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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 –

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1 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

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 Procedimento para sistemas com múltiplos contaminantes

3 3 O Recurso Água

4 Água: princípio ativo da sustentabilidade ambiental

5 DISTRIBUIÇÃO DAS RESERVAS DE ÁGUA NO PLANETA (Mays, 1996, apud Mierzwa e Hespanhol, 2005) Volume total de água: km 3 Oceanos – 96,50% Água salobra – 0,97% Água doce – 2,53%

6 DISTRIBUIÇÃO DAS RESERVAS DE ÁGUA NO PLANETA (Mays, 1996, apud Mierzwa e Hespanhol, 2005) Volume total de água: km 3 Escassez de reservas Conservação e uso racional Oceanos – 96,50% Água salobra – 0,97% Água doce – 2,53%

7 DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA POR ATIVIDADE (ANA, 2002) Irrigação 62,70% Uso industrial 14% Consumo humano 17,90% Consumo animal 5,40%

8 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)

9 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 % do território brasileiro recebe em média entre e 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

10 E mais... Maior rio Amazonas (AM) km Maior Cachoeira Aracá (AM) 365 m Maior lagoa Patos (RS) km² Maior planície inundável Pantanal 210 mil km²(MT / MS)

11 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) (2) NATIONAL GEOGRAPHIC BRASIL, Abril 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...

12 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

13 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... PROCESSO Água PrimáriaEfluente Regulamentação mais Rigorosa Aumento do Custo

14 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 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 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

17 Existe uma ferramenta que possibilite uma solução rápida para atendimento do design sustentável?

18 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

19 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. Integração de Processos (IP)

20 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 Integração de Processos (IP)

21 SÍNTESE DE PROCESSOS ANÁLISE DE PROCESSOS OTIMIZAÇÃO DE PROCESSOS AVALIAÇÃO ECONÔMICA

22 Matrix Massa-Energia de um processo Processo MP Solventes Catalisadores Utilidades Produtos Subprodutos Efluentes Material “gasto” Resfriamento/ Aquecimento ForçaPressão Resfriamento/ Aquecimento ForçaPressão MASSAMASSA MASSAMASSA Energia

23 INTEGRAÇÃO MÁSSICA INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA INTEGRAÇÃO MÁSSICA E ENERGÉTICA MÁSSICA E ENERGÉTICA Minimização do uso de água Otimização no uso de hidrogênio Abordagem termodinâmica Abordagem heurística Abordagem por programação matemática Síntese de Processos Readaptação “Retrofit” “Retrofit”Readaptação ADAPTADO DE TECLIM / UFBA (2003) Integração de Processos e Prevenção da Poluição

24 Integração de Processos (IP) Pilares do design de processo sustentável. Fonte: Adaptado de (EL- HALWAGI, 2012)

25 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$ 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 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

27 Metas da IP Custo de Investimento Custo de Energia Utilização da matéria-prima Operabilidade (Flexibilidade, Controlabilidade) Segurança Emissões Minimizar Maximizar

28 INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS e MINIMIZAÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA e da GERAÇÃO DE EFLUENTES

29 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

30 IP para Conservação de Recursos Para 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

31 S ÍNTESE DE R EDES DE T RANSFERÊNCIA DE M ASSA Integração mássica

32 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 33 CORRENTE DO PROCESSO SE TORNA MENOS CONTAMINADA ÁGUA SE TORNA MAIS CONTAMINADA TROCADOR DE MASSA PROCESSO ÁGUA fpfp fAfA C p,OUT C p,IN C A,IN C A,OUT

34 34 TROCADOR DE MASSA PROCESSO ÁGUA fpfp fAfA C p,OUT C p,IN C A,IN C A,OUT Concentração CargaMássica Água Processo C A, OUT C P, OUT C A, IN C P, IN f P f A (C P – C A ), 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.

35 Concentração Carga mássica Água Processo f P f A REDUÇÃO DA VAZÃO DE ÁGUA AUMENTO DA CONCENTRAÇÃO 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 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

37 FLUXOGRAMA DO PROCESSO

38 IDENTIFICAR OS PROCESSOS QUE UTILIZAM ÁGUA E ESTABELECER O BALANÇO HÍDRICO ÁGUA PRIMÁRIA EFLUENTE

39 39 Processo Original OPERAÇÃO 4 OPERAÇÃO 3 OPERAÇÃO 2 OPERAÇÃO 1 20 t/h 62,5 t/h 40 t/h 8 t/h 130,5 t/h 0 ppm Água tratada DM 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 40 OPERAÇÃO 4 ∆m = 4 kg/h OPERAÇÃO 3 ∆m = 30 kg/h OPERAÇÃO 2 ∆m = 5 kg/h OPERAÇÃO 1 ∆m = 2 kg/h 20 t/h 62,5 t/h 40 t/h 8 t/h 130,5 t/h 0 ppm Água tratada DM 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 = f L. (C out – C in )

