EQE-489 – Engenharia de Processos
INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS
Aula 1 - Integração Mássica
Prof. Responsável:
Carlos Augusto G. Perlingeiro
Colaborador:
Flávio S Francisco
TPQBq/EQ/UFRJ
[email protected]
2014 / 2
20/10/2014
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
Procedimento para sistemas com múltiplos contaminantes
Redes de Transferência de Massa
O Recurso Água
3
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
Oceanos – 96,50%
Água salobra – 0,97%
Água doce – 2,53%
Escassez de reservas
Conservação e uso racional
Consumo humano
17,90%
Irrigação
62,70%
Uso industrial
14%
Consumo animal
5,40%
DISTRIBUIÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA POR ATIVIDADE (ANA, 2002)
Água na Indústria
Matéria-prima
Uso para geração
de energia
Transporte e
assimilação de
contaminantes
Uso como fluido de
aquecimento e/ou
resfriamento
Uso como fluido
auxiliar
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
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
Fonte: NATIONAL GEOGRAPHIC BRASIL, Abril 2011
E mais...
Maior rio
Amazonas (AM)
6.675 km
Aracá (AM)
365 m
Maior planície inundável
Pantanal
(MT / MS)
210 mil km²
Maior lagoa
Patos (RS) 10.144 km²
No entanto...
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
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
Fontes: (1) http://www.maenatureza.org.br/
(2) NATIONAL GEOGRAPHIC BRASIL, Abril 2011
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
No passado...
Água considerada um recurso ilimitado e uma commodity de baixo custo
Mas agora...
Aumento do
Custo
Regulamentação
mais Rigorosa
Água Primária
PROCESSO
Efluente
Taxas pelo uso da água de rios e pelo descarte de efluentes
(Comitês de Bacias Hidrográficas)
Necessidade atual de redução do consumo de água e da geração de efluentes
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
Desenvolvimento Sustentável
• 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!
15
Desenvolvimento Sustentável
• 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.
16
Existe uma ferramenta que possibilite uma
solução rápida para atendimento do design
sustentável?
Engenharia 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)
Integração de Processos (IP)
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)
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
Energia
Resfriamento/
Aquecimento
M
A
S
S
A
Força
Pressão
MP
Produtos
Subprodutos
Solventes
Catalisadores
Processo
Utilidades
Resfriamento
/Aquecimento
Efluentes
Material
“gasto”
Força
Energia
Pressão
M
A
S
S
A
Integração de Processos e Prevenção da Poluição
Síntese de Processos
INTEGRAÇÃO MÁSSICA
Minimização do uso de água
Readaptação
INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
“Retrofit”
INTEGRAÇÃO
MÁSSICA E ENERGÉTICA
Abordagem termodinâmica
Abordagem heurística
Otimização no uso de
hidrogênio
Abordagem por
programação matemática
ADAPTADO DE
TECLIM / UFBA (2003)
Integração de Processos (IP)
Pilares do design de processo sustentável. Fonte: Adaptado de (ELHALWAGI, 2012)
Benefícios da IP
Auxilia as indústrias em 4 aspectos interrelacionados…
Reduzir consumo de energia e emissões de gases
Reduzir consumo de água e geração de efluentes
Reduzir perdas de matéria-prima
Aumentar a lucratividade
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
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
Polpa & Papel, Petróleo & Gás, Petroquímicos,
Químicos, Aço & Metalúrgicas, Alimentos e bebidas são bons candidatos
26
Metas da IP
Minimizar
Custo de Investimento
Custo de Energia
Utilização da matéria-prima
Operabilidade
(Flexibilidade, Controlabilidade)
Segurança
Emissões
Maximizar
INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS
e
MINIMIZAÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA
e da
GERAÇÃO DE EFLUENTES
Redução do Consumo de Água e da Vazão
de Efluentes Aquosos Gerados
Objetivos
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!
