UFRJ H2CIN

Laboratório de Hidrorrefino, Engenharia de Processos
e Termodinâmica Aplicada da Escola de Química da UFRJ

Projetos

PRONEX - Produção, Processamento, Distribuição e Utilização de Gás com Alto Teor de CO2: Biogás e Gás Natural do Pré-Sal (2016-Atual)

Descrição: O gás natural do Pré-Sal e o biogás apresentam-se como importantes recursos energéticos para o Estado do Rio de Janeiro. O primeiro está associado às reservas do Pré-Sal e tem como grande diferencial das demais reservas de gás os altos teores de CO2. De composição química análoga, tem-se o biogás, dominantemente constituído por metano e CO2. Os altos teores de CO2 encontrados nestes gases requerem inovações tecnológicas que viabilizem as etapas de produção, processamento, utilização e distribuição em condições econômicas favoráveis.

O projeto aborda a cadeia produtiva destes dois insumos, identificando sinergias de processamento, distribuição e utilização. Consideram-se nos desenvolvimentos tecnológicos os desempenhos técnicos, econômicos, ambientais e sociais, além das implicações associadas ao transporte de grandes volumes de CO2 a sítios de destinação apropriados. Na produção de biogás, a proposta inova na utilização de métodos de hidrólise de resíduos agrícolas e em estratégias de biodigestão do hidrolisado, integrando energeticamente a produção ao processamento a jusante do gás. No condicionamento dos gases de altos teores de CO2, a proposta contempla projeto, simulação, otimização, monitoração e controle de processos de separação por membranas, contactoras, absorção química, destilação criogênica e processos híbridos. É diferencial da proposta que as tecnologias de membranas, contactoras e absorção química contam com plantas pilotos no Centro de Excelência em Gás Natural - CEGN, no Parque Tecnológico da UFRJ, cujos resultados orientam o desenvolvimento de modelos para avaliação de desempenho técnico, econômico e ambiental. Como alternativas avaliadas, a proposta contempla processamento segregado, coprocessamento, distribuição segregada e codistribuição, avaliando-se a sustentabilidade desde a etapa agrícola (biogás) até utilização. Na utilização, contempla-se conversão de metano a commodities químicas e sínteses que utilizem CO2 como reagente (e.g., conversão de CO2 em metano, reforma seca de metano, hidrogenação de CO2, entre outras), e uso do gás condicionado como combustível. Definições de utilizações do gás estão intrinsecamente associadas à sua composição, constituindo-se em diferencial do Núcleo de Excelência a competência em desenvolvimento de procedimentos analíticos de análise composicional de gases. Esta competência aliada a técnicas de inferência permitirão o desenvolvimento de estimadores para monitoramento em linha, base para o controle e otimização em linha dos processos envolvidos.

Modelagem, Simulação, Otimização e Operação de Processamento de Gás Natural Rico em CO2 (2016-Atual)

Descrição: O projeto trata da separação de CO2 de gás natural com elevado teor de CO2 comuns na exploração e produção em campos do Polo Pré-Sal na Bacia de Santos. Na vertente experimental o projeto abrange planejamento e condução de experimentos em Planta Piloto de Absorção Química para separação de CO2 de Gás Natural. Na vertente teórica o projeto abrange modelagem de operações de processamento de gás natural com altos teores de CO2, avaliando-se desempenho de solventes quanto à eficiência de remoção, à demanda energética para regeneração, e estabilidade oxidativa e térmica de solventes e aditivos. O projeto também prevê avaliação, modelagem e otimização de tecnologias alternativas como permeação em membranas e contactoras em membranas, isoladas ou operando em arranjo híbrido para separação de CO2 de gás natural contendo elevados teores de CO2.

Modelagem de Tecnologias para Transporte e Processamento de Gás Natural com Alto Teor de CO2: Dutos Subsea, Separador Supersônico, Liquefação a LNG e Destilação Criogênica Extrativa (2015-Atual)

Descrição:

  1. Estudo avançado envolvendo modelagem matemática e desenvolvimento de recursos de simulação MATLAB e HYSYS para Operações Unitárias Especiais - SUO, Special Unit Operations - voltadas ao processamento NG com alto teor de CO2 (%CO2 ∼ 40%), visando à avaliação e domínio destas operações que são todas tecnologias não convencionais, a saber: Dutos Sub-Sea para fluidos compressíveis densos (NG, CO2, misturas MEG-H2O com CO2 dissolvido); Separador Supersônico 3S para condicionamento de NG hidratado com alto teor de CO2 (%CO2 ∼ 40%); Liquefação LNG para NG condicionado (sem H2O, sem condensáveis e sem CO2); Destilação Criogênica (CRIO) para fracionamento de NG desidratado sem presença de azeótropos e com CO2 ajustado; Destilação Criogênica Extrativa (CRIODEX) para fracionamento de NG desidratado com alto teor de CO2 (%CO2 ~ 40%) utilizando Entrainer apropriado, produzindo CH4, C2H6, C3H8 e C4H10 puros, e exportando grandes vazões de CO2 liquefeito de alta pureza.
  2. Avaliação de tecnologias alternativas de processamento NG com teor de CO2 ∼ 40% (e.g., destilação criogênica - CRIO, destilação criogênica extrativa - CRIODEX, liquefação LNG) e/ou coadjuvantes (e.g., separador supersônico - 3S, dutos para escoamento compressível denso) em abordagem sistêmica, integrando-se o processamento ao transporte.
  3. Análise de projeto de unidades de processamento NG envolvendo separação de CO2 por meios não convencionais, integradas a dutos sub-sea para transporte de NG, transporte de MEG pobre e transporte de CO2 para EOR.

Simulação, Otimização e Controle da Produção, Reúso e Descarte de Água e Efluentes de UTEs a Carvão: aplicações experimentais para Itaqui e Pecem (2014-Atual)

Descrição: As usinas termelétricas demandam uma quantidade significativa de água, principalmente para os sistemas de ciclo de vapor e de resfriamento. Destaca-se, ainda, que tal demanda apresenta características específicas de qualidade - o condicionamento necessário é função da qualidade requerida para cada uso. Identifica-se, portanto, potencial de otimização de consumo e minimização de operações de tratamento elencando-se correntes de processo com qualidade apropriada a alguns usos específicos, minimizando-se as operações de condicionamento na cadeia fonte-destino. Atribui relevância à proposta o fato da otimização buscada ter como desafio o cenário de baixa disponibilidade de água doce nas UTEs, notadamente na região nordeste, e variações de suprimento associadas a condições climáticas e hidrológicas.

