2013 / 2 Colaborador: Flávio S. Francisco Prof. Responsável: Carlos Augusto G. Perlingeiro...

2013 / 2

Colaborador:

Flávio S. Francisco

Prof. Responsável:

Carlos Augusto G. Perlingeiro

INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS

Integração Mássica

EQE-489 – Engenharia de Processos

27/11/2013

Integração de Processos (IP)

Redes de Transferência de Massa

Diagrama de Fontes de Água (DFA):

Uma ferramenta para gestão do reúso de águas na indústriaProcedimento para sistemas com um contaminante

Restrição de Vazão

Máximo reúso

Múltiplas fontes

Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de

oportunidades de realinhamento de correntes hídricas para máximo

reúso

Além de máximo reúso, a análise pode considerar:

Procedimento para Redução da Vazão de Efluentes Aquosos

Diagrama de Fontes de Água (DFA)

Restrição de vazão

Múltiplas fontes de água

Perdas inerentes ao processoRegeneração com reúso

Regeneração com reciclo

UM CONTAMINANTE MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

Diagrama de Fontes de Água (DFA)

Máximo Reúso

Revisando...

C’ = C’(fea) U C’(fia) = C’ = {0, 50, 100, 400, 800}

Intervalos de concentração: Limites

DFA – Máximo Reúso

Passo 1

0 50 100 400 800

Concentração (ppm)

Fontes internasFonte externa

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

Exemplo

Tabela de Oportunidades

(Wang & Smith, 1994)

CIN e COUT Melhor que sejam os máximos

DFA – Máximo Reúso

Passo 2

Representar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída

20

Vazão limite (t/h)

100

40

10

0 50 100 400 800

Concentração (ppm)

Fontes internasFonte externa

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

DFA – Máximo Reúso

20

Vazão limite (t/h)

100

40

10

0 50 100 400 800

Concentração (ppm)

Fontes internasFonte externa

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

(1) (1)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

Passo 3

Determinação da quantidade de contaminante transferido da corrente de processo para a corrente de água, por intervalo: m = flim C

DFA – Máximo Reúso

Passo 4

Regra 1: Uso de fontes externas quando não houver fonte interna disponível

Regra 2: Priorizar o uso da fonte de água com maior concentração

Regra 3: Para uma dada operação, a fonte utilizada em certo intervalo deve assimilar a quantidade de massa a ser transferida (m do respectivo intervalo)

Determinação do consumo de fontes de água: f = m/Cint

20

Vazão limite (t/h)

100

40

10

0 50 100 400 800

Concentração (ppm)

Fontes internasFonte externa

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

(1) (1)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

Δm = fL . (Cout – Cin) f = Δm / (Cout – Cin)

20 20

50 50

20 20 20 40

20

5,7 5,7

Ұ f t/h a 0 ppmFontes disponíveis

Priorizar reúso de fonte mais “suja” nas OP’s

20

Vazão limite (t/h)

100

40

10

0 50 100 400 800

Concentração (ppm)

Fontes internasFonte externa

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

(1) (1)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

Δm = fL . (Cout – Cin) f = Δm / (Cout – Cin)

20 20

50 50

20 20 20 40

20

5,7 5,7

20

Vazão limite (t/h)

100

40

10

0 50 100 400 800

Concentração (ppm)

Fontes internasFonte externa

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

(1) (1)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

20 20

50 50

20 20 20 40

20

5,7 5,7

90 90 45,7 45,7 Pinch

Original

Reúso DFA

130,5 t/h (0 ppm)

90 t/h (0 ppm)

2

D M

D 4

3

1

90 t/h

50 t/h 50 t/h 5,7 t/h

40 t/h

20 t/h 20 t/h

40 t/h

5,7 t/h

44,3 t/h

20 t/h

0 ppm

0 ppm

0 ppm

100 ppm

100 ppm

0 ppm 50 ppm

100 ppm

100 ppm

800 ppm

800 ppm

Resumo

Processo Consumo de Água - 0 ppm (t/h)

Original 130,5

Novas Concentrações de Saída 112,5

Com Reúso 90

m constante

Informações Necessárias para Aplicação do DFA

Fluxograma completo do processo

Balanço Hídrico

Caracterização dos contaminantes

Vazões das fontes de abastecimento (externas e internas)

Correntes de entrada e saída das operações (vazões x C)

Especificações (conc’s máximas em cada operação)

