à implementação.

Com mais de 30 anos de atuação, a Figener oferece engenharia multidisciplinar para impulsionar ganhos reais em eficiência e confiabilidade industrial.

contato@figener.com.br

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A UTE Cubatão é uma usina de cogeração da Petrobras, composta por duas unidades turbogeradoras, uma a vapor e a outra a gás, com capacidade de geração máxima de 216 MW brutos e capacidade de fornecer até 450 t/h de vapor para a Refinaria Presidente Bernardes de Cubatão (RPBC).

Desafio

A energia elétrica gerada pela UTE Cubatão precisa ser coordenada de forma adequada para garantir a seletividade e a adequação das proteções elétricas da subestação, das linhas de transmissão 230 kV, transformadores elevadores e auxiliares, e geradores. Além disso, é necessário estabilizar o sistema após ocorrências graves tanto no sistema elétrico quanto no sistema térmico.

Conclusão

A FIGENER desenvolveu estudos para garantir a adequação e a seletividade das proteções elétricas da subestação, das linhas de transmissão 230 kV, transformadores elevadores e auxiliares, e geradores.

Além disso, realizou um estudo de estabilidade termelétrica para sugerir medidas que estabilizassem o sistema após ocorrências graves. O estudo baseou-se na modelagem integrada completa dos sistemas de vapor e elétrico, incluindo caldeiras, turbinas, estações redutoras de pressão e de alívio de vapor, geradores, subestação e equivalente da rede elétrica nas proximidades da UTE Cubatão.

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A Compass e a Orizon estão criando uma joint venture para investir em uma planta de produção de biometano, combustível renovável produzido a partir do lixo.

A Compass está investindo até R$ 355 milhões na JV em duas etapas e ficando com 51% do negócio. A planta será construída no Ecoparque do aterro de Paulínia e a expectativa é que ela esteja pronta e comece a operar no início de 2025.

Desafio

A produção de biometano a partir de biogás de aterros deve ser avaliada criteriosamente para auxiliar na tomada de decisão sobre o desenvolvimento de projetos de captação, tratamento (upgrading) e utilização do biogás.

A análise deve ser ampla e incluir a capacidade de produção de biometano em si, a correta operação e vida útil dos aterros, perfil dos resíduos depositados, contaminantes, tecnologias de upgrading consideradas, cronograma de implantação, entre outros aspectos.

Essa abordagem abrangente permite que decisões informadas sejam tomadas sobre o desenvolvimento de projetos de captação, tratamento e utilização do biogás.

Solução

A Figener foi contratada para analisar o projeto de produção de biometano a partir de biogás de aterros. Uma avaliação criteriosa desse processo é fundamental para o sucesso do empreendimento. É preciso considerar diversos fatores, como a capacidade de produção do biometano, a operação e vida útil dos aterros, o perfil dos resíduos depositados, possíveis contaminantes, as tecnologias de upgrading a serem empregadas e o cronograma de implantação. Essa abordagem abrangente permite que decisões informadas sejam tomadas sobre o desenvolvimento de projetos de captação, tratamento e utilização do biogás.

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Na ampliação de área de utilidades de uma unidade fabril, é importante avaliar como os equipamentos já instalados influenciam a operação dos novos. Isso é particularmente relevante em torres de resfriamento, que são muito sensíveis à umidade do ar que captam. 

Dependendo da disposição de edificações e estruturas presentes, a pluma de exaustão de uma das torres pode afetar a qualidade do ar admitido por outra, impactando severamente em sua eficiência. Esse efeito é ainda sazonal, alterando-se conforme o regime de ventos e de umidade muda na região, exigindo múltiplos cenários de análise.

Desafio

O correto estudo da pluma de dispersão de umidade pode evitar possíveis reduções de eficiência das torres em determinadas épocas do ano, e consequente queda na produtividade da usina. 

A Figener foi contratada para analisar a viabilidade de se instalar uma nova torre de resfriamento nas imediações de uma já existente, como parte de um projeto maior de expansão da área de utilidades de uma fábrica.

