Concepção de um reactor batch multifunções

Mestrado em Engenharia Química

Recuperação do calor de um efluente primário para aquecimento de lamas de um reactor anaeróbio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo da possibilidade de recuperação de calor de um efluente proveniente do tratamento primário da fábrica do grupo Portucel Soporcel (fábrica produtora de pasta de papel), para o aquecimento da corrente de lamas do digestor anaeróbio da SimRia S.A. – ETAR Norte, (ambas localizadas em Cacia, distrito de Aveiro). A solução consiste na implementação de um sistema de permuta térmica entre estas duas correntes, constituído fundamentalmente por dois permutadores de placas em espiral, montados em paralelo que operam em contra-corrente. Segundo este novo sistema de aquecimento, as lamas abandonam o digestor anaeróbio da mesma ETAR a um caudal de 110 m3/h, que se dividirá em duas linhas, sendo admitidas em cada permutador a 55 m3/h e a uma temperatura de 32 ºC regressando ao digestor a uma temperatura de 37 ºC (temperatura óptima a que ocorre a digestão anaeróbia das lamas). O efluente disponível, abandona o tratamento primário da Portucel, a 45 ºC e é encaminhado até aos permutadores da SimRia S.A., onde vai trocar calor com as lamas e regressa à Portucel a 40ºC, sendo admitido nas torres de arrefecimento da fábrica de papel. A nova instalação proposta pretende substituir a actual existente na ETAR em causa, em que a corrente de água que aquece as lamas, circula num circuito fechado entre um único permutador e uma caldeira, alimentada com o biogás que se produz no digestor anaeróbio, e que é responsável pelo controlo da temperatura da corrente de água. Pretende-se que a implementação deste novo método de aquecimento de lamas seja uma alternativa económica relativamente ao actual sistema, uma vez que vai substituir a corrente de biogás alimentada à caldeira podendo este recurso ser transformado em energia eléctrica e posteriormente comercializada. A análise financeira realizada ao projecto demonstrou que o projecto é rentável, uma vez que, a diferença entre todos ganhos e custos ao fim dos 10 anos de vida útil estimados é de cerca de 150 000,0 €. O período de retorno do investimento é alcançado no final dos primeiros 6 anos e a taxa interna de rentabilidade obtida foi de 36 %. Posteriormente incluiu-se neste estudo a possibilidade de tratamento das lamas geradas na fábrica da Portucel na ETAR da SimRia recorrendo a um terceiro digestor. Conclui-se que se trata duma opção vantajosa, uma vez que permite obter um caudal de biogás 44 m3/h, que convertido em potência permite obter 150 kW que poderá ser aproveitado para produção de energia ou comercializado gerando uma receita adicional de 130 000,0 €/ano para as entidades envolvidas.

PPO Reaction Scale-up

O óxido de polifenileno com a marca comercial PPO® é uma das resinas principais produzidas na SABIC IP e o ingrediente principal do plástico de engenharia com a marca registada, Noryl®. A equipa de tecnologia de processo de PPO® desenvolve uma série de novos produtos em reactores de pequena escala, tanto em Selkirk como em Bergen op Zoom. Para se efectuar uma transição rápida da escala laboratorial para a fábrica, é necessário um conhecimento completo do reactor. O objectivo deste projecto consiste em esboçar linhas gerais para o scale-up de novos produtos de PPO1, do laboratório para a escala industrial, baseado no estudo de um tipo de PPO, PPO 803. Este estudo pode ser dividido em duas fases. Numa primeira fase, as receitas e os perfis da reacção são comparados, de onde se retiram as primeiras conclusões. Posteriormente, com base nestas conclusões, é realizado um planeamento experimental. O estudo inicial sugeriu que a receita, a temperatura inicial do reactor e a velocidade do agitador poderiam influenciar o tempo da reacção bem como a queda da velocidade intrínseca do polímero (IV drop). As reacções experimentais mostraram que a receita é o principal factor que influencia, tanto o tempo de reacção, como a queda de viscosidade intrínseca. O tempo de reacção será tanto maior quanto menor a agitação devido à má dispersão do oxigénio na mistura. O uso de temperaturas iniciais elevadas conduz a uma queda maior da viscosidade intrínseca devido à desactivação do catalisador. O método experimental utilizado no laboratório de Bergen op Zoom é um bom exemplo, simulador, do procedimento utilizado na fábrica.