Possibilidades de Aplicação do DFA

Máximo reúso

Restrição de vazão

Múltiplas fontes de água

Perdas inerentes ao processo

Regeneração com reúso

Regeneração com reciclo

UM CONTAMINANTE

MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

Diagrama de Fontes de Água (DFA)

Múltiplas Fontes de Água

Normalmente existem DIFERENTES FONTES de água de processo com diferentes QUALIDADES que podem ser usadas em

várias operações

Geralmente

Qualidade Valor econômico

Então devemos minimizar uso de água

de maior qualidade

Operação Massa de contaminante

(kg/h)

CIN (ppm)

COUT (ppm)

Vazão limite (t/h)

1 2 0 100 20

2 5 50 100 100

3 30 50 800 40

4 4 400 800 10

Voltando aos dados do Exemplo...

Vamos admitir agora que tenhamos duas fontes de água:

FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm

FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

Agora é com você!!!

Pense um pouco...

Mais um pouco...

Vamos lá?

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

Operação Massa de contaminant

e (kg/h)

CIN (ppm)

COUT (ppm)

Vazão limite (t/h)

1 2 0 100 20

2 5 50 100 100

3 30 50 800 40

4 4 400 800 10

FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm

FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

Operação Massa de contaminant

e (kg/h)

CIN (ppm)

COUT (ppm)

Vazão limite (t/h)

1 2 0 100 20

2 5 50 100 100

3 30 50 800 40

4 4 400 800 10

FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm

FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)

Δ𝑚= 𝑓 ∗(𝐶 𝑓 −𝐶𝑖)

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20

Δ𝑚= 𝑓 ∗(𝐶 𝑓 −𝐶𝑖)Fonte 1 – 0 ppm

5 00= 𝑓 ∗(25−0)𝑓 =20 𝑡 /h

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20

5 00= 𝑓 ∗(50−25)𝑓 =20 𝑡 /h

20

Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmFonte int. OP1 – 25 ppm

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20

1000= 𝑓 ∗(100−50)𝑓 =20 𝑡 /h

20 20

Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmFonte int. OP1 – 25 ppm

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20

5000= 𝑓 ∗(100−25)𝑓 =66,7 𝑡 / h

20 20

Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppm

66,7 66,7

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20

2 000= 𝑓 ∗(100−25)𝑓 =26,7 𝑡 / h

20 20

Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppm

66,7 66,7

26,7 26,7

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20

1

𝑓 =40 𝑡 /h

20 20

Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmOP 1 – 20 t/h / 100 ppmOP 2 – 66,7 t/h / 100 ppm

66,7 66,7

26,7 26,7

13,3

26,7

𝑓 =40−26,7=13,3 𝑡 /h

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20

1𝑓 =40 𝑡 /h

20 20

Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmOP 1 – 20 t/h / 100 ppmOP 2 – 53,4 t/h / 100 ppmOP 3 – 40 t/h / 400 ppm

66,7 66,7

26,7 26,7

13,3

26,7 40

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20

4𝑓 =5,7 𝑡 /h

20 20

Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmOP 1 – 20 t/h / 100 ppmOP 2 – 53,4 t/h / 100 ppm

66,7 66,7

26,7 26,7

13,3

26,7 40

5,7 5,7

2

D M

4

393,4 t/h

66,7 t/h 66,7 t/h

40 t/h 40 t/h

5,7 t/h

26,7 t/h

25 ppm

25 ppm 100 ppm

25 ppm 50 ppm

100 ppm 800 ppm

800 ppm

5,7 t/h

D

120 t/h

100 ppm

20 t/h

0 ppm

100 ppm

47,7 t/h

Possibilidades de Aplicação do DFA

Máximo reúso

Restrição de vazão

Múltiplas fontes de água

Perdas inerentes ao processo

Regeneração com reúso

Regeneração com reciclo

UM CONTAMINANTE

MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

E se usássemos o efluente da operação 1 ao invés da operação

2? Como ficaria?

Humm!

Hummm!

20

100

40

10

0 25 50 100 400

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

800

i = 5

(0,5) (0,5)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

(1)20 20 20

66,7 66,7

26,7 26,7

13,3

26,7 40

5,7 5,7

1 420 t/h 20 t/h 5,7 t/h

0 ppm 100 ppm 100 ppm 800 ppm

5,7 t/h

D

266,7 t/h

100 ppm

66,7 t/h

25 ppm

100 ppm

1 t/h

D M 393,4 t/h 40 t/h 40 t/h26,7 t/h

25 ppm 25 ppm 50 ppm 800 ppm

Agora é com você!!!

