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.

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 €.

Natural Gas location design and operation

A major determinant of the level of effective natural gas supply is the ease to feed customers, minimizing system total costs. The aim of this work is the study of the right number of Gas Supply Units – GSUs - and their optimal location in a gas network. This paper suggests a GSU location heuristic, based on Lagrangean relaxation techniques. The heuristic is tested on the Iberian natural gas network, a system modelized with 65 demand nodes, linked by physical and virtual pipelines. Lagrangean heuristic results along with the allocation of loads to gas sources are presented, using a 2015 forecast gas demand scenario.

Optimal location of gas supply units in natural gas system network

Natural gas industry has been confronted with big challenges: great growth in demand, investments on new GSUs – gas supply units, and efficient technical system management. The right number of GSUs, their best location on networks and the optimal allocation to loads is a decision problem that can be formulated as a combinatorial programming problem, with the objective of minimizing system expenses. Our emphasis is on the formulation, interpretation and development of a solution algorithm that will analyze the trade-off between infrastructure investment expenditure and operating system costs. The location model was applied to a 12 node natural gas network, and its effectiveness was tested in five different operating scenarios.

Optimization model for medium term natural gas commitment

In this paper we study the optimal natural gas commitment for a known demand scenario. This study implies the best location of GSUs to supply all demands and the optimal allocation from sources to gas loads, through an appropriate transportation mode, in order to minimize total system costs. Our emphasis is on the formulation and use of a suitable optimization model, reflecting real-world operations and the constraints of natural gas systems. The mathematical model is based on a Lagrangean heuristic, using the Lagrangean relaxation, an efficient approach to solve the problem. Computational results are presented for Iberian and American natural gas systems, geographically organized in 65 and 88 load nodes, respectively. The location model results, supported by the computational application GasView, show the optimal location and allocation solution, system total costs and suggest a suitable gas transportation mode, presented in both numerical and graphic supports.

Natural gas system operation: lagrangean optimization techniques

To comply with natural gas demand growth patterns and Europe´s import dependency, the gas industry needs to organize an efficient upstream infrastructure. The best location of Gas Supply Units – GSUs and the alternative transportation mode – by phisical or virtual pipelines, are the key of a successful industry. In this work we study the optimal location of GSUs, as well as determining the most efficient allocation from gas loads to sources, selecting the best transportation mode, observing specific technical restrictions and minimizing system total costs. For the location of GSUs on system we use the P-median problem, for assigning gas demands nodes to source facilities we use the classical transportation problem. The developed model is an optimisation-based approach, based on a Lagrangean heuristic, using Lagrangean relaxation for P-median problems – Simple Lagrangean Heuristic. The solution of this heuristic can be improved by adding a local search procedure - the Lagrangean Reallocation Heuristic. These two heuristics, Simple Lagrangean and Lagrangean Reallocation, were tested on a realistic network - the primary Iberian natural gas network, organized with 65 nodes, connected by physical and virtual pipelines. Computational results are presented for both approaches, showing the location gas sources and allocation loads arrangement, system total costs and gas transportation mode.

Capacidade antioxidante de bebidas comerciais

Mestrado em Engenharia Química

Natural organic matter fractionation along the treatment of water for human consumption

The main objective of this study was to characterize the organic matter present in raw water and along the treatment process, as well as its seasonal variation. A natural organic matter fractionation approach has been applied to Lever water treatment plant located in Douro River, in Oporto (Portugal). The process used was based on the sorption of dissolved organic matter in different types of ion exchange resins, DAX-8, DAX-4 and IRA-958, allowing its separation into four fractions: very hydrophobic acids (VHA), slightly hydrophobic acids (SHA), charged hydrophilic (CHA) and hydrophilic neutral (NEU). The dissolved organic carbon (DOC) determination was used to quantify dissolved organic matter. Samples were collected monthly, during approximately one year, from raw water captured at the surface and under the bed of the river, and after each step of the treatment: pre-filtration in sand/anthracite filters, ozonation, coagulation/flocculation, counter current dissolved air flotation and filtration (CoCoDAFF) and chlorination. The NEU fraction showed a seasonal variation, with maximum values in autumn for the sampling points corresponding to raw water captured at the surface and under the bed of the river. It was usually the predominating fraction and did not show a significant decrease throughout the treatment. Nevertheless their low concentration, the same occurred for the CHA and VHA fractions. There was an overall decrease in the SHA fraction throughout the water treatment (especially after CoCoDAFF and ozonation) as well as in the DOC. The TSUVA254 values obtained for raw water generally varied between 2.0 and 4.0 L mgC-1 m-1 and between 0.75 and 1.78 L mgC-1 m-1 for treated water. It was observed a decrease of TSUVA values along the treatment, especially after ozonation. These results may contribute to a further optimization in the process of treating water for human consumption.

