Análise e otimização do processo de lavagem de uma central de engarrafamento de bebidas

Abstract

No âmbito da unidade curricular Dissertação do Mestrado Integrado em Engenharia Química da Universidade de Coimbra surgiu a possibilidade de realizar esta tese na empresa Goanvi - Central de Engarrafamento de Bebidas, tendo sido adotado o tema: “Análise e Otimização do Processo de Lavagem de uma Central de Engarrafamento de Bebidas”. Mais concretamente, o trabalho envolveu o estudo da remoção da dureza da água através de processos de precipitação química e permuta iónica, bem como a análise económica referente ao consumo de produtos de higienização nesta empresa. O estudo do processo de precipitação química envolveu a análise do efeito da quantidade de Ca(OH)2 adicionado às amostras de água assim como o efeito da adição de coagulante. No processo de permuta iónica realizou-se um estudo de equilíbrio e da cinética do processo em batch, utilizando a resina catiónica Amberlite IR-120 Na+. A operação em leito fixo e a etapa de regeneração em batch foram também estudadas. Os resultados experimentais indicaram que o método de precipitação química permite obter água com dureza de 100 mg L-1 de CaCO3 e que a adição de coagulante não tem influência significativa neste processo na quantidade testada (1% mol da quantidade de Ca(HCO3)2). Quanto ao processo de permuta iónica, os resultados obtidos permitiram concluir que a razão líquido-sólido (v/m) ótima foi de 200. Os modelos de equilíbrio que representaram melhor o processo de permuta iónica foram o modelo de Langmuir para T=20ºC, obtendo-se uma capacidade total de permuta iónica de 416,67 mg g-1 de resina seca, e o modelo de Temkin para T=30ºC. Relativamente aos modelos cinéticos, o que apresentou melhor ajuste aos dados experimentais foi o modelo de pseudo-primeira ordem. Assim, concluiu-se que a superfície da resina é homogénea e que o processo de permuta iónica é reversível, sendo a sua cinética diretamente proporcional à capacidade do sólido. O estudo da etapa de regeneração permitiu verificar que é possível reutilizar a resina estudada. No que diz respeito à operação em leito fixo, os resultados experimentais indicaram que o tempo estequiométrico foi atingido aos 153 minutos e que a resina ficou saturada aos 259 minutos, devendo o processo ser interrompido aos 65 minutos. O amaciamento da água permitirá uma redução de custos em relação ao plano de higienização da Goanvi que é atualmente praticado. O reaproveitamento das águas de enxaguamento bem como do Nifos 10 (descalcificante) presente nestas é uma mais-valia quer ao nível da redução de custos quer ao nível ambiental. Face aos resultados alcançados, pode-se concluir que o processo de permuta iónica é o mais promissor ao nível de redução da dureza da água uma vez que dos processos estudados é o mais eficiente.

In the scope of the course Dissertation of the Master in Chemical Engineering of University of Coimbra, it become possible to accomplish this work in the Goanvi – Central de Engarrafamento de Bebidas, adopting the theme "Analysis and Optimization of the Washing Process of a Beverage Bottling Plant”. More specifically, this work involved the study of water softening by chemical precipitation and ion exchange as well as the economic analysis regarding the consumption of cleaning products. In the study of the chemical precipitation process, the analysis of the effect of the amount of Ca(OH)2 added to the water sample and the effect of the addition of coagulant were studied. In the ion exchange process, the equilibrium and batch kinetics were also accessed using the cationic resin Amberlite IR-120 Na+. Fixed bed operation and batch regeneration process were also evaluated. The experimental results indicated that it is possible to reduce the water hardness to a value of 100 mg L-1 CaCO3 by chemical precipitation and the addition of 1% mol (relatively to the amount of Ca(HCO3)2) coagulant has no significant influence in this process. Regarding the ion exchange process, the results allowed to obtain as optimum liquid-solid ratio (v/wt) of 200. The equilibrium models that best represent the ion exchange process were the Langmuir model, for T = 20°C, where the total ion exchange capacity was 416.67 mg g-1 of dry resin, and the Temkin model for T = 30°C. In the kinetic models, the best fit to the experimental data was the pseudo-first order model. Thus, it is concluded that the resin surface is homogeneous and the ion exchange process is reversible. Also, the kinetic is directly proportional to the solid capacity. The study of the regeneration step showed that it is possible to reuse the resin studied in this work. Considering the fixed bed operation, the experimental results herein obtained indicate that the stoichiometric time and the resin saturation are reached at 153 minutes and 259 minutes, respectively. Consequently, the process must be stopped at 65 minutes. The water softening allows a cost reduction in the hygienization plan already used in Goanvi. The reuse of rinse water and Nifos 10 therein present can be an important value in the terms of cost reduction and also at an environmental level. Concerning all results obtained, it is possible to conclude that the ion exchange process is the most promising in terms of water hardness reduction, since it is the most efficient compared to the all studied processes.