Adicionalmente, as usinas termelétricas frequentemente situam-se próximas a grandes centros urbanos e industriais onde os recursos hídricos disponíveis já se encontram bastante impactados. Tal situação de escassez promove o uso de fontes de água salgada ou salobra, que necessitam de tratamentos físico-químicos adicionais para atender à qualidade demandada pelos processos a que se destinam. Neste contexto, é importante o emprego de metodologias de engenharia de processos para simulação, otimização e controle da produção, reúso e descarte de água e efluentes de UTEs. A abordagem é de sistemas, otimizando-se o desempenho global visando o uso racional da água. A proposta contempla na cadeia do tratamento à destinação a inclusão de processos inovadores de captação de água salgada (ou salobra) e fontes alternativas de água (e.g., condensação de água de gases exaustos da UTEs). Destaca-se que tais procedimentos poderão ser aplicados nas etapas da captação de água, clarificação da água captada, desmineralização de água salgada, identificação de correntes para reciclo e, por último, no tratamento de efluentes.

Um fator peculiar de originalidade da proposta está no contexto da captação de água salina por termelétrica brasileira para sistemas de ciclo de vapor. Geralmente, as indústrias brasileiras fazem uso da captação de água salina somente para sistemas de resfriamento onde a demanda da qualidade de água é menor. A utilização de água salina em sistemas de ciclo de vapor necessita tratamento e controle rigoroso da qualidade da água. Neste aspecto, os procedimentos de engenharia de processos aliados a caracterizações experimentais para análise de desempenho e proposição de alternativas tecnológicas para produção, reúso e reciclo de água e tratamento dos efluentes líquidos em unidades termelétricas a carvão assumem caráter ainda mais inovador. Por último, do ponto de vista da sustentabilidade, o reúso e o reciclo de água e efluentes incentiva a "produzir mais com menos" e contribui para a captação de menor quantidade de recursos hídricos naturais, minimizando o descarte de efluentes.

Tratamento de Resíduos Sólidos de FGD das UTEs Itaqui e Pecém para sua Valoração Comercial (2014-Atual)

Descrição: O alto conteúdo de CaSO3 (aproximadamente 10.7%w/w) no resíduo misto (Cinzas + FGD) sólido das UTE?s Itaqui e Pecém limita o seu potencial de uso e destrói o seu valor comercial, mesmo para aplicação como material de construção de estradas de rodagem. A principal razão é o alto teor de CaSO3. Este material é indesejável para as finalidades de utilização do resíduo sólido como carga de cimento e/ou material de construção e/ou de pavimentação. Para valorar este resíduo sólido CaSO3 terá de ser convertido a algo mais valioso para a indústria como CaSO4 via oxidação a seco. O CaSO4 tem muito mais potencial de aplicação, especialmente na indústria de cimentos e de construção de barragens. O enriquecimento dos sólidos de FGD em CaSO4, concomitante à destruição de CaSO3, aumentará o valor destes sólidos que são resíduo de FGD. Isto permitirá que sejam reduzidos fortemente os impactos ambientais de UTEs associados aos aterros de resíduos sólidos, já que a produção de resíduos sólidos de DRY-FGD nos casos de Itaqui e Pecém passa de 360 t/d, material este que, atualmente, é totalmente destinado a aterros.

Os impactos ambientais de aterros industriais são bem conhecidos:

  1. redução da área agriculturável e florestável;
  2. contaminação do solo por metais pesados (Hg, Cd, Zn, Mn), compostos orgânicos aromáticos (benzeno, tolueno e xilenos) e VOCs;
  3. contaminação de lençóis freáticos e aquíferos por água de chuva infiltrada no material de aterro que carreará os mesmos metais pesados, aromáticos e VOC?s para estes recursos hídricos que podem disseminar enormemente tais fatores de riscos ambientais do aterro a populações humanas, flora e fauna.

Neste sentido, o Projeto contempla o desenvolvimento de um protótipo de Reator de Leito Fluidizado (FBR - Fluidized Bed Reactor) para tratamento de resíduo sólido de FGD via oxidação a seco de CaSO3 do resíduo a CaSO4 com ar aquecido. Tal reator FBR protótipo terá capacidade volumétrica próxima de 30L e será construído no Laboratório H2CIN da Escola de Química da UFRJ. O equipamento a ser desenvolvido possibilitará que o sólido misto (FGD + Cinzas) adquirira potencial de colocação no mercado como carga de forno de clínquer após tratado em reator FBR de grande escala a ser projetado a partir dos dados levantados neste protótipo do Projeto. Como resultados esperados do projeto, têm-se:

  1. Construção de protótipo em escala de bancada do FBR capaz de executar corridas piloto visando a obter parâmetros para scale-up e permitir projetar um reator FBR industrial ou semi-industrial para testes nas UTEs a carvão do Brasil;
  2. Desenvolvimento de modelo computacional para avaliação de desempenho de FBR industrial para oxidação de CaSO3 de resíduo misto (Cinzas + FGD) construído com resultados de programação experimental do protótipo;
  3. Com a base computacional construída, desenvolver projeto otimizado pra FBR industrial destinado à oxidação de CaSO3 em resíduo misto (Cinzas +FGD) (definição de geometria, material de construção, condições operacionais e estrutura de controle;
  4. Permitir desenvolver estudo de viabilidade econômica do processo de tratamento de resíduos de FGD via oxidação de CaSO3 a CaSO4, de forma a avaliar a lucratividade que tal tratamento poderá agregar.

O projeto do reator FBR deverá ser objeto de patente.