Efeitos imediatos de um Sustained Natural Apophyseal Glide na atividade muscular dos eretores espinhais, na dor e na amplitude de flexão, em indivíduos com dor lombar crónica não específica

Introdução: O Sustained Natural Apophyseal Glide tem sido sugerido como uma técnica com potenciais benefícios na redução da dor e no aumento da amplitude de flexão lombar em indivíduos com dor lombar. Contudo, não existe evidência sobre esta técnica na atividade muscular dos eretores espinhais. Objetivo: Avaliar os efeitos imediatos de um Sustained Natural Apophyseal Glide na atividade muscular dos eretores espinhais, na intensidade da dor e na amplitude real de flexão lombar, em indivíduos com dor lombar crónica não específica. Métodos: Estudo experimental com uma amostra de 20 estudantes universitários, com dor lombar crónica não específica e com dor à flexão da coluna lombar, que foram aleatoriamente distribuídos em dois grupos: experimental - Sustained Natural Apophyseal Glide e placebo – intervenção placebo. Foram avaliadas a atividade muscular dos eretores espinhais recorrendo à eletromiografia de superfície (bioPLUX research®), a intensidade da dor através da Escala Visual Analógica e a amplitude real de flexão lombar pelo método de duplo inclinómetro (Universal Inclinometer®), antes e após a intervenção, pela análise do movimento de flexão-extensão do tronco. O nível de significância foi de 0,05. Resultados: Foram encontradas diferenças significativas, em ambos os grupos, para a fase de relaxamento (Grupo experimental: p=0,013 e Grupo placebo: p=0,047), assim como para a fase de extensão, no grupo experimental (p=0,037), verificando-se uma diminuição da atividade muscular da baseline para a avaliação final. A Análise da Covariância revelou que, relativamente à intensidade da dor, verificaram-se diferenças significativas entre os dois grupos (p=0,002), sendo que o grupo experimental diminuiu mais 2cm na Escala Visual Analógica do que o grupo placebo. Pela análise da amplitude real de flexão lombar, embora o aumento não fosse significativamente diferente entre os grupos (p=0,086), o grupo experimental teve mais 1,7º de aumento do que o grupo placebo. Conclusão: Os resultados sugerem que, a curto prazo, o Sustained Natural Apophyseal Glide parece produzir um efeito significativo na diminuição da atividade muscular dos eretores espinhais, durante o movimento dinâmico de extensão do tronco, assim como no alívio da dor. Embora não se tenham observado alterações significativas no aumento da amplitude articular, os resultados no grupo experimental foram superiores à diferença mínima detetável, sugerindo um efeito positivo da técnica aplicada.