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
Regeneração com Reciclo
Reciclo
Regeneração com Reuso
SÍNTESE
DE
REDES DE TRANSFERÊNCIA
Integração mássica
DE
MASSA
SÍNTESE DE REDES DE TM
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
EM PARTICULAR, TRANSFERIR CONTAMINANTES DAS CORRENTES DE
PROCESSO PARA UTILIDADES (ÁGUA DE PROCESSO => AP)
AP PODE SER ORIGINADA NA PRÓPRIA PLANTA OU FORNECIDA DE FONTE
EXTERNA, COMO ÁGUA PURA
MINIMIZAÇÃO DE ÁGUA DE PROCESSO E EFLUENTES AQUOSOS É UM
PROBLEMA TÍPICO DA ENGENHARIA DE PROCESSOS
PROBLEMA COMBINATORIAL DE ENCONTRAR OS PARES DE CORRENTES E A
SEQUÊNCIA DE EQUIPAMENTOS DE TM (ETM)
Necessita de um PROCEDIMENTO SISTEMÁTICO para a SÍNTESE DA
REDE DE ETM (RETM)
32
PROCESSO
fp
Cp,IN
fA
TROCADOR
DE MASSA
CA,OUT
Cp,OUT
ÁGUA
CA,IN
• CORRENTE DO PROCESSO SE TORNA MENOS
CONTAMINADA
• ÁGUA SE TORNA MAIS CONTAMINADA
33
PROCESSO
fp
Cp,IN
fA
TROCADOR
DE MASSA
Cp,OUT
ÁGUA
CA,IN
CA,OUT
Concentração
Processo
CP, IN
fP
CP, OUT
CA, OUT
(CP – CA), em uma dada
carga mássica, é a força
motriz de transferência de
massa
fA
Água
CA, IN
Carga Mássica
A força motriz é dada pela diferença entre a concentração do processo e a da água, para uma determinada carga mássica,
34
ou seja, ela é pontual. O objetivo é minimizar esta força motriz, tal como o ∆Tmin, em analogia à integração energética.
REDUÇÃO DA VAZÃO DE ÁGUA
Concentração
Processo
fP C OUT, MAX
AUMENTO DA
CONCENTRAÇÃO DE SAÍDA
(menos água)
REDUÇÃO DA
VAZÃO DE ÁGUA
fA
Inclinação da reta → inverso da vazão
Água
Carga mássica
Mínima vazão ou máxima concentração de saída
BASE DE CÁLCULO
• 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
36
FLUXOGRAMA DO PROCESSO
IDENTIFICAR OS PROCESSOS QUE UTILIZAM ÁGUA
ÁGUA
PRIMÁRIA
EFLUENTE
EFLUENTE
E ESTABELECER O BALANÇO HÍDRICO
Processo Original
20 t/h
OPERAÇÃO 1
20 t/h
100 ppm
62,5 t/h
Água tratada
130,5 t/h
OPERAÇÃO 2
62,5 t/h
Efluente aquoso
80 ppm
D
M
130,5 t/h
0 ppm
40 t/h
OPERAÇÃO 3
40 t/h
750 ppm
8 t/h
OPERAÇÃO 4
8 t/h
500 ppm
39
Processo Original
Quantidade de massa transferida
Δm = fL . (Cout – Cin)
20 t/h
20 t/h
OPERAÇÃO 1
∆m = 2 kg/h
62,5 t/h
Água tratada
130,5 t/h
100 ppm
62,5 t/h
OPERAÇÃO 2
∆m = 5 kg/h
Efluente aquoso
80 ppm
D
M
130,5 t/h
0 ppm
40 t/h
40 t/h
OPERAÇÃO 3
∆m = 30 kg/h
8 t/h
750 ppm
8 t/h
OPERAÇÃO 4
∆m = 4 kg/h
500 ppm
40
Novas Concentrações de Saída
Valores “Máximos”
AGORA PERMITA QUE A CONCENTRAÇÃO DE SAÍDA ATINJA O MÁXIMO
(100 ppm)
OPERAÇÃO 1
∆m = 2 kg/h
100 ppm
(80 ppm)
OPERAÇÃO 2
∆m = 5 kg/h
Água tratada
Efluente aquoso
100 ppm
D
M
(750 ppm)
OPERAÇÃO 3
∆m = 30 kg/h
800 ppm
(500 ppm)
OPERAÇÃO 4
∆m = 4 kg/h
800 ppm
41
Novas Concentrações de Saída
