2014 / 2 Colaborador: Flávio S Francisco Prof. Responsável: Carlos Augusto G. Perlingeiro INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS Aula 1 - Integração Mássica EQE-489 –

2014 / 2

Colaborador:

Flávio S Francisco

Prof. Responsável:

Carlos Augusto G. Perlingeiro

INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS

Aula 1 - Integração Mássica

EQE-489 – Engenharia de Processos

20/10/2014

TPQBq/EQ/UFRJ

[email protected]

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

Procedimento para sistemas com múltiplos contaminantes

3

O Recurso Água

Água: princípio ativo da sustentabilidade ambiental

DISTRIBUIÇÃO DAS RESERVAS DE ÁGUA NO PLANETA

(Mays, 1996, apud Mierzwa e Hespanhol, 2005)

Volume total de água: 1.385.984.000 km3

Oceanos – 96,50%

Água salobra – 0,97%

Água doce – 2,53%

DISTRIBUIÇÃO DAS RESERVAS DE ÁGUA NO PLANETA

(Mays, 1996, apud Mierzwa e Hespanhol, 2005)

Volume total de água: 1.385.984.000 km3

Escassez de reservas

Conservação e uso racional

Oceanos – 96,50%

Água salobra – 0,97%

Água doce – 2,53%

DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA POR ATIVIDADE (ANA, 2002)

Irrigação62,70%

Uso industrial14%

Consumo humano17,90%

Consumo animal5,40%

Água na Indústria

Matéria-prima

Uso como fluido auxiliar

Uso para geração de energia

Uso como fluido de aquecimento e/ou resfriamento

Transporte e assimilação de contaminantes

DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA POR ATIVIDADE (ANA, 2002)

Brasil: um país irrigado

68% da matriz energética brasileira vem da água dos rios que são barrados em usinas hidrelétricas

16% de toda a água enviada ao mar pelos rios do planeta sai da bacia Amazônica

11% de toda a água doce da Terra está no Brasil

6 milhões de km² (quase o tamanho da Austrália) é a área da bacia Amazônica, que cobre sete países

Fonte: NATIONAL GEOGRAPHIC BRASIL, Abril 2011

90% do território brasileiro recebe em média entre 1.000 e 3.000 mm de chuvas por ano

34 milhões de litros de água po ano: é o que cada brasileiro teria à sua disposição, considerando-se toda a reserva de rios, lagos e aquíferos do país

132 litros de água é o volume diário médio consumido pelo brasileiro

E mais...

Maior rioAmazonas (AM) 6.675 km

Mai

or Cac

hoeira

Aracá (AM)

365 m

Maior lagoa

Patos (RS) 10.144 km²

Maior planície inundável

Pantanal 210 mil km²(MT / MS)

Mais de 68% da água doce disponível no país encontra-se na Região Norte, habitada por menos de 7% da população ¹

Somente 32% dos recursos hídricos estão disponíveis para 93% da população ¹

Fontes: (1) http://www.maenatureza.org.br/

(2) NATIONAL GEOGRAPHIC BRASIL, Abril 2011

35 milhões de brasileiros vivem sem coleta de esgoto ²

10% da população brasileira, ou 19 milhões de pessoas, não tem acesso à água tratada ²

No entanto...

Além disso...

O desperdício de água no Brasil chega a 40%, segundo a Agência Nacional de Águas (ANA), bem acima do padrão aceito internacionalmente,

em torno de 20%

Irrigação

Redes mal conservadas para a distribuição de água nas cidades

Taxas pelo uso da água de rios e pelo descarte de efluentes

Necessidade atual de redução do consumo de água e da geração de efluentes

(Comitês de Bacias Hidrográficas)

No passado...

Água considerada um recurso ilimitado e uma commodity de baixo custo

Mas agora...

PROCESSOÁgua Primária Efluente

Regulamentação mais Rigorosa

Aumento do Custo

Redução da vazão de água

Custo da água do processo

Custo do tratamento de efluente

Custo de bombeamento

Custo de tubulação

Quantidade de contaminante

MAIOR INCENTIVO PARA A MINIMIZAÇÃO

15

• Brundtland – “Sustainable development is development that meets the needs of the present without compromising the ability of future generations to meet their own needs”.

• Se baseia em 3 pontos principais:1) O enfoque social;2) O enfoque econômico, e; 3) O enfoque ambiental.

• Sustentabilidade se baseia nos 3 pontos citados!

Desenvolvimento Sustentável

16

• Processos de Produção Sustentável:– Design sustentável do processo (ecodesign)– Utilização sustentável de matérias-primas e energia

• El-Halwagi (2012) define design sustentável de processos industriais como: “the design activities that lead to economic growth, environmental protection, and social progress for the current generation without compromising the potential of future generations to have an ecosystem that meets their needs”.