Impactos Ambientais Associados às Cadeias de Produção de Biodiesel e suas Misturas por Rotas Etílica e Metílica: Proposição de Métricas e Metodologia de Avaliação (2013-Atual)

Descrição: O cenário de discussões ambientais relativas a biocombustíveis está fortemente focado em emissões de CO2, um dos principais gases de efeito estufa. Em decorrência, a métrica dominante na análise de impactos ambientais tem se restringido ao Potencial de Aquecimento Global (GWP, Global Warming Potential), ou seja, à capacidade de redução de emissões de CO2 associadas ao uso de biodiesel, quando comparada à emissão de combustíveis fósseis, que é anunciada como incentivo para o seu uso. A conclusão encontrada não raramente parte de uma contabilidade simples de que o CO2 emitido é aquele que foi biofixado da atmosfera pela fotossíntese, constituindo um ciclo de emissão zero. Contudo, Ecobalanços não raramente apontam que poucos biocombustíveis apresentam desempenho superior ao diesel de petróleo. Para a análise de emissões ao longo do ciclo de vida do combustível, destacam-se como mais relevantes:

  1. Emissões na fase de cultivo (associada ao uso de fertilizantes petroquímicos);
  2. Emissões no transporte da matéria prima até a unidade de produção de biodiesel;
  3. Emissões no processo de produção de biodiesel;
  4. Emissões associadas a mudanças do uso da terra;
  5. Emissões no transporte do biodiesel até o ponto de uso, e
  6. Emissões nos canos de descarga de veículos.

Adicionalmente, destaca-se que os aspectos regionais impactam a análise. Por exemplo, se a matéria prima for obtida de culturas já existentes, o impacto associado ao deslocamento do uso da terra e desprezível. Contudo, surgem impactos sociais e econômicos decorrentes do deslocamento do uso da produção. Deve-se também notar que o aumento da produção poderá ocasionar desmatamento e este impacto poderia superar os benefícios (se comprovados) do uso de biodiesel. Note-se que o uso de sub-produtos (glicerol e resíduos agrícolas) da cadeia produtiva afetam os resultados da análise. Observa-se que a tecnologia empregada na produção de biodiesel pode envolver matérias primas de origem petroquímica. Por exemplo, biodiesel metílico emprega metanol, produzido principalmente pela reforma de gás natural ou gaseificação de óleo ou carvão. Quando o agente de transesterificação é de origem renovável, como o bioetanol, a inserção da cadeia no setor agrícola aumenta. Portanto, é de significativa relevância para análises de impacto, a tecnologia empregada.

A Proposta aborda como tema central a definição de metodologia de análise de impactos ambientais na cadeia de biodiesel e as métricas e indicadores necessárias para o procedimento. A análise encontra justificativa na comparação de impactos ambientais de tecnologias de produção de biocombustíveis, em visão de cadeia produtiva, e na definição de políticas públicas, que minimizem custos ambientais. O principal problema abordado na Proposta é o desenvolvimento de métricas e indicadores para avaliação de impactos ambientais da cadeia de produção de biodiesel e suas misturas com diesel de petróleo, em arcabouço metodológico de LCA. A Proposta é de Desenvolvimento Tecnológico, enquadrada na LINHA 1, na sub-linha vii, a saber, desenvolvimento de metodologias de avaliação de impactos ambientais causados por biodiesel e suas misturas com óleo diesel , do Edital 40/2013. Os resultados da pesquisa são de interesse da EMBRAPA e da MPX.

Polo Ecoindustrial baseado no Cultivo de Microalgas para obtenção de Bioprodutos, Produtos Químicos e Combustíveis (2013-Atual)

Descrição: A imensa biodiversidade e a variabilidade na composição bioquímica da biomassa algácea decorrente da manipulação das condições de cultivo, aliadas ao emprego de melhoramento genético e ao estabelecimento de tecnologia de cultivo em grande escala, vêm propiciando uma utilização comercial crescente das microalgas. Os componentes típicos da materia prima algácea são proteínas, lipídios, carboidratos e outros bioprodutos de alto valor agregado. Após extração dos bioprodutos, o processamento termoquímico da biomassa residual permite entre, outros, a produção de gás de síntese, matéria prima para metanol, amônia/uréia e diversos intermediários da cadeia petroquímica. Contudo, a viabilidade industrial de biorrefinarias de microalgas depende de tecnologia e economia, e o mercado não investirá em projetos intensivos de capital sem uma relação aceitável retorno-risco.

Os custos mais relevantes para obtenção da biomassa para produção de commodities químicas e combustível (como biodiesel, diesel e syngas) compreendem investimentos em cultivo, colheita, concentração e secagem, e extração do bioproduto. Acrescentam-se os custos operacionais, que incluem custos com nutrientes (geralmente N-P-K), distribuição de CO2, reposição de água perdida (por evaporação), reposição de compostos químicos e custos com mão de obra. Este cenário requer uma abordagem de sistema, com análise econômica e ambiental do ciclo de vida. Nesta Proposta, a fonte de CO2 direciona etapas da biorrefinaria, abordando-se duas alternativas. Na primeira, concebe-se instalação ao lado de fonte emissora, uma usina de bioetanol, aproveitando-se não apenas a emissão de CO2 como também o efluente líquido vinhoto. Na 2ª alternativa , o CO2 capturado é comprimido e transportado para o sítio da biorrefinaria. Nas duas alternativas, a gaseificação é adotada para obtenção de syngas e a biodigestão anaeróbica como plataforma bioquímica para obtenção de biogás. A extração de bioprodutos é incluída para aumentar a receita do empreendimento, apesar de introduzir elevação das despesas de capital (CAPEX). O fracionamento de carboidratos e proteínas não é contemplado, pois são priorizadas operações de alta capacidade e CAPEX moderados.

O potencial reconhecido de microalgas como matéria prima para a indústria de biocombustíveis e de alimentos, e como matéria prima renovável para a indústria de commodities químicas em arranjos industriais requer uma visão de engenharia de processos para contemplar a passagem do domínio de um diagrama conceitual de blocos até a sua concepção de processo. Esta transição requer esforços coordenados de seleção de microalga com critérios de produtividade e intensificação de cultivo, seleção de operações de colheita e secagem e extração de bioprodutos, intensivas em uso de energia, e seleção do processamento downstream atendendo critérios econômico e ambiental. A Proposta contempla atividades experimentais de produção de microalgas em fotobiorreatores, craqueamento térmico e hidrotratamento de óleo, e digestão anaeróbia de biomassa residual para obtenção de índices técnicos que nortearão a simulação e otimização dos dois arranjos de biorrefinaria propostos.

