Produção de bioetanol a partir de um resíduo orgânico proveniente da central de compostagem da LIPOR

Mestrado em Engenharia Química

Estudo do reaproveitamento energético de ar quente numa Olaria

Como o sector cerâmico é um consumidor intensivo de energia, este trabalho teve como objectivo principal a elaboração de um plano de optimização do desempenho energético da olaria número três da Fábrica Cerâmica de Valadares. Para o efeito, efectuou-se o levantamento energético desta fracção autónoma. O valor total obtido para os ganhos térmicos foi de 8,7x107 kJ/dia, sendo 82% desta energia obtida na combustão do gás natural. Por outro lado, as perdas energéticas rondam os 8,2x107 kJ/dia, sendo o ar de exaustão e a envolvente os principais responsáveis, com um peso de 42 % e 38%, respectivamente. Tendo em conta estes valores, estudaram-se várias medidas de isolamento da cobertura, pavimento, paredes e saída de ar através de fendas do edifício. No caso do isolamento da cobertura sugeriu-se a substituição das telhas de fibrocimento e do isolamento actualmente existentes por painéis sandwich de cobertura. Esta acção permite uma poupança de 64.796€/ano, com um investimento de 57.029€ e o seu período de retorno de 0,9 anos. O Valor Actualizado Líquido (VAL) no 5º ano foi de 184.069€, com uma Taxa Interna de Rentabilidade (TIR) de 92%. Para isolar o pavimento, sugeriu-se a utilização de placas de poliuretano expandido (PU) de 20mm de espessura. Assim, consegue-se uma poupança de 7.442 €/ano, com um investimento de 21.708€, e um tempo de retorno 2,9 anos. No final do 5º ano de vida útil do projecto, o VAL é de 4.070€ e a TIR 7%. Relativamente ao isolamento das paredes e pilares, sugeriu-se a utilização de placas de PU (30mm), recobertas com chapa de ferro galvanizado. O tempo de retorno do investimento é de 1,5 anos, uma vez que, o investimento é de 13.670€ e a poupança anual será de 9.183€. Esta solução apresenta no último ano um VAL de 12.835€ e uma TIR de 22%. No isolamento das fendas do edifício, sugeriu-se a redução de 20% da sua área livre. Esta medida de optimização implica um investimento de 8.000€, revelando-se suficientemente eficaz, pois apresenta um tempo de retorno de 0,67 anos. O VAL e a TIR da solução no último ano de vida útil do projecto de investimento são de 36.835€ e 35%, respectivamente. Por fim, sugeriu-se ainda a instalação de um sistema de controlo que visa o aproveitamento de ar quente proveniente do forno, instalado no piso inferior à olaria, para pré-aquecer o ar alimentado aos geradores de calor. Esta medida implicaria um investimento de 4.000€, com um tempo de retorno de 2,4 anos e uma poupança anual é de 1.686€. O investimento é aconselhável, já que, no 5º ano, o VAL é de 1.956€ e a TIR é de 17%.

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.

Simulação e programação offline de robôs industriais afectos a tarefas de lixagem

Este trabalho teve o intuito de testar a viabilidade da programação offline para tarefas de lixamento na empresa Grohe Portugal. Para tal era necessário perceber o que é a programação offline e para isso foi efectuada uma pesquisa referente a essa temática, onde ficou evidente que a programação offline é em tudo semelhante à programação online, tendo apenas como principal diferença o facto de não usar o robô propriamente dito durante o desenvolvimento do programa. Devido à ausência do robô, a programação offline exige que se conheça detalhadamente a célula de trabalho, bem como todas as entradas e saídas associadas à célula, sendo que o conhecimento das entradas e saídas pode ser contornada carregando um backup do robô ou carregando os módulos de sistema. No entanto os fabricantes habitualmente não fornecem informação detalhada sobre as células de trabalho, o que dificulta o processo de implementação da unidade no modelo 3D para a programação offline. Após este estudo inicial, foi efectuado um estudo das características inerentes a cada uma das células existentes, com o objectivo de se obter uma melhor percepção de toda a envolvente relacionada com as tarefas de lixamento. Ao longo desse estudo efectuaram-se vários testes para validar os diversos programas desenvolvidos, bem como para testar a modelação 3D efectuada. O projecto propriamente dito consistiu no desenvolvimento de programas offline de forma a minimizar o impacto (em especial o tempo de paragem) da programação de novos produtos. Todo o trabalho de programação era até então feito utilizando o robô, o que implicava tempos de paragem que podiam ser superiores a três dias. Com o desenvolvimento dos programas em modo offline conseguiu-se reduzir esse tempo de paragem dos robôs para pouco mais de um turno (8h), existindo apenas a necessidade de efectuar algumas afinações e correcções nos movimentos de entrada, saída e movimentações entre rotinas e unidades, uma vez que estes movimentos são essenciais ao bom acabamento da peça e convém que seja suaves. Para a realização e conclusão deste projecto foram superadas diversas etapas, sendo que as mais relevantes foram: - A correcta modelação 3D da célula, tendo em conta todo o cenário envolvente, para evitar colisões do robô com a célula; - A adaptação da programação offline para uma linguagem mais usual aos afinadores, ou seja, efectuar a programação com targets inline e criar diferentes rotinas para cada uma das partes da peça, facilitando assim a afinação; - A habituação à programação recorrendo apenas ao uso de módulos para transferir os programas para a célula, bem como a utilização de entradas, saídas e algumas rotinas e funcionalidades já existentes.