• Os principais objetivos do design sustentável: 1) Conservação de recursos, 2) Reuso/reciclo, 3) Prevenção da poluição, 4) Melhoria da lucratividade, 5) Melhoria de rendimentos, 6) Aumento de capital-produtividade, 7) Garantia e melhoria do controle de qualidade, e 8) Segurança dos processos.

Desenvolvimento Sustentável

Existe uma ferramenta que possibilite uma solução rápida para atendimento do design

sustentável?Integração de Processos

VISÃO GERAL

“Conjunto de atividades que incluem a concepção, o dimensionamento e a avaliação de desempenho do processo para obtenção do produto desejado”

(GIPQ / EQ / UFRJ)

Engenharia de Processos

Métodos gerais e sistemáticos para o projeto

de sistemas de produção integrados, desde

processos individuais até complexos industriais,

com ênfase especial no uso eficiente de

energia e na redução de efeitos ao meio

ambiente.


Uma forma sistemática para identificar e corrigir ineficiências em processos

Analisa o processo global e as interações entre suas diferentes etapas no lugar de considerar operações individuais

Leva em conta as restrições econômicas antes do projeto detalhado

Fornece uma análise avançada com software

Complementa as auditorias energéticas convencionais


SÍNTESE DE PROCESSOS

ANÁLISE DE PROCESSOS

OTIMIZAÇÃO DE PROCESSOS

AVALIAÇÃO ECONÔMICA

Matrix Massa-Energia de um processo

Processo

MP

Solventes

Catalisadores

Utilidades

Produtos

Subprodutos

Efluentes

Material “gasto”

Resfriamento/Aquecimento

Força Pressão

Resfriamento/Aquecimento

Força Pressão

MASSA

MASSA

Energia

Energia

INTEGRAÇÃO MÁSSICA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

INTEGRAÇÃO MÁSSICA E ENERGÉTICA

Minimização do uso de água

Otimização no uso de hidrogênio

Abordagem termodinâmica

Abordagem heurística

Abordagem por programação matemática

Síntese de ProcessosSíntese de ProcessosReadaptação

“Retrofit”

Readaptação

“Retrofit”

ADAPTADO DE TECLIM / UFBA (2003)

Integração de Processos e Prevenção da Poluição


Pilares do design de processo sustentável. Fonte: Adaptado de (EL-

HALWAGI, 2012)

Auxilia as indústrias em 4 aspectos interrelacionados…

Tempo de retorno : 6 meses a 3 anos

Potencial de economia: 10 a 40%

Custo de estudo de um IP: R$ 30 mil a R$ 1.000 mil

Benefícios da IP

Reduzir consumo de energia e emissões de gases

Reduzir consumo de água e geração de efluentes

Reduzir perdas de matéria-prima

Aumentar a lucratividade

26

Polpa & Papel, Petróleo & Gás, Petroquímicos, Químicos, Aço & Metalúrgicas, Alimentos e

bebidas são bons candidatos

Quem pode se beneficiar com a IP?

Integração de Processos pode ser usada por empresas que:• Usam grandes quantidades de energia (petróleo,

gás, carvão) Alto Custo de Energia

• Tem uma rede complexa de água e energia• Tem gargalo nos sistemas de tratamento e

utilidades• Tem um alto custo de tratamento de efluentes

Metas da IP

Custo de Investimento

Custo de Energia

Utilização da matéria-prima

Operabilidade(Flexibilidade, Controlabilidade)

Segurança

Emissões

Minimizar Maximizar

INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS e

MINIMIZAÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA e da

GERAÇÃO DE EFLUENTES

1. Reduzir o volume de água

2. Reduzir o volume do efluente

3. Reduzir a quantidade de contaminantes do efluente

Sem fazer mudanças fundamentais no processo!

Objetivos

Redução do Consumo de Água e da Vazão de Efluentes Aquosos Gerados

IP para Conservação de RecursosPara obtenção das redes de conservação de recursos, podemos utilizar diversas estratégias que levam a conservação material, incluindo reuso/reciclo material, substituição de materiais, alteração da reação, e modificação de processos.

