Análise e optimização dos consumos de utilidades (vapor e energia eléctrica) na Petibol – Embalagens de Plásticos, S.A.

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Avaliação energética do Complexo Municipal de Piscinas de Folgosa

O presente trabalho insere-se no âmbito do Mestrado de Engenharia Química, ramo Optimização Energética na Indústria Química e pretende-se efectuar a avaliação energética do Complexo Municipal de Piscinas de Folgosa, localizado no Concelho da Maia, tendo como principais bases os Decretos-Lei 78, 79 e 80 de 04 de Abril 2006. Uma vez que a área útil de pavimento do presente edifício é superior a 1000 m2, encontra-se englobado no conceito de Grande Edifício de Serviços (GES). A escolha do Complexo Municipal de Piscinas de Folgosa para a realização do presente estudo prendeu-se com o facto de ser um objectivo da Câmara Municipal, mais concretamente do Departamento de Conservação e Manutenção de Estruturas Municipais, dar inicio aos procedimentos necessários para a certificação energética dos diversos edifícios Municipais, aliado ao facto das piscinas serem um tipo de edifício desportivo de elevada complexidade em termos de gestão, um grande consumidor de energia e possuidor de uma elevada diversidade de equipamentos. O objectivo principal será o de caracterizar energeticamente o edifício e optimizar os consumos do mesmo, de forma a reduzir, não só os consumos energéticos e respectiva factura, mas também nas emissões dos gases de efeito de estufa (CO2), pelo que a ordem de trabalhos inclui a realização de: - Avaliação Energética de acordo com o n.º1 do artigo 2º e artigo 34º do D. L. 79/2006; - Verificação dos Requisitos de Condução e manutenção das instalações de Aquecimento, Ventilação e Ar Condicionado (AVAC); - Caracterização Energética do Edifício – Índice de Eficiência Energética. A metodologia seguida baseou-se na utilizada para a realização de uma auditoria energética, sendo que foram contempladas as seguintes etapas: estudo pormenorizado da legislação referente à certificação de edifícios; realização de um levantamento de consumos energéticos reais da instalação (com base nas facturas energéticas); das suas características funcionais e levantamento dos vários equipamentos consumidores de energia. O Complexo Municipal de Piscinas de Folgosa é uma instalação cuja média de consumo de energia eléctrica nos últimos três anos foi de 445969 kWh/ano e de 87300 m3 de gás natural, representando um consumo global de energia primária de 174,85 tep/ano. De acordo com o Sistema de Certificação Energética o Índice de Eficiência Energética determinado é de 54,50 kgep/m2 .ano. Uma vez que o IEE determinado é superior ao valor de IEEReferência existentes, o edifício estará obrigado ao cumprimento de um Plano de Racionalização Energética (PRE). É apresentado um conjunto de medidas que visam uma redução do consumo de energia do edifício e consequentemente uma melhoria no Índice de Eficiência Energética.