Self-mated tribological systems based on multilayer micro/nanocrystalline CVD diamond coatings

The tribological response of multilayer micro/nanocrystalline diamond coatings grown by the hot filament CVD technique is investigated. These multigrade systems were tailored to comprise a starting microcrystalline diamond (MCD) layer with high adhesion to a silicon nitride (Si3N4) ceramic substrate, and a top nanocrystalline diamond (NCD) layer with reduced surface roughness. Tribological tests were carried out with a reciprocating sliding configuration without lubrication. Such composite coatings exhibit a superior critical load before delamination (130–200 N), when compared to the mono- (60–100 N) and bilayer coatings (110 N), considering ∼10 µm thick films. Regarding the friction behaviour, a short-lived initial high friction coefficient was followed by low friction regimes (friction coefficients between 0.02 and 0.09) as a result of the polished surfaces tailored by the tribological solicitation. Very mild to mild wear regimes (wear coefficient values between 4.1×10−8 and 7.7×10−7 mm3 N−1 m−1) governed the wear performance of the self-mated multilayer coatings when subjected to high-load short-term tests (60–200 N; 2 h; 86 m) and medium-load endurance tests (60 N; 16 h; 691 m).

Microstructure, mechanical properties and chemical degradation of brazed AISI 316 stainless steel/alumina systems

The main aims of the present study are simultaneously to relate the brazing parameters with: (i) the correspondent interfacial microstructure, (ii) the resultant mechanical properties and (iii) the electrochemical degradation behaviour of AISI 316 stainless steel/alumina brazed joints. Filler metals on such as Ag–26.5Cu–3Ti and Ag–34.5Cu–1.5Ti were used to produce the joints. Three different brazing temperatures (850, 900 and 950 °C), keeping a constant holding time of 20 min, were tested. The objective was to understand the influence of the brazing temperature on the final microstructure and properties of the joints. The mechanical properties of the metal/ceramic (M/C) joints were assessed from bond strength tests carried out using a shear solicitation loading scheme. The fracture surfaces were studied both morphologically and structurally using scanning electron microscopy (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS) and X-ray diffraction analysis (XRD). The degradation behaviour of the M/C joints was assessed by means of electrochemical techniques. It was found that using a Ag–26.5Cu–3Ti brazing alloy and a brazing temperature of 850 °C, produces the best results in terms of bond strength, 234 ± 18 MPa. The mechanical properties obtained could be explained on the basis of the different compounds identified on the fracture surfaces by XRD. On the other hand, the use of the Ag–34.5Cu–1.5Ti brazing alloy and a brazing temperature of 850 °C produces the best results in terms of corrosion rates (lower corrosion current density), 0.76 ± 0.21 μA cm−2. Nevertheless, the joints produced at 850 °C using a Ag–26.5Cu–3Ti brazing alloy present the best compromise between mechanical properties and degradation behaviour, 234 ± 18 MPa and 1.26 ± 0.58 μA cm−2, respectively. The role of Ti diffusion is fundamental in terms of the final value achieved for the M/C bond strength. On the contrary, the Ag and Cu distribution along the brazed interface seem to play the most relevant role in the metal/ceramic joints electrochemical performance.