Modelagem de Comportamento de Fase (Phase Behavior) de Misturas de Hidrocarbonetos Leves com CO2 em Alta Pressão (2012-2012)

Descrição: A Engenharia Básica do CENPES-E&P contactou o Laboratório H2CIN da UFRJ, através dos Professores José Luiz de Medeiros e Ofélia de Q. F. Araújo para fornecer Proposta de Cooperação Técnica e Consultoria cujos produtos finais serão Softwares desenvolvidos em MATLAB e/ou HYSYS e/ou PROMAX para reprodução do Comportamento de Fase (Phase Behavior) de Misturas (Binárias, Ternárias, Quaternárias etc ) de CO2 com Hidrocarbonetos Leves (CH4, C2H6, C3H8, C4H10 etc), em teores de CO2 variando de 1% a 90%, sempre em Alta Pressão e admitindo Temperaturas Criogênicas, em contexto de diversos tipos de fenômenos de coexistência multifásica, tais como:

A abordagem deverá dedicar especial atenção aos fenômenos de formação de CO2 Sólido (fronteiras SVE, SLE e SVLE) a partir de gases com hidrocarbonetos leves e CO2, fenômeno este que é devido à conjunção de efeitos criogênicos com a relativamente alta temperatura de Ponto Triplo de CO2 o que favorece a formação de Gelo Seco em etapas críticas do Processamento de Gás Natural, tais como:

Adicionalmente aos produtos de software citados, a Proposta deve contemplar os seguintes quesitos:

Simulação e Controle de Processos de Producão de Petróleo e Gás Natural (2011-Atual)

Descrição: Desenvolvimento de estudos teóricos e experimentais em tecnologias de produção de óleo e gás natural, principalmente em processamento primário de gás natural contendo CO2 e outros contaminantes; sempre em contexto termodinâmico-composicional referente às ações da Petrobras nos campos do Pólo Pré-Sal.

Objetivos Específicos: O Projeto deve responder a desafios tecnológicos diretamente associados à exploração de Óleo-Gás nos campos do Pré-Sal, em abordagens que envolvem separadores supersônicos para processamento de gás natural, análise de cenários dinâmicos e desenvolvimentos de modelagem matemática, abrangendo os seguintes objetivos específicos:

  1. Desenvolvimento de Módulos Unisim Design/Hysys para Simulação de Fluxogramas de Separação de CO2 e outros Contaminantes do Gás Natural. O Laboratório H2CIN da Escola de Química da UFRJ desenvolveu modelos fenomenológicos para simulação e otimização de processos de separação de CO2 e outros contaminantes do gás natural, mormente operações (modeladas em ambiente MATLAB) envolvendo absorção com aminas e permeação diferencial em membranas. Nesta linha de pesquisa, propõe-se:
    1. Desenvolvimento de versão (ou interface) dos modelos do Laboratório H2CIN de operações de remoção de CO2 do gás natural por permeação em membranas e/ou contactores em ambiente HYSYS / UNISIM Design.
    2. Desenvolvimento de versão (ou interface) dos modelos do Laboratório H2CIN de operações de remoção de CO2 e outros contaminantes do gás natural por absorção em colunas com soluções aquosas de etanolaminas em ambiente HYSYS / UNISIM Design.
  2. Simulação de Cenários Dinâmicos no Processamento Primário. Nesta linha, a compressão de gás natural e de correntes ricas em CO2, o condicionamento do gás natural e do óleo no contexto Pré-Sal são abordados de forma integrada. Na abordagem, avaliam-se cenários dinâmicos que envolvem procedimentos de partida e parada. A análise busca diagnósticos quanto à flexibilidade de operação e ao desempenho.

Planta Piloto de Recuperação de MEG (2011-Atual)

Descrição: O Projeto aborda o Desenvolvimento de Tecnologia de Recuperação de MEG em plataformas offshore a partir da operação de Planta Piloto para recuperação de MEG. O principal objetivo desta unidade é investigar os aspectos funcionais químicos e técnicos de tecnologia a vácuo para remoção de sais de soluções aquosas de MEG.

Objetivos Específicos: O Projeto deve responder a desafios tecnológicos diretamente associados à garantia de escoamento em campos de gás offshore, especificamente na Recuperação de MEG, com os seguintes objetivos experimentais:

  1. Estudo da precipitação dos principais sais constituintes da água de formação (NaCl, Carbonatos e Sulfatos), na presença de MEG e nas condições dos seguintes equipamentos: Separador de baixa, Filtro de Cartucho, Evaporador a vácuo e Trocador de Calor.
  2. Determinação das constantes de solubilidade dos sais na presença de MEG em diferentes temperaturas.
  3. Estudo da formação de complexos com MEG e sais bivalentes, os quais afetam a viscosidade no evaporador a vácuo.
  4. Efeito da presença de aditivos químicos na precipitação dos sais. Produtos químicos (inibidor de corrosão, inibidor de incrustação e estabilizadores de pH) adicionados ao processo de produção de gás do poço até a plataforma, influenciam na precipitação de sais.
  5. Efeito da contaminação de oxigênio na planta, no que diz respeito a oxidação do Ferro e a degradação do MEG.

Planta Piloto de Absorção Química de CO2 de Gás Natural (2011-Atual)

Descrição: Este Projeto abrange a Condução de Experimentos em Planta Piloto de Aminas, Estudos Teóricos Associados e Desenvolvimento de Modelos em Tecnologias de Remoção de CO2 e outros contaminantes de gás natural no contexto do seu processamento primário; sempre em abordagem termodinamicamente rigorosa e tendo em vista as ações da Petrobras nos campos do Pólo Pré-Sal.

