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2013 / 2 Colaborador: Flávio S. Francisco Prof. Responsável: Carlos Augusto G. Perlingeiro INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS Integração Mássica EQE-489 – Engenharia.

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1 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

2 Integração de Processos (IP) Redes de Transferência de Massa Diagrama de Fontes de Água (DFA): Uma ferramenta para gestão do reúso de águas na indústria Procedimento para sistemas com um contaminante Restrição de Vazão Máximo reúso Múltiplas fontes

3 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 processo Regeneração com reúso Regeneração com reciclo UM CONTAMINANTEMÚLTIPLOS CONTAMINANTES

4 Diagrama de Fontes de Água (DFA) Máximo Reúso Revisando...

5 C = C(fea) U C(fia) = C = {0, 50, 100, 400, 800} Intervalos de concentração: Limites DFA – Máximo Reúso Passo Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 Exemplo Tabela de Oportunidades (Wang & Smith, 1994) C IN e C OUT Melhor que sejam os máximos

6 DFA – Máximo Reúso Passo 2 Representar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída 20 Vazão limite (t/h) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i =

7 DFA – Máximo Reúso 20 Vazão limite (t/h) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i = (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 = f lim C

8 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/ C int

9 20 Vazão limite (t/h) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i = (1) (5) (2)(12) (4) (16) Δm = f L. (C out – C in )f = Δm / (C out – C in ) ,7 Ұ f t/h a 0 ppm Fontes disponíveis Priorizar reúso de fonte mais suja nas OPs

10 20 Vazão limite (t/h) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i = (1) (5) (2)(12) (4) (16) Δm = f L. (C out – C in )f = Δm / (C out – C in ) ,7

11 20 Vazão limite (t/h) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i = (1) (5) (2)(12) (4) (16) , ,7 Pinch Original Reúso DFA 130,5 t/h (0 ppm) 90 t/h (0 ppm)

12 2 D M D t/h 50 t/h 5,7 t/h 40 t/h 20 t/h 40 t/h 5,7 t/h 44,3 t/h 20 t/h 0 ppm 100 ppm 0 ppm 50 ppm 100 ppm 800 ppm

13 Resumo ProcessoConsumo de Água - 0 ppm (t/h) Original130,5 Novas Concentrações de Saída112,5 Com Reúso90 m constante

14 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 (concs máximas em cada operação)

15 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

16 Diagrama de Fontes de Água (DFA) Múltiplas Fontes de Água

17 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

18 OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) 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

19 Agora é com você!!!

20 Pense um pouco...

21 Mais um pouco...

22 Vamos lá?

23 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

24 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1)

25 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 Fonte 1 – 0 ppm

26 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm Fonte int. OP1 – 25 ppm

27 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm Fonte int. OP1 – 25 ppm

28 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 66,7

29 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 66,7 26,7

30 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm OP 1 – 20 t/h / 100 ppm OP 2 – 66,7 t/h / 100 ppm 66,7 26,7 13,3 26,7

31 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm OP 1 – 20 t/h / 100 ppm OP 2 – 53,4 t/h / 100 ppm OP 3 – 40 t/h / 400 ppm 66,7 26,7 13,3 26,740

32 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm OP 1 – 20 t/h / 100 ppm OP 2 – 53,4 t/h / 100 ppm 66,7 26,7 13,3 26,740 5,7

33 2 D M ,4 t/h 66,7 t/h 40 t/h 5,7 t/h 26,7 t/h 25 ppm 100 ppm 25 ppm 50 ppm 100 ppm800 ppm 5,7 t/h D 1 20 t/h 100 ppm 20 t/h 0 ppm 100 ppm 47,7 t/h

34 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

35 E se usássemos o efluente da operação 1 ao invés da operação 2? Como ficaria? Humm! Hummm!

36 i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 66,7 26,7 13,3 26,740 5,7

37 t/h 5,7 t/h 0 ppm100 ppm 800 ppm 5,7 t/h D 2 66,7 t/h 100 ppm 66,7 t/h 25 ppm 100 ppm 1 t/h D M 3 93,4 t/h40 t/h 26,7 t/h 25 ppm 50 ppm800 ppm

