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Intensificação de Processos
EngIQ – Gestão de Energia e Ambiente
12 de Março 2011
Cristina Gaudêncio Baptista
• Significado e origem
• Áreas de actuação
• “Driving-forces” para o seu desenvolvimento
• Algumas aplicações
• Conclusões
Intensificação de Processos:
Numa época em que a indústria química enfrentaenormes desafios devido a:
• Matérias primas não renováveis disponíveis
• Custo da energia
• Preservação do meio ambiente
• Segurança das instalações industriais
A melhoria da eficiência energética e ecológica dos processos é um objectivo importante
Intensificação de Processos: significado e origem
Discutida desde o início da década de 80, a “1st International Conference on Process Intensification in the Chemical Industry” realizou-se em 1995.
• Compacto
• Segurança
• Eficiência energética
• Ambiente
• Sustentabilidade
Intensificação de Processos: Significado e origem
1983 – Redução da DIMENSÃO da fábrica mantendo a mesma produção. (Ramshaw)
2000 – NOVOS EQUIPAMENTOS e TÉCNICAS queconduzem a melhoria significativa na produção e processamento de compostos químicos, REDUZINDOconsideravelmente a DIMENSÃO dos equipamentos, o CONSUMO de ENERGIA e a PRODUÇÃO de RESÍDUOS.
Processo/tecnologia mais segura, mais sustentável e uma redução de custos. (Stankiewicz e Moulijn)
Intensificação de Processos: significado e origem
Intensificação de Processos: significado e origem
Stankiewicz, A. e Moulijn, J.,“Process Intensification Transforming Chemical Engineering”, Chem. Eng. Progr., Jan (2000), 22-34
2003 – Novas tecnologias que substituem as equipamentos/processos actuais por outros de menor dimensão, menor investimento e mais eficientes ou que combinam VÁRIOS PROCESSOS NUM ÚNICO EQUIPAMENTO. (Tsouris e Porcelli)
Intensificação de Processos: significado e origem
Stankiewicz, A. e Moulijn, J.,Ind. Eng. Chem. Res., Vol 41, nº 8 (2002), 1920-1924.
Intensificação de Processos: significado e origem
É hoje considerada como uma das área mais promissoras
para o desenvolvimento da indústria química e nas últimas
décadas tem sido um campo de investigação.
Os exemplos de aplicação à escala industrial são ainda em número reduzido.
Intensificação de Processos: áreas de actuação
Stankiewicz, A. e Moulijn, J.,“Process Intensification Transforming Chemical Engineering”, Chem. Eng. Progr., Jan (2000), 22-34
(adaptado)
Intensificação de Processos: áreas de actuação
Stankiewicz, A. e Moulijn, J.,“Process Intensification Transforming Chemical Engineering”, Chem. Eng. Progr., Jan (2000), 22-34
IP: “driving-forces” para o seu desenvolvimento
European Roadmap for Process Intensification em
http://www.senternovem.nl/energytransition/downloads)
IP: “driving-forces” para o seu desenvolvimento
•Selectividadeefluentes
•Economia energiaBaixa
•Flexibilidade
•Segurança fábrica•Fiabilidade•Fiabilidade•FiabilidadeMédia
•Economia energia•Selectividade•Segurança•Impacto social
•Funcionalidade
•Segurança
•Qualidade prod.•Regulamentação
oRendimento•Segurança
oDisponibilidade•Competitividade•CompetitividadeElevada
•Competitividade •Competitividade•Selectividade•Economia energia
AlimentarConsumo
Ingredientes Alimentar
Fina+Farmacêut.
Petro+QuímicaImportância
As vantagens podem ser :
Petro+Química- maior eficiência energenergéética tica ––
5% (105% (10--20 anos), 20% (3020 anos), 20% (30--40 anos)40 anos)
Fina+Farmacêut. - redução custos (energia e matérias primas)
20% (520% (5--10 anos), 50% (1010 anos), 50% (10--15 anos)15 anos)
IP: “driving-forces” para o seu desenvolvimento
European Roadmap for Process Intensification emhttp://www.senternovem.nl/energytransition/downloads)
Ingredientes Alimentar > eficiência energética remoção água 25% (5-10 anos), 75% (10-15 anos)menores custos processo 30% (10 anos), 60% (30-40 anos)
Alimentar Consumo > eficiência energética proc. preservação
10-15% (10 anos), 30-40% (40 anos)aumento capacidade 60% (40 anos)
descontínuo-> contínuo 30% (40 anos)30% (40 anos)
IP: “driving-forces” para o seu desenvolvimento
Estas vantagens são obtidas através:
•• MaximizaMaximizaçção dos processos intra e ão dos processos intra e
intermolecularesintermoleculares
•• As mesmas condiAs mesmas condiçções para cada molões para cada molééculacula
•• OptimizaOptimizaçção das ão das ““drivingdriving forcesforces”” em todas as em todas as
escalas e das superfescalas e das superfíícies em que são aplicadascies em que são aplicadas
•• MaximizaMaximizaçção das sinergias entre processosão das sinergias entre processos
IP: “driving-forces” para o seu desenvolvimento
Misturadores estáticosIP: alguns exemplos de aplicação
• Promovem mistura radial
• Aumentam a área interfacial
• Diminui o consumo de energia
• Desvantagem: fácil obstrução do equipamento (50 -1000 µm)
Stankiewicz, A. e Moulijn, J.,“Process Intensification Transforming Chemical Engineering”, Chem. Engng Progress, Jan (2000), 22-34
IP: alguns exemplos de aplicação
•Perda de carga muito reduzida escoamento 1 ou 2 fases.