Adhesion and wear behaviour of NCD coatings on Si3N4 by micro-abrasion tests

Nanocrystalline diamond (NCD) coatings offer an excellent alternative for tribological applications, preserving most of the intrinsic mechanical properties of polycrystalline CVD diamond and adding to it an extreme surface smoothness. Silicon nitride (Si3N4) ceramics are reported to guarantee high adhesion levels to CVD microcrystalline diamond coatings, but the NCD adhesion to Si3N4 is not yet well established. Micro-abrasion tests are appropriate for evaluating the abrasive wear resistance of a given surface, but they also provide information on thin film/substrate interfacial resistance, i.e., film adhesion. In this study, a comparison is made between the behaviour of NCD films deposited by hot-filament chemical vapour deposition (HFCVD) and microwave plasma assisted chemical vapour deposition (MPCVD) techniques. Silicon nitride (Si3N4) ceramic discs were selected as substrates. The NCD depositions by HFCVD and MPCVD were carried out using H2–CH4 and H2–CH4–N2 gas mixtures, respectively. An adequate set of growth parameters was chosen for each CVD technique, resulting in NCD films having a final thickness of 5 m. A micro-abrasion tribometer was used, with 3 m diamond grit as the abrasive slurry element. Experiments were carried out at a constant rotational speed (80 r.p.m.) and by varying the applied load in the range of 0.25–0.75 N. The wear rate for MPCVD NCD (3.7±0.8 × 10−5 m3N−1m−1) is compatible with those reported for microcrystalline CVD diamond. The HFCVD films displayed poorer adhesion to the Si3N4 ceramic substrates than the MPCVD ones. However, the HFCVD films show better wear resistance as a result of their higher crystallinity according to the UV Raman data, despite evidencing premature adhesion failure.

Assessment of the environmental radiation by in situ gamma ray spectrometry

Naturally occurring radioactive materials (NORM) under certain conditions can reach hazardous radiological levels contributing to an additional exposure dose to ionizing radiation. Most environmental concerns are associated with uranium mining and milling sites, but the same concerns should be addressed to natural near surface occurrences of uranium as well as man-made sources such as technologically enhanced naturally occurring radioactive materials (TENORM) resulting from phosphates industry, ceramic industry and energy production activities, in particular from coal-fired power plants which is one of the major sources of increased exposure to man from enhanced naturally occurring materials. This work describes the methodology developed to assess the environmental radiation by in situ gamma spectrometry in the vicinity of a Portuguese coal fired power plant. The current investigation is part of a research project that is undergoing in the vicinity of Sines Coal-Fired Power Plant (south of Portugal) until the end of 2013.

Experimental study on polyester based concretes filled with glass fibre reinforced plastic recyclates – a contribution to composite materials sustainability

The development and applications of thermoset polymeric composites, namely fibre reinforced plastics (FRP), have shifted in the last decades more and more into the mass market [1]. Despite of all advantages associated to FRP based products, the increasing production and consume also lead to an increasing amount of FRP wastes, either end-of-lifecycle products, or scrap and by-products generated by the manufacturing process itself. Whereas thermoplastic FRPs can be easily recycled, by remelting and remoulding, recyclability of thermosetting FRPs constitutes a more difficult task due to cross-linked nature of resin matrix. To date, most of the thermoset based FRP waste is being incinerated or landfilled, leading to negative environmental impacts and supplementary added costs to FRP producers and suppliers. This actual framework is putting increasing pressure on the industry to address the options available for FRP waste management, being an important driver for applied research undertaken cost efficient recycling methods. [1-2]. In spite of this, research on recycling solutions for thermoset composites is still at an elementary stage. Thermal and/or chemical recycling processes, with partial fibre recovering, have been investigated mostly for carbon fibre reinforced plastics (CFRP) due to inherent value of carbon fibre reinforcement; whereas for glass fibre reinforced plastics (GFRP), mechanical recycling, by means of milling and grinding processes, has been considered a more viable recycling method [1-2]. Though, at the moment, few solutions in the reuse of mechanically-recycled GFRP composites into valueadded products are being explored. Aiming filling this gap, in this study, a new waste management solution for thermoset GFRP based products was assessed. The mechanical recycling approach, with reduction of GFRP waste to powdered and fibrous materials was applied, and the potential added value of obtained recyclates was experimentally investigated as raw material for polyester based mortars. The use of a cementless concrete as host material for GFRP recyclates, instead of a conventional Portland cement based concrete, presents an important asset in avoiding the eventual incompatibility problems arisen from alkalis silica reaction between glass fibres and cementious binder matrix. Additionally, due to hermetic nature of resin binder, polymer based concretes present greater ability for incorporating recycled waste products [3]. Under this scope, different GFRP waste admixed polymer mortar (PM) formulations were analyzed varying the size grading and content of GFRP powder and fibre mix waste. Added value of potential recycling solution was assessed by means of flexural and compressive loading capacities of modified mortars with regard to waste-free polymer mortars.