Novas Vazões - m
SOLUÇÃO
20 t/h
20 t/h
OPERAÇÃO 1
∆m = 2 kg/h
50 t/h
Água tratada
112,5 t/h
Δm = fL . (Cout – Cin)
100 ppm
50 t/h
OPERAÇÃO 2
∆m = 5 kg/h
Efluente aquoso
100 ppm
D
M
37,5 t/h
112,5 t/h
37,5 t/h
OPERAÇÃO 3
∆m = 30 kg/h
5 t/h
800 ppm
5 t/h
OPERAÇÃO 4
∆m = 4 kg/h
800 ppm
42
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
43
Resumo Parcial
Processo
Consumo Água - 0 ppm
(t/h)
Original
130,5
Novas Concentrações de Saída
112,5
m constante
Novas Concentrações de Entrada
Valores “Máximos”
0 ppm
OPERAÇÃO 1
∆m = 2 kg/h
100 ppm
OPERAÇÃO 2
∆m = 5 kg/h
100 ppm
50 ppm
Água tratada
Efluente aquoso
M
50 ppm
OPERAÇÃO 3
∆m = 30 kg/h
800 ppm
OPERAÇÃO 4
∆m = 4 kg/h
800 ppm
400 ppm
Possibilidade de Reúso
45
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
46
NOVAS CONCENTRAÇÕES DE ENTRADA
Qual a nova vazão de água tratada correspondente?
USO DO DFA
Preocupação atual com o uso racional dos recursos hídricos
Processos industriais necessitam rever o padrão de consumo hídrico
Promover o equilíbrio
entre consumo hídrico
e produção industrial
Integração
de
Processos
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)
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
Procedimento para Redução de Vazão de Efluentes Aquosos
Diagrama de Fontes de Água (DFA)
Sistemas Unicomponentes
Máximo Reúso
Diagrama
de
Fontes
de
Água
(DFA)
(
GOMES, 2002; GOMES et al., 2007; GOMES et al., 2012)
• 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
Perdas inerentes ao processo
Regeneração com reciclo
Múltiplas fontes de água
UM CONTAMINANTE
•
Regeneração com reúso
MÚLTIPLOS CONTAMINANTES
Alcançar o consumo mínimo de água considerando todas as
combinações possíveis entre correntes
Exemplo
Tabela de Oportunidades
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
(Wang & Smith, 1994)
CIN e COUT  Melhor que sejam os máximos
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
0
50
i=1
100
i=2
400
i=3
800
i=4
54
DFA – Máximo Reúso
Passo 1
Intervalos de concentração: Limites
C’ = C’(fea) U C’(fia) = C’ = {0, 50, 100, 400, 800}
Passo 2
Identificar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída
Concentração (ppm)
Fontes internas
Fonte externa
Vazão limite (t/h)
0
20
50
100
400
800
1
100
2
40
3
10
4
i=1
i=2
i=3
i=4
56
DFA – Máximo Reúso
Passo 1
Intervalos de concentração: Limites
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 3
Determinação da quantidade transferida por intervalo:
Cproc,ik
Cfk
Torna-se mais
contaminada!
Cproc,fk
Trocador de
massa
Operação (k)
Cik
Corrente de
processo
Corrente de
água
Δmk = Gk x (Cproc,ik - Cproc,fk ) = Fk x (Cfk - Cik)
m = flim C
Torna-se menos
contaminada!