•Área catalítica superior (1,5 a 4 x)
•Elevada eficiência devido aos percursos de difusão muito curtos
•Excelentes resultados quando a resistência à transferência de massa pode ser limitativa.
•Fácil instalar, substituir…
•Possibilidade de alimentação distribuida
•Escoamento muito próximo de “tipoêmbolo”.
Problema: transferência de calor
Monolith catalyst
Stankiewicz, A. e Moulijn, J.,“Process Intensification Transforming Chemical Engineering”, Chem. Engng Progress, Jan (2000), 22-34
Spinning disk reactorIP: alguns exemplos de aplicação
Em: http://www.protensive.co.uk/pages/equipment/category/categoryid=SDR
• Fluidos viscosos e transferência de calor elevada
• No escoamento sobre uma superfície inclinada e emmovimento rotativo formam-se ondas e o filme junto àsuperfície é muito instável
IP: “driving-forces” para o seu desenvolvimento
Spinning disk reactorO líquido é alimentado no centro do disco rotativo e, no seu movimento radial, a força centrifuga dá origem à formação de ondas fortes →Coef. Transf. Calor (disco-fluido) mto elevados +Coef. Transf massa (L-G) mto elevadosOndas → mistura local intensaNão há “back mixing” → tipo êmboloTempo de residência baixosPouco “ fouling”Reacções exotérmicasCoeficientes de transferência de calor superiores a 20 kW/m2 KEm: http://www.protensive.co.uk/pages/equipment/category/categoryid=SDR
Spinning disk reactorIP: alguns exemplos de aplicação
Trabalha com volumes reduzidos
Aspectos de segurança muito melhorados
Produção pode ser substituída mto rapidamente sem
perda de produto ou contaminação.
IP: alguns exemplos de aplicação
Microreactores:• Melhorias na transferência de massa
• Controlo de temperatura mais eficiente
• Menores volumes de reagentes
Com maior segurança é possível trabalhar com condições de operação mais “agressivas”
• Atingir conversões mais elevadas
• Maior selectividade
• Menos resíduos (waste), menos desperdício de matérias primas
IP: alguns exemplos de aplicação -microreactores
Lab-scale caterpillar micromixer with central elementmade from MacorCPMM-R300/8-MacorCentral element embedded in polymeric surrounding
Lab-scale interdigital micromixer with centralelement made fromglassy carbonSIMM-V2-GC
Lab-scale caterpillar micromixerwith central element made fromspecial alloyCPMM-R150/8-…
IP: alguns exemplos de aplicação - microreactores
Um trabalho de revisão publicado em 2009V. Hessel, P. Löb, H. Löwe, Industrial Microreactor Process
Development up to Production, in “Micro Process Engineering – A Comprehensive Handbook – Volume 3”, Eds. V. Hessel, A. Renken, J. C. Schouten, J. Yoshida, p. 181 – 247, 2009, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim.*
• lista 45 exemplos de aplicações de microreactores em instalaçõespiloto em construção
• Entre estes 45 exemplos apenas 5 correspondem a reacções líquido-líquido onde – Produção máxima é cerca de 15 kg/h – Não dão informação detalhada sobre o scale-up da unidade.
IP: alguns exemplos de aplicação microreactores escala piloto/industrial
Produção nitroglicerinaXi´an Huian Industrial Group, ChinaReactor da IMM (micromisturador-reactor tubular)Objectivos: selectividade elevada e segurançaProdução 15 kg/h (produto)
Reacção nitraçãoLonza Ltd., SuiçaReactor multi-injecção da CorningProdução alguns kg de produto em 24 h
Produção Líquidos IónicosIoLiTec, Alemanha
Oxidação metilnaftaleno com H2O2Investigação no MCPT, JapãoOperação a temperatures mais elevada mantendo boa selectividade
Suzuki coupling para produção OLEDCovion (agora Merck), AlemanhaReactor resultante de cooperação AG, IMM GmbH e microglas chemtech GmbH…
IP: alguns exemplos de aplicação
HEX Reactor para reacções rápidas e exotérmicas
Em: http://www.bhrgroup.co.uk/pi/hexreactor.htm
Permutador de calor compacto com uma zona com actividade catalítica.