41 41 OPERAÇÃO 4 ∆m = 4 kg/h OPERAÇÃO 3 ∆m = 30 kg/h OPERAÇÃO 2 ∆m = 5 kg/h OPERAÇÃO 1 ∆m = 2 kg/h Água tratada DM 100 ppm 800 ppm Efluente aquoso Novas Concentrações de Saída Valores “Máximos” (100 ppm) (80 ppm) (750 ppm) (500 ppm) AGORA PERMITA QUE A CONCENTRAÇÃO DE SAÍDA ATINJA O MÁXIMO

42 42 OPERAÇÃO 4 ∆m = 4 kg/h OPERAÇÃO 3 ∆m = 30 kg/h OPERAÇÃO 2 ∆m = 5 kg/h OPERAÇÃO 1 ∆m = 2 kg/h Água tratada DM 100 ppm 800 ppm Efluente aquoso Novas Concentrações de Saída Novas 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 SOLUÇÃO Δm = f L. (C out – C in )

43 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

44 Resumo Parcial ProcessoConsumo Água - 0 ppm (t/h) Original130,5 Novas Concentrações de Saída112,5  m constante

45 45 OPERAÇÃO 4 ∆m = 4 kg/h OPERAÇÃO 3 ∆m = 30 kg/h OPERAÇÃO 2 ∆m = 5 kg/h OPERAÇÃO 1 ∆m = 2 kg/h Água tratada M 100 ppm 800 ppm Efluente aquoso Novas Concentrações de Entrada Valores “Máximos” 0 ppm 50 ppm 400 ppm Possibilidade de Reúso

46 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

47 1 C OUT,MAX 2 C IN,MAX Δm = f. (C OUT,MAX – C IN,MAX ) Quando permitimos que a concentração de entrada em uma operação seja a máxima, isto significa que estamos permitindo um desejável reúso com água mais “suja”. Com C IN,MAX, ∆C ↓ e f ↑; porém, esta vazão corresponde à de água mais “suja” (C IN,MAX ) para o reúso

48 NOVAS CONCENTRAÇÕES DE ENTRADA Qual a nova vazão de água tratada correspondente? USO DO DFA

49 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

50 Procedimento para Redução de Vazão de Efluentes Aquosos Diagrama de Fontes de Água (DFA) Sistemas Unicomponentes Máximo Reúso

51 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 água Perdas inerentes ao processo Regeneração com reúso Regeneração com reciclo Alcançar o consumo mínimo de água considerando todas as combinações possíveis entre correntes UM CONTAMINANTEMÚLTIPLOS CONTAMINANTES ( GOMES, 2002; GOMES et al., 2007; GOMES et al., 2012)

52 C IN e C OUT  Melhor que sejam os máximos OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) Tabela de Oportunidades (Wang & Smith, 1994) Exemplo

53 C’ = C’(fea) U C’(fia) = C’ = {0, 50, 100, 400, 800} Intervalos de concentração: Limites DFA – Máximo Reúso Passo 1

54 Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

55 C’ = C’(fea) U C’(fia) = C’ = {0, 50, 100, 400, 800} Intervalos de concentração: Limites DFA – Máximo Reúso Passo 2 Identificar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída Passo 1

56 56 20 Vazão limite (t/h) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i =

57 C’ = C’(fea) U C’(fia) = C’ = {0, 50, 100, 400, 800} Intervalos de concentração: Limites DFA – Máximo Reúso Passo 2 Identificar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída Passo 3 Determinação da quantidade transferida por intervalo:  m = f lim  C Passo 1 Trocador de massa Operação (k) Corrente de processo Corrente de água C proc,ik C fk C ik C proc,fk Δm k = G k x (C proc,ik - C proc,fk ) = F k x (C fk - C ik ) Torna-se menos contaminada! Torna-se mais contaminada!

58 58 20 Vazão limite (t/h) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i = (1) (5) (2)(12) (4) (16)

59 59 20 Vazão limite (t/h) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa i = 1 i = 2 i = 3 i = (1) (5) (2)(12) (4) (16)

60 C’ = C’(fea) U C’(fia) = C’ = {0, 50, 100, 400, 800} Intervalos de concentração: Limites DFA – Máximo Reúso Passo 2 Identificar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída Passo 3 Determinação da quantidade transferida por intervalo:  m = f lim  C 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);  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/  C  int Passo 1

61 61 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 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 62 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

63 63 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

64 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 Legal, mas e se eu quisesse usar somente a Operação 2 como fonte de reúso? Poderia??

65 65 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 Outra possibilidade de seleção da fonte de reúso

66 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 24,3 t/h 20 t/h 0 ppm 100 ppm 0 ppm 50 ppm 100 ppm 800 ppm 20 t/h 100 ppm Outra possibilidade de fluxograma

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

68 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)

69 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

70 Agora é com você!!!

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


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