Certificação de filtros em fatores de transmissão e de cerâmicas em fatores de reflexão, em colorimetria

Mestrado em Engenharia Química - Tecnologias de Protecção Ambiental

Optimização energética das estufas de secagem de uma indústria de cerâmica

A gestão de energia é um dos factores chave do sucesso de uma empresa e como qualquer outro factor de produção deve ser gerido continuamente e eficazmente. A gestão correcta do consumo de energia assume-se como crucial nas empresas do sector cerâmico pois exigem grande consumo de gás natural. Também a tendência de aumento do custo do gás natural tem induzido a necessidade de minimização do consumo de combustível nas indústrias e favorecido o desenvolvimento de novas abordagens para a optimização deste recurso natural. O trabalho apresentado nesta tese teve como objectivo a optimização da energia nas estufas de secagem na Fábrica de Cerâmica de Valadares S.A. A actividade desta empresa consiste na produção de louça sanitária envolvendo um consumo elevado de energia. Realizou-se um levantamento das condições técnicas/operacionais dos equipamentos em estudo e elaborou-se uma ferramenta de simulação que foi aplicada para realizar um balanço energético detalhado e diagnóstico da situação existente. No seguimento, foi efectuada uma análise de mercado, para elaboração do estudo económico da implementação das medidas sugeridas, nomeadamente, a recuperação dos gases de combustão que saem das três estufas que secam os moldes para as estufas de louça cerâmica. Optou-se por esta medida uma vez que reduzirá significativamente, em cerca de 50%, o consumo de combustível (gás natural) nas estufas de secagem. O tempo de retorno do investimento necessário para adquirir o equipamento é de, aproximadamente, 10 meses.

Desenvolvimento de programação offline e de novos processos robotizados de lixamento

Atualmente a vantagem competitiva de uma empresa passa pela sua rápida adaptação às variações de procura do mercado, sendo necessário garantir elevados níveis de produtividade e, simultaneamente, grande flexibilidade, indispensável ao fabrico de pequenos lotes. A necessidade de ajuste do processo e a diminuição da média de vida do produto levam a paragens cada vez mais frequentes da célula de fabrico para programação e afinação, com consequentes perdas de produtividade. De forma a dar resposta a estes problemas, neste trabalho é testada a viabilidade da utilização da programação e simulação offline de tarefas de lixamento na Grohe Portugal, complementando a solução com o desenvolvimento de um novo método de afinação do programa, permitindo uma adaptação às flutuações do processo produtivo. Para isso foi necessário analisar o estado da arte dos robôs industriais na área de acabamento superficial e respetivos métodos de programação. Em seguida, após um trabalho prévio rigoroso de preparação e modelação da célula de trabalho, é possível fazer a programação offline das várias rotinas e trajetórias complexas que compõem um ciclo de lixamento de um produto, contribuindo para o aumento da qualidade do produto final sem comprometer os níveis de produtividade. Nesta dissertação são descritos e detalhados alguns dos procedimentos fulcrais no sucesso da aplicação deste método de programação. Por último é feita uma nova abordagem ao método de ajuste ponto-a-ponto convencional, desenvolvendo-se para isso um sistema de ajuste automático do programa, dotando o robô da capacidade de se adaptar às variações do processo, assegurando a consistência do mesmo. Foram realizados testes em pequena escala, extrapolando-se os resultados para a aplicação deste novo método no processo produtivo da Grohe Portugal, como forma de complemento ao método convencional de ajuste ponto-a-ponto do programa, reduzindo o tempo de paragem da célula de trabalho.

Novel LTCC-potentiometric microfluidic device for biparametric analysis of organic compounds carrying plastic antibodies as ionophores: Application to sulfamethoxazole and trimethoprim

