Otimização do Funcionamento de Caldeiras Aquatubulares em Indústria de Processo Químico

O presente trabalho centrou-se na otimização do rendimento térmico de duas caldeiras aquatubulares da empresa RAR- Refinaria de Açúcar Reunidas, com a finalidade de identificar onde ocorrem perdas de energia e, desta forma, propor soluções para a sua minimização. Para tal, realizaram-se ensaios em duas caldeiras da empresa providas de queimadores mistos, ou seja podem operar com fuelóleo e gás natural, tanto individualmente, como simultaneamente, sendo que para a realização dos ensaios apenas se utilizou o fuelóleo devido ao seu menor custo. Na caldeira designada por 1 realizaram-se ensaios para os caudais de 300, 500, 800, 1000, 1200, 1400 e 1600 kg/h de fuelóleo. A gama de rendimentos térmicos obtida foi entre 88,3 e 91,2%. Na caldeira designada por 3, efetuaram-se ensaios para os caudais de fuelóleo de 300, 500, 700, 900, 1000, 1200, 1400, 1500 e 1800 kg/h e os rendimentos térmicos obtidos foram entre 85,2 e 88,0%. Em ambas as caldeiras e para caudais baixos verificou-se que a quantidade de ar introduzida no processo de combustão era superior à necessária, conduzindo a uma diminuição dos valores de rendimento térmico. Para 500 kg/h de fuelóleo, por exemplo, a quantidade de ar utilizada foi cerca de duas vezes superiores ao valor estequiométrico. Tendo em conta estes factos, foi proposto ao gestor de energia a implementação de uma nova relação de ar/combustível vs caudal de combustível no sistema de controlo das referidas caldeiras. Após alguns testes (excluindo 300 kg/h de fuelóleo devido a questões de operação), considerou-se como caudal mínimo de operação os 500 Kg/h de fuelóleo nas respetivas caldeiras 1 e 3. Verificou-se que os rendimentos térmicos aumentaram, no caso da caldeira 1, para valores entre os 90,1 e 91,3% e, na caldeira 3, para valores entre 89,0 e 90,9%. Por fim, efetuou-se uma breve análise económica com o intuito de se avaliar e quantificar o que a empresa pode poupar com esta medida. O lucro anual pode oscilar entre 14.400 e 62.640€ ou 104.400 e 136.800€, para as caldeiras 1 e 3, respetivamente.

Valorização da Borra de Café: Otimização da Produção de Biodiesel por Catálise Enzimática