Auditoria energética à indústria têxtil do Ave

A Indústria Têxtil do Ave S.A. (ITA) dedica-se, desde 1948, à produção de componentes têxteis para pneus em forma de fio torcido (corda) e tela. Estes componentes são quimicamente activados e impregnados em estufas, possibilitando assim a posterior adesão ao pneu. A máquina de impregnar corda Single End é composta pelos grupos de estiragem, por um recipiente contendo a solução química e por 4 estufas em série. A máquina de impregnar tela Zell é composta pelos grupos de estiragem, pelos acumuladores de saída e entrada, pelos recipientes com as soluções químicas e por um grupo de 7 estufas em série. O aquecimento das estufas é feito através da queima de gás natural. O presente trabalho teve como objectivo a realização de uma auditoria energética à ITA com um especial destaque às máquinas de impregnar corda (Single End) e tela (Zell). As correntes de entrada que contribuem para a potência térmica de impregnação são a combustão do gás natural, o ar de combustão, o ar fresco, o artigo em verde e as soluções químicas. As correntes de saída correspondem aos gases de combustão e exaustão, ao artigo impregnado e às perdas térmicas. A auditoria à máquina Single End mostrou que a potência térmica de impregnação é de 413,1 kW. Dessa potência térmica, 77,2% correspondem à combustão do gás natural, 6,7% ao ar de combustão, 15% ao ar fresco, 0,7% às cordas em verde e 0,4% à solução química. Da potência térmica de saída, 88,4% correspondem aos gases de combustão e exaustão, 3,2% às cordas impregnadas e 8,4% às perdas térmicas. Da auditoria à máquina Zell observou-se que a potência térmica de impregnação é de 5630,7 kW. Dessa potência, 73,3% corresponde à combustão do gás natural, 1,6% ao ar de combustão, 24,5% ao ar fresco, 0,3% à tela em verde e 0,3% às soluções químicas. Da potência térmica de saída, 65,2% correspondem aos gases de combustão e exaustão, 3,1% à tela impregnada e 31,7% às perdas térmicas. Foram sugeridas como medidas de optimização a redução dos caudais de exaustão das estufas e o aumento de temperatura do ar fresco. O aumento da temperatura do ar fresco da máquina de impregnar Single End para 50 ºC, usando ar quente dos torcedores, leva a uma poupança de 0,22 €/h, com um período de retorno do investimento de 13 anos e 4 meses enquanto o aumento para 120 ºC, usando o calor dos gases de combustão e exaustão, reduz os custos em 0,88 €/h, sendo o período de retorno para esse investimento de 2 anos e 6 meses. Na máquina de impregnar Zell, uma redução de 15% no caudal de exaustão numa das estufas leva a ganhos de 3,43 €/h. O aumento de temperatura do ar fresco para 45 ºC, usando o calor de gases de combustão e exaustão, leva a uma poupança de 9,93 €/h sendo o período de retorno para cada uma das duas sugestões de investimento de 5 meses e 9 meses.

Produção de hidrogénio por fotoeletrólise da água – aproveitamento do subproduto oxigénio

A noção de Economia relativa ao Hidrogénio no vocabulário dos líderes políticos e empresariais tem vindo a mudar sobretudo pela preocupação da poluição global, segurança energética e mudanças climáticas, para além do crescente domínio técnico dos cientistas e engenheiros. O interesse neste composto, que é o elemento mais simples e abundante no universo, está a crescer, devido aos avanços tecnológicos das células de combustível – as potenciais sucessoras das baterias dos aparelhos portáteis eletrónicos, centrais elétricas e motores de combustão interna. Existem métodos já bem desenvolvidos para produzir o hidrogénio. Contudo, destacase a eletrólise da água, não só por ser um método simples mas porque pode utilizar recursos energéticos renováveis, tais como, o vento ou os painéis fotovoltaicos, e aumentar a sua eficiência. Os desafios para melhorar a utilização deste método consistem em reduzir o consumo, a manutenção e os custos energéticos e aumentar a confiança, a durabilidade e a segurança. Mais ainda, consistem em rentabilizar o subproduto oxigénio pois é um gás industrial e medicinal muito importante. Neste trabalho, estudou-se a viabilidade económica da instalação de uma unidade de produção de hidrogénio e oxigénio puros por eletrólise da água, utilizando como fonte energética a energia solar, na empresa Gasoxmed – Gases Medicinais S.A., pretendendo num futuro próximo, comercializar o hidrogénio como fonte de energia, e por outro lado, aproveitar o subproduto oxigénio para utilização industrial. Projetou-se assim uma unidade utilizando um eletrolisador da marca Proton, modelo C30, com capacidade de produção gasosa de 3 kg/h (30 m3/h) de hidrogénio e 20 kg/h (15 m3/h) de oxigénio. Os gases produzidos são comprimidos num compressor da marca RIX a 200 bares para posterior armazenamento em cilindros pressurizados. Dimensionou-se ainda um sistema de miniprodução fotovoltaico com potência 250 kW para alimentar eletricamente a instalação. A realização do projeto na nova área de produção necessitará de 1.713.963€, os quais serão adquiridos por empréstimo bancário. Definiram-se todos os custos fixos associados ao projeto que perfazem um total de 62.554€/mês para os primeiros 5 anos (duração do crédito bancário) findo o qual diminuirão para 21.204€/mês. Da comercialização do hidrogénio, do oxigénio industrial e da eletricidade produzida no sistema de miniprodução de 250 kW, prevê-se um lucro mensal de 117.925€, perfazendo assim um total líquido mensal positivo de 55.371€ durante os primeiros 5 anos e a partir daí de 96.721€/mês, resultando uma amortização do investimento inicial no final do 3º ano.