Solução

A Figener utilizou ferramentas CFD para analisar a dispersão de umidade em ambientes abertos ou fechados. O estudo foi realizado com base em desenhos de arquitetura e variou a direção e intensidade do vento. Os resultados indicaram que, para a disposição analisada, o vento lento trouxe pouco impacto na umidade do ar admitido pela torre a jusante, independentemente das duas direções estudadas. 

No entanto, para um dos cenários de vento forte, a umidade relativa do ar admitido pela torre a jusante subiu de 80% para 83,2%. Isso representa aumento de 0,32°C na temperatura de água fria.

O estudo em CFD permitiu responder diversas questões difíceis de serem tratadas analiticamente, como e quanto a nova torre pode afetar na eficiência da usina e com qual frequência tais eventos podem ocorrer e se deve mudar a torre de lugar ou superdimensioná-la um pouco.

Linhas de corrente coloridas conforme umidade relativa

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O objetivo desse projeto não era apenas a incorporação da geração solar para alimentar cargas internas, mas também viabilizar uma planta de produção de hidrogênio verde. 

O desafio central residia na integração eficiente dessa nova fonte de geração renovável a um sistema já consolidado e de grande porte, garantindo estabilidade, segurança e confiabilidade operacional. Para isso, a Figener conduziu estudos aprofundados de curto-circuito, fluxo de potência, fluxo harmônico, estabilidade eletromecânica e coordenação de proteção e seletividade, essenciais para evitar impactos negativos na operação da termelétrica.

Contexto e desafios do projeto

A usina possui uma estrutura elétrica robusta, incluindo geradores de grande porte e um complexo sistema de distribuição interna para alimentar suas cargas essenciais . A decisão de integrar uma fonte fotovoltaica ao sistema foi impulsionada por uma iniciativa do Governo do Ceará, dentro do esforço global de transição energética e descarbonização.

Diferente de outras aplicações comuns em indústrias, onde fontes renováveis são utilizadas para complementar cargas administrativas ou não críticas, essa implementação exigia um estudo detalhado devido às características dinâmicas da energia solar. A geração fotovoltaica possui variações naturais, que poderiam interferir na estabilidade do sistema elétrico da termelétrica, especialmente ao alimentar uma planta de hidrogênio verde que também se comporta como uma nova carga significativa.

(Modelo da usina fotovoltaica no powerfactory)

Créditos de imagem: Arquivos Figener

(representação das cargas e planta de hidrogênio verde powerfactory)

Créditos de imagem: arquivos Figener

Além disso, o projeto apresentou complexidades adicionais, como:

• Interação entre fontes distintas: a fotovoltaica precisava operar de forma estável junto aos geradores térmicos.

• Influência na proteção e seletividade: ajustes e coordenação dos dispositivos de proteção para evitar falhas ou desconexões indevidas.

• Impacto dos harmônicos: a eletrônica de potência associada à usina fotovoltaica e à produção de hidrogênio exigia um estudo aprofundado para evitar degradação da qualidade da energia e impactos em transformadores e motores já operacionais.

Metodologia aplicada

Para garantir a viabilidade técnica da integração, a Figener estruturou o projeto em seis estudos elétricos distintos, conduzidos ao longo de quatro meses. Os principais aspectos analisados foram:

1. Estudo de curto-circuito e coordenação de proteção

Seguindo as normas internacionais IEC, a Figener analisou os níveis de curto-circuito e recalibrou as proteções existentes, garantindo que a inserção da usina fotovoltaica não comprometesse a seletividade do sistema. O software DIgSILENT PowerFactory, representado no Brasil pela Figener, foi utilizado para simular cenários e validar os ajustes necessários nas proteções das cargas e dos geradores.

