Valências Ambientais em Engenharia Química:
A Engenharia de Processos Químicos ao Serviço
de um Ambiente Antropocêntrico de Qualidade
Clemente Pedro Nunes
Professor Catedrático do IST/DEQB
Gestor de empresas
IST/Engenharia do Ambiente
8/Abril/2011
1
Índice de Matérias
1.
Conceitos introdutórios e algumas reflexões fundamentais
2.
A importância estratégica da Engenharia dos Processos
Químicos e Biológicos para a prevenção e resolução de
problemas ambientais
2.1 - Os meios analíticos necessários para o conhecimento
cientificamente rigoroso das situações existentes.
2.2 - A lógica processual da “valorização” dos diferentes produtos
num quadro estratégico “antropocêntrico”.
2.3 - O conceito alargado da estratégia de optimização integrada
de processos químicos e biológicos e a optimização
ambiental.
2.4 - Os equipamentos e processos químicos que visam o
tratamento, remediação e eventual reutilização de efluentes
e resíduos.
2
3.
Alguns exemplos de tecnologias de processos químicos de
grande importância e actualidade ambiental:
3.1 - A Integração Energética de Processos (Pinch Technology), a
optimização do consumo de energia e a consequente
redução das emissões de CO2.
3.2 - A optimização dos circuitos de utilização de água (Water
Pinch e MEN), incluindo processos de regeneração,
tratamento, e eventual reutilização de efluentes aquosos.
3.3 - A produção e utilização optimizada de Biocombustíveis: a
Biomassa, o Biodiesel e o Bioetanol.
3.4 - As questões tecnológicas ligadas à separação, captura e
sequestro de CO2: um desafio para a engenharia de
processos químicos.
4.
Conclusões e Desafios
3
1 – Conceitos Introdutórios e algumas Reflexões
Fundamentais
•
Ambiente antropocêntrico
O Homem como referência central do
desenvolvimento económico ambientalmente
sustentável
•
Engenharia dos Processos Químicos e Biológicos
“Os Processos Químicos e Biológicos são uma
sequência estrategicamente optimizada de
transformações físicas, químicas e/ou biológicas
que visam obter duma forma economicamente
competitiva e ambientalmente sustentável um
determinado produto final a partir duma
“matéria-prima” ou produto inicial”
4
2 – A importância estratégica da Engenharia dos
Processos Químicos e Biológicos para a
prevenção e resolução de problemas ambientais
2.1 - Os meios analíticos necessários, em termos
químicos e biológicos, para o conhecimento
cientificamente rigoroso das situações existentes
•
A legislação aplicável;
•
Os métodos e equipamentos de análise;
•
Os procedimentos analíticos e as normas para recolha
de amostras estatisticamente relevantes;
•
Os resultados analíticos;
•
A interpretação estratégica dos resultados obtidos em
termos das medidas processais a tomar.
5
2.2 - A lógica processual da “valorização” dos
diferentes produtos num quadro estratégico
“antropocêntrico”
•
Os produtos são “úteis” quando se inserem numa
“lógica”, ou seja, num quadro estratégico processual
em que permitem criar “valor” para o Homem.
•
Exemplo: Um monte de estrume numa sala de aula é
um insulto à dignidade académica porque prejudica os
professores, os alunos e a salubridade ambiente.
Todavia, esse mesmo monte de estrume, num
canteiro de jardim do IST, é uma forma de fazer
florescer a vida académica e a qualidade de vida de
alunos e professores.
Ou seja, o monte de estrume no canteiro do jardim
tem uma “lógica estratégica antropocêntrica”, mas no
chão da sala de aula não tem.
6
2.2 - (Continuação)
•
O objectivo dos engenheiros de processo é o de,
quando necessário, darem uma “lógica
antropocêntrica” a produtos “desenquadrados”,
desenvolvendo lógicas processuais em que esses
produtos possam “acrescentar valor”.
•
Como dizia Lavoisier: “nada se perde tudo se
transforma”, pelo que as transformações têm que ser
as adequadas tanto em termos tecnológicos, como
económicos e ambientais, para que o novo processo
possa “criar valor” no enquadramento existente.