Objetivos Específicos: O Projeto deve responder a desafios tecnológicos na remoção de CO2 e outros contaminantes de gás natural nos campos do Pré-Sal, em abordagens que envolvem experimentos e desenvolvimentos de modelagem matemática, abrangendo os seguintes objetivos específicos:

Modelagem Computacional de Colunas de Destilação com Alta Pressão Parcial de H2 (2011-Atual)

Descrição: Pretende-se desenvolver uma Ferramenta de Simulação - deste ponto em diante denominada HDEST - para configurações de separação similares às do CASO-BASE, com as seguintes características:

Engenharia de Processos Verdes (2011-Atual)

Descrição: O consumo de petróleo, carvão e gás natural atende mais de 3/4 das necessidades de energia da sociedade. O aumento da demanda é inevitavelmente acompanhado pela diminuição de reservas, motivando a busca por fontes sustentáveis de energia e carbono orgânico. Neste contexto, a biomassa tem potencial de uso como fonte de energia e carbono orgânico para atender às necessidades industriais.

A produção de energia de biomassa tem potencial de reduzir as emissões de gases de efeito estufa quando comparada à combustão de fontes fósseis. Repete-se com frequência na literatura, que o CO2 emitido pela combustão é capturado da atmosfera pela fotossíntese da biomassa. Contudo, esta afirmação é obviamente simplista, pois, negligencia a demanda energética no ciclo de vida do produto, que baseia-se, frequentemente, na queima de combustíveis fósseis. Portanto, o desenvolvimento de processos verdes requer engenharia de processos aplicada a química verde para mitigar emissões de gases de efeito estufa e minimizar os potenciais de impactos ambientais.

Este projeto aplica procedimentos tradicionais de engenharia de processos a métricas de impacto ambiental no desenvolvimento de processos verdes para atender demanda da Braskem em inovação de processos produtivos sustentáveis. Com este objetivo, a proposta consolida metodologia de desenvolvimento de processos verdes e de avaliação de desempenho econômico e ambiental de processos. A metodologia é inicialmente aplicada a duas demandas imediatas da Braskem.

Remoção de CO2 de Gases Exaustos (2011-Atual)

Descrição: Condução de Experimentos de captura de CO2 de Gases Exaustos em Planta Piloto de Aminas, Estudos Teóricos Associados e Desenvolvimento de Modelos em Remoção de CO2 e outros poluentes de Gases Exaustos.

Objetivos específicos: O Projeto deve responder a desafios tecnológicos na remoção de CO2 e outros poluentes de gases exaustos em abordagens que envolvem experimentos, desenvolvimentos de modelagem matemática e simulação de fluxogramas de processo, abrangendo os seguintes objetivos específicos:

  1. Modelagem de Tecnologias de Separação de CO2 e outros Poluentes presentes em Gases Exaustos. O Laboratório H2CIN da Escola de Química da UFRJ vem desenvolvendo modelos fenomenológicos para simulação e otimização de processos de separação de CO2 e outros contaminantes do gás natural, mormente operações (modeladas em ambiente MATLAB) envolvendo absorção com aminas, permeação gás-gás em membranas (fibra oca e spiral wound) e contactoras gás-líquido em membranas. Nesta linha de pesquisa, propõe-se a expansão do Simulador SCA-2013 de fluxogramas de captura de gases ácidos (CO2 e H2S), baseada na extensão do banco de dados com resultados experimentais da Planta Piloto operando com gases de exaustão e com dados da Planta Piloto da Universidade de Regina.
  2. Planta Piloto de Captura de CO2 de Gases Exaustos por Absorção com Soluções Aquosas de Etanolaminas no CEGN/E&P - Parque Tecnológico da Ilha do Fundão. Planejar experimentos e operar Planta Piloto de Captura de CO2 de Gases de Exaustão por Absorção com Soluções Aquosas de Etanolaminas, fazendo tratamento estatístico de dados e calibração de modelos de absorção de CO2 com dados obtidos na Planta Piloto de Captura de CO2 a qual é alimentada com gases gerados na queima de óleo diesel em aquecedor de fluido térmico usado, por sua vez, na própria Planta Piloto para suprir calor na etapa de regeneração de solvente.
  3. Análise de Dados da Planta Piloto de Regina (Canadá). Tratamento computacional.

Otimização Energética de Calcinadores de Alumina em Leito Fluidizado (2011-2015)

Descrição: A Alunorte - Alumina do Norte do Brasil S.A. é uma empresa com atividades iniciadas em 1995 em Barcarena, PA, voltadas para a produção de Alumina (Al2O3) a partir de bauxita, minério de alumínio encontrado no oeste e em outras locações no Estado do Pará. A Alunorte utiliza o Processo Bayer para produção de alumina. O destino da alumina produzida pela Alunorte no Brasil é a Alumínio Brasileiro S.A. (Albras), localizada na cidade de Barcarena (PA), e a Valesul, no Rio de Janeiro (RJ), que utilizam alumina como matéria prima para fabricar alumínio metal. A alumina também é exportada, pelo porto de Vila do Conde, para os mercados da América do Norte, Europa e Ásia.

A alumina pode ser utilizada também na fabricação de detergentes, produtos de limpeza, compostos para tratamento da água, supressores de fumaça, materiais ópticos e pastas de dente, além de atender também à indústria plástica, de mármore, granito sintético e isolante.

A produção da Alunorte é próxima de 6.2 milhões de toneladas de Alumina por ano, segundo informações no web-site www.alunorte.com.br. Admitindo-se que sejam necessárias 2.5 toneladas de bauxita por tonelada de Alumina refinada (também no web-site www.alunorte.com.br), tem-se que o consumo de bauxita da Alunorte é próximo de 16 milhões de toneladas por ano. A diferença entre a entrada de 16.106 ton de minério e a saída de 6.2.106 ton de Alumina, corresponde à produção de um resíduo mineral, a lama vermelha (red mud), da ordem de 10 milhões de toneladas por ano (10.106 ton/ano).

São duas as linhas de pesquisa ou grupos de ações e estudos cobertas neste Projeto. Claramente, a formalização final destas propostas dependerá do fornecimento dos dados solicitados na Seção 4 e demandará um novo ciclo de estudos. A proposição aqui apresentada é apenas preliminar objetivando, por outro lado, deixar claro o potencial de ganhos econômicos e ambientais existente na mesma. Estas duas linhas de pesquisa são razoavelmente independentes.