Dimensionamento de um reactor de leito fluidizado para gasificação de biomassa

Na actualidade, quando se procura a diversificação energética, em especial de fontes renováveis, a gasificação surge como uma forma promissora de aproveitamento da biomassa, nomeadamente dos resíduos florestais, para a geração de energia eléctrica. Neste contexto, passou-se em revista as diversas formas de gasificação, a sua evolução histórica e os diversos tipos de reactores com as suas vantagens e desvantagens. De igual forma, foram analisadas as disponibilidades e características da biomassa no mundo e em Portugal, destacando-se as suas potencialidades e as dificuldades no seu aproveitamento. Fez-se o dimensionamento de um reactor-gasificador de leito fluidizado borbulhante à escala piloto, bem como dos equipamentos complementares, sistema de alimentação, ventilador, ciclone, filtro para o gás produzido e gerador eléctrico. As dimensões dum reactor para trabalhos laboratoriais foram determinadas por cálculo das condições hidrodinâmicas, que, também, permitiram calcular o caudal de ar a utilizar. Por balanços materiais, considerando-se uma composição experimental do gás de síntese citada na literatura, determinou-se uma possível composição da alimentação e um caudal de alimentação.

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.

Fast screening procedure for antibiotics in wastewaters by direct HPLC-DAD analysis

Growing concern about the contamination of wastewaters by antibiotics demands fast but sensitive analytical methodologies, for the screening of a large number of samples. The purpose of this work was to develop a simple methodology, using direct injection of the samples, by HPLC with diode array detection (DAD), for a multiresidue analysis of five antibiotics of different classes. Wastewater from an urban water treatment plant was selected as a model to study possible coelution of interfering compounds. The linearity interval ranged from 40 to 400 µg/L for amoxicillin (Amox), metronidazole (Metro), cefazolin (Cefa), and chloramphenicol (Chloram) and from 20 to 200 µg/L for sulfamethoxazole (Sulfa), with LODs lower than 14 µg/L. Repeatability, expressed by the CV of six repeated injections, ranged from 1 to 8%, while the intermediate precision varied between 2 and 11%. The recovery ranged from 90 to 109%. This method enables the fast screening of a large number of samples, with an expanded uncertainty in the 1–22% range. The advantage of the proposed method is to significantly reduce the number of samples to be analyzed by more complex methods.

Fast mobility support in low-power wireless networks: smart-HOP over RPL/6LoWPAN

With the emergence of low-power wireless hardware new ways of communication were needed. In order to standardize the communication between these low powered devices the Internet Engineering Task Force (IETF) released the 6LoWPAN stand- ard that acts as an additional layer for making the IPv6 link layer suitable for the lower-power and lossy networks. In the same way, IPv6 Routing Protocol for Low- Power and Lossy Networks (RPL) has been proposed by the IETF Routing Over Low power and Lossy networks (ROLL) Working Group as a standard routing protocol for IPv6 routing in low-power wireless sensor networks. The research performed in this thesis uses these technologies to implement a mobility process. Mobility management is a fundamental yet challenging area in low-power wireless networks. There are applications that require mobile nodes to exchange data with a xed infrastructure with quality-of-service guarantees. A prime example of these applications is the monitoring of patients in real-time. In these scenarios, broadcast- ing data to all access points (APs) within range may not be a valid option due to the energy consumption, data storage and complexity requirements. An alternative and e cient option is to allow mobile nodes to perform hand-o s. Hand-o mechanisms have been well studied in cellular and ad-hoc networks. However, low-power wireless networks pose a new set of challenges. On one hand, simpler radios and constrained resources ask for simpler hand-o schemes. On the other hand, the shorter coverage and higher variability of low-power links require a careful tuning of the hand-o parameters. In this work, we tackle the problem of integrating smart-HOP within a standard protocol, speci cally RPL. The simulation results in Cooja indicate that the pro- posed scheme minimizes the hand-o delay and the total network overhead. The standard RPL protocol is simply unable to provide a reliable mobility support sim- ilar to other COTS technologies. Instead, they support joining and leaving of nodes, with very low responsiveness in the existence of physical mobility.

Reliable and Fast Hand-Offs in Low-Power Wireless Networks

Hand-off (or hand-over), the process where mobile nodes select the best access point available to transfer data, has been well studied in wireless networks. The performance of a hand-off process depends on the specific characteristics of the wireless links. In the case of low-power wireless networks, hand-off decisions must be carefully taken by considering the unique properties of inexpensive low-power radios. This paper addresses the design, implementation and evaluation of smart-HOP, a hand-off mechanism tailored for low-power wireless networks. This work has three main contributions. First, it formulates the hard hand-off process for low-power networks (such as typical wireless sensor networks - WSNs) with a probabilistic model, to investigate the impact of the most relevant channel parameters through an analytical approach. Second, it confirms the probabilistic model through simulation and further elaborates on the impact of several hand-off parameters. Third, it fine-tunes the most relevant hand-off parameters via an extended set of experiments, in a realistic experimental scenario. The evaluation shows that smart-HOP performs well in the transitional region while achieving more than 98 percent relative delivery ratio and hand-off delays in the order of a few tens of a milliseconds.

Simulação de um processo de pirólise rápida de biomassa

Mestrado em Engenharia Química - Ramo Optimização Energética na Indústria Química