AOP - AA1 - IGOR NOGUEIRA E LUCAS SCHRAMM

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INSTITUTO LATINO-AMERICANO DE 
INFRAESTRUTURA E TERRITÓRIO 
(ILATIT) 
 
 ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ATIVIDADE AVALIATIVA I - EQI 0041 - ANÁLISE E OTIMIZAÇÃO DE 
PROCESSOS QUÍMICOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
IGOR NOGUEIRA DA SILVA 
LUCAS SCHRAMM RIBEIRO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FOZ DO IGUAÇU - PR 
2020 
 
1 MATÉRIA-PRIMA 
 A matéria-prima escolhida para o presente trabalho são os resíduos 
alimentares provenientes de diversas fontes: domicílios, estabelecimentos 
comerciais, hospitais, atividades rurais, etc. Dados apresentados pelo portal 
InfoMoney (2016) baseados em estimativas do Instituto Akatu para 2016, evidenciam 
a realidade do Brasil como um dos dez países que mais desperdiçam alimentos no 
mundo. Em média, 41 mil toneladas de alimentos são descartados diariamente no 
país, cuja destinação final é majoritariamente em aterros sanitários. 
 Sob o ponto de vista energético, os resíduos alimentares contém um 
interessante potencial para conversão. Segundo CHAE et al. (2020), o poder calorífico 
destes resíduos é de aproximadamente 16750 kJ/kg, permitindo assim ideias de 
aplicação de tecnologias para tal conversão, como a digestão anaeróbia, que 
converte a matéria orgânica em metano (biogás) e que possui alto poder energético 
(VIDAL, 2014). 
 Na questão econômica, a possibilidade de converter os resíduos alimentares 
em energia aumenta o seu valor agregado, cuja situação atual é o envio a aterros 
sanitários, aumentando custos com tratamento (VIDAL, 2014). A Tabela 1, a seguir, 
contém dados que permitem a comparação do Brasil frente a outros países na gestão 
de resíduos sólidos urbanos: 
 
Tabela 1: Dados do sistema de gestão de resíduos sólidos urbanos de diversos 
países (continua). 
País Reciclagem Compostagem Recuperação 
energética(1) 
Aterro 
sanitário 
Holanda 39% 7% 42% 12% 
Suíça 31% 11% 45% 13% 
Dinamarca 29% 2% 58% 11% 
EUA 24% 8% 13% 55% 
Austrália 20% <<1% <1% 80% 
Fonte: adaptado de EPE, 2014. 
Tabela 1: Dados do sistema de gestão de resíduos sólidos urbanos de diversos 
países (fim). 
País Reciclagem Compostagem Recuperação 
energética(1) 
Aterro 
sanitário 
Alemanha 15% 5% 30% 50% 
Japão 15% - 78% 7% 
Israel 13% - - 87% 
França 12%(2) n.i. 40% 48% 
Brasil <8% 2% - >90%(3) 
Reino Unido 8% 1% 8% 83% 
Grécia 5% - - 95%(3) 
Itália 3% 10% 7% 80% 
Suécia 3% 5% 52% 40% 
México 2% - - 98% 
(1) Basicamente incineração. 
(2) As estatísticas incluem a compostagem. 
(3) Incluem aterros controlados e lixões. 
(4) n.i. = Não Informado. 
Fonte: adaptado de EPE, 2014. 
 Os dados da Tabela 1 contém as informações que confirmam a grande 
porcentagem de envio de resíduos sólidos a aterros sanitários e a incipiente 
recuperação energética no Brasil, permitindo o surgimento de ideias como as 
presentes neste trabalho. 
 
2 ROTA TECNOLÓGICA 
 O guia “Recuperação Energética de Resíduos Sólidos: um guia para 
tomadores de decisão” da Confederação Nacional da Indústria (2019) contém 
informações para escolha da melhor tecnologia de conversão energética para um 
determinado tipo de resíduo. Desta forma, a digestão anaeróbia é a mais adequada 
para este tipo de resíduo, sendo a mais recomendada para resíduos orgânicos mais 
úmidos, como restos de alimentos, lodo de esgoto, resíduos da agricultura e de 
culturas energéticas. 
 A digestão anaeróbia é um processo complexo que objetiva a geração de 
biogás (mistura de metano e gás carbônico, com frações de gás sulfídrico e amônia), 
e é dividida em 4 etapas: hidrólise, acidogênese, acetogênese e metanogênese. A 
Figura 1, a seguir, contém uma ilustração do processo envolvendo as etapas: 
Figura 1: Processo de digestão anaeróbia e suas 4 etapas. 
 