Exemplo 2

Operação Massa de contaminante

(kg/h)

CIN (ppm)

COUT (ppm)

Vazão limite (t/h)

1 6 0 150 40

2 14 100 800 20

3 24 700 1000 80

FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm

FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

Procedimento para Minimização de Vazão de Efluentes Aquosos

Diagrama de Fontes de Água (DFA)

Restrição de Vazão

Muitos processos necessitam de uma vazão fixa de água

Limpeza de vasos;

Transporte hidráulico;

Operações com mangueiras

Alguns processos têm uma vazão fixa de água que é perdida e não pode ser reusada

Make-up para torres de resfriamento;

Água que sai com o produto

Operação Massa de contaminante

(kg/h)

CIN (ppm)

COUT (ppm)

Vazão limite (t/h)

1 2 0 100 20

2 5 50 100 100

3 30 50 800 40

4 4 400 800 10

Voltando aos dados do Exemplo 1...

Vamos admitir agora que as vazões das operações 1, 2, 3 e 4 sejam fixas

20

100

40

10

0 50 100 400 800

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

(1) (1)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

20 20

50 50

20 20 20 40

20

5,7 5,7

4,3

50

2

D M

D

4

3

1

90 t/h

50 t/h 100 t/h

10 t/h

40 t/h

20 t/h 20 t/h

40 t/h

10 t/h

44,3 t/h

20 t/h

0 ppm

0 ppm

0 ppm

100 ppm

100 ppm

0 ppm 50 ppm

100 ppm

100 ppm

800 ppm

800 ppm

M

50 t/h

100 ppm

100 t/h

50 ppm

50 t/hD

M

5,7 t/h

100 ppm

D5,7 t/h

800 ppm400 ppm

4,3 t/h

800 ppm

Reciclo local

Reciclo local

Outra possibilidade de seleção da fonte de reúso

20

100

40

10

0 50 100 400 800

i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

1

2

3

4

(1) (1)

(5)

(2) (12)

(4)

(16)

20 20

50 50

20 20 20 40

20

5,7 5,7

4,3 4,3

Pode-se reusar, além de 5,7 t/h, 4,3 t/h da operação 2, de modo a alcançar 10 t/h, dispensando o reciclo local

50

2

D M

D

4

3

1

90 t/h

50 t/h 100 t/h

10 t/h

40 t/h

20 t/h 20 t/h

40 t/h

10 t/h

40 t/h

20 t/h

0 ppm

0 ppm

0 ppm

100 ppm

100 ppm

0 ppm 50 ppm

100 ppm

100 ppm

500 ppm

800 ppm

M

50 t/h

100 ppm

100 t/h

50 ppm

50 t/hD

10 t/h

100 ppm

100 ppm

Reciclo local

Para este problema, mesmo com as restrições de vazão, a meta continua sendo 90 t/h

Quer mesmo saber

?!!

Por que não?

Muito bom, chefe! Mas o que acontece se o reciclo

local não for aceitável?

Meta e projeto obtidos por outros métodos

1111,4 t/h 20 t/h

2

91,4 t/h

4

3

D M D

D

M

MD

20 t/h

80 t/h

100 t/h

11,4 t/h

100 t/h 10 t/h

10 t/h

28,6 t/h

40 t/h

40 t/h

111,4 t/h61,4 t/h

90 t/h

DFA

Ferramenta para o gerenciamento de recursos hídricos no ambiente industrial

Cálculos de fácil execução (Praticidade!)

Preserva o projeto existente

Geração simultânea de fluxogramas alternativos para o processo

Maximiza o reúso

Considera outras restrições de processo

Para cada situação, uma ferramenta diferente!

Exemplo 1

Reúso 90 t/h

Reúso com restrição de vazão e reciclo local

Reúso com restrição de vazão e sem reciclo local

90 t/h

111,4 t/h

Resumo

Restrição de mínima vazão fixa pode ser obtida utilizando reciclo local

O procedimento é facilmente modificado para incorporar restrição de vazão usando reciclo local

Se o reciclo local não for aceitável, é necessário uma solução alternativa

Agora é com você!!!