2. Fluxo de Potência

A análise de fluxo de potência permitiu avaliar como a nova geração se distribuiria pelo sistema, garantindo que as cargas críticas continuassem sendo supridas de forma confiável. Foi verificada a capacidade de operação em diferentes condições, como oscilações na irradiação solar e interações entre a energia térmica e renovável.

3. Estabilidade Eletromecânica

O sistema dessa usina termelétrica é composto por três geradores principais, operando em diferentes ramificações da planta elétrica. A inserção da fotovoltaica precisava ser analisada considerando cenários distintos, como a operação isolada de cada gerador ou o funcionamento em paralelo. O estudo de estabilidade verificou a resposta do sistema frente a variações bruscas, prevenindo oscilações que pudessem comprometer a operação.

4. Fluxo harmônico

Tanto a geração fotovoltaica quanto a planta de hidrogênio verde possuem equipamentos de eletrônica de potência, como inversores e conversores de frequência, que podem introduzir distorções harmônicas no sistema. A Figener conduziu análises detalhadas para garantir que os níveis de distorção estivessem dentro dos limites aceitáveis, evitando impactos na vida útil de transformadores e motores.

5. Integração da planta de hidrogênio verde

A planta de hidrogênio verde foi modelada dentro do PowerFactory para verificar seu impacto no consumo de energia e nos níveis de distorção harmônica. Como essa instalação funcionaria como uma carga adicional no sistema, foi necessário ajustar a distribuição de potência e avaliar sua influência na estabilidade geral.

6. Impacto na eficiência energética

A introdução da geração renovável precisava ser validada não apenas do ponto de vista elétrico, mas também econômico e operacional. O estudo final consolidou as análises anteriores para garantir que a usina fotovoltaica trouxesse benefícios reais, reduzindo o consumo de combustíveis fósseis e melhorando a eficiência energética da usina termelétrica.

Resultados e contribuições do projeto

A implementação bem-sucedida da usina fotovoltaica e da planta de hidrogênio verde nessa grande geradora termelétrica que atendemos, representa um exemplo significativo para a descarbonização do setor elétrico brasileiro. A abordagem estruturada da Figener garantiu que essa transição ocorresse de forma segura e otimizada, sem comprometer a estabilidade e a confiabilidade do sistema elétrico.

Os principais resultados alcançados incluem: 

Integração segura da fotovoltaica sem impactos adversos na operação da usina térmica.
Otimização da coordenação de proteção para garantir seletividade e evitar desconexões indesejadas.
Redução dos impactos de distorções harmônicas, preservando equipamentos críticos e prolongando sua vida útil.
Aumento da eficiência energética, contribuindo para a estratégia global de transição energética e sustentabilidade.

“O centro deste projeto foi essa nova fonte que engloba toda essa filosofia mundial de descarbonização. Isso gerou um desenvolvimento muito grande da nossa parte no software PowerFactory, permitindo que a gente consiga aplicar essa expertise em outros projetos.”

– Samuel Antonio de Paula, Engenheiro Eletricista da Figener

Fortalecendo a posição da Figener

A experiência adquirida neste projeto fortalece a posição da Figener como referência em estudos elétricos para integração de energias renováveis em sistemas complexos. O sucesso da implementação na geradora termelétrica atendida pela Figener, reforça que a eletrificação e o uso de hidrogênio verde são caminhos viáveis e estratégicos para usinas e indústrias que buscam eficiência e descarbonização.

A expertise da Figener, aliada a metodologias robustas e ao uso de ferramentas avançadas como o DIgSILENT PowerFactory, permitiu a realização de análises detalhadas e soluções customizadas para esse desafio. Com o crescimento das demandas por transição energética, projetos como esse se tornarão cada vez mais comuns, e a Figener está preparada para apoiar nossos clientes nessa transformação.

Se sua empresa busca soluções eficientes para a integração de geração renovável, entre em contato com a Figener e descubra como podemos ajudar.