A capacidade catalítica é devida à cobertura da superfície por catalisador ou à introdução de catalisador estruturado.
A estrutura de permutador compacto permite dissipar o calor da reacção.
Por um projecto à medida, permite controlar as velocidades de reacção e transferência de calor através de uma boa conjugação de:
velocidade de reacção ↔ velocidade de mistura
mecanismo reacção ↔ padrão de escoamento
tempo de reacção ↔ tempo de residência
“exotermicidade” ↔ transferência de calor
•Reacções fase líquida e duas fases
Destilação ReactivaIP: alguns exemplos de aplicação
Em: http://www.engin.umich.edu/~cre/web_mod/distill/
IP: alguns exemplos de aplicação
A aplicabildade da DR depende de factores como a volatilidade de reagentes e produtos conjugadas com a temperatura de reacção e destilação.
Destilação Reactiva - DR
• Vantagens económicas-Poupança em equipamentos e energia;
- Menor número de equipamentos, exige menor manutenção.
• Vantagens para o ambiente- Reduz o número de equipamento e o número de conexões entre
estes→ reduz risco de fugas de fluidos;
- Requer menos energia o que reduzirá emissões de dióxido de carbono
IP: alguns exemplos de aplicação
Destilação Reactiva - DR
• Vantagens a nível de segurança
-Comportamento de runaway na DR é menos provável do que
num reactor convencional.
• Desafios-Compatibilidade entre as reacções e condições de separação
são problemáticas.
-Estabilidade térmica do catalisador pode limitar a temperatura
de operação máxima da coluna.
IP: alguns exemplos de aplicação
Destilação Reactiva - DR
•As grandes barreiras na implementação comercial são:
- Design complexo;
- Desenvolvimento da unidade piloto, é cara mas
necessária.
- É necessário um scale-up fundamentado
- Difícil o arranque da operação.
IP: alguns exemplos de aplicação
Destilação Reactiva - DR
Em: Appendix I –Process Intensification Technologies Description and Review.pdf
IP: alguns exemplos de aplicação
Stankiewicz, A. e Moulijn, J.,“Process Intensification Transforming Chemical Engineering”, Chem. Engng Progress, Jan (2000), 22-34
IP: alguns exemplos de aplicação
Reactores de membranas
Em: http://www.engin.umich.edu/~cre/web_mod/membrane/index.htm
IP: alguns exemplos de aplicação
Reactores de membrana – Aplicações
•Alimentação distribuída e controlada da alimentação
-Aumento selectividade, controlo temperatura, …
-Facilitar transferência de massa
•Separação selectiva ( in situ) de produtos e produtos secundários
•Separação dos produtos das partículas de catalisador
•Permite deslocar o equilíbrio das reacções
IP: alguns exemplos de aplicaçãoMembranas
oCerâmicas - estabilidade (química e térmica)Degradação/”descasque”ObstruçãoPreço elevado
oBiocatalíticas
oPoliméricas
Temperaturas baixas – maior duração
Baixo preço
À escala industrial problemas são agravados
IP: alguns exemplos de aplicação
Reactores de membrana – Aplicações
•Membrana catalítica – instrumento de reacção + separação muito selectivo
•Definição/restrição da área de contacto entre duas fases imiscíveis, evitando o recurso a solventes.
Intensificação de Processos – conclusão
European Roadmap for Process Intensification (www.creative-energy.org)Appendix 2- Industry sector PI roadmaps
Para a Indústria Petroquímica e Química
Intensificação de Processos – conclusão
Para a Indústria Petroquímica e Química
European Roadmap for Process Intensification (www.creative-energy.org)Appendix 2- Industry sector PI roadmaps
Intensificação de Processos – conclusão
Desafios a vencer:
• O elevado custo associado à introdução da IP nas fábricas actuais
• Riscos associados à comercialização de novas tecnologias
• Scale-up da IP
• Conhecimento das tecnologias ainda reduzido
• Ainda um longo caminho de desenvolvimento
• Cooperação com ID
Process Intensification methodologies applied to
Liquid-Liquid Systems in structured equipment
Grant agreement n° NMP2-SL-2008-214599
Costello, R.C., “Process Intensification: Think small”, Chem. Engng., April(2004), 27- 31
Stankiewicz, A. e Moulijn, J.,“Process Intensification Transforming ChemicalEngineering”, Chem. Eng. Progr., Jan (2000), 22 – 34
Tsouris, C. e Porcelli, J.V., “Process Intensification – Has its time come finally?”, Chem Eng. Progr., Oct.(2003), 90, 47.
European Roadmap for Process Intensification + Appendix I –ProcessIntensification Technologies Description and Review + Appendix 2-Industry sector PI roadmaps
Intensificação de Processos: Bibliografia
http://www.senternovem.nl/energytransition/downloads
Kirschneck, D. e Tekautz, G., “Integration of a microreactor in na existingproduction plant”, Chem. Eng., Technol. (2007), 30, nº 3, 305-308
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