Desempenho de Isochrysis galbana na Produção de Óleo e Captura de CO2 com Fotobiorreator Piloto (2010-Atual)

Descrição: O projeto tem por objetivo a produção de biomassa algal em escala piloto e outdoors. A seleção da microalga Isochrysis galbana já foi realizada por metodologia de Screening desenvolvida no grupo, e considerou o seu potencial para produção de biomassa, o teor de carbono e o potencial na produtividade de lipídios.

Testes preliminares em reator de bancada comprovaram o potencial da I. galbana na utilização do CO2, produção de biomassa e produtividade de lipídios. Um fotobiorreator tubular de 700 L foi projetado com dimensões e fluidodinâmica. A produtividade esperada para a planta piloto é de 0,214 g/Ld para uma concentração de células no estado estacionário de 3 g/L e taxa específica de crescimento igual a 1 d-1.

Os principais aspectos abordados são:

As atividades de pesquisa experimental terão o objetivo de obtenção de índices técnicos para síntese de processos (e.g., cinética microbiana, cinética química, composição bioquímica da biomassa, alternativas de processamento downstream e rendimentos associados).

A modelagem matemática permitirá estender os resultados experimentais para um contexto de engenharia e otimização de processos. Em síntese, a proposta objetiva o cultivo da microalga I. galbana em escala piloto, produção de óleo (matéria-prima para biodiesel) e de produtos de alto valor (i.e., ácidos graxos poliinsaturados).

Biodiesel de Microalgas: Cultivo e Processamento Downstream (2010-Atual)

Descrição: Os principais aspectos abordados são:

A abordagem totalmente integrada desta proposta contempla o conceito de resíduo-zero para prevenção de poluição. A concepção permite acesso a integração de massa e energia, em um conceito de ecologia industrial para maior sustentabilidade, a partir de vários métodos. As atividades de pesquisa experimental terão o objetivo de obtenção de índices técnicos para síntese de processos (por exemplo, cinética microbiana, cinética química, composição bioquímica da biomassa, alternativas de processamento downstream e rendimentos associados). A modelagem matemática e a simulação de fluxogramas de processo permitirão estender os resultados experimentais para um contexto de engenharia de processos otimizados. A Análise de Ciclo de Vida (Life cycle assessment, LCA) em conjunto com o Estudo Técnico-Econômico permitirão a avaliação de cada processo assim como das tecnologias integradas, empregando métricas bem definidas de sustentabilidade. Em síntese, a proposta objetiva o desenvolvimento de processos de produção de microalgas, biocombustíveis (precursores de biocombustíveis - bio-syngas) e produtos de alto valor (antioxidantes, vitaminas, proteínas, etc) a partir de biomassa de microalgas, como coprodutos para maior benefício econômico.

Engenharia de Processos para Reúso de CO2: Produção de biocombustíveis derivados de microalgas (2010-2012)

Descrição: O uso de fontes renováveis para produção de produtos químicos e combustíveis apresenta-se como solução aos problemas ambientais contemporâneos. As microalgas apresentam eficiência fotossintética muito superior a plantas e a produtividade excede em muito a produtividade das melhores plantações de oleaginosas. Os dados suportam claramente a conclusão de que as microalgas apresentam-se como a única fonte renovável de biocombustíveis capaz de atender à demanda global por combustível de transporte.

No que tange aos aspectos econômicos da produção de biocombustíveis, a biomassa de microalgas apresenta, além da sua alta produtividade comparada a de plantas oleaginosas, a possibilidade de mediante a escolha adequada de cepas, produzir uma ampla gama de bioprodutos.

O presente Projeto aborda a captura de CO2 de gases exaustos industriais, seu transporte por dutos, sua biofixação por microalgas e a utilização da biomassa resultante na produção de bioprodutos, e, via gaseificação, na produção de gás de síntese, precursor de biocombustíveis sintéticos. Concebe-se, assim, o pleno emprego da biomassa (inclusive de frações residuais de biomassa) na produção de bioprodutos e biocombustíveis, em uma concepção de refinaria de CO2 (CO2 to Liquids).

No contexto de restrições ambientais crescentes, escalada do preço do barril de petróleo, buscam-se soluções de arranjos industriais, como Pólos Eco-industriais que fechem o ciclo de atividades industriais: Uma estratégia de Ecologia Industrial é tanto um contexto para a ação, como um campo para a pesquisa. O projeto contempla o screening de microalgas com potencial industrial e a análise econômica e ambiental do emprego de biomassa em um sistema industrial ecológico para produção de biodiesel e biocombustíveis sintéticos. Especificamente, face à forte preocupação com os efeitos climáticos resultantes do acúmulo de gases de efeito estufa, visa-se contribuir para remediação ambiental com a captura de CO2 emitido poremitido por processos industriais.

Microalgas: Otimização das Condições de Cultivo para Produção de Lipídios (2010-2012)

Descrição: O uso de fontes renováveis para produção de produtos químicos e combustíveis apresenta-se como solução aos problemas ambientais contemporâneos. Destacam-se neste contexto as microalgas, que apresentam eficiência fotossintética muito superior a vegetais superiores, com produtividades que excedem em muito as das melhores plantações de oleaginosas, apresentando-se como a única fonte renovável de biocombustíveis capaz de atender à demanda global por combustível de transporte.

No que diz respeito aos aspectos econômicos da produção de biocombustíveis, a biomassa de microalgas apresenta, mediante a escolha adequada de cepas, a possibilidade de produção de uma ampla gama de bioprodutos.

O presente Projeto contempla experimentos em escala de laboratório para definição de condições de cultivo de Isochrisys galbana para operação de fotobiorreator em escala semi-piloto construído no Laboratório H2CIN da EQ/UFRJ. Os principais aspectos abordados são: crescimento de microalgas (condições de crescimento para maximizar o teor de lipídios) e técnica de bioestimulação pela aplicação de potencial elétrico ao cultivo.