Caracterização da matéria orgânica natural em águas para consumo humano

O tratamento de água para consumo humano tem por objectivos não só a sua qualidade em termos de parâmetros químicos e físicos, como também microbiológicos. Considerando que a MON pode afectar os sistemas de tratamento, a sua redução minimiza a formação de subprodutos de desinfecção, como por exemplo os trihalometanos e diminui o crescimento de microrganismos ao longo do sistema de distribuição. Nesse sentido tem havido recentemente uma grande evolução na investigação relativamente à remoção de matéria orgânica natural. O principal objectivo deste trabalho foi o de caracterizar a matéria orgânica presente na água bruta e ao longo do processo de tratamento, assim como a sua evolução sazonal. Os dados obtidos a partir desta caracterização poderão contribuir para uma futura optimização no processo de tratamento de águas de consumo. O processo utilizado baseou-se na sorção da matéria orgânica dissolvida em diferentes tipos de resinas de permuta iónica, DAX-8, DAX-4 e IRA-958, permitindo a sua separação em várias fracções: ácidos muito hidrofóbicos (VHA), ácidos ligeiramente hidrofóbicos (SHA), compostos hidrofílicos carregados (CHA) e hidrofílicos neutros (NEU). De acordo com os resultados obtidos apenas a fracção NEU demonstrou ter uma tendência sazonal, apresentando valores máximos no Verão, nos pontos de amostragem referentes à água bruta superficial (PA802) e água bruta superficial após pré-tratamento por filtração (PA800). Os valores de COD não mostraram uma variação sazonal para as amostras de água bruta superficial que rondaram os 2 mg C/L ao longo do período de amostragem (Julho a Outubro), durante o qual se verificou uma baixa pluviosidade e temperaturas médias muito semelhantes. Os compostos NEU predominam em todos os pontos de amostragem não apresentando uma tendência definida ao longo do tratamento. Observou-se uma diminuição das fracções SHA e CHA ao longo do tratamento. Não se pode indicar uma tendência definida relativamente à fracção VHA. Verifica-se globalmente uma diminuição do teor de MON ao longo do tratamento. Este trabalho demonstrou que na água bruta superficial existe uma predominância dos compostos NEU, seguidos dos SHA, dos VHA e finalmente dos compostos CHA. Na água bruta captada no sub-leito do rio, verifica-se apenas a existência dos compostos NEU, sendo as restantes fracções praticamente nulas. Os valores mais elevados de TSUVA254nm foram obtidos para as amostras que não sofreram qualquer tratamento, água bruta do sub-leito (PA903) e superficial (PA802), e água bruta após pré-filtração (PA800). Nos restantes pontos de amostragem, apesar de se verificarem valores inferiores, não se observa uma diminuição deste parâmetro ao longo do tratamento, nem uma variação sazonal. Os valores de TSUVA254nm obtidos são geralmente inferiores a 3 L.mgC-1.m-1, correspondendo a materiais não húmicos, que são considerados biodegradáveis. Para as amostras de água tratada os valores oscilam entre os 1,23 e 1,58 L.mgC-1.m-1, valores inferiores a 2 L.mgC-1.m-1, o que é considerado um valor de referência ao nível do tratamento, segundo a USEPA.

Flavoured versus natural waters: macromineral (Ca, Mg, K, Na) and micromineral (Fe, Cu, Zn) contents

Macro (Ca, Mg, K, Na) and micromineral (Fe, Zn, Cu) composition of 39 waters was analysed. Determinations were made by atomic flame spectrophotometry for macrominerals and electrothermic atomisation in graphite furnace for microminerals. Mineral contents of still or sparkling natural waters (without flavours) changed from brand to brand. Mann–Whitney test was used to search for significant differences between flavoured and natural waters. For that, the concentration of each mineral was compared to the presence of flavours, preservatives, acidifying agents, fruit juice and/or sweeteners, according to the labelled composition. The statistical study demonstrated that flavoured waters generally have increased contents of K, Na, Fe and Cu. The added preservatives also led to significant differences in the mineral composition. Acidifying agents and fruit juice can also be correlated to the increase of Mg, K, Na, Fe and Cu. Sweeteners do not provide any significant difference in Ca, Mg, Fe and Zn contents.

Amperometric and spectrophotometric determination of carbaryl in natural waters and commercial formulations

The work presented describes the development and evaluation of two flow-injection analysis (FIA) systems for the automated determination of carbaryl in spiked natural waters and commercial formulations. Samples are injected directly into the system where they are subjected to alkaline hydrolysis thus forming 1-naphthol. This product is readily oxidised at a glassy carbon electrode. The electrochemical behaviour of 1-naphthol allows the development of an FIA system with an amperometric detector in which 1-naphthol determination, and thus measurement of carbaryl concentration, can be performed. Linear response over the range 1.0×10–7 to 1.0×10–5 mol L–1, with a sampling rate of 80 samples h–1, was recorded. The detection limit was 1.0×10–8 mol L–1. Another FIA manifold was constructed but this used a colorimetric detector. The methodology was based on the coupling of 1-naphthol with phenylhydrazine hydrochloride to produce a red complex which has maximum absorbance at 495 nm. The response was linear from 1.0×10–5 to 1.5×10–3 mol L–1 with a detection limit of 1.0×10–6 mol L–1. Sample-throughput was about 60 samples h–1. Validation of the results provided by the two FIA methodologies was performed by comparing them with results from a standard HPLC–UV technique. The relative deviation was <5%. Recovery trials were also carried out and the values obtained ranged from 97.0 to 102.0% for both methods. The repeatability (RSD, %) of 12 consecutive injections of one sample was 0.8% and 1.6% for the amperometric and colorimetric systems, respectively.

