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