EQE-489 – Engenharia de Processos INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS Integração Mássica Prof. Responsável: Carlos Augusto G. Perlingeiro Colaborador: Flávio S. Francisco 2013 / 2 27/11/2013

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

Diagrama de Fontes de Água (DFA) Procedimento para Redução da Vazão de Efluentes Aquosos Diagrama de Fontes de Água (DFA) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas para máximo reúso Além de máximo reúso, a análise pode considerar: Restrição de vazão Regeneração com reúso Perdas inerentes ao processo Regeneração com reciclo Múltiplas fontes de água UM CONTAMINANTE MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

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

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

Representar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída DFA – Máximo Reúso Passo 2 Representar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa Vazão limite (t/h) 50 100 400 800 20 1 2 100 3 40 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

DFA – Máximo Reúso Passo 3 Determinação da quantidade de contaminante transferido da corrente de processo para a corrente de água, por intervalo: m = flim C Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa Vazão limite (t/h) 50 100 400 800 (1) (1) 20 1 (5) 2 100 (2) (12) (16) 3 40 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

Determinação do consumo de fontes de água: f = m/Cint DFA – Máximo Reúso Passo 4 Determinação do consumo de fontes de água: f = m/Cint  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)

Δm = fL . (Cout – Cin) f = Δm / (Cout – Cin) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa Vazão limite (t/h) 50 100 400 800 20 (1) 20 (1) 20 1 50 50 (5) 2 100 20 20 (2) 20 (12) 40 (16) 3 40 20 5,7 5,7 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 Fontes disponíveis Ұ f t/h a 0 ppm Priorizar reúso de fonte mais “suja” nas OP’s

Δm = fL . (Cout – Cin) f = Δm / (Cout – Cin) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa Vazão limite (t/h) 50 100 400 800 20 (1) 20 (1) 20 1 50 50 (5) 2 100 20 20 (2) 20 (12) 40 (16) 3 40 20 5,7 5,7 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

Original 130,5 t/h (0 ppm) Reúso DFA 90 t/h (0 ppm) Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa Vazão limite (t/h) 50 100 400 800 20 (1) 20 (1) 20 1 50 50 (5) 2 100 20 20 (2) 20 (12) 40 (16) 3 40 20 5,7 5,7 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 90 90 Pinch 45,7 45,7 Original 130,5 t/h (0 ppm) Reúso DFA 90 t/h (0 ppm)

D 2 4 D M 3 1 44,3 t/h 100 ppm 50 t/h 50 t/h 5,7 t/h 5,7 t/h 0 ppm

Novas Concentrações de Saída 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 UM CONTAMINANTE Máximo reúso Restrição de vazão Múltiplas fontes de água Perdas inerentes ao processo Regeneração com reúso Regeneração com reciclo MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

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

Então devemos minimizar uso de água de maior qualidade 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

Massa de contaminante (kg/h) Voltando aos dados do Exemplo... Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 2 100 20 5 50 3 30 800 40 4 400 10 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?

Massa de contaminante (kg/h) 25 50 100 400 800 20 1 2 100 3 40 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 2 100 20 5 50 3 30 800 40 4 400 10 FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

Massa de contaminante (kg/h) Δ𝑚=𝑓 ∗( 𝐶 𝑓 − 𝐶 𝑖 ) 25 50 100 400 800 (0,5) (0,5) (1) 20 1 (5) 2 100 (2) (12) (16) 3 40 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 2 100 20 5 50 3 30 800 40 4 400 10 FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

Δ𝑚=𝑓 ∗( 𝐶 𝑓 − 𝐶 𝑖 ) 500=𝑓 ∗(25−0) 𝑓=20 𝑡/ℎ Fonte 1 – 0 ppm 25 50 100 25 50 100 400 800 20 (0,5) (0,5) (1) 20 1 (5) 2 100 (2) (12) (16) 3 40 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Fonte 1 – 0 ppm Δ𝑚=𝑓 ∗( 𝐶 𝑓 − 𝐶 𝑖 ) 500=𝑓 ∗(25−0) 𝑓=20 𝑡/ℎ

