EQE-489 – Engenharia de Processos
INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS
Aula 2 - Integração Mássica
Prof. Responsável:
Carlos Augusto G. Perlingeiro
Colaborador:
Flávio S Francisco
TPQBq/EQ/UFRJ
[email protected]
2014 / 2
20/10/2014
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
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
Procedimento para Minimização de Vazão de
Efluentes Aquosos
Diagrama de Fontes de Água (DFA)
Múltiplas Fontes de Água
5
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
Voltando aos dados do Exemplo 1...
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
Vamos admitir agora que tenhamos duas fontes de água:
FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm
FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm
0
20
25
50
100
400
800
1
100
2
40
3
10
4
i=1
i=3
i=2
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
i=4
i=5
FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm
FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm
8
Δ𝑚 = 𝑓 ∗ (𝐶𝑓 − 𝐶𝑖 )
0
25
50
(0,5)
20
100
(0,5)
400
800
(1)
1
(5)
2
100
(2)
(12)
(16)
3
40
(4)
10
4
i=1
i=3
i=2
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
i=4
i=5
FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm
FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm
9
0
20
25
20
50
(0,5)
100
(0,5)
400
800
(1)
1
(5)
100
2
40
3
(2)
(12)
(16)
(4)
10
4
i=1
i=2
i=3
i=4
i=5
Fonte 1 – 0 ppm
Δ𝑚 = 𝑓 ∗ (𝐶𝑓 − 𝐶𝑖 )
500 = 𝑓 ∗ (25 − 0)
𝑓 = 20 𝑡/ℎ
10
0
20
25
20
(0,5)
50
20
100
(0,5)
400
800
(1)
1
(5)
100
2
40
3
(2)
(12)
(16)
(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
11
0
20
25
20
(0,5)
50
20
(0,5)
100
20
400
800
(1)
1
(5)
100
2
40
3
(2)
(12)
(16)
(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
12
0
20
25
20
(0,5)
50
20
(0,5)
100
20
(1)
66,7
(5)
400
800
1
66,7
100
2
40
3
(2)
(12)
(16)
(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
13
0
20
25
20
(0,5)
50
20
(0,5)
100
20
(1)
66,7
(5)
26,7
(2)
400
800
1
66,7
2
100
26,7
(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
14
0
20
25
20
(0,5)
50
20
(0,5)
100
20
(1)
66,7
(5)
26,7
(2)
400
800
1
66,7
2
100
26,7
3
40
26,7
(12)
(16)
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
15
0
20
25
20
(0,5)
50
20
(0,5)
100
20
(1)
66,7
(5)
26,7
(2)
400
800
1
66,7
2
100
26,7
3
40
26,7
(12)
40
(16)
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
16
0
20
25
20
(0,5)
50
20
(0,5)
100
20
(1)
66,7
(5)
26,7
(2)
400
800
1
66,7
2
100
26,7
3
40
26,7
(12)
40
(16)
5,7
(4)
13,3
5,7
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
17
20 t/h
0 ppm
20 t/h
1
100 ppm
47,7 t/h
100 ppm
66,7 t/h
25 ppm
93,4 t/h
25 ppm
D
66,7 t/h
2
100 ppm
5,7 t/h
D
26,7 t/h
25 ppm
100 ppm
5,7 t/h
4
40 t/h
M
50 ppm
800 ppm
40 t/h
3
800 ppm
E se usássemos o efluente da
operação 1 ao invés da operação
2? Como ficaria?
Humm!
Hummm!
19
0
20
25
20
(0,5)
50
20
(0,5)
100
20
(1)
66,7
(5)
26,7
(2)
400
800
1
66,7
2
100
26,7
3
40
26,7
(12)
40
(16)
5,7
(4)
13,3
5,7
10
4
i=1
i=2
i=3
i=4
i=5
20
1 t/h
100 ppm
20 t/h
0 ppm
93,4 t/h
20 t/h
1
5,7 t/h
D
100 ppm
26,7 t/h
D
25 ppm
40 t/h
M
25 ppm
66,7 t/h
25 ppm
100 ppm
5,7 t/h
4
50 ppm
800 ppm
40 t/h
3
800 ppm
66,7 t/h
2
100 ppm
21
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
FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm
Procedimento para Minimização de Vazão de
Efluentes Aquosos
Diagrama de Fontes de Água (DFA)
Restrição de Vazão
24
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
Voltando aos dados do Exemplo 1...
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
Vamos admitir agora que as vazões das operações 1, 2, 3
e 4 sejam fixas
0
20
50
20
(1)
100
20
(1)
50
(5)
400
800
1
50
2
100
50
20
20
3
40
(2)
20
(12)
40
(16)
5,7
(4)
20
5,7
10
4
4,3
i=1
i=2
i=3
i=4
27
44,3 t/h
100 ppm
Reciclo local
50 t/h
0 ppm
100 t/h
M
100 t/h
2
50 ppm
50 t/h
D
D
100 ppm
100 ppm
50 t/h
100 ppm
90 t/h
20 t/h
D
0 ppm
40 t/h
M
0 ppm
40 t/h
3
50 ppm
800 ppm
5,7 t/h
20 t/h
0 ppm
20 t/h
100 ppm
1
100 ppm
Reciclo local
M
10 t/h
10 t/h
400 ppm
4
4,3 t/h
800 ppm
800 ppm
D
5,7 t/h
800 ppm
0
20
50
20
(1)
100
20
(1)
50
(5)
400
800
1
50
2
100
50
20
20
3
40
(2)
20
(12)
(16)
5,7
(4)
20
5,7
10
4,3
i=1
40
i=2
i=3
4
4,3
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
100 ppm
Reciclo local
50 t/h
0 ppm
100 t/h
M
100 t/h
2
50 ppm
50 t/h
D
D
100 ppm
100 ppm
50 t/h
100 ppm
90 t/h
20 t/h
D
0 ppm
40 t/h
M
0 ppm
50 ppm
40 t/h
3
800 ppm
10 t/h
20 t/h
0 ppm
20 t/h
100 ppm
1
100 ppm
10 t/h
10 t/h
100 ppm
4
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?
111,4 t/h
D
20 t/h
20 t/h
1
M
100 t/h
100 t/h
2
10 t/h
D
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
3
40 t/h
Meta e projeto obtidos por outros métodos
M
111,4 t/h
Mas então o
DFA não
resolve tudo!!!
Diacho!!
Fui enganado!!!
ha ha!!
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
90 t/h
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!!!
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
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