Fonte: Kunz et al., 2019. 
 
2.1 Separação na triagem 
 A separação na triagem pode ocorrer por duas formas: manual e mecanizada. 
A separação manual consiste no trabalho de catadores em centros de triagem, cujos 
resíduos são transportados por uma esteira e há a retirada de componentes, 
especialmente os recicláveis. Como principal vantagem, destaca-se a capacidade 
para emprego de pessoas de pouca instrução. No entanto, o processo é bem mais 
lento se comparado ao mecanizado, com estimativa de 500 kg/h com a participação 
de 50 pessoas, enquanto a mecanizada possui capacidade de 10 ton/h (Campos, 
2013; ABLP, 2014). 
 A separação mecanizada consiste na separação de resíduos em esteiras com 
a utilização de sensores que identificam cada tipo de resíduo. Possui a vantagem da 
alta rapidez e capacidade do processo, no entanto possui pouca empregabilidade 
(ABLP, 2014). 
 
2.2 Pré-tratamento 
 Os tipos de pré-tratamento são subdivididos em: térmicos, mecânicos, 
químicos e biológicos. Para o presente trabalho, serão explorados os térmicos e 
mecânicos. 
 Os processos térmicos demandam à utilização de calor a fim de que se 
obtenha uma eficiente metanização. Geralmente são aplicadas temperaturas entre 60 
e 180 ºC, e algumas características foram observadas por alguns autores de acordo 
com a temperatura de trabalho, cujas informações estão descritas no Quadro 1, a 
seguir: 
Quadro 1: Observações de alguns autores para pré-tratamentos térmicos em 
diferentes temperaturas. 
Temperatura Autor Observação 
70 ºC Valo et al., 2004. Aumenta a atividade biológica de bactérias 
termofílicas. 
<100 ºC Nielsen et al., 2004. Recomendados para melhorar a atividade 
biológica de bactérias hidrolíticas. 
160 - 175 ºC Shahriari et al., 2012. Melhores resultados na destruição de 
sólidos voláteis. 
Fonte: Azeitona, 2012. 
 
 Os processos mecânicos visam a redução do tamanho de partículas e 
aumentam a capacidade dos microrganismos no processo biológico devido à maior 
superfície disponível, aumentando assim a velocidade da digestão anaeróbia. Tais 
processos possuem a vantagem de terem baixos custos operacionais no objetivo de 
degradar matéria orgânica. Outras duas vantagens são observadas no pré-tratamento 
mecânico: melhora na suscetibilidade à hidrólise enzimática e não há produção de 
substâncias tóxicas, inibidoras e de difícil digestão (Mata-Álvarez et al., 2000; Meena 
et al., 2011; Azeitona, 2012; Menardo et al., 2012). 
 
2.3 Digestão Anaeróbia 
 Dentre as possibilidades de reatores para a digestão anaeróbia (DA), duas 
possibilidades foram testadas, o reator de estágio único e alta carga e o reator de dois 
estágios. O reator de estágio único e alta carga consiste em um reator do tipo CSTR, 
de mistura completa, com alta eficiência para resíduos sólidos e um sistema de 
aquecimento para controle da temperatura reacional. É necessário que haja um bom 
controle térmico para que não haja superaquecimento e, por consequência, a inibição 
dos microrganismos. (METCALF & EDDY, 2015). 
 O reator de dois estágios é formado por dois reatores do tipo CSTR, assim 
como o de estágio único. A adição de um reator a mais em série veio de estudos 
visando a diferença de ambiente que microrganismos vivem e os fatores ambientais 
ideais (temperatura, pH) para sua ação. Assim, o processo de DA é separado em 
duas fases, o primeiro reator com as fases de hidrólise + acidogênese e o segundo 
com as fases de acetogênese e metanogênese. (LEITE, 2015). 
 A adição de um reator a mais no processo faz com que o custo do processo 
aumente, porém traz maiores benefícios em questão de segurança e eficiência, pois 
há maior controle de pH e temperatura no segundo reator, possibilitando um melhor 
aproveitamento dos microrganismos melhorando a qualidade do biogás produzido 
(LEITE, 2015). 
 