7
2.3 – O conceito alargado da estratégia de optimização
integrada de processos químicos e biológicos e a
optimização ambiental
Nos últimos 40 anos, o conceito de estratégia de
processos químicos e biológicos foi-se alargando
progressivamente de forma a incluir todos os “inputs” no
processo, bem como todos os subprodutos e efluentes a
jusante.
Ou seja, o moderno conceito de integração de processos,
que surgiu a partir do início da década de oitenta do
século XX, passou a incluir progressivamente a
optimização dos consumos energéticos, do consumo de
água, bem como de todas as adaptações internas ao
processo que impliquem com a quantidade ou qualidade
dos efluentes produzidos.
8
2.3 – (Continuação)
Assim, uma operação unitária de separação, ou um
reactor, têm que ser projectados tendo em atenção todos
os subprodutos, ou mesmo as purgas que se revelem
necessárias, optimizando-se desde logo e à partida todos
os constrangimentos eventualmente existentes de forma
a obter-se um processo o mais competitivo possível em
termos tecnológicos e económicos, mas respeitando o
quadro da legislação ambiental existente.
A “sabedoria” dum novo processo é valorizar as
purificações tornadas necessárias, por exemplo
valorizando economicamente “contaminantes” que
anteriormente iam para o esgoto, mas que devidamente
separados e/ou transformados podem ter um valor
processual positivo.
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2.4 – Os equipamentos de processos químicos que
visam o tratamento, remediação e eventual
reutilização de efluentes e resíduos
Os efluentes produzidos, mesmo após as optimizações
processuais, bem como os resíduos/efluentes de outras
actividades, como domésticas, de comércio/serviços e de
transporte, são tratadas por processos e equipamentos
de engenharia química.
Unidades de crivagem, filtração, decantação, fermentação
e compostagem de resíduos são todos equipamentos de
processos de engenharia química e biológica.
 Por isso, unidades como ETARs (Estações de
Tratamento de Águas Residuais) e estações de
tratamento de resíduos urbanos são unidades de
processos químicos e biológicos, conceptualmente iguais
a qualquer outro, tendo por isso que se definir à partida
quais as características e utilização dos produtos finais a
obter.
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3 – Alguns Exemplos de Tecnologias de Processos
Químicos de grande importância e actualidade
ambiental
3.1 – A Integração Energética de Processos (Pinch
Technology), a optimização do consumo de energia
e a consequente redução das emissões de CO2
11
O que é a Integração de Processos (IP) ?
• A Integração de Processos visa aproveitar, da melhor forma
possível, o balanço de energia existente no próprio processo, de
forma a optimizar a utilização das utilidades exteriores (quentes e
frias);
• Baseia-se em princípios científicos elementares, permitindo a
optimização energética de um processo industrial, bem como
melhorar a sua eficiência ambiental, através da recirculação mais
adequada de sub-produtos e efluentes;
• Permite analisar quer processos de elevada complexidade, quer
unidades de pequenas dimensões, a funcionarem em regime
contínuo ou descontínuo;
• É possível aplicar esta tecnologia à generalidade das indústrias,
em sectores tão distintos como o têxtil e o agro-alimentar;
• Após a sua aplicação, verificam-se reduções substanciais no
investimento de processos em fase de projecto. Esta tecnologia
torna-se também bastante importante na reconversão de
unidades já instaladas.
12
Alguns Conceitos Básicos:
• Corrente Fria:
Corrente processual cuja temperatura necessita de
aumentar e/ou onde ocorre uma mudança de estado por
absorção de calor.
• Corrente Quente:
Corrente processual cuja temperatura necessita de diminuir
e/ou onde ocorre uma mudança de estado com libertação
de calor.
• Utilidades Externas:
Fluidos exteriores ao processo que permutam directamente
com as correntes do processo de forma a fornecer-lhes ou
retirar-lhes entalpia. Podem ser quentes (vapor de água,
fluidos quentes, efluentes gasosos, gases de combustão,
etc.) ou frias (água de refrigeração, ar atmosférico, ou
outro tipo de fluido de arrefecimento).