Soil remediation time to achieve clean-up goals II: influence of natural organic matter and water contents

This work reports a relatively rapid procedure for the forecasting of the remediation time (RT) of sandy soils contaminated with cyclohexane using vapour extraction. The RT estimated through the mathematical fitting of experimental results was compared with that of real soils. The main objectives were: (i) to predict the RT of soils with natural organic matter (NOM) and water contents different from those used in experiments; and (ii) to analyse the time and efficiency of remediation, and the distribution of contaminants into the soil matrix after the remediation process, according to the soil contents of: (ii1) NOM; and (ii2) water. For sandy soils with negligible clay contents, artificially contaminated with cyclohexane before vapour extraction, it was concluded that: (i) if the NOM and water contents belonged to the range of the prepared soils, the RT of real soils could be predicted with relative differences not higher than 12%; (ii1) the increase of NOM content from 0% to 7.5% increased the RT (1.8–13 h) and decreased the remediation efficiency (RE) (99–90%) and (ii2) the increase of soil water content from 0% to 6% increased the RT (1.8–4.9 h) and decreased the RE (99–97%). NOM increases the monolayer capacity leading to a higher sorption into the solid phase. Increasing of soil water content reduces the mass transfer coefficient between phases. Concluding, NOM and water contents influence negatively the remediation process, turning it less efficient and more time consuming, and consequently more expensive.

Remediation efficiency of vapour extraction of sandy soils contaminated with cyclohexane: influence of air flow rate, water and natural organic matter content

Abstract This work reports the analysis of the efficiency and time of soil remediation using vapour extraction as well as provides comparison of results using both, prepared and real soils. The main objectives were: (i) to analyse the efficiency and time of remediation according to the water and natural organic matter content of the soil; and (ii) to assess if a previous study, performed using prepared soils, could help to preview the process viability in real conditions. For sandy soils with negligible clay content, artificially contaminated with cyclohexane before vapour extraction, it was concluded that (i) the increase of soil water content and mainly of natural organic matter content influenced negatively the remediation process, making it less efficient, more time consuming, and consequently more expensive; and (ii) a previous study using prepared soils of similar characteristics has proven helpful for previewing the process viability in real conditions.

Natural waste materials containing chitin as adsorbents for textile dyestuffs: batch and continuous studies

In this work three natural waste materials containing chitin were used as adsorbents for textile dyestuffs, namely the Anodonta (Anodonta cygnea) shell, the Sepia (Sepia officinalis) and the Squid (Loligo vulgaris) pens. The selected dyestuffs were the Cibacron green T3G-E (CI reactive green 12), and the Solophenyl green BLE 155% (CI direct green 26), both from CIBA, commonly used in cellulosic fibres dyeing, the most used fibres in the textile industry. Batch equilibrium studies showed that the materials’ adsorption capacities increase after a simple and inexpensive chemical treatment, which increases their porosity and chitin relative content. Kinetic studies suggested the existence of a high internal resistance in both systems. Fixed bed column experiments performed showed an improvement in adsorbents’ behaviour after chemical treatment. However, in the column experiments, the biodegradation was the main mechanism of dyestuff removal, allowing the materials’ bioregeneration. The adsorption was strongly reduced by the pore clogging effect of the biomass. The deproteinised Squid pen (grain size 0.500–1.41 mm) is the adsorbent with highest adsorption capacity (0.27 and 0.037 g/g, respectively, for the reactive and direct dyestuffs, at 20ºC), followed by the demineralised Sepia pen and Anodonta shell, behaving like pure chitin in all experiments, but showing inferior performances than the granular activated carbon tested in the column experiments.