2.4 Conversão em Energia 
 Para converter o biogás em energia elétrica, aqui faz-se a comparação entre 
duas tecnologias, motores a combustão interna e turbinas a gás. 
 Os motores a combustão interna, operam pelo ciclo Otto (Figura 2) em quatro 
tempos: entrada do combustível e ar, compressão, explosão e expansãoe, por fim, 
escape dos gases pelo pistão (Castro, 2006). As turbinas a gás (ciclo aberto) não tem 
nenhum calor adicionado, visto que o compressor, em condições ideias, opera em 
regime adiabático. Assim o trabalho de compressão aumenta a temperatura do ar que 
entra na câmara de combustão com o combustível que reage começando o processo 
de queima. (Figura 3). 
 
 
 
 
Figura 2: Ciclo Otto. 
 
Fonte: Da Silveira, 2008. 
 
Figura 3: Turbina a gás com ciclo aberto. 
 
Fonte: Castro, 2006. 
 
 Para meios de comparação entre as duas tecnologias foi utilizado o estudo de 
2005 feito pelo Centro Nacional de Referência em Biomassa - CENBIO. Os dados 
podem ser encontrados na Tabela 2. 
 
 
 
 
Tabela 2: Comparação entre tecnologias de conversão. 
Tecnologia 
de conversão 
Potência Rendimento Emissões NOx 
Motores a gás 30 kW - 20 MW 30% - 40% 250 ppm - 3.000 ppm 
Turbinas a gás 500 kW - 150 MW 20% - 30% 35 ppm - 50 ppm 
Fonte: CENBIO 2005. 
 
 As turbinas a gás possuem melhor potência e menor emissão de gases, 
mesmo que os motores a gás detenham melhor rendimento. Porém isso pode ser 
revertido, aumentando a eficiência global das turbinas quando estas estão são 
operadas em cogeração (calor e eletricidade) (COSTA et al., 2001). O único revés da 
utilização da turbina é que, em comparação a motores de combustão interna, 
possuem maior custo de implantação e manutenção (FIGUEIREDO, 2011). 
 
3 ÁRVORE DE ESTADOS 
 
Figura 4: Árvore de estados. 
 
Fonte: Autores (2020). 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5: Rota escolhida na árvore de estados. 
 
Fonte: Autores (2020). 
 
4 REGRAS HEURÍSTICAS 
 A rota escolhida para este processo foi pensada baseada em maior eficiência 
e menor emissão de poluentes. 
 1ª Regra: O tipo de separação escolhido é aquele que possui maior eficiência. 
Portanto, a escolha pelo sistema mecânico é a adequada por separar até 10 ton/h 
quando comparado ao sistema manual que possui a capacidade de até 500 kg/h 
(ABLP, 2014). 
 2ª Regra: O tipo de pré-tratamento mais adequado é aquele que possui menor 
emissão de substâncias tóxicas e poluentes, sendo assim, a escolha pelo sistema 
mecânico é prioritário em comparação ao térmico (Azeitona, 2012; Menardo et al. 
2012). 
 3ª Regra: O tipo de reator para a digestão anaeróbia a ser escolhido é o reator 
de alta carga de dois estágios. Levou-se em consideração a experimentação de Leite, 
2015. Neste trabalho, através do processamento de lodo para formação do biogás 
ficou demonstrado que a separação dos processos em dois reatores, apesar do custo 
inicial ser maior, o investimento se paga com a maior eficiência do processo. 
 4ª Regra: O tipo de sistema de conversão de energia preferível é aquele que 
possui maior eficiência e menor emissão de poluentes. Desta forma, o sistema com 
turbina à gás é mais adequado que o sistema de combustão interna. Da mesma 
maneira que a decisão do reator de dois estágios, o investimento inicial é mais alto, 
porém os benefícios a longo prazo se sobrepõe ao custo (Figueiredo, 2011). 
 
 
 
5 FLUXOGRAMA 
 
5.1 Fluxograma base 
 
5.2 Fluxogramas vizinhos 
 
5.2.1. Separador mecânico - Pré-tratamento mecanizado - Reator de 2 estágios - 
Motor de combustão interna 
 
 
5.2.2. Separador mecânico - Pré-tratamento mecanizado - Reator de estágio único - 
Turbina 
 
 
5.2.3. Separador mecânico - Pré-tratamento térmico - Reator de 2 estágios - Turbina 
 
 
5.2.4. Separador manual - Pré-tratamento mecanizado - Reator de 2 estágios - 
Turbina 
 
 
 
6 REFERÊNCIAS 
 
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