13
Considere-se o seguinte processo (Exemplo 1):
210ºC
160ºC
Corrente fria
UQ
Recirculação
2 500 kW
Compressor
130ºC
Condensador
Alimentação
do Reactor
Efluente Reaccional
210ºC
UQ
UF
Reactor
210ºC
50ºC
Coluna de Destilação
Corrente quente
Corrente fria
270ºC
3 200 kW
160ºC
1 980 kW
Corrente quente
N.º permutadores de calor:
Consumo energético:
4
11 200 kW
Vaporizador
Produto
Final
220ºC
UF
220ºC
60ºC
3 520 kW
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• É essencial identificar correctamente as
necessidades de aquecimento, arrefecimento,
condensação e vaporização das correntes do
processo.
Operação A
Ti
?
Tf
Operação B
Ti > Tf
=>
Arrefecimento
Ti < Tf
=>
Aquecimento
Ti = Tf
=>
Condensação ou Vaporização
15
• Dados necessários para caracterizar as correntes do
processo e utilidades exteriores disponíveis:
–
–
–
–
–
–
–
Ti
Tf
M
Cp
MCp
∆HVap.
h
Temperatura inicial;
Temperatura final pretendida;
Caudal mássico;
Calor específico médio;
Capacidade calorífica média (= M x Cp);
Entalpia de vaporização se ocorrer mudança de fase;
Coeficiente de transferência de calor.
Nota:
O valor de Cp geralmente varia com a temperatura. É essencial
saber em que zonas se pode considerar constante.
Se Cp não for constante, consideram-se pequenos intervalos nos
quais o seu valor se pode considerar independente da
temperatura.
16
Curvas Compostas
• Estas curvas são representações das correntes num
diagrama Temperatura / Entalpia.
• Permitem avaliar as necessidades entálpicas do conjunto
das correntes do processo. Isto é, determinar:
– Quantidade de energia máxima que é possível recuperar por
transferência de calor entre as correntes do processo;
– Quantidade mínima de calor exterior a fornecer ao processo
através de uma utilidade quente: QUtil. Quente;
– Quantidade mínima de calor a retirar do processo, através de
uma utilidade fria: QUtil. Fria.
• Na sua construção assume-se que o valor de MCp é
constante.
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Construção da Curva Composta Quente / Fria do
processo:
1. Divide-se o eixo das temperaturas em intervalos, que são
definidos pelas temperaturas de entrada e saída das
correntes;
2. Em cada um desses intervalos as correntes Quentes / Frias
do processo são combinadas considerando:
•
3.
MCp em cada intervalo é igual à soma dos MCp
individuais das correntes Quentes / Frias existentes
nesse intervalo;
Representa-se no diagrama Temperatura / Entalpia, os
valores de entalpia determinados pelo produto do
somatório dos MCp pela diferença de temperatura em cada
intervalo.
18
MCp = 18 kW/ºC
270
240
Curva Composta Quente
210
180
T (ºC)
• Correntes
quentes
e
Curva Composta Quente
do processo referido no
Exemplo 1.
MCp = 40 kW/ºC
150
120
90
60 MCp = 22 kW/ºC
30
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
∆H (kW)
210
MCp = 70 kW/ºC
180
T (ºC)
• Correntes frias e Curva
Composta
Fria
do
processo referido no
Exemplo 1.
150
120
Curva Composta Fria
90
MCp = 20 kW/ºC
60
30
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
∆H (kW)
19
• Representando a Curva Composta Quente e Fria no mesmo
diagrama Temperatura / Entalpia verifica-se que:
– Se aproximam mais entre si para um determinado intervalo de
temperaturas, designado por ∆Tmin;
– As duas curvas podem ser aproximadas uma da outra, por
translação horizontal da CCF, i.e., diminuindo o valor de ∆Tmin;
– Fixando o valor de ∆Tmin, ou a posição relativa das curvas, é
possível determinar a quantidade mínima de utilidades
exteriores: QUtil. Quente e QUtil. Fria.