Acordo de Cooperação Técnica TWISTER BV - EQ/UFRJ (2010-2012)

Descrição: Cooperação entre o Laboratório H2CIN da Escola de Química e a TWISTER BV da Holanda referente a simulações de processos convencionais de processamento de gás natural e do separador supersônico (TWISTER).

Desenvolvimento de Processos para Redução da Emissão de CO2 e Produção de Biocombustíveis (2008-2012)

Descrição: A emissão de CO2 em função das atividades humanas tem implicado em alterações na composição da atmosfera terrestre associadas a mudanças climáticas importantes. Este desequilíbrio causado no clima pode se agravar de forma considerável no futuro caso não sejam tomadas imediatamente medidas importantes para tentar reduzir os seus efeitos.

Os sistemas biológicos para utilização de CO2 envolvem o processo fotossintético e a subsequente conversão da biomassa produzida em combustíveis que podem substituir os combustíveis fósseis. As microalgas constituem um dos mais eficientes sistemas biológicos de transformação de energia solar em compostos orgânicos, através do processo fotossintético. Além disso, possuem enorme potencial de aproveitamento biotecnológico, quer como fonte de alimento, como reservatório dos mais diversos compostos químicos de interesse, ou como biomassa para produção de energia.

Muitas espécies podem ser induzidas, através de estresses programados, a aumentar a produção de compostos de alto valor comercial, como proteínas, polissacarídeos, lipídeos e pigmentos. Adicionalmente, crescem em suspensão aquosa permitindo um acesso mais eficiente à água, CO2 e outros nutrientes, podendo ainda utilizar água salobra (imprópria para os usos domésticos, industriais ou agrícolas). O fato destes microrganismos se reproduzirem, de maneira geral, por uma simples divisão binária permite que se complete um ciclo celular em poucas horas, o que resulta numa velocidade de crescimento relativamente rápida e torna tanto o processo de seleção genética, quanto o de cepas, relativamente simples e rápido.

Pelas razões expostas, as microalgas apresentam um potencial de alta produtividade associado à facilidade de conversão da biomassa em combustíveis gasosos e líquidos. Contudo, o emprego em escala industrial deste processo demanda a solução de vários desafios tecnológicos nas diversas etapas envolvidas.

Modelagem de Processos de Purificação de Gás Natural com Tecnologias Combinadas em Membranas (2007-Atual)

Descrição: Este Projeto visa ao desenvolvimento de Programas de Simulação e de Projeto de Processos de Purificação de Gás Natural com Tecnologias Combinadas de Permeação em Membranas. São previstos os 3 desenvolvimentos seguintes:

O Projeto é de total interesse do Setor de Exploração e Produção da Petrobras, sendo esta Empresa a financiadora do Projeto.

Microalgas em Fotobiorreatores Fechados: Sinergia entre Sequestro de CO2 e Produção (2006-Atual)

Descrição: O projeto aborda o abatimento de CO2 presente nas emissões de termoelétricas, por microalgas, em condições de cultivo que promovam o acúmulo de lipídeos visando à produção de biodiesel. Especificamente, serão empregados fotobiorreatores como alternativa às lagoas de cultivo de algas.

Cooperação Técnico-Cientifica Braskem-FUJB-EQ/UFRJ (2006-Atual)

Descrição: Título Convênio de Cooperação Técnico-Científica Braskem-FUJB-Escola de Química da UFRJ.

Objetivo: O Projeto envolve esforços multidirecionais em consultoria, pesquisa e desenvolvimento de modo a permitir o curso de ações de cooperação técnico-Científica entre professores da Escola de Química da UFRJ e a Braskem S.A. com concentração em Desenvolvimento de Processos, Engenharia e Otimização de processos, Hidrorrefino de gasolina de Pirólise e Engenharia de dutos.

Os contextos de cooperação que poderão ser conduzidos são os seguintes:

  1. Assessoria
  2. Consultoria
  3. Assistência Técnica
  4. Apoio Tecnológico
  5. Desenvolvimento Tecnológico.

Química Verde e Biotecnologia na Mitigação do Efeito Estufa (2005-2008)

Descrição: A linha de pesquisa desenvolvida pelo grupo da EQ/UFRJ aborda a mitigação de emissões de CO2 sob enfoque da Química Verde:

  1. Desenvolver sinergia entre processo emissor de CO2 e processo de sequestro de CO2. Pretende-se, neste projeto, abordar como agente de remediação ambiental a alta reatividade do óxido de etileno, processo responsável por 1% do CO2 emitido para a atmosfera, para a captura química de CO2. O produto resultante é o carbonato de etileno, deslocando rota tradicional de produção envolvendo fosgenio, um produto ambientalmente danoso;
  2. Desenvolver "aminas especiais" e misturas de etanolaminas mais eficientes na captura de CO2, etapa definitiva na viabilidade econômica de mitigação de sua emissão por empresas em diversos segmentos industriais. A recuperação da amina é etapa intensiva de energia, e a eficiência energética do processo reduz a queima de combustível fóssil, indiretamente mitigando emissões de CO2.
  3. Investigar a biocaptura de CO2 com Dunaliella salina, com co-produção de β-caroteno. A condução de experimentos em fotobiorreator dará suporte ao desenvolvimento de modelo cinético de crescimento celular, consumo de CO2 e formação de produtos, para projeto de processo.

Modelagem e Otimização de Processos de Hidrocraqueamento de Frações de Petróleo Pesado (2005-Atual)

Descrição: A crescente competição mundial no Setor Petróleo juntamente com a crescente oferta de crus pesados, induz à sobrevivência seletiva de tecnologias específicas para o processamento desta classe de matéria prima, operando sob constante observância de metas próximas ao ótimo econômico e grandes escalas. Isto é, reduz-se, rapidamente, o espaço para a adoção de soluções improvisadas de processamento como o "blending" citado anteriormente.

Adicionalmente, há o caráter global e gradativamente mais exigente de legislações ambientais a respeito da emissão atmosférica de carbono (CO2), enxofre (H2S, SOx) e nitrogênio (NOx). Ora, tais emissões tendem a ser mais imponentes no cenário industrial de Petróleos Pesados e no consumo de seus derivados.