Reuso

Reciclo

Regeneração com Reciclo

Regeneração com Reuso

SÍNTESE DE REDES DE TRANSFERÊNCIA DE MASSA

Integração mássica

32

SÍNTESE DE REDES DE TM

Necessita de um PROCEDIMENTO SISTEMÁTICO para a SÍNTESE DA REDE DE ETM (RETM)

PROBLEMA COMBINATORIAL DE ENCONTRAR OS PARES DE CORRENTES E A

SEQUÊNCIA DE EQUIPAMENTOS DE TM (ETM)

MINIMIZAÇÃO DE ÁGUA DE PROCESSO E EFLUENTES AQUOSOS É UM

PROBLEMA TÍPICO DA ENGENHARIA DE PROCESSOS

AP PODE SER ORIGINADA NA PRÓPRIA PLANTA OU FORNECIDA DE FONTE

EXTERNA, COMO ÁGUA PURA

EM PARTICULAR, TRANSFERIR CONTAMINANTES DAS CORRENTES DE

PROCESSO PARA UTILIDADES (ÁGUA DE PROCESSO => AP)

GERAR, DE UMA FORMA SISTEMÁTICA, A RETM COM UM MÍNIMO CUSTO, COM

O OBJETIVO DE TRANSFERIR CONTAMINANTES DE CORRENTES RICAS

NESTAS ESPÉCIES PARA CORRENTES POBRES

33

• CORRENTE DO PROCESSO SE TORNA MENOS CONTAMINADA

• ÁGUA SE TORNA MAIS CONTAMINADA

TROCADOR DE MASSA

PROCESSO

ÁGUA

fp

fA

Cp,OUTCp,IN

CA,INCA,OUT

34

TROCADOR DE MASSA

PROCESSO

ÁGUA

fp

fA

Cp,OUTCp,IN

CA,INCA,OUT

Concentração

Carga Mássica

Água

Processo

CA, OUTCP, OUT

CA, IN

CP, IN

fP

fA

(CP – CA), em uma dada carga mássica, é a força motriz de transferência de massa

A força motriz é dada pela diferença entre a concentração do processo e a da água, para uma determinada carga mássica, ou seja, ela é pontual. O objetivo é minimizar esta força motriz, tal como o ∆Tmin, em analogia à integração energética.

Concentração

Carga mássica

Água

Processo

fP

fAREDUÇÃO DAVAZÃO DE ÁGUA

AUMENTO DACONCENTRAÇÃO DE SAÍDA

(menos água)

C OUT, MAX

REDUÇÃO DA VAZÃO DE ÁGUA

Mínima vazão ou máxima concentração de saída

Inclinação da reta → inverso da vazão

36

• CÁLCULO DA MASSA DE CONTAMINANTES TRANSFERIDA PARA O EFLUENTE AQUOSO

• MASSA DE CONTAMINANTES TRANSFERIDA IGUAL À VAZÃO DA ÁGUA VEZES A VARIAÇÃO DE CONCENTRAÇÃO

m = F * C• UNIDADES:

g / h = ton / h * ppm

BASE DE CÁLCULO

FLUXOGRAMA DO PROCESSO

IDENTIFICAR OS PROCESSOS QUE UTILIZAM ÁGUA

E ESTABELECER O BALANÇO HÍDRICO

ÁGUA PRIMÁRIA

EFLUENTE

EFLUENTE

39

Processo Original

OPERAÇÃO 4

OPERAÇÃO 3

OPERAÇÃO 2

OPERAÇÃO 120 t/h

62,5 t/h

40 t/h

8 t/h

130,5 t/h

0 ppm

Água tratada

D M

20 t/h

62,5 t/h

40 t/h

8 t/h

100 ppm

80 ppm

750 ppm

500 ppm

130,5 t/h

Efluente aquoso

40

OPERAÇÃO 4∆m = 4 kg/h




20 t/h

62,5 t/h

40 t/h

8 t/h

130,5 t/h

0 ppm

Água tratada

D M

20 t/h

62,5 t/h

40 t/h

8 t/h

100 ppm

80 ppm

750 ppm

500 ppm

130,5 t/h

Efluente aquoso

Processo Original Quantidade de massa transferida

Δm = fL . (Cout – Cin)

41





Água tratada

D M

100 ppm

100 ppm

800 ppm

800 ppm

Efluente aquoso

Novas Concentrações de SaídaValores “Máximos”

(100 ppm)

(80 ppm)

(750 ppm)

(500 ppm)

AGORA PERMITA QUE A CONCENTRAÇÃO DE SAÍDA ATINJA O MÁXIMO

42





Água tratada

D M

100 ppm

100 ppm

800 ppm

800 ppm

Efluente aquoso

Novas Concentrações de SaídaNovas Vazões - m

20 t/h

50 t/h

37,5 t/h

5 t/h

112,5 t/h

20 t/h

50 t/h

37,5 t/h

5 t/h

112,5 t/h

SOLUÇÃOΔm = fL . (Cout – Cin)

43

CONCENTRAÇÃO DE SAÍDA MÁXIMA

Mínima força motriz de transferência de massa

Mínima vazão requerida

Limite de corrosão

Limite de deposição

Máxima concentração de entrada para tratamento da corrente

Solubilidade máxima

Resumo Parcial

Processo Consumo Água - 0 ppm (t/h)

Original 130,5

Novas Concentrações de Saída 112,5

m constante

45





Água tratada

M

100 ppm

100 ppm

800 ppm

800 ppm

Efluente aquoso

Novas Concentrações de EntradaValores “Máximos”

0 ppm

50 ppm

50 ppm

400 ppm

Possibilidade de Reúso

46

Resumo

Processos que usam água podem ser

representados em um gráfico de concentração

versus QC

As formas tradicionais para minimização de água,

minimizando a vazão, são limitadas pelo máximo

de concentração de saída

NOVAS CONCENTRAÇÕES DE ENTRADA

Qual a nova vazão de água tratada correspondente?