300
QUtil. Quente=1000 kW
Para o processo
referido no
Exemplo 1
Temperatura (ºC)
250
200
150
∆Tmin= 20ºC
100
50
QUtil. Fria=800 kW
0
0
1000
2000
3000
4000
Entalpia (kW)
5000
6000
7000
20
QUtil. Quente
Temperatura (ºC)
Ponto de
Estrangulamento
Absorvedora de Calor
QUtil. Fria
Na Zona Acima do PE:
• As
correntes
quentes
transferem todo o calor
disponível para aquecer
as correntes frias do
processo;
• É necessário recorrer a
energia
do
exterior,
através
da
utilidade
quente, para satisfazer as
necessidades
residuais
das correntes frias.
Fonte de Calor
Entalpia (kW)
Zona Absorvedora
de Calor
Na Zona Abaixo do PE:
• Todas as correntes frias são aquecidas por transferência de calor com as
correntes quentes do processo;
• É necessário retirar energia do sistema, através da utilidade fria.
Zona Fonte de Calor
21
Processo (Exemplo 1) após aplicação da
Integração de Processos:
190ºC
177,6ºC
160ºC
Compressor
235,6ºC
130ºC
210ºC
180ºC
Reactor
210ºC
160ºC
270ºC
160ºC
Coluna de Destilação
Condensador
Vaporizador
60ºC
80ºC
180ºC
220ºC
220ºC
Produto Final
50ºC
Alimentação
do Reactor
N.º permutadores de calor:
7
Consumo energético: 1800 kW
Redução Custos Totais:  50%
22
3.2 – A optimização dos circuitos de utilização de água
(water pinch e MEN), incluindo processos de
regeneração, tratamento, e eventual reutilização de
efluentes aquosos
•A água é um recurso natural muito importante e a sua utilização
é regulada por políticas ambientais muito apertadas e pelos
custos crescentes da água fresca e do tratamento dos efluentes
aquosos.
•Uma forma de se reduzir o consumo de água e a produção de
efluentes aquosos consiste na modificação da estrutura dos
processos industriais ou dos respectivos equipamentos.
•A necessidade de optimizar as redes de consumo de água e a
evolução dos conceitos de integração de processos, que ocorreu
nas últimas décadas, permitiu o estabelecimento de
metodologias e estratégias alternativas que permitem a redução
do consumo de água fresca e da produção de efluentes aquosos.
23
Estratégias para reduzir o consumo de água fresca e a
produção de efluentes aquosos aquando da aplicação
da Integração de Processos
Reutilização
Reutilização com
Regeneração
Água Fresca
Água Fresca
Operação 1
Operação 1
Operação 2
Regeneração
Reciclagem com
Regeneração
Água Fresca
Operação 1
Regeneração
Operação 2
Para processos mais complexos existe a necessidade de se combinar a reciclagem com a
reutilização. Esta estratégia chama-se Reciclagem e Reutilização com Regeneração.
Exemplo:
Água Fresca
Operação 1
Operação 2
Reutilização
Regeneração
Operação 3
Reciclagem com
regeneração
24
Efluente
Mass pinch e redes de transferência de massa (MEN)
As estratégias apresentadas no slide anterior devem ser analisadas
e avaliadas em duas fases:
•Fase de targeting
 Utiliza algoritmos baseados na análise pinch para obter o
consumo mínimo de água fresca e a produção mínima de
efluentes.
 A análise de mass pinch é análoga à utilizada para transferência
de calor.
 No caso específico da determinação do consumo mínimo de
água, esta análise também se pode chamar water pinch.
•Fase de design
 Utiliza os valores das metas estabelecidas na fase de targeting
para efectuar o design de redes de transferência de massa (MEN,
Mass Exchange Networks) optimizadas.
25
Programa AquoMin
• O trabalho do Grupo de Integração
de Processos do CPQ do DEQB/IST
na área da minimização do consumo
de água e da produção de efluentes
levou ao desenvolvimento do
software AquoMin.