Por estas razões, tecnologias específicas para o processo deste tipo de cru devem considerar meios adicionais de reduzir a geração destes agentes ao longo da cadeia de produção e de consumo de derivados. Em decorrência, há poucas alternativas à Petrobras e ao País, além de concentrar esforços em desenvolver, em futuro próximo, tecnologias seguras, ambientalmente corretas e econômicas para refinar grandes quantidades de Petróleo Pesado. Por outro lado, a economia deste processamento em grande escala depende de vários fatores tecnológicos ainda em concepção ou em desenvolvimento, dentre os quais destacamos:

  1. Aprimoramento do rendimento do refino de Petróleo Pesado em produtos leves, caracterizados por alta relação hidrogênio/carbono, baixos teores de espécies poliaromáticas e baixíssimos teores de espécies sulfuradas e nitrogenadas.
  2. Aprimoramento econômico/tecnológico de processos de produção de hidrogênio a partir de frações de Petróleo Pesado.

O presente Projeto formaliza proposição para abordar tema de pesquisa diretamente inserido no contexto dos pontos listados acima.

Estudos em Hidrocraqueamento de Frações de Petróleo Pesado (2004-Atual)

Descrição: O projeto contempla a construção de unidade de hidrocraqueamento de frações de petróleo pesado para condução de corridas de HCC de frações de petróleo visando ao desenvolvimento de modelagem cinética. O modelo cinético será inserido em fluxograma de processo visando à otimização das condições de projeto e operação.

Desenvolvimento de Tecnologia de Captura e Sequestro de CO2 (2003-2005)

Descrição: O projeto pretende abordar a redução de emissões que contribuirá para o suprimento de energia de forma ambientalmente aceitável a preços competitivos. Especificamente, o projeto visa ao desenvolvimento de novas tecnologias para redução do custo de captura de CO2 e seu sequestro. Estas tecnologias serão aplicáveis a uma grande fração de fontes de CO2 tais como refinarias de petróleo, usinas elétricas, termoelétricas e outros processos industriais. O emprego destas tecnologias reduzirá o impacto do uso de combustíveis fósseis enquanto são desenvolvidas fontes alternativas de energia.

Desenvolvimento de Modelos de Hidrorrefino de Frações de Petróleo (2002-2005)

Descrição: Desenvolvimento de modelagem, simulação e otimização aplicada a Processos de Hidrorrefino tais como Hidrotratamento (HDT) de Destilados Médios e de Destilados Naftênicos, contemplando:

  1. Desenvolvimento de Modelos usando Redes Neurais para Hidrotratamento (HDT) de Destilados Médios e
  2. Estimação dos Parâmetros Composicionais e Cinéticos para o Simulador de HDT de Destilados Naftênicos.

Uso de Perfluorcarbonetos na Aeração de Culturas de Yarrovia lypolitica para Desenvolvimento de Bioprocessos e Produção de Lipase (2002-2005)

Descrição: Projeto de cooperação internacional entre a Escola de Química da UFRJ e a Universidade de Aveiro envolvendo competências em engenharia química, biotecnologia e físico-química.

Desenvolvimento de Metodologias de Análises Aplicadas a Sistemas de Tratamento de Efluentes de Refinaria (2001-2002)

Descrição: Desenvolvimento de metodologias analíticas aplicadas ao processo de remoção biológica de nitrogênio de efluentes de refinaria, visando aumento de produtividade. As análises efetudas "off-line" foram avaliadas quanto à viabilidade de midificações que viabilizassem a sua aplicação em linha.

Desenvolvimento de Sistemas para Simulação Dinâmica, Detecção de Vazamento e Otimização Operacional de Dutos (2001-2002)

Descrição: Desenvolvimento de ferramenta computacional para localização e quantificação de vazamentos em dutos operando com fluido compressível. Modelagem do escoamento é utilizada na otimização operacional de redes de escoamento.

Monitoração e Modelagem de Bioprocessos empregando Processamento Digital (2001-2002)

Descrição: Emprego de ferramentas e técnicas de processamento digital de imagens para caracterizar crescimento celular, especialmente de leveduras. O impacto das condições de processo nas características morfológicas da população foi investigado.

Levantamento Cinético, Modelagem e Otimização de Processo de Hidrogenação de Cortes de Gasolina de Pirólise (2001-2002)

Descrição: Levantamento de dados experimentais obtidos em planta em escala de bancada de hidrotratamento de gasolina de pirólise. Os dados são utilizados no desenvolvimento e validação de modelo cinético envolvendo uma rede de reações de hidrogenação. O modelo obtido é usado em algoritmo de otimização para maximizar a lucratividade do processo, atendendo a especificações de qualidade do produto final.

Modelagem, Monitoração e Controle de Bioprocessos: Remoção Biológica de Nutrientes, e Processo Bioeletroquímico (2000-2002)

Descrição: Desenvolvimento de processo de remoção biológica conjunta de fósforo, nitrogênio e carbono visando ao levantamento de dados para suporte à modelagem do processo para fins de otimização. Paralelamente, modelos de balanços populacionais foram empregados para descrever fenômenos populacionais associados ao crescimento microbiano. A influência da aplicação de campo elétrico no ciclo celular de leveduras foi investigado.

Remoção Biológica de Nutrientes de Efluentes de Refinaria em Reatores Batelada Sequencial (2000-2002)

Descrição: Otimizar o sequenciamento de fases de operação de um reator batelada sequencial (planta em escala de bancada, totalmente instrumentada). O projeto envolveu o desenvolvimento de modelagem cinética (nitrificação, desnitrificação, desaromatização) e o uso do modelo obtido em algoritmo de otimização para maximizar a produtividade do processo.

Sistema de Detecção de Vazamentos em Redes de Escoamento Compressível (2000-Atual)

Descrição: Emprego de técnicas de Identificação de Processos para desenvolvimento de ferramenta para detecção, localização e quantificação de vazamentos em dutos operando com fluidos compressíveis.

Simulador Matemático de Processo de Hidrorrefino (2000-Atual)

Descrição: Utilização da base de dados em hidrorrefino de diesel do Cenpes/Petrobras para desenvolvimento de simulador matemático parafins de projeto e otimização de plantas de HDT.

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