O decréscimo das reservas de petróleo e as consequências ambientais resultantes do recurso a combustíveis fósseis nos motores a diesel têm levado à procura de combustíveis alternativos. Esta pesquisa alicerçada nas fontes de energia renovável tornou-se essencial, face à crescente procura de energia e ao limitado fornecimento de combustíveis fósseis . Resíduos de óleo de cozinha, gordura animal, entre outros resíduos de origem biológica, tais como a borra de café, são exemplos de matérias-primas para a produção de biodiesel. A sua valorização tem interesse quer pela perspetiva ambiental, quer pela económica, pois aumenta não só a flexibilidade e diversificação das matérias-primas, mas também contribui para uma estabilidade de custos e alteração nas políticas agrícolas e de uso do solo. É neste contexto que se enquadra o biodiesel e a borra de café, pretendendo-se aqui efetuar o estudo da produção, à escala laboratorial, de biodiesel a partir da borra de café, por transesterificação enzimática, visando a procura das melhores condições reacionais. Iniciando-se com a caracterização da borra de café, foram avaliados antes e após a extração do óleo da borra de café, diversos parâmetros, de entre os quais se destacam: o teor de humidade (16,97% e 6,79%), teor de cinzas (1,91 e 1,57%), teor de azoto (1,71 e 2,30%), teor de proteínas (10,7 e 14,4%), teor de carbono (70,2 e 71,7%), teor de celulose bruta (14,77 e 18,48%), teor de lenhina (31,03% e 30,97%) e poder calorifico superior (19,5 MJ/kg e 19,9 MJ/kg). Sumariamente, constatou-se que os valores da maioria dos parâmetros não difere substancialmente dos valores encontrados na literatura, tendo sido evidenciado o potencial da utilização desta biomassa, como fonte calorifica para queima e geração de energia. Sendo a caracterização do óleo extraído da borra de café um dos objetivos antecedentes à produção do biodiesel, pretendeu-se avaliar os diferentes parâmetros mais significativos. No que diz respeito à caracterização do óleo extraído, distingue-se a sua viscosidade cinemática (38,04 mm2/s), densidade 0,9032 g/cm3, poder calorífico de 37,9 kcal/kg, índice de iodo igual a 63,0 gI2/ 100 g óleo, o teor de água do óleo foi de 0,15 %, o índice de acidez igual a 44,8 mg KOH/g óleo, ponto de inflamação superior a 120 ºC e teor em ácidos gordos de 82,8%. Inicialmente foram efetuados ensaios preliminares, a fim de selecionar a lipase (Lipase RMIM, TL 100L e CALB L) e álcool (metanol ou etanol puros) mais adequados à produção de biodiesel, pelo que o rendimento de 83,5% foi obtido através da transesterificação mediada pela lipase RMIM, utilizando como álcool o etanol. Sendo outro dos objetivos a otimização do processo de transesterificação enzimática, através de um desenho composto central a três variáveis (razão molar etanol: óleo, concentração de enzima e temperatura), recorrendo ao software JMP 8.0, determinou-se como melhores condições, uma razão molar etanol: óleo 5:1, adição de 4,5% (m/m) de enzima e uma temperatura de 45 ºC, que conduziram a um rendimento experimental equivalente a 96,7 % e teor de ésteres 87,6%. Nestas condições, o rendimento teórico foi de 99,98%. Procurou-se ainda estudar o efeito da adição de água ao etanol, isto é, o efeito da variação da concentração do etanol pela adição de água, para teores de etanol de 92%, 85% e 75%. Verificou-se que até 92% decorreu um aumento da transesterificação (97,2%) para um teor de ésteres de (92,2%), pelo que para teores superiores de água adicionada (75% e 85%) ocorreu um decréscimo no teor final em ésteres (77,2% e 89,9%) e no rendimento da reação (84,3% e 91,9%). Isto indica a ocorrência da reação de hidrólise em maior extensão, que leva ao desvio do equilíbrio no sentido contrário à reação de formação dos produtos, isto é, dos ésteres. Finalmente, relativamente aos custos associados ao processo de produção de biodiesel, foram estimados para o conjunto de 27 ensaios realizados neste trabalho, e que corresponderam a 767,4 g de biodiesel produzido, sendo o custo dos reagentes superior ao custo energético, de 156,16 € e 126,02 €, respetivamente. Naturalmente que não esperamos que, a nível industrial os custos sejam desta ordem de grandeza, tanto mais que há economia de escala e que as enzimas utilizadas no processo deveriam ser reutilizadas diversas vezes.

Otimização energética à secção das malhas

A presente dissertação realizada na empresa Continental-Indústria Têxtil do Ave, S.A., teve como objetivo a otimização energética da secção das malhas. Esta secção divide-se em duas áreas, a tricotagem e a ramulagem. Os artigos produzidos diferem no seu peso específico, composição e condições de operação, sendo os artigos A, B e C compostos por poliéster e termofixados a 190ºC e os artigos D e E compostos por poliéster e algodão, com uma temperatura de operação de 205ºC. Numa primeira etapa estudou-se o funcionamento da máquina de termofixação – a râmula – que opera em trabalho contínuo a 40 m/min. Esta máquina tem incorporado um permutador de calor, que aquece o ar fresco de entrada com os gases de exaustão das estufas. Posteriormente efetuou-se o levantamento energético de cada artigo, para as áreas de tricotagem e ramulagem. Verificou-se que os artigos D e E, pela sua constituição, são os que apresentam um consumo específico superior, em tep/ton. Entre as várias utilidades consumidas (gás natural, eletricidade e ar comprimido) o gás natural representa mais de 50% do consumo de energia total necessário para a produção de cada artigo. Após a completa análise aos consumos energéticos da râmula, foram realizados ensaios de otimização, tendo-se concluído que a diminuição do caudal de exaustão pode atingir valores de poupança anual de gás natural na ordem dos 3.000 €. Com o objetivo de avaliar o consumo de gás natural, não sendo possível a realização experimental, foram feitas simulações com base em alterações na corrente de entrada de ar fresco no permutador. Foi também estudada a possibilidade de isolamento e revestimento térmico da conduta exterior, projetada para o reaproveitamento do ar dos compressores, tendo-se obtido um orçamento de 2.500 €. Admitindo-se uma gama de temperaturas entre os 40ºC e os 60ºC, com um caudal de insuflação de 30%, obteve-se um payback entre os 0,97 e os 3,28 anos. Numa segunda fase admitiu-se uma temperatura média de 50ºC, aumentando o caudal de insuflação até 100%. O período de retorno obtido variou entre os 0,33 e os 1,38 anos, podendo as poupanças anuais atingirem os 7.600 €.

