DIAGRAMA DE FONTES DE ÁGUA:

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1 DIAGRAMA DE FONTES DE ÁGUA:
EQE-489 – Engenharia de Processos Prof. Carlos A. G. Perlingeiro INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS DIAGRAMA DE FONTES DE ÁGUA: Ferramenta para Reúso de Efluentes Industriais Reinaldo C. Mirre 2015 / 1 10/6/2015

2 Procedimento para Redução de Vazão de Efluentes Aquosos
Diagrama de Fontes de Água (DFA) (GOMES, 2002; GOMES et al., 2007) Sistemas com um componente Máximo Reúso O DFA, Diagrama de Fontes de Água, é um procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas para máximo reúso

3 Tabela de Oportunidades
DFA Tabela de Oportunidades Fluxograma de processos Identificar operações que usam água Fluxograma de processos hídricos Balanço Hídrico: dados de vazão de água e concentração de contaminantes (entrada e saída de cada operação) Tabela de oportunidades

4 Tabela de Oportunidades
DFA Tabela de Oportunidades Passo a passo do DFA ► Ordem crescente de concentrações ► Criação de intervalos

5 Tabela de Oportunidades
DFA Tabela de Oportunidades ► Cálculo de carga mássica (∆m) de contaminantes a ser assimilada em cada intervalo, e para cada operação Δm = fL . (Cout – Cin)

6 Tabela de Oportunidades
DFA Tabela de Oportunidades ► Alocar vazão por intervalo de operação, considerando a carga mássica fixa, e de acordo com as fontes de água (internas e externas) disponíveis no intervalo observado f = Δm / (Cout – Cin) ► Caso a vazão disponível de uma fonte não seja suficiente para assimilar o ∆m da operação no intervalo, deve-se então utilizar água de qualidade mais limpa disponível (prioridade), em relação à concentração inicial da operação no intervalo em análise, de acordo com as fontes (internas e externas) disponíveis ► Sempre que possível, utilizar água de fonte de qualidade menos limpa disponível para alocar às operações subsequentes

7 Tabela de Oportunidades
DFA Tabela de Oportunidades ► Elaborar o fluxograma da rede a partir do DFA Original Reúso DFA 130,5 t/h (0 ppm) 90 t/h (0 ppm)

8 Tabela de Oportunidades
DFA Tabela de Oportunidades Legal! Mas e se eu quisesse usar somente a Operação 2 como fonte de reúso? Poderia??

9 Outra possibilidade de fluxograma
2 D M 4 3 1 90 t/h 50 t/h 5,7 t/h 40 t/h 20 t/h 24,3 t/h 0 ppm 100 ppm 50 ppm 800 ppm

10 Agora é com você!!!

11 Massa de contaminante (kg/h)
Exemplo 2 Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 6 150 40 2 14 100 800 20 3 24 700 1000 80 FONTE DE ÁGUA: 0 ppm

12 MÚLTIPLOS CONTAMINANTES
Diagrama de Fontes de Água (DFA) Método para identificação de oportunidades de reúso de águas e efluentes industriais UM CONTAMINANTE Máximo reúso Além de máximo reúso, o