38 Agora é com você!!!

39 Exemplo 2 OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

40 Procedimento para Minimização de Vazão de Efluentes Aquosos Diagrama de Fontes de Água (DFA) Restrição de Vazão

41 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

42 OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) Voltando aos dados do Exemplo 1... Vamos admitir agora que as vazões das operações 1, 2, 3 e 4 sejam fixas

43 i = 1 i = 2 i = 3 i = (1) (5) (2)(12) (4) (16) ,7 4,3 50

44 2 D M D t/h 50 t/h100 t/h 10 t/h 40 t/h 20 t/h 40 t/h 10 t/h 44,3 t/h 20 t/h 0 ppm 100 ppm 0 ppm 50 ppm 100 ppm 800 ppm M 50 t/h 100 ppm 100 t/h 50 ppm 50 t/h D M 5,7 t/h 100 ppm D 5,7 t/h 800 ppm 400 ppm 4,3 t/h 800 ppm Reciclo local

45 Outra possibilidade de seleção da fonte de reúso i = 1 i = 2 i = 3 i = (1) (5) (2)(12) (4) (16) ,7 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

46 2 D M D t/h 50 t/h100 t/h 10 t/h 40 t/h 20 t/h 40 t/h 10 t/h 40 t/h 20 t/h 0 ppm 100 ppm 0 ppm 50 ppm 100 ppm 500 ppm 800 ppm M 50 t/h 100 ppm 100 t/h 50 ppm 50 t/h D 10 t/h 100 ppm Reciclo local Para este problema, mesmo com as restrições de vazão, a meta continua sendo 90 t/h

47 Quer mesmo saber ?!! Por que não? Muito bom, chefe! Mas o que acontece se o reciclo local não for aceitável?

48 Meta e projeto obtidos por outros métodos 1 111,4 t/h20 t/h 2 91,4 t/h 4 3 DMD D M M D 20 t/h 80 t/h 100 t/h 11,4 t/h 100 t/h10 t/h 28,6 t/h 40 t/h 111,4 t/h 61,4 t/h 90 t/h

49 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!

50 Exemplo 1 Reúso90 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

51 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

52 Agora é com você!!!

53 Exemplo 2 OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) 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

54 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, 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), , 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), , 2013.

55

56 Vamos ao TESTE!!! E agora...

57 Vamos ao TESTE!!! E agora...

58 Palavras Cruzadas Hummm!

59 (1) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente (5) (4) (3) (6) (7) (8) (1) (2) (9)

60 (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) OREÚS (3) (6) (7) (8) (2) (5) (4)

61 (2) Contabilidade das entradas e saídas de água de um sistema BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS (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)

62 RÃOÇANETG (3) I BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS (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)

63 I RÃOÇA S NET AÁ G ENL (3) I BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS (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)

64 (6) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada I RÃOÇA S NET AÁ G ENL (3) I BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS (6) (7) (8) GEERNÃEOÇRA (5) Tratamento para remoção parcial de contaminantes (5) (4)

65 G I R A ÃO E Ç ERNÃ A S NET AÁ C G ENL E I O ONMT (3) (6) (7) (8) ÇRA AN I TNE BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS (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)

66 G I R A D ÃO E Ç ERNÃ A S N F ET AÁ C A G ENL E I O ONMT (3) (6) (7) (8) ÇRA AN I TNE BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS (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)

67 G I R A D ÃO E Ç C E AEÇ RN RN Ã A S N T F ET AÁ C A G ENL E I ÃO O N ONMT CO (3) (6) (7) (8) ÇRA AN I TNE BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS (8)Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...) (5) (4)

68 G I R A D ÃO E Ç C E AEÇ RN RN Ã A S N T F ET AÁ C A G ENL E I ÃO O N ONMT CO (3) (6) (7) (8) ÇRA AN I TNE BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS Acho que não foi tão ruim assim... (5) (4)

69 G I R A D ÃO E Ç C E AEÇ RN RN Ã A S N T F ET AÁ C A G ENL E I ÃO O N ONMT CO (3) (6) (7) (8) ÇRA AN I TNE BÍHRALCIODANÇO (1) (2) (9) OREÚS (5) (4)


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