Exemplo 2

Operação Massa de contaminante

(kg/h)

CIN (ppm)

COUT (ppm)

Vazão limite (t/h)

1 6 0 150 40

2 14 100 800 20

3 24 700 1000 80

Todas as vazões estão fixadas nos seus valores limites

Projete uma rede que atinja a meta especificada satisfazendo as restrições de vazão usando reciclo local

Para saber mais...

GOMES, J.F.S., Procedimento para minimização de efluentes aquosos, Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos), Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, 2002. 

GOMES, J.F.S., QUEIROZ, E.M., PESSOA, F.L.P., “Design procedure for water/wastewater minimization: single contaminant”, Journal of Cleaner Production, 15 (5), 474-485, 2007.

GOMES, J., MIRRE, R.C., DELGADO, B.E.P.C., QUEIROZ, E.M., PESSOA, F.L.P., “Water Sources Diagram in Multiple Contaminant Processes: Maximum Reuse”, Industrial & Engineering Chemistry Research, Washington, 52 (4), 1667-1677, 2013.

Vamos ao TESTE!!!

E agora...

Vamos ao TESTE!!!

E agora...

Palavras Cruzadas

Hummm!

(1) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente

(5)

(4)

(3)

(6)

(7)

(8)

(1)

(2)

(9)

(1)

(2) Contabilidade das entradas e saídas de água de um sistema

Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente

(1)

(9)

OR E Ú S

(3)

(6)

(7)

(8)

(2)

(5)

(4)

(2) Contabilidade das entradas e saídas de água de um sistema

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

(2)

(9)

OR E Ú S

(3)

(6)

(7)

(8)

(3) Abordagem holística voltada para o projeto e a operação de processos, que leva em conta a unidade dos processos, na visão de sistemas

(5)

(4)

R Ã OÇAN ET G(3) I

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

(2)

(9)

OR E Ú S

(6)

(7)

(8)

(3) Abordagem holística voltada para o projeto e a operação de processos, que leva em conta a unidade dos processos, na visão de sistemas

(4) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico

(5)

(4)

I

R Ã OÇA

S

N ET

A Á

G

EN L

(3) I

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

(2)

(9)

OR E Ú S

(6)

(7)

(8)

(4) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico

(5) Tratamento para remoção parcial de contaminantes

(5)

(4)

(6) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada

I

R Ã OÇA

S

N ET

A Á

G

EN L

(3) I

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

(2)

(9)

OR E Ú S

(6)

(7)

(8)

G EER N ÃE OÇR A

(5) Tratamento para remoção parcial de contaminantes

(5)

(4)

G

I

R

A

à O

E

Ç

ER N Ã

A

S

N ET

A Á

C

G

EN L

E

I

O

O N MT

(3)

(6)

(7)

(8)

ÇR A

AN

I

TN E

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

(2)

(9)

OR E Ú S

(7) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais

(6) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada

(5)

(4)

G

I

R

A

D

à O

E

Ç

ER N Ã

A

S

N

F

ET

A Á

C

A

G

EN L

E

I

O

O N MT

(3)

(6)

(7)

(8)

ÇR A

AN

I

TN E

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

(2)

(9)

OR E Ú S

(8) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...)

(7) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais

(5)

(4)

G

I

R

A

D

à O

E

Ç

C

E

AE Ç

R N

RN

Ã

A

S

N

T

F

ET

A Á

C

A

G

EN L

E

I

à O

O

N

O N MT

C O

(3)

(6)

(7)

(8)

ÇR A

AN

I

TN E

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

(2)

(9)

OR E Ú S

(8) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...)

(5)

(4)

G

I

R

A

D

à O

E

Ç

C

E

AE Ç

R N

RN

Ã

A

S

N

T

F

ET

A Á

C

A

G

EN L

E

I

à O

O

N

O N MT

C O

(3)

(6)

(7)

(8)

ÇR A

AN

I

TN E

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

(2)

(9)

OR E Ú S

Acho que não foi tão ruim assim...

(5)

(4)

G

I

R

A

D

à O

E

Ç

C

E

AE Ç

R N

RN

Ã

A

S

N

T

F

ET

A Á

C

A

G

EN L

E

I

à O

O

N

O N MT

C O

(3)

(6)

(7)

(8)

ÇR A

AN

I

TN E

B ÍH RA L CI ODA N Ç O

(1)

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(9)

OR E Ú S

(5)

(4)

reinaldomirre@hotmail.com