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2013 / 2
Colaborador:
Flávio S. Francisco
Prof. Responsável:
Carlos Augusto G. Perlingeiro
INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS
Integração Mássica
EQE-489 – Engenharia de Processos
27/11/2013
Integração de Processos (IP)
Redes de Transferência de Massa
Diagrama de Fontes de Água (DFA):
Uma ferramenta para gestão do reúso de águas na indústriaProcedimento para sistemas com um contaminante
Restrição de Vazão
Máximo reúso
Múltiplas fontes
Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de
oportunidades de realinhamento de correntes hídricas para máximo
reúso
Além de máximo reúso, a análise pode considerar:
Procedimento para Redução da Vazão de Efluentes Aquosos
Diagrama de Fontes de Água (DFA)
Restrição de vazão
Múltiplas fontes de água
Perdas inerentes ao processoRegeneração com reúso
Regeneração com reciclo
UM CONTAMINANTE MÚLTIPLOS CONTAMINANTES
Diagrama de Fontes de Água (DFA)
Máximo Reúso
Revisando...
C’ = C’(fea) U C’(fia) = C’ = {0, 50, 100, 400, 800}
Intervalos de concentração: Limites
DFA – Máximo Reúso
Passo 1
0 50 100 400 800
Concentração (ppm)
Fontes internasFonte externa
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
Exemplo
Tabela de Oportunidades
(Wang & Smith, 1994)
CIN e COUT Melhor que sejam os máximos
DFA – Máximo Reúso
Passo 2
Representar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída
20
Vazão limite (t/h)
100
40
10
0 50 100 400 800
Concentração (ppm)
Fontes internasFonte externa
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
DFA – Máximo Reúso
20
Vazão limite (t/h)
100
40
10
0 50 100 400 800
Concentração (ppm)
Fontes internasFonte externa
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
(1) (1)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
Passo 3
Determinação da quantidade de contaminante transferido da corrente de processo para a corrente de água, por intervalo: m = flim C
DFA – Máximo Reúso
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)
Determinação do consumo de fontes de água: f = m/Cint
20
Vazão limite (t/h)
100
40
10
0 50 100 400 800
Concentração (ppm)
Fontes internasFonte externa
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
(1) (1)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
Δm = fL . (Cout – Cin) f = Δm / (Cout – Cin)
20 20
50 50
20 20 20 40
20
5,7 5,7
Ұ f t/h a 0 ppmFontes disponíveis
Priorizar reúso de fonte mais “suja” nas OP’s
20
Vazão limite (t/h)
100
40
10
0 50 100 400 800
Concentração (ppm)
Fontes internasFonte externa
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
(1) (1)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
Δm = fL . (Cout – Cin) f = Δm / (Cout – Cin)
20 20
50 50
20 20 20 40
20
5,7 5,7
20
Vazão limite (t/h)
100
40
10
0 50 100 400 800
Concentração (ppm)
Fontes internasFonte externa
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
(1) (1)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
20 20
50 50
20 20 20 40
20
5,7 5,7
90 90 45,7 45,7 Pinch
Original
Reúso DFA
130,5 t/h (0 ppm)
90 t/h (0 ppm)
2
D M
D 4
3
1
90 t/h
50 t/h 50 t/h 5,7 t/h
40 t/h
20 t/h 20 t/h
40 t/h
5,7 t/h
44,3 t/h
20 t/h
0 ppm
0 ppm
0 ppm
100 ppm
100 ppm
0 ppm 50 ppm
100 ppm
100 ppm
800 ppm
800 ppm
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
Máximo reúso
Restrição de vazão
Múltiplas fontes de água
Perdas inerentes ao processo
Regeneração com reúso
Regeneração com reciclo
UM CONTAMINANTE
MÚLTIPLOS CONTAMINANTES
Diagrama de Fontes de Água (DFA)
Múltiplas Fontes de Água
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
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
Voltando aos dados do Exemplo...
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?
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
Operação Massa de contaminant
e (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
FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm
FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
Operação Massa de contaminant
e (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
FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm
FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)
Δ𝑚= 𝑓 ∗(𝐶 𝑓 −𝐶𝑖)
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20
Δ𝑚= 𝑓 ∗(𝐶 𝑓 −𝐶𝑖)Fonte 1 – 0 ppm
5 00= 𝑓 ∗(25−0)𝑓 =20 𝑡 /h
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20
5 00= 𝑓 ∗(50−25)𝑓 =20 𝑡 /h
20
Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmFonte int. OP1 – 25 ppm
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20
1000= 𝑓 ∗(100−50)𝑓 =20 𝑡 /h
20 20
Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmFonte int. OP1 – 25 ppm
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20
5000= 𝑓 ∗(100−25)𝑓 =66,7 𝑡 / h
20 20
Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppm
66,7 66,7
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20
2 000= 𝑓 ∗(100−25)𝑓 =26,7 𝑡 / h
20 20
Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppm
66,7 66,7
26,7 26,7
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20
1
𝑓 =40 𝑡 /h
20 20
Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmOP 1 – 20 t/h / 100 ppmOP 2 – 66,7 t/h / 100 ppm
66,7 66,7
26,7 26,7
13,3
26,7
𝑓 =40−26,7=13,3 𝑡 /h
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20
1𝑓 =40 𝑡 /h
20 20
Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmOP 1 – 20 t/h / 100 ppmOP 2 – 53,4 t/h / 100 ppmOP 3 – 40 t/h / 400 ppm
66,7 66,7
26,7 26,7
13,3
26,7 40
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20
4𝑓 =5,7 𝑡 /h
20 20
Fonte 1 – 0 ppmFonte 2 – 25 ppmOP 1 – 20 t/h / 100 ppmOP 2 – 53,4 t/h / 100 ppm
66,7 66,7
26,7 26,7
13,3
26,7 40
5,7 5,7
2
D M
4
393,4 t/h
66,7 t/h 66,7 t/h
40 t/h 40 t/h
5,7 t/h
26,7 t/h
25 ppm
25 ppm 100 ppm
25 ppm 50 ppm
100 ppm 800 ppm
800 ppm
5,7 t/h
D
120 t/h
100 ppm
20 t/h
0 ppm
100 ppm
47,7 t/h
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
E se usássemos o efluente da operação 1 ao invés da operação
2? Como ficaria?