• De acordo com o programa AquoMin, numa operação, por exemplo
de extracção líquido-líquido, existe a necessidade de transferir
massa de um componente (contaminante) de uma corrente rica
para uma corrente pobre nesse componente:
Cfinal
(processo)
 dCe
Ce
(água)
Operação
Cinicial(processo)
X
 dCs
Cs
(água)
Δm = Q x ΔC
Δm = Quantidade de massa a transferir
Q = Caudal
ΔC = diferença de concentração (Cfinal-Cinicial)
26
Exemplo de Aplicação do programa AquoMin
• Dados iniciais do problema
com os valores limite de
caudal e concentração
para cada operação
•Rede de transferência
de massa (MEN) sem
reutilização
Permite determinar o
valor mínimo necessário
de água fresca para
satisfazer todas as
operações.
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• Para a reutilização de água, o AquoMin
decompõe a fase de targeting em três
ferramentas diferentes:
 Cascata de
Transferência de Massa;
 Diagrama de Fontes de
Água;
 Curva Composta
Limite.
•Rede de transferência de
massa (MEN) com reutilização:
MEN optimizada
Permite minimizar a quantidade de
água fresca necessária
28
3.3 – A produção e utilização optimizada de
Biocombustíveis: a Biomassa, o Biodiesel e o
Bioetanol
a) A utilização optimizada de Biomassa
Em Portugal, a produção e utilização optimizada de Biomassa
Florestal reverte-se de grande importância tanto económica,
como energética e ambiental.
Dada a elevada percentagem do território de Portugal Continental
ocupada por florestas, nomeadamente de pinheiros e eucalipto, é
muito importante conseguir-se a viabilização da utilização
energética da biomassa proveniente da limpeza dos pinhais, bem
como do desbaste dos troncos suplementares dos eucaliptos
nascidos após o primeiro corte.
De facto, a optimização de tecnologias de queima destes resíduos
florestais permitirá a produção de electricidade e calor em
unidades de cogeração, substituindo assim combustíveis fósseis,
…
29
…
actualmente importados com graves consequências para a
Balança de Transacções Correntes de Portugal.
•
Esse aproveitamento energético de subprodutos florestais
permitirá também, duma forma virtuosa e auto-sustentada, o
combate eficaz aos incêndios florestais, criando além disso
preciosos empregos em vastas regiões do país que
actualmente enfrentam uma perigosa desertificação humana
e económica.
• Note-se que a Engenharia Química, através das Tecnologias
de Integração de Processos, bem como do aperfeiçoamento
tecnológico da queima destes tipos de combustíveis em
caldeiras, terá aqui um impacto ambiental muito significativo
não só pela redução da destruição provocada pelos fogos
florestais, como também pelo efeito da redução das emissões
líquidas de CO2.
30
b) O Biodiesel
O biodiesel, ou seja, os ésteres de origem vegetal com
características semelhantes ao gasóleo e utilizado como
combustível especialmente em veículos de transporte com motor
a diesel, é obtido por um processo químico que tem como
matérias-primas originais diversos tipos de sementes
oleaginosas.
A etapa principal deste processo inclui normalmente uma reacção
de “transesterificação” em que o óleo vegetal é feito reagir com
uma base forte, tal como o hidróxido de sódio.
O biodiesel é assim uma forma de energia renovável, dado que
os respectivos átomos de carbono provêm da “decomposição” do
CO2 da atmosfera por acção da fotossíntese .
É assim uma forma de se obter uma fonte de energia, reduzindo
significativamente a emissão “líquida” de CO2 para a atmosfera,
se a compararmos com o uso de gasóleo proveniente do petróleo.
31
c) O Bioetanol
O bioetanol é um biocombustível obtido normalmente por
processos bioquímicos, dado que o etanol provem da
fermentação, ou reacção enzimática, de compostos químicos
renováveis, como os amidos e os açúcares.
Embora hoje exista um grande número de processos industriais
aplicáveis para o efeito, os mais competitivos, tanto sob o ponto
de vista económico como ambiental, são os que incluem não só a
integração de processos como também a valorização energética
dos resíduos de matérias-primas tais como as palhas dos cereais,
a biomassa residual da cana do açúcar e ainda os subprodutos
do próprio processo fermentativo.