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Em 2006, a FIGENER foi contratada por um, então, novo cliente – uma petroquímica – para investigar a limitação de capacidade de uma caldeira de vapor alimentada a gás. O primeiro diagnóstico apontou para um problema no sistema de insuflamento de ar, causado por uma elevada perda de carga no preaquecedor de ar a vapor. Como esse equipamento havia sido mantido apenas por uma necessidade antiga – quando ainda se queimava óleo combustível com enxofre –, sua remoção resolveu essa limitação inicial.

No entanto, o fluxo de gás natural ou de FG (fuel gas: H₂ + CH₄ e outros hidrocarbonetos) também apresentava uma restrição. Após um valor de abertura ainda pequen da válvula de controle (que tinha um alto CV), o fluxo simplesmente “estacionava”, não se elevando mais.. Investigando todos os componentes da linha de gás – tubulações, filtros, válvulas, entre outros –, a FIGENER levantou a hipótese de que o problema estava no medidor mássico. O aumento progressivo do fluxo de gás, combinado com a correspondente perda de carga, poderia estar levando o medidor a atingir a velocidade do som no final dos tubos de medição, um fenômeno conhecido como escoamento de Fanno, resultando na blocagem por atrito.

O problema é que o  software de cálculo do fabricante não indicava tal limitação, mostrando que o medidor deveria permitir fluxo até superior ao necessário, e, sendo o fabricante uma das referências do mercado mundial, o cliente não parecia inclinado a dar crédito à hipótese levantada pela FIGENER.

Um Teste, uma Surpresa e uma Aposta

Para comprovar a blocagem, a FIGENER solicitou a realização de um teste, com a instalação de um manômetro entre o medidor e a válvula de controle. A ideia do teste era simples: se o medidor estivesse realmente blocado, ao abrir mais a válvula de controle além do ponto em que o fluxo já estacionara, a pressão deveria continuar caindo. Isso indicaria que o sistema a jusante do medidor estava desconectado do sistema a montante, operando abaixo da pressão crítica.

Toda a equipe do projeto se reuniu para o teste em campo. Com a abertura progressiva da válvula, atingiu-se o fluxo limite, e o grupo passou a observar o manômetro. Mas – surpresa! – já com o fluxo limitado, e a válvula ainda abrindo, a pressão indicada se manteve constante, contrariando a previsão da FIGENER, o que criou um desconfortável clima de descrédito na avaliação da FIGENER. Novas hipóteses precisariam ser levantadas.  Confiante, porém, o engenheiro da FIGENER dobrou a aposta e arriscou: ” Ainda temos certeza da nossa hipótese; é o manômetro que está com defeito!”

Ainda que com justificado ceticismo, o cliente providenciou a troca do manômetro. E, desta vez, o esperado aconteceu: à medida que a válvula era aberta, já com fluxo limitado, a pressão entre medidor mássico e válvula ia caindo, confirmando que o medidor estava, de fato, blocado.

Solução e uma já longa História com o Cliente

Com a confiança do cliente de pronto restabelecida – a FIGENER especificou novo medidor mássico e, já projetou rapidamente uma placa de orifício – logo instalada – permitindo que a caldeira atingisse enfim sua capacidade nominal. O sucesso dessa intervenção levou o cliente a estender o estudo de desgargalamento de capacidade para as outras cinco caldeiras da fábrica.

Desde então, quase 20 anos já, a FIGENER vem mantendo uma sólida relação com essa empresa, prestando suporte de engenharia para avaliação de equipamentos, redes de distribuição de água de resfriamento, de gases e de vapor, realizando também dezenas de  estudos sobre o sistema elétrico da unidade, incluindo os estudos e projeto conceitual de motorização de turbo-acionamentos e da implantação de um sistema de cogeração com turbinas a gás – podendo-se dizer que esse pequeno caso – emblemático e atípico – de blocagem de um medidor mássico foi a pedra sobre a qual se construiu essa história.

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Desviar-se da condição projetada pelo fabricante pode resultar em falhas operacionais de difícil diagnóstico, impactando equipamentos aparentemente independentes e, muitas vezes, com efeitos que surgem meses após a modificação. 