Humm!
Hummm!
20
100
40
10
0 25 50 100 400
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
800
i = 5
(0,5) (0,5)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
(1)20 20 20
66,7 66,7
26,7 26,7
13,3
26,7 40
5,7 5,7
1 420 t/h 20 t/h 5,7 t/h
0 ppm 100 ppm 100 ppm 800 ppm
5,7 t/h
D
266,7 t/h
100 ppm
66,7 t/h
25 ppm
100 ppm
1 t/h
D M 393,4 t/h 40 t/h 40 t/h26,7 t/h
25 ppm 25 ppm 50 ppm 800 ppm
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
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
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
Voltando aos dados do Exemplo 1...
Vamos admitir agora que as vazões das operações 1, 2, 3 e 4 sejam fixas
20
100
40
10
0 50 100 400 800
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
(1) (1)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
20 20
50 50
20 20 20 40
20
5,7 5,7
4,3
50
2
D M
D
4
3
1
90 t/h
50 t/h 100 t/h
10 t/h
40 t/h
20 t/h 20 t/h
40 t/h
10 t/h
44,3 t/h
20 t/h
0 ppm
0 ppm
0 ppm
100 ppm
100 ppm
0 ppm 50 ppm
100 ppm
100 ppm
800 ppm
800 ppm
M
50 t/h
100 ppm
100 t/h
50 ppm
50 t/hD
M
5,7 t/h
100 ppm
D5,7 t/h
800 ppm400 ppm
4,3 t/h
800 ppm
Reciclo local
Reciclo local
Outra possibilidade de seleção da fonte de reúso
20
100
40
10
0 50 100 400 800
i = 1 i = 2 i = 3 i = 4
1
2
3
4
(1) (1)
(5)
(2) (12)
(4)
(16)
20 20
50 50
20 20 20 40
20
5,7 5,7
4,3 4,3
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
50
2
D M
D
4
3
1
90 t/h
50 t/h 100 t/h
10 t/h
40 t/h
20 t/h 20 t/h
40 t/h
10 t/h
40 t/h
20 t/h
0 ppm
0 ppm
0 ppm
100 ppm
100 ppm
0 ppm 50 ppm
100 ppm
100 ppm
500 ppm
800 ppm
M
50 t/h
100 ppm
100 t/h
50 ppm
50 t/hD
10 t/h
100 ppm
100 ppm
Reciclo local
Para este problema, mesmo com as restrições de vazão, a meta continua sendo 90 t/h
Quer mesmo saber
?!!
Por que não?
Muito bom, chefe! Mas o que acontece se o reciclo
local não for aceitável?
Meta e projeto obtidos por outros métodos
1111,4 t/h 20 t/h
2
91,4 t/h
4
3
D M D
D
M
MD
20 t/h
80 t/h
100 t/h
11,4 t/h
100 t/h 10 t/h
10 t/h
28,6 t/h
40 t/h
40 t/h
111,4 t/h61,4 t/h
90 t/h
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
90 t/h
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
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.
Vamos ao TESTE!!!
E agora...
Vamos ao TESTE!!!
E agora...
Palavras Cruzadas
Hummm!
(1) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente
(5)
(4)
(3)
(6)
(7)
(8)
(1)
(2)
(9)
(1)
(2) Contabilidade das entradas e saídas de água de um sistema
Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente
(1)
(9)
OR E Ú S
(3)
(6)
(7)
(8)
(2)
(5)
(4)
(2) Contabilidade das entradas e saídas de água de um sistema
B ÍH RA L CI ODA N Ç O
(1)
(2)
(9)
OR E Ú S
(3)
(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
(5)
(4)
R Ã OÇAN ET G(3) I
B ÍH RA L CI ODA N Ç O
(1)
(2)
(9)
OR E Ú S
(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
(5)
(4)
I
R Ã OÇA
S
N ET
A Á
G
EN L
(3) I
B ÍH RA L CI ODA N Ç O
(1)
(2)
(9)
OR E Ú S
(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
(5)
(4)
(6) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada
I
R Ã OÇA
S
N ET
A Á
G
EN L
(3) I
B ÍH RA L CI ODA N Ç O
(1)
(2)
(9)
OR E Ú S
(6)
(7)
(8)
G EER N ÃE OÇR A
(5) Tratamento para remoção parcial de contaminantes
(5)
(4)
G
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(3)
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(7)
(8)
ÇR A
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I
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B ÍH RA L CI ODA N Ç O
(1)
(2)
(9)
OR E Ú S
(7) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais
(6) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada
(5)
(4)
G
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(1)
(2)
(9)
OR E Ú S
(8) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...)
(7) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais
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G
I
R
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TN E
B ÍH RA L CI ODA N Ç O
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OR E Ú S
(8) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...)
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OR E Ú S
Acho que não foi tão ruim assim...
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reinaldomirre@hotmail.com
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