500=𝑓 ∗(50−25) 𝑓=20 𝑡/ℎ Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) (1) 20 1 (5) 2 100 (2) (12) (16) 3 40 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm Fonte int. OP1 – 25 ppm 500=𝑓 ∗(50−25) 𝑓=20 𝑡/ℎ

1000=𝑓 ∗(100−50) 𝑓=20 𝑡/ℎ Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) 20 (1) 20 1 (5) 2 100 (2) (12) (16) 3 40 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm Fonte int. OP1 – 25 ppm 1000=𝑓 ∗(100−50) 𝑓=20 𝑡/ℎ

5000=𝑓 ∗(100−25) 𝑓=66,7 𝑡/ℎ Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 25 50 100 25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) 20 (1) 20 1 66,7 66,7 (5) 2 100 (2) (12) (16) 3 40 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 5000=𝑓 ∗(100−25) 𝑓=66,7 𝑡/ℎ

2000=𝑓 ∗(100−25) 𝑓=26,7 𝑡/ℎ Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 25 50 100 25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) 20 (1) 20 1 66,7 66,7 (5) 2 100 26,7 26,7 (2) (12) (16) 3 40 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 2000=𝑓 ∗(100−25) 𝑓=26,7 𝑡/ℎ

12000=𝑓 ∗(400−100) 𝑓=40 𝑡/ℎ 𝑓=40 −26,7=13,3 𝑡/ℎ Fonte 1 – 0 ppm 25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) 20 (1) 20 1 66,7 66,7 (5) 2 100 26,7 26,7 (2) 26,7 (12) (16) 3 40 13,3 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm OP 1 – 20 t/h / 100 ppm OP 2 – 66,7 t/h / 100 ppm 12000=𝑓 ∗(400−100) 𝑓=40 𝑡/ℎ 𝑓=40 −26,7=13,3 𝑡/ℎ

16000=𝑓 ∗(800−400) 𝑓=40 𝑡/ℎ Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) 20 (1) 20 1 66,7 66,7 (5) 2 100 26,7 26,7 (2) 26,7 (12) 40 (16) 3 40 13,3 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 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 16000=𝑓 ∗(800−400) 𝑓=40 𝑡/ℎ

4000=𝑓 ∗(800−100) 𝑓=5,7 𝑡/ℎ Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm 25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) 20 (1) 20 1 66,7 66,7 (5) 2 100 26,7 26,7 (2) 26,7 (12) 40 (16) 3 40 13,3 5,7 5,7 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5 Fonte 1 – 0 ppm Fonte 2 – 25 ppm OP 1 – 20 t/h / 100 ppm OP 2 – 53,4 t/h / 100 ppm 4000=𝑓 ∗(800−100) 𝑓=5,7 𝑡/ℎ

1 2 D 4 D M 3 20 t/h 20 t/h 0 ppm 100 ppm 47,7 t/h 100 ppm 66,7 t/h

Possibilidades de Aplicação do DFA UM CONTAMINANTE Máximo reúso Restrição de vazão Múltiplas fontes de água Perdas inerentes ao processo Regeneração com reúso Regeneração com reciclo MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

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

25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) 20 (1) 20 1 66,7 66,7 (5) 2 100 26,7 26,7 (2) 26,7 (12) 40 (16) 3 40 13,3 5,7 5,7 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5

1 D 4 D M 3 2 1 t/h 100 ppm 20 t/h 20 t/h 5,7 t/h 5,7 t/h 0 ppm

Agora é com você!!!