32
3.4 – As questões tecnológicas ligadas à separação,
captura e sequestro / armazenagem do CO2: um
desafio para a engenharia de processos
A crescente evidência científica de que o aumento do teor de
CO2 na atmosfera, com origem sobretudo na utilização
humana dos combustíveis fósseis, está a fazer aumentar a
temperatura da atmosfera terrestre, tem dado origem nos
últimos anos ao estudo de processos químicos que permitam
separar o CO2 dos restantes efluentes gasosos provenientes
das centrais termoeléctricas e de outros processos
industriais, de transporte ou agrícolas.
A grande questão é que, ao contrário da separação de SO2
para a qual foi possível desenvolver operações unitárias
bastante eficazes e relativamente económicas, para o CO2 a
respectiva separação é bastante cara e nem sempre
globalmente sustentável mesmo sob o ponto de vista
ambiental.
33
Vejamos muito sucintamente alguns destes processos de
separação de CO2, a partir dos efluentes gasosos de unidades
termoeléctricos e de transporte:
a) Absorção física
Utiliza solventes que absorvem selectivamente o CO2. Tal é o
caso, por exemplo, do processo Rectisol que utiliza metanol como
solvente. Só que as temperaturas muito baixas da operação
(inferior a -50ºC) torna o processo muito caro e praticamente
inviável para as quantidades de CO2 envolvidas.
b) Absorção química
Exige um arrefecimento prévio da corrente a purificar, bem como
uma remoção das partículas e impurezas que possam também
reagir com o agente de separação. Este pode ser amónia, uma
amina ou um solvente inorgânico.
34
c) Adsorção
A adsorção é um fenómeno pelo qual certas moléculas presentes
num fluído se concentram espontaneamente sobre uma superfície
sólida altamente porosa. As forças intermoleculares estabelecidas
entre gases, como o CO2, e estas superfícies, quando são
suficientemente selectivas, permitem a sua separação por
adsorção.
Para o efeito já se usam em certos casos processos industriais
como o PSA (Pressure Swing Adsorption), o TSA (Temperature
Swing Adsorption), e o ESA (Electric Swing Adsorption), cujos
principais constrangimentos à operação requerida são os
elevados custos energéticos envolvidos, bem como a insuficiente
selectividade para os restantes componentes dos efluentes
gasosos.
35
d) Processos de membranas
Estão actualmente em desenvolvimento processos de separação
por membranas que se baseiam na diferença de permeabilidade
dos componentes dos fluidos através de uma membrana que
pode ser polimérica ou inorgânica (cerâmica).
Trata-se de processos que estão ainda numa fase laboratorial /
piloto e que terão ainda que provar a sua viabilidade comercial.
e) As florestas como sumidouros de CO2
As espécies florestais de elevado crescimento são consideradas
por alguns especialistas como a melhor forma de remoção de CO2
da atmosfera.
O objectivo é conseguir que a genética de algumas plantas
reforce a eficiência da função clorofila, ou seja, da absorção pelas
plantas de CO2 com retenção do carbono e posterior queima da
biomassa florestal, substituindo assim o consumo de
combustíveis fósseis.
36
4 – Conclusões e Desafios
A Engenharia de Processos Químicos e Biológicos,
como se procurou demonstrar nesta
apresentação, é fundamental para assegurar um
desenvolvimento económico ambientalmente
sustentável em termos antropocêntricos.
Mais ainda, a Engenharia de Processos Químicos
e Biológicos está no centro das capacidades de
resolução de algumas das principais questões
ambientais que actualmente se colocam à
Humanidade.
37
Bibliografia de apoio
Relvas S., Fernandes M.C. Matos H.A., Nunes C.P., “Integração de Processos:
Uma metodologia de optimização energética e ambiental”, Dezembro 2002.
Relvas S., Matos H.A. , Fernandes M.C., Castro P., Nunes C.P., “AquoMin: A
software tool for Mass-Exchange Networks targeting and design”,
Computers and Chemical Engineering, 32(6) (2008) 1085-1105.
(já disponível online em www.sciencedirect.com)
38