Monitoring organic environmental contaminants is of crucial importance to ensure public health. This requires simple, portable and robust devices to carry out on-site analysis. For this purpose, a low-temperature co-fired ceramics (LTCC) microfluidic potentiometric device (LTCC/μPOT) was developed for the first time for an organic compound: sulfamethoxazole (SMX). Sensory materials relied on newly designed plastic antibodies. Sol–gel, self-assembling monolayer and molecular-imprinting techniques were merged for this purpose. Silica beads were amine-modified and linked to SMX via glutaraldehyde modification. Condensation polymerization was conducted around SMX to fill the vacant spaces. SMX was removed after, leaving behind imprinted sites of complementary shape. The obtained particles were used as ionophores in plasticized PVC membranes. The most suitable membrane composition was selected in steady-state assays. Its suitability to flow analysis was verified in flow-injection studies with regular tubular electrodes. The LTCC/μPOT device integrated a bidimensional mixer, an embedded reference electrode based on Ag/AgCl and an Ag-based contact screen-printed under a micromachined cavity of 600 μm depth. The sensing membranes were deposited over this contact and acted as indicating electrodes. Under optimum conditions, the SMX sensor displayed slopes of about −58.7 mV/decade in a range from 12.7 to 250 μg/mL, providing a detection limit of 3.85 μg/mL and a sampling throughput of 36 samples/h with a reagent consumption of 3.3 mL per sample. The system was adjusted later to multiple analyte detection by including a second potentiometric cell on the LTCC/μPOT device. No additional reference electrode was required. This concept was applied to Trimethoprim (TMP), always administered concomitantly with sulphonamide drugs, and tested in fish-farming waters. The biparametric microanalyzer displayed Nernstian behaviour, with average slopes −54.7 (SMX) and +57.8 (TMP) mV/decade. To demonstrate the microanalyzer capabilities for real applications, it was successfully applied to single and simultaneous determination of SMX and TMP in aquaculture waters.

Projecto de Instalação de Processamento de Material Feldspático. Caso de Estudo:Argemela

Feldspato é o nome dado a uma importante família de minerais, do grupo dos tectossilicatos, que compõem o material rochoso de mais de 60% da crusta terrestre. Estes minerais são constituintes essenciais da maior parte das rochas cristalinas e a sua importância é tal que o seu estudo constitui um capítulo fundamental da petrografia. Dada a sua grande incidência na crusta terrestre, os feldspatos ocorrem em diversos cenários geológicos, desde os depósitos pegmatitos, aos aplitos, granitos, sienitos nefelínicos e ainda areias feldspáticas. As suas características químicas, físicas e mineralógicas fazem com que este grupo de minerais esteja presente nas mais diversificadas indústrias, tais como a vidreira, cerâmica, tintas, borrachas, plásticos, abrasivos ligeiros, elétrodos de soldadura, entre outros. Em Portugal, as principais unidades produtoras de feldspatos encontram‐se distribuídas pelo Norte e Centro do país, mais concretamente pelos distritos de Viana do Castelo, Braga, Vila Real, Porto, Viseu e Guarda. Novos estudos geológicos acompanhados de prospeções, nomeadamente na região do maciço central, têm sido efetuados com vista à descoberta de novos depósitos com potencial para exploração deste importante mineral. O depósito aplítico da Argemela, no concelho do Fundão apresenta‐se como um depósito cujas dimensões e qualidade apresentadas indicam a possibilidade de exploração. Nesse sentido, o presente trabalho consiste em analisar e caracterizar os materiais presentes na quele depósito mineral, tendo em vista a respectiva aplicação industrial, e posteriormente propor uma instalação de processamento do material para que o mesmo seja comercializado. Também será objeto deste trabalho a análise da viabilidade económica do projeto, mais concretamente fazendo a previsão do investimento inicial de modo a somar os custos de produção correntes e avaliar o retorno com base na comercialização do material no modo “Ex Works”.

Estudo da Resistência Mecânica do Betão com Agregado Cerâmico Vermelho

Os sectores da construção e demolição de edifícios são responsáveis por um elevado volume de produção de resíduos. Estes resíduos são normalmente direcionados para aterros, que se encontram, neste momento, sobrelotados. Esta falta de capacidade de receção de resíduos tem como consequência imediata o aumento dos valores monetários associados ao depósito destes materiais excedentários. Com a elevada produção destes resíduos torna-se importante a sua reciclagem e reutilização. No caso da Engenharia Civil, uma grande produtora de resíduos, seria ainda mais interessante o seu reaproveitamento imediato na área. Nesta investigação, pretendeu-se avaliar o desempenho mecânico de betões com diferentes percentagens de agregados cerâmicos vermelhos. Essa investigação passou numa fase inicial pelo estado fresco do betão, de forma a analisar a sua trabalhabilidade. Na fase seguinte, analisou-se no estado endurecido, a resistência à compressão e resistência à tração por compressão diametral. Para concretização deste objetivo produziram-se três tipos de betões: um de referência (areia fina e brita fina), um betão com incorporação de agregados finos e grossos de cerâmica vermelha, juntamente com a areia fina e a brita fina, e o terceiro, um betão com a substituição total da areia fina por cerâmica fina. A realização desta investigação, demostrou que os betões com a incorporação de agregado cerâmico vermelho apresentam resultados de boa qualidade, sendo plausível a sua utilização em estruturas.