Massa de contaminante (kg/h) Exemplo 2 Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 6 150 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

Massa de contaminante (kg/h) Voltando aos dados do Exemplo 1... Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 2 100 20 5 50 3 30 800 40 4 400 10 Vamos admitir agora que as vazões das operações 1, 2, 3 e 4 sejam fixas

50 100 400 800 20 (1) 20 (1) 20 1 50 50 (5) 2 100 50 20 20 (2) 20 (12) 40 (16) 3 40 20 5,7 5,7 (4) 10 4 4,3 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4

D D M 2 D M 3 1 M D 4 44,3 t/h Reciclo local 100 ppm 50 t/h 100 t/h

Outra possibilidade de seleção da fonte de reúso 50 100 400 800 20 (1) 20 (1) 20 1 50 50 (5) 2 100 50 20 20 (2) 20 (12) 40 (16) 3 40 20 5,7 5,7 (4) 10 4 4,3 4,3 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 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 Outra possibilidade de seleção da fonte de reúso

40 t/h Reciclo local 100 ppm 50 t/h 100 t/h 100 t/h 50 t/h D D M 2 0 ppm 50 ppm 100 ppm 100 ppm 50 t/h 100 ppm 90 t/h 20 t/h 40 t/h 40 t/h D M 3 0 ppm 0 ppm 50 ppm 800 ppm 10 t/h 20 t/h 20 t/h 1 100 ppm 0 ppm 100 ppm 10 t/h 10 t/h 4 100 ppm 500 ppm Para este problema, mesmo com as restrições de vazão, a meta continua sendo 90 t/h

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

Meta e projeto obtidos por outros métodos 111,4 t/h 20 t/h 20 t/h 100 t/h 100 t/h 10 t/h D M 2 D 1 90 t/h 91,4 t/h 80 t/h 28,6 t/h D 4 11,4 t/h D M 10 t/h 40 t/h 61,4 t/h M 111,4 t/h 3 40 t/h Meta e projeto obtidos por outros métodos

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 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!!!

Massa de contaminante (kg/h) Exemplo 2 Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 6 150 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.

E agora... Vamos ao TESTE!!!

E agora... Vamos ao TESTE!!!

Palavras Cruzadas Hummm!

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

Contabilidade das entradas e saídas de água de um sistema (9) (1) R E Ú S O (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8) (1) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente (2) Contabilidade das entradas e saídas de água de um sistema

(9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R I C O (3) (4) (5) (6) (7) (8) (2) Contabilidade das entradas e saídas de água de um sistema (3) Abordagem holística voltada para o projeto e a operação de processos, que leva em conta a unidade dos processos, na visão de sistemas

(9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R I C O (3) I N T E G R A Ç Ã O (4) (5) (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

Tratamento para remoção parcial de contaminantes (9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R I C O (3) I N T E G R A Ç Ã O A N Á L I S E (4) (5) (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

(9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R I C O (3) I N T E G R A Ç Ã O A N Á L I S E (4) (5) R E G E N E R A Ç Ã O (6) (7) (8) (6) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada (5) Tratamento para remoção parcial de contaminantes

(9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R I C O (3) I N T E G R A Ç Ã O A N Á L I S E (4) (5) R E G E N E R A Ç Ã O C O N T A M I N A N T E (6) (7) (8) (6) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada (7) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais

Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...) (9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R I C O (3) I N T E G R A Ç Ã O A N Á L I S E (4) (5) R E G E N E R A Ç Ã O C O N T A M I N A N T E (6) (7) D F A (8) (7) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais (8) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...)

(9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R I C O (3) I N T E G R A Ç Ã O A N Á L I S E (4) (5) R E G E N E R A Ç Ã O C O N T A M I N A N T E (6) (7) D F A (8) C O N C E N T R A Ç Ã O (8) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...)

Acho que não foi tão ruim assim... (9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R I C O (3) I N T E G R A Ç Ã O A N Á L I S E (4) (5) R E G E N E R A Ç Ã O C O N T A M I N A N T E (6) (7) D F A Acho que não foi tão ruim assim... (8) C O N C E N T R A Ç Ã O

reinaldomirre@hotmail.com (9) (1) R E Ú S O (2) B A L A N Ç O H Í D R (3) I N T E G R A Ç Ã O A N Á L I S E (4) (5) R E G E N E R A Ç Ã O C O N T A M I N A N T E (6) (7) D F A (8) C O N C E N T R A Ç Ã O reinaldomirre@hotmail.com