Optimização energética da olaria de uma cerâmica

Na indústria cerâmica o consumo de energia é elevado, fazendo com que este custo represente uma parte significativa dos custos totais de produção das peças. De forma a diminuir esta dependência, a energia deve ser gerida de forma contínua e eficazmente. O presente trabalho consistiu na análise da situação energética e na elaboração de propostas de optimização da etapa de conformação que ocorre na Olaria número quatro da Fábrica Cerâmica de Valadares, S.A. Determinou-se o rendimento efectivo da Olaria, tendo-se obtido um valor de 24,7%. As perdas térmicas ocorrem na Olaria, a nível da envolvente, da ventilação, da exaustão de gases e da inércia térmica, representando, respectivamente, 18122 MJ, 50222 MJ, 39228 MJ e 4338 MJ por semana de trabalho. Numa última fase sugeriram-se algumas medidas de optimização energética. A primeira medida visa uma melhoria na manutenção dos geradores, um aumento na gama de temperaturas de funcionamento dos geradores e uma minimização dos tempos de abertura dos portões. Na segunda medida propõe-se a diminuição da percentagem de excesso de ar para 10%, equivalendo a uma poupança de 8839 €/ano. Na terceira medida avaliou-se a possibilidade da aplicação de um permutador de calor de modo a aproveitar os gases de combustão. Esta permitiria uma poupança de 119 €/ano, no entanto, devido ao elevado tempo de retorno do investimento (12,6 anos) considerou-se que esta medida não era viável. A quarta proposta relaciona-se com a optimização da ventilação da Olaria por aumento do ciclo de renovação de ar para 5 h, promovendo uma poupança de 8583 € anuais. Como última sugestão de optimização, aconselhou-se a diminuição do volume da olaria em 6935 m3. Com esta proposta é possível obter uma poupança de 4993 €/ano. Esta medida envolve um investimento de 12000 €, sendo o tempo de retorno do investimento de 2,4 anos. Das cinco propostas estudadas concluiu-se que quatro são viáveis permitindo uma melhoria do funcionamento da Olaria e uma poupança significativa na factura energética.

Biofiltration of Air/Styrene and Air/Styrene/Acetone mixtures in a bubble column reactor

The goal of this work was the treatment of polluted waste gases in a bubble column reactor (BCR), in order to determinate the maximum value of reactor’s efficiency (RE), varying the inlet concentration (C in) of the pollutants. The gaseous mixtures studied were: (i) air with styrene and (ii) air with styrene and acetone. The liquid phase used to contain the biomass in the reactor was a basal salt medium (BSM), fundamental for the microorganisms’ development. The reactor used in this project consists of a glass column of 620mm height and inside diameter 75mm. In all essays there were continually measured: pH, dissolved oxygen and liquid’s temperature. Temperature and pH were controlled (T=24ºC, 7.0 ≤ pH ≤ 7.7). In all experiments the liquid volume (including the biomass) used in the reactor was kept constant (1.5L) as well as the total gas flowrate (1 L/min). Concerning the goal of the work, some parameters were calculated: the organic load (OL), removal efficiency (RE), elimination capacity (EC), biomass concentration (xf) and dry biomass concentration (Xdw). In a first series of experiments, the gas mixture used was air with styrene, varying its concentration from 191 mg.m-3 to 6500 mg.m-3.It was concluded that the RE maximum value (97%) was obtained for C in Sty = 4200 mg.m-3. For the maximum tested value of C in Sty, RE obtained was 20%. In a second step, the gaseous mixture included acetone, varying C in Sty between 225 mg.m-3 and 2659 mg.m-3 and C in Ac between 153mg.m-3 and 1389 mg.m-3. The aim of these tests was the determination of C in Ac for which RE was maximum, obtaining C in Ac = 750 mg.m-3. A third series of experiments was performed, in which C in Ac was maintained equal to that value and C in Sty was varied until higher values (5422 mg.m-3). RE maximum values obtained in this last series were 100% for styrene and 40% for acetone. One important conclusion is the fact that the microorganisms available degrade better styrene than acetone. On the ambit of this study, it was possible to identify the species available in biomass: Xanthobacter antotrophicus py2, Enterobacter aerogenes, Nocardia, Corynebacterium Spp., Rhodococcus rhodochrous e Pseudomonas Sp.