USO DO DFA

Processos industriais necessitam rever o padrão de consumo hídrico

Preocupação atual com o uso racional dos recursos hídricos

Ausência de uma metodologia que

proponha um mecanismo eficiente

de reutilização de água na indústria

Reúso por inspeção – não garante o máximo aproveitamento do

potencial hídrico no processo (máximo reúso)

Promover o equilíbrio entre consumo hídrico e produção industrial

Diagrama de Fontes de Água (DFA – GOMES et al., 2007 & 2013)

Procedimento algorítmico-heurístico – geração simultânea de fluxogramas alternativos de processo – Reúso, Regeneração e Reciclo de correntes aquosas

Integração

de

Processos

Procedimento para Redução de Vazão de Efluentes Aquosos

Diagrama de Fontes de Água (DFA)

Sistemas Unicomponentes

Máximo Reúso

Diagrama de Fontes de Água (DFA)

• Ferramenta para o desenvolvimento sustentável – minimizar o consumo de água primária e de geração de efluentes Gestão de recursos hídricos.

• Procedimento algorítmico-heurístico • Utiliza conceitos da análise pinch (Wang e Smith, 1994)• Além de máximo reuso, o DFA pode considerar

Restrição de vazão

Múltiplas fontes de águaPerdas inerentes ao processo

Regeneração com reúso

Regeneração com reciclo

• Alcançar o consumo mínimo de água considerando todas as

combinações possíveis entre correntes

UM CONTAMINANTE MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

(GOMES, 2002; GOMES et al., 2007; GOMES et al., 2012)

CIN e COUT Melhor que sejam os máximos

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

Tabela de Oportunidades

(Wang & Smith, 1994)

Exemplo

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

Intervalos de concentração: Limites

DFA – Máximo Reúso

Passo 1

54

0 50 100 400 800

Concentração (ppm)

Fontes internasFonte externa

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

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



Passo 2

Identificar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída

Passo 1

56

20

Vazão limite (t/h)

100

40

10

0 50 100 400 800



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

1

2

3

4

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



Passo 2


Passo 3

Determinação da quantidade transferida por intervalo: m = flim C

Passo 1

Trocador de massa

Operação (k)

Corrente de processo

Corrente de água

Cproc,ik

Cfk Cik

Cproc,fk

Δmk = Gk x (Cproc,ik - Cproc,fk ) = Fk x (Cfk - Cik)

Torna-se menos contaminada!

Torna-se mais contaminada!

58

20

Vazão limite (t/h)

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)

59

20

Vazão limite (t/h)

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)

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



Passo 2


Passo 3

Determinação da quantidade transferida por intervalo: m = flim CPasso 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);

Regra 4: Para as operações que estão presentes em mais de um intervalo que, ao mudar de intervalo, o fluxo deve continuar através da mesma operação até ao seu fim. Essa heurística evita a divisão de operações

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

Passo 1

61

20

Vazão limite (t/h)

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)

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 t/h a 50 ppm (OP1, i=1 → OP1, i=2)

Ұ f t/h a 0 ppm

20 t/h a 100 ppm (OP1)

50 t/h a 100 ppm (OP2)

20 t/h a 100 ppm (OP3, i=2 → OP3, i=3)Ұ f t/h a 0 ppm

40 t/h a 400 ppm (OP3, i=3 → OP3, i=4)50 t/h a 100 ppm (OP2)

Ұ f t/h a 0 ppm

62

20

Vazão limite (t/h)

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

63

20

Vazão limite (t/h)

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

90 90 45,7 45,7 Pinch

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

Legal, mas e se eu quisesse usar somente a Operação 2

como fonte de reúso?

Poderia??

65

20

Vazão limite (t/h)

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

Outra possibilidade de seleção da fonte de reúso

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

24,3 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

20 t/h100 ppm

Outra possibilidade de fluxograma

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

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

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2014 / 2 Colaborador: Flávio S Francisco Prof. Responsável: Carlos Augusto G. Perlingeiro INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS Aula 1 - Integração Mássica EQE-489 –