Para evitar isso, a análise do sistema como um todo, utilizando ferramentas avançadas como o CFD, se torna essencial. Isso permite antecipar possíveis falhas ou, quando já manifestadas, orientar as equipes na solução do problema.

O Problema: falhas interligadas em um incinerador de organoclorados

A modificação do balanço de resíduo entre os queimadores de um incinerador de organoclorados resultou em uma série de falhas inesperadas em equipamentos a jusante. Cada parada do sistema de incineração gerava a necessidade de uma parada completa da usina, acarretando prejuízos milionários. As falhas eram tratadas de forma isolada, resultando em ações corretivas dispersas e ineficazes.

Após anos de tentativas da equipe de manutenção — algumas bem-sucedidas, outras não —, a substituição completa do sistema parecia ser a única saída. Como alternativa, a Figener foi contratada para conduzir um diagnóstico avançado de todo o sistema de incineração. O trabalho incluiu visitas à unidade, inspeções internas nos equipamentos, modelagens de processo e simulações computacionais (CFD) para entender as causas das falhas.

Dentre os vários problemas encontrados, destacamos a falha na parede refratária próxima aos queimadores. Inicialmente, o cliente associou o problema a uma escolha inadequada do material refratário e, por isso, decidiu substituí-lo. Embora essa troca tenha trazido melhorias pontuais, o problema persistiu, evidenciando a necessidade de uma investigação mais profunda.

Imagem 1: Queda da parte refratária próxima à pré-câmara de combustão de um dos queimadores.

Etapas do Estudo

1. Modelagem da combustão

Simular a combustão via CFD é um desafio técnico, especialmente pela ausência de mecanismos de reação definidos para todas as interações químicas reais. No caso em estudo, o composto incinerado não possuía uma fórmula química fixa, exigindo a modelagem e validação de um mecanismo de reação simplificado. Essa etapa foi crucial para garantir a representatividade e a confiabilidade dos resultados.

2. Separação do problema em sub-regiões

Estudar o incinerador inteiro com um nível elevado de detalhes seria inviável devido à complexidade geométrica e ao tempo de processamento necessário. Para contornar essa limitação, a Figener dividiu o sistema em sub-regiões.

A primeira parte do estudo focou no comportamento inicial da combustão na região do queimador. Simulando esta área isoladamente, foi possível entender a dinâmica inicial de mistura das correntes participantes da combustão. Isso permitiu reduzir a necessidade de detalhamento geométrico na simulação completa, acelerando o processo sem perder a precisão técnica.

Imagem 2: Sub-região focada na área do queimador.

3. Simulação do incinerador completo

Com as condições de contorno devidamente ajustadas a partir do estudo da sub-região, a Figener prosseguiu com a simulação integral do incinerador. Isso incluiu a modelagem de reações químicas e a representação completa dos queimadores no domínio de cálculo.

Imagem 3: Corte do domínio completo da simulação.

4. Identificação do problema e proposta de mitigação

A análise do sistema completo confirmou uma das principais suspeitas da Figener: a geometria do incinerador causava o desvio da chama de um dos queimadores para cima, fazendo com que ela atingisse o refratário. Essa condição indesejada provocava trincas e quedas do material refratário em poucas semanas de operação.

Para mitigar o problema, a Figener testou soluções como o redimensionamento dos queimadores e a alteração da inclinação. Além disso, as análises de CFD possibilitaram uma correlação entre a falha no refratário e outras falhas encontradas ao longo do sistema.

Imagem 4: Linhas de corrente destacando o tempo de residência — parâmetro importante no processo de incineração.

Além disso, problemas extras foram identificados, incluindo:

• Má nebulização: interferindo na qualidade da combustão;
• Dilatação térmica diferencial: gerando tensões internas que contribuíam para as falhas no refratário;
• Incompatibilidade de condições operacionais: exigindo ajustes nas práticas de operação.