Análise técnica e económico-financeira de um sistema de abastecimento de veículos zero emissões integrando um sistema fotovoltaico

Com o aumento da população mundial registado nos últimos anos surgiu também uma maior procura energética. Esse aumento foi inicialmente colmatado recorrendo essencialmente a fontes de origem fóssil, pelo facto destas serem mais baratas. No entanto, essa tendência de preços baixos sofreu o primeiro abalo nos anos 70 do século passado, altura em que o preço do petróleo disparou, devido a questões políticas. Nessa altura ficou visível para os países ocidentais o quanto estes eram dependentes dos países produtores de petróleo que, em geral, são instáveis politicamente. Começou então a procura de fontes energéticas alternativas. Além da questão económica do aumento do preço dos combustíveis, existe também o problema ambiental. Os maiores responsáveis pela emissão de gases efeito estufa (GEE) são os combustíveis fósseis. Os GEE contribuem para o aquecimento global, o que origina fenómenos ambientais severos que poderão levar a mudanças climáticas significativas. As energias renováveis apresentam-se como a solução mais viável ao problema energético e ambiental que se verifica actualmente, porque permitem colmatar o aumento da procura energética de uma forma limpa e sustentável. Na sequência destes problemas surgiram nos últimos anos veículos que permitem reduzir ou mesmo eliminar o consumo de combustíveis fósseis, como os veículos híbridos eléctricos, eléctricos e a hidrogénio. Nesta dissertação analisa-se um sistema que foi pensado para ser implementado em áreas de serviço, que permite efectuar o carregamento de electric vehicles (EV) utilizando energia eléctrica de origem fotovoltaica e a produção de hidrogénio para os fuels cell electric vehicles (FCEV). É efectuada uma análise económica do sistema, uma análise ambiental e analisou-se também o impacto na redução da dependência do país em relação ao exterior, sendo ainda efectuada uma pequena análise ao sistema MOBIE. No caso dos veículos a hidrogénio, foi determinada qual seria a melhor opção em termos económicos, para a produção de hidrogénio considerando três regimes de produção: recorrendo apenas à energia eléctrica proveniente do sistema fotovoltaico, apenas à energia eléctrica da rede, ou uma combinação dos dois regimes. O sistema estudado nesta dissertação apresenta um enorme potencial a nível energético e ambiental, surgindo como alternativa para abastecer os veículos que irão permitir, no futuro, eliminar a dependência energética em relação às fontes fósseis e ao mesmo tempo diminuir a quantidade de gases efeito estufa emitidos para a atmosfera.

Development and validation of a novel method for the analysis of chlorinated pesticides in soils using microwave-assisted extraction–headspace solid phase microextraction and gas chromatography–tandem mass spectrometry

A new procedure for determining eleven organochlorine pesticides in soils using microwave-assisted extraction (MAE) and headspace solid phase microextraction (HS-SPME) is described. The studied pesticides consisted of mirex, α- and γ-chlordane, p,p’-DDT, heptachlor, heptachlor epoxide isomer A, γ-hexachlorocyclohexane, dieldrin, endrin, aldrine and hexachlorobenzene. The HS-SPME was optimized for the most important parameters such as extraction time, sample volume and temperature. The present analytical procedure requires a reduced volume of organic solvents and avoids the need for extract clean-up steps. For optimized conditions the limits of detection for the method ranged from 0.02 to 3.6 ng/g, intermediate precision ranged from 14 to 36% (as CV%), and the recovery from 8 up to 51%. The proposed methodology can be used in the rapid screening of soil for the presence of the selected pesticides, and was applied to landfill soil samples.