Esclonamento de máquinas de cogeração utilzando programação inteira mista

As centrais termoelétricas convencionais convertem apenas parte do combustível consumido na produção de energia elétrica, sendo que outra parte resulta em perdas sob a forma de calor. Neste sentido, surgiram as unidades de cogeração, ou Combined Heat and Power (CHP), que permitem reaproveitar a energia dissipada sob a forma de energia térmica e disponibilizá-la, em conjunto com a energia elétrica gerada, para consumo doméstico ou industrial, tornando-as mais eficientes que as unidades convencionais Os custos de produção de energia elétrica e de calor das unidades CHP são representados por uma função não-linear e apresentam uma região de operação admissível que pode ser convexa ou não-convexa, dependendo das caraterísticas de cada unidade. Por estas razões, a modelação de unidades CHP no âmbito do escalonamento de geradores elétricos (na literatura inglesa Unit Commitment Problem (UCP)) tem especial relevância para as empresas que possuem, também, este tipo de unidades. Estas empresas têm como objetivo definir, entre as unidades CHP e as unidades que apenas geram energia elétrica ou calor, quais devem ser ligadas e os respetivos níveis de produção para satisfazer a procura de energia elétrica e de calor a um custo mínimo. Neste documento são propostos dois modelos de programação inteira mista para o UCP com inclusão de unidades de cogeração: um modelo não-linear que inclui a função real de custo de produção das unidades CHP e um modelo que propõe uma linearização da referida função baseada na combinação convexa de um número pré-definido de pontos extremos. Em ambos os modelos a região de operação admissível não-convexa é modelada através da divisão desta àrea em duas àreas convexas distintas. Testes computacionais efetuados com ambos os modelos para várias instâncias permitiram verificar a eficiência do modelo linear proposto. Este modelo permitiu obter as soluções ótimas do modelo não-linear com tempos computationais significativamente menores. Para além disso, ambos os modelos foram testados com e sem a inclusão de restrições de tomada e deslastre de carga, permitindo concluir que este tipo de restrições aumenta a complexidade do problema sendo que o tempo computacional exigido para a resolução do mesmo cresce significativamente.

Otimização de MIZUSUMASHI

Nos dias de hoje as diferentes indústrias e sectores de atividade económica assentam os seus pilares de desenvolvimento na procura constante de fontes de melhoria, para que assim seja possível melhorar a relação qualidade / preço. Embora no setor industrial as melhorias e inovações tecnológicas surjam a cada dia, estas por si não chegam. Grande parte da otimização incorrida, quer na indústria de manufatura, quer na indústria de serviços, surge da “simples” eliminação de desperdícios, e da procura constante por fontes de melhoria. Com o objetivo traçado, a Grohe Portugal Componentes Sanitários, Lda. propôs a eliminação de desperdícios no âmbito do abastecimento de componentes às linhas de montagem existentes na sua fábrica em Albergaria-a-Velha. Este processo passa não só por uma otimização do tempo de abastecimento e das quantidades de abastecimento, mas também consiste na reestruturação das diferentes rotinas de abastecimento. Todo este processo de otimização estará assente no conceito de Mizusumashi. O Mizusumashi, ou comboio logístico como muitas vezes é referenciado, surge com o objetivo de separar a tarefa de abastecimento da função de montagem. A sua origem surge da adaptação do conceito de Milk Run (volta do leiteiro) à logística interna. Torna-se de relevo referir que, para que este “simples” conceito funcione com uma eficiência que proporcione a sua aplicação, são vastos os fatores que necessitam de ajustamentos ou mesmo, em alguns casos, de uma reestruturação completa. O trabalho desenvolvido nestas instalações fabris, e que culminou neste documento, teve como princípio a análise, avaliação e implementação de melhorias no sistema de abastecimento às linhas de montagem. Todo o processo de abastecimento foi analisado e desconstruído nas suas componentes, para que assim fosse possível desenhar o plano de reestruturação indicado. Foram implementadas melhorias de layout, tempos e tarefas. Os resultados foram positivos tendo em conta o objetivo inicial. Todo este plano foi pensado e documentado com o objetivo de tornar este sistema adaptável a possíveis mudanças. Foi possível então criar um sistema voltado para um plano de melhoria contínua. Com um abastecimento normalizado e rotinado a gestão de stocks é mais precisa diminuindo assim os desperdícios inerentes a estas funções.