Impactos positivos para o cliente

O estudo liderado pela Figener trouxe ganhos significativos para o cliente, indo além da identificação de falhas. A análise do sistema de incineração de forma integrada permitiu:

• Identificação da causa raiz: foi possível compreender como as ações isoladas anteriormente implementadas pela equipe de manutenção estavam afastando a solução definitiva do problema.
• Diagnóstico visual e embasado: as simulações de CFD geraram imagens e gráficos de apoio que facilitaram a comunicação entre as equipes técnicas de diversas disciplinas.
• Redução de prejuízos operacionais: com as propostas de solução, foi possível mitigar as paradas não programadas e as perdas financeiras associadas.

Por que escolher a Figener?

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O Problema: selecionar, de forma econômica, rápida e segura, o tipo e o número de dispositivos de proteção contra surto de pressão

No projeto de trocadores de calor para aquecimento de gás natural, a norma API 521 exige o dimensionamento do sistema de proteção para cenários de falha, como o rompimento do tubo de gás no interior do casco. Esse processo envolve diversas variáveis, o que gera uma série de dúvidas:

• O casco do trocador está devidamente dimensionado para suportar o surto de pressão?
• Qual tipo de dispositivo de proteção utilizar, válvulas de segurança (PSV) ou discos de ruptura?
• Quantos dispositivos são necessários e em quais posições?

Embora a lógica inicial sugira que mais dispositivos significam maior segurança, na prática, o excesso de dispositivos pode não ser eficaz. A análise precisa considerar múltiplos fatores simultâneos, como:

• Compressibilidade do gás e do líquido: o comportamento do fluxo muda de acordo com a relação de pressões;
• Evolução da trinca no tubo: do surgimento da trinca até o rompimento completo, a curva de vazão muda significativamente;
• Atraso na abertura dos dispositivos de proteção: o tempo de resposta é crucial para a eficiência do sistema;
• Elementos de linha (válvulas, curvas e tanques): todos afetam a propagação da onda de pressão.

A complexidade do problema e a importância da aplicação exigem análises precisas e sofisticadas, especialmente em cenários onde a escolha de dispositivos inadequados pode resultar em soluções caras e ineficazes.

Etapas da Análise

1. Modelagem da ruptura do tubo
   A primeira etapa foi a modelagem da evolução da trinca no tubo, considerando o processo de nucleação e a falha completa. A Figener utilizou publicações científicas de referência para determinar a curva de vazão mais crítica possível para o estudo.
   
2.  Cálculos teóricos de compressibilidade do gás e do líquido
   Aqui, foi avaliada a compressibilidade de ambos os meios (gás e líquido) no cenário de falha. Dependendo da relação de pressões entre os meios, o escoamento de gás no tubo estará “blocado”, termo usado para descrever um tipo de escoamento compressível, alterando a forma de cálculo de vazão. No caso do meio líquido, os parâmetros críticos de compressibilidade também foram modelados e verificados.
   
3.  Construção do modelo CFD
   Devido à complexidade do problema, o modelo CFD precisou considerar fenômenos simultâneos, como:

• A evolução da trinca no tubo;
• A abertura do dispositivo de segurança;
• O comportamento compressível dos fluidos.

Para isso, foi necessário customizar o software OpenFOAM, o que permitiu à equipe da Figener implementar ajustes específicos para o estudo. Essa personalização foi essencial para tornar a simulação viável e robusta.

4. Testes de diferentes dispositivos de segurança
   Os dois principais dispositivos de proteção avaliados foram:

• PSVs (válvulas de segurança de pressão)
• Discos de ruptura

Foram simuladas diferentes condições de gatilho, atraso de ativação e capacidade de vazão de cada tipo de dispositivo. Além disso, a Figener testou o impacto da posição e quantidade de dispositivos, identificando a configuração mais eficaz.