Polycyclic aromatic hydrocarbons in gas and particulate phases of indoor environments influenced by tobacco smoke: levels, phase distributions, and health risks

As polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) have a negative impact on human health due to their mutagenic and/or carcinogenic properties, the objective of this work was to study the influence of tobacco smoke on levels and phase distribution of PAHs and to evaluate the associated health risks. The air samples were collected at two homes; 18 PAHs (the 16 PAHs considered by U.S. EPA as priority pollutants, dibenzo[a,l]pyrene and benzo[j]fluoranthene) were determined in gas phase and associated with thoracic (PM10) and respirable (PM2.5) particles. At home influenced by tobacco smoke the total concentrations of 18 PAHs in air ranged from 28.3 to 106 ngm 3 (mean of 66.7 25.4 ngm 3),∑PAHs being 95% higher than at the non-smoking one where the values ranged from 17.9 to 62.0 ngm 3 (mean of 34.5 16.5 ngm 3). On average 74% and 78% of ∑PAHs were present in gas phase at the smoking and non-smoking homes, respectively, demonstrating that adequate assessment of PAHs in air requires evaluation of PAHs in both gas and particulate phases. When influenced by tobacco smoke the health risks values were 3.5e3.6 times higher due to the exposure of PM10. The values of lifetime lung cancer risks were 4.1 10 3 and 1.7 10 3 for the smoking and nonsmoking homes, considerably exceeding the health-based guideline level at both homes also due to the contribution of outdoor traffic emissions. The results showed that evaluation of benzo[a]pyrene alone would probably underestimate the carcinogenic potential of the studied PAH mixtures; in total ten carcinogenic PAHs represented 36% and 32% of the gaseous ∑PAHs and in particulate phase they accounted for 75% and 71% of ∑PAHs at the smoking and non-smoking homes, respectively.

Multiresidue method for the determination of organophosphorus pesticides in still wine and fortified wine using solid-phase microextraction and gas chromatography – Tandem mass spectrometry

A SPME-GC-MS/MS method for the determination of eight organophosphorus pesticides (azinphos-methyl, chlorpyriphos, chlorpyriphos-methyl, diazinon, fenitrothion, fenthion, malathion, and methidathion) in still and fortified wine was developed. The extraction procedure is simple, solvent free, and without any sample pretreatment. Limits of detection (LOD) and quantitation (LOQ) values in the range 0.1–14.3 lg/L and 0.2–43.3 lg/L, respectively, were obtained. The LOQ values are below the maximum residue levels (MRLs) established by European Regulation for grapes, with the exception of methidathion. Coefficients of correlation (R2) higher than 0.99 were obtained for the majority of the pesticides, in all different wines analyzed.

Determination of 24 pesticide residues in fortified wines by solid-phase microextraction and gas chromatography tandem mass spectrometry

The present work describes a solid-phase microextraction (SPME) gas chromatography_tandem mass spectrometry (MS/MS) method to quantify 24 pesticides in fortified white wine and fortified red wine. In this study “fortified wine” refers to a wine in which fermentation is arrested before completion by alcohol distillate addition, allowing sugar and alcoholic contents to be higher (around 80-100 g/L total sugars and 19-22% alcohol strength (v/v)). The analytical method showed good linearity, presenting correlation coefficients (R2) ≥ 0.989 for all compounds. Limits of detection (LOD) and quantitation (LOQ) in the ranges of 0.05-72.35 and 0.16-219.23 μg/L, respectively, were obtained. LOQs are below the maximum residue levels (MRL) set by European Regulation for grapes. The proposed method was applied to 17 commercial fortified wines. The analyzed pesticides were not detected in the wines tested.