Otimização dos sistemas biológicos e melhorias nos tratamentos da ETARI da Refinaria de Matosinhos

A Refinaria de Matosinhos é um dos complexos industriais da Galp Energia. A sua estação de tratamento de águas residuais industriais (ETARI) – designada internamente por Unidade 7000 – é composta por quatro tratamentos: o pré-tratamento, o tratamento físico-químico, o tratamento biológico e o pós-tratamento. Dada a interligação existente, é fundamental a otimização de cada um dos tratamentos. Este trabalho teve como objetivos a identificação dos problemas e/ou possibilidades de melhoria do pré-tratamento, tratamento físico-químico e pós-tratamento e principalmente a otimização do tratamento biológico da ETARI. No pré-tratamento verificou-se que a separação de óleos e lamas não era eficaz uma vez que se formam emulsões destas duas fases. Como solução, sugeriu-se a adição de agentes desemulsionantes, que se revelou economicamente inviável. Assim, sugeriu-se como alternativa o recurso a técnicas de tratamento da emulsão gerada, tais como a extração com solvente, centrifugação, ultrassons e micro-ondas. No tratamento físico-químico constatou-se que o controlo da unidade de saturação de ar na água era feito com base na análise visual dos operadores, o que pode conduzir a condições de operação afastadas das ótimas para este tratamento. Assim, sugeriu-se a realização de um estudo de otimização desta unidade com vista à determinação da razão ar/sólidos ótima para este efluente. Para além disto, constatou-se, ainda, que os consumos de coagulante aumentaram cerca de -- % no último ano, pelo que foi sugerido o estudo da viabilidade do processo de eletrocoagulação como substituto do sistema de coagulação existente. No pós-tratamento identificou-se o processo de lavagem dos filtros como sendo a etapa com possibilidade de ser otimizada. Através de um estudo preliminar concluiu-se que a lavagem contínua de um filtro por cada turno melhorava o desempenho dos mesmos. Constatou-se, ainda, que a introdução de ar comprimido na água de lavagem promove uma maior remoção de detritos do leito de areia, no entanto esta prática parece influenciar negativamente o desempenho dos filtros. No caso do tratamento biológico, identificaram-se problemas ao nível do tempo de retenção hidráulico do tratamento biológico II, que apresentou elevada variabilidade. Apesar de identificado concluiu-se que este problema era de difícil solução. Verificou-se, também, que o oxigénio dissolvido não era monitorizado, pelo que se sugeriu a instalação de uma sonda de oxigénio dissolvido numa zona de baixa turbulência do tanque de arejamento. Concluiu-se que o oxigénio era distribuído de forma homogénea por todo o tanque de arejamento e tentou-se identificar quais os fatores que influenciariam este parâmetro, no entanto, dada a elevada variabilidade do efluente e das condições de tratamento, tal não foi possível. Constatou-se, também, que o doseamento de fosfato para o tratamento biológico II era pouco eficiente já Otimização dos sistemas biológicos e melhorias nos tratamentos da ETARI da Refinaria de Matosinhos que em -- % dos dias se verificaram níveis baixos de fosfato no licor misto (< - mg/L). Foi, por isso, proposta a alteração do atual sistema de doseamento por gravidade para um sistema de bomba doseadora. Para além disso verificou-se que os consumos deste nutriente aumentaram significativamente no último ano (cerca de --%), situação que se constatou estar relacionada com um aumento da população microbiana para este período. Foi possível relacionar-se o aparecimento frequente de lamas à superfície dos decantadores secundários com incrementos repentinos de condutividade, pelo que se sugeriu o armazenamento do efluente nas bacias de tempestade, nestas situações. Verificou-se que a remoção de azoto era praticamente ineficaz uma vez que a conversão de azoto amoniacal em nitratos foi muito baixa. Assim, sugeriu-se o recurso à técnica de bio-augmentação ou a transformação do sistema de lamas ativadas num sistema bietápico. Por fim, constatou-se que a temperatura do efluente à entrada da ETARI apresenta valores bastante elevados para o tratamento biológico (aproximadamente de --º C) pelo que se sugeriu a instalação de uma sonda de temperatura no tanque de arejamento de modo a controlar de forma mais eficaz a temperatura do licor misto. Ainda no que diz respeito ao tratamento biológico, foi possível desenvolver-se um conjunto de ferramentas que visaram o funcionamento otimizado deste tratamento. Nesse sentido, foram apresentadas várias sugestões de melhoria: a utilização do índice volumétrico de lamas como indicador da qualidade das lamas em alternativa à percentagem de lamas; foi desenvolvido um conjunto de fluxogramas para a orientação dos operadores de exterior na resolução de problemas; foi criada uma “janela de operação” que pretende ser um guia de apoio à operação; foi ainda proposta a monitorização frequente da idade das lamas e da razão alimento/microrganismo.

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