5. Análise da curva de pressão máxima e comparação com o limite do casco
   Com o modelo CFD completo, foi possível determinar a curva de evolução de pressão no interior do casco. A pressão máxima foi comparada com o limite permitido pelo fabricante. Se a pressão ultrapassasse o limite, ajustes precisariam ser feitos, seja alterando o número de dispositivos, sua posição ou até mesmo propondo modificações no projeto do trocador de calor.

Figura 1 – Pressão máxima dentro do vaso durante o transiente, para diferentes cenários

Figura 2 – Evolução da pressão dentro do trocador de calor

Solução Otimizada para Atender à Norma

O uso de CFD permitiu que diversas alternativas fossem testadas, trazendo uma análise precisa e visual do comportamento do sistema. Isso viabilizou o dimensionamento correto e eficiente dos dispositivos de proteção, com impacto positivo na segurança e na economia do projeto. Sem o uso de CFD, o cenário economicamente mais viável dificilmente seria identificado.

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Isso parava toda a unidade por alguns dias, pois exigia uma decoqueificação completa do reator, além de outros procedimentos de limpeza e testes. A cada dia parado, os custos são elevadíssimos, trazendo prejuízos enormes ao cliente.

A Figener foi contratada para ajudar na investigação do problema, identificar formas de otimizar o consumo de combustível e aumentar o rendimento da unidade. 

O uso de CFD (Computational Fluid Dynamics) é extremamente vantajoso nesse caso, por permitir inúmeros testes em diferentes configurações, impossíveis de se testar em operação.

O Problema: disposição dos queimadores em relação ao reator não era otimizada

A reação de craqueamento em questão depende tanto da temperatura quanto do fluxo de calor, e o coque começa a se formar apenas a partir de certo ponto da reação, próximo do final do reator. Assim, balancear o fluxo de calor da chama com a região em que incide no reator (entre começo e final) é um caminho interessante a se explorar.

Incluir a reação de formação do produto e do coque no modelo seria inviável na realidade industrial desse projeto. Assim, a Figener criou um modelo externo de avanço da reação que recebe o fluxo de calor resultante do CFD e determina a taxa de formação de coque no tempo.

Figura: chama e fluxo de calor para o reator original

Com esse cenário base calibrado para os dados reais, a Figener passou a testar diversas posições e combinações de queimadores, acompanhando sempre a evolução do coque.

A solução: reposicionar o queimador e alterar o balanço de ar/gases

Deslocar o queimador para perto da região de início da reação favorece fortemente o avanço da reação, permanecendo ainda fora da zona de formação de coque. Intervenções desse tipo são pouco ortodoxas, mas possíveis de testar com ferramentas computacionais.

Figura: chama e fluxo de calor para o reator modificado

A evolução do coque não trouxe preocupação, e a temperatura de metal – medida crítica para integridade do reator – permaneceu abaixo do caso de referência na previsão de 12 meses.

Figura: evolução da temprratura de metal ao longo do reator após 1 ano de operação

Compondo essa solução com modificações no fluxo de ar/combustível, recirculação de parte dos gases de combustão e adoção de pré-aquecedor de ar, economias superiores a 5% são esperadas para esse reator, considerando o produto por kg de combustível queimado.

Impactos positivos para o cliente

O estudo liderado pela Figener trouxe potencial de ganhos importantes para o cliente. A análise do problema acoplando o lado do forno com o do reator permitiu:

• Identificação da região de falha: foi possível compreender o mecanismo da reação e da formação de coque, orientando melhor as modificações a serem testadas.
• Diagnóstico visual e embasado: as simulações de CFD geraram imagens e gráficos de apoio que facilitaram a comunicação entre as equipes técnicas de diversas disciplinas.
• Otimização da operação do forno: com as propostas de solução, foi possível encontrar o cenário otimizado e que poderia trazer uma economia expressiva para o cliente, além de servir de material de engenharia para a equipe técnica do cliente. 

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O post CFD em fornos de craqueamento: estudo avançado para otimizar o projeto de um reator apareceu primeiro em FIGENER.