Analysis of PCBs in soils and sediments by microwave-assisted extraction, headspace-SPME and high resolution gas chromatography with ion-trap tandem mass spectrometry

A procedure for the determination of seven indicator PCBs in soils and sediments using microwave-assisted extraction (MAE) and headspace solid-phase microextraction (HS-SPME) prior to GC-MS/MS is described. Optimization of the HS-SPME was carried out for the most important parameters such as extraction time, sample volume and temperature. The adopted methodology has reduced consumption of organic solvents and analysis runtime. Under the optimized conditions, the method detection limit ranged from 0.6 to 1 ng/g when 5 g of sample was extracted, the precision on real samples ranged from 4 to 21% and the recovery from 69 to 104%. The proposed method, which included the analysis of a certified reference material in its validation procedure, can be extended to several other PCBs and used in the monitoring of soil or sediments for the presence of PCBs.

Quantification of endocrine disruptors and pesticides in water by gas chromatography–tandem mass spectrometry. Method validation using weighted linear regression schemes

Amulti-residue methodology based on a solid phase extraction followed by gas chromatography–tandem mass spectrometry was developed for trace analysis of 32 compounds in water matrices, including estrogens and several pesticides from different chemical families, some of them with endocrine disrupting properties. Matrix standard calibration solutions were prepared by adding known amounts of the analytes to a residue-free sample to compensate matrix-induced chromatographic response enhancement observed for certain pesticides. Validation was done mainly according to the International Conference on Harmonisation recommendations, as well as some European and American validation guidelines with specifications for pesticides analysis and/or GC–MS methodology. As the assumption of homoscedasticity was not met for analytical data, weighted least squares linear regression procedure was applied as a simple and effective way to counteract the greater influence of the greater concentrations on the fitted regression line, improving accuracy at the lower end of the calibration curve. The method was considered validated for 31 compounds after consistent evaluation of the key analytical parameters: specificity, linearity, limit of detection and quantification, range, precision, accuracy, extraction efficiency, stability and robustness.

Properties of tantalum oxynitride thin films produced by magnetron sputtering: the influence of processing parameters

The main purpose of this work is to present and to interpret the change of structure and physical properties of tantalum oxynitride (TaNxOy) thin films, produced by dc reactive magnetron sputtering, by varying the processing parameters. A set of TaNxOy films was prepared by varying the reactive gases flow rate, using a N2/O2 gas mixture with a concentration ratio of 17:3. The different films, obtained by this process, exhibited significant differences. The obtained composition and the interpretation of X-ray diffraction results, shows that, depending on the partial pressure of the reactive gases, the films are: essentially dark grey metallic, when the atomic ratio (N + O)/Ta < 0.1, evidencing a tetragonal β-Ta structure; grey-brownish, when 0.1 < (N + O)/Ta < 1, exhibiting a face-centred cubic (fcc) TaN-like structure; and transparent oxide-type, when (N + O)/Ta > 1, evidencing the existence of Ta2O5, but with an amorphous structure. These transparent films exhibit refractive indexes, in the visible region, always higher than 2.0. The wear resistance of the films is relatively good. The best behaviour was obtained for the films with (N + O)/Ta ≈ 0.5 and (N + O)/Ta ≈ 1.3.

ENCOURAGE architecture: support for heterogeneous smart grids

Our society relies on energy for most of its activities. One application domain inciding heavily on the energy budget regards the energy consumption in residential and non-residential buildings. The ever increasing needs for energy, resulting from the industrialization of developing countries and from the limited scalability of the traditional technologies for energy production, raises both problems and opportunities. The problems are related to the devastating effects of the greenhouse gases produced by the burning of oil and gas for energy production, and from the dependence of whole countries on companies providing gas and oil. The opportunities are mostly technological, since novel markets are opening for both energy production via renewable sources, and for innovations that can rationalize energy usage. An enticing research effort can be the mixing of these two aspects, by leveraging on ICT technologies to rationalize energy production, acquisition, and consumption. The ENCOURAGE project aims to develop embedded intelligence and integration technologies that will directly optimize energy use in buildings and enable active participation in the future smart grid environment.The primary application domains targeted by the ENCOURAGE project are non-residential buildings (e.g.: campuses) and residential buildings (e.g.: neighborhoods). The goal of the project is to achieve 20% of energy savings through the improved interoperability between various types of energy generation, consumption and storage devices; interbuilding energy exchange; and systematic performance monitoring.