Concentração (ppm)
Fontes internas
Fonte externa
Vazão limite (t/h)
0
20
50
100
(1)
400
800
(1)
1
(5)
2
100
(2)
(12)
(16)
3
40
(4)
10
4
i=1
i=2
i=3
i=4
58
Concentração (ppm)
Fontes internas
Fonte externa
Vazão limite (t/h)
0
20
50
100
(1)
400
800
(1)
1
(5)
2
100
(2)
(12)
(16)
3
40
(4)
10
4
i=1
i=2
i=3
i=4
59
DFA – Máximo Reúso
Passo 1
Intervalos de concentração: Limites
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 3
Determinação da quantidade transferida por intervalo: m = flim C
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);
 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
Δm = fL . (Cout – Cin)
f = Δm / (Cout – Cin)
Concentração (ppm)
Fontes internas
Fonte externa
Vazão limite (t/h)
0
20
50
20
(1)
100
20
(1)
50
(5)
20
(2)
400
1
50
2
100
20
3
40
20
(12)
5,7
(16)
5,7
(4)
4
i=1
Priorizar reúso de fonte
mais “suja” nas OP’s
40
20
10
Fontes
disponíveis
800
i=2
i=3
i=4
Ұ f t/h a 0 ppm
20 t/h a 50 ppm
40 t/h a 400 ppm
20 t/h a 100 ppm (OP1)
(OP1, i=1 → OP1, i=2)
(OP3, i=3 → OP3, i=4)
50 t/h a 100 ppm (OP2)
50 t/h a 100 ppm (OP2)
Ұ f t/h a 0 ppm
20 t/h a 100 ppm
Ұ f t/h a 0 ppm
(OP3, i=2 → OP3, i=3)
Ұ f t/h a 0 ppm
61
Δm = fL . (Cout – Cin)
f = Δm / (Cout – Cin)
Concentração (ppm)
Fontes internas
Fonte externa
Vazão limite (t/h)
0
20
50
20
(1)
100
20
(1)
50
(5)
20
(2)
400
800
1
50
2
100
20
3
40
20
(12)
40
(16)
5,7
(4)
20
5,7
10
4
i=1
i=2
i=3
i=4
62
Concentração (ppm)
Fontes internas
Fonte externa
Vazão limite (t/h)
0
20
50
20
(1)
100
20
(1)
50
(5)
20
(2)
400
800
1
50
2
100
20
3
40
20
(12)
40
(16)
5,7
(4)
20
5,7
10
4
i=1
90
i=2
90
Pinch
i=3
i=4
45,7
45,7
63
44,3 t/h
100 ppm
50 t/h
0 ppm
90 t/h
50 t/h
2
D
100 ppm
100 ppm
20 t/h
D
0 ppm
0 ppm
M
20 t/h
1
Legal, mas e se eu quisesse
usar somente a Operação 2
como fonte de reúso?
Poderia??
5,7 t/h
4
40 t/h
0 ppm
20 t/h
5,7 t/h
100 ppm
50 ppm
800 ppm
40 t/h
3
800 ppm
Δm = fL . (Cout – Cin)
f = Δm / (Cout – Cin)
Concentração (ppm)
Fontes internas
Fonte externa
Vazão limite (t/h)
0
20
50
20
(1)
100
20
(1)
50
(5)
20
(2)
400
800
1
50
2
100
20
3
40
20
(12)
40
(16)
5,7
(4)
20
5,7
10
4
i=1
i=2
i=3
i=4
Outra possibilidade de seleção da fonte de reúso
65
24,3 t/h
100 ppm
50 t/h
0 ppm
50 t/h
2
D
100 ppm
5,7 t/h
100 ppm
5,7 t/h
4
800 ppm
20 t/h
100 ppm
90 t/h
20 t/h
D
0 ppm
40 t/h
M
0 ppm
20 t/h
0 ppm
40 t/h
3
50 ppm
800 ppm
20 t/h
1
100 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
UM CONTAMINANTE
Máximo reúso
Restrição de vazão
Múltiplas fontes de água
Perdas inerentes ao processo
Regeneração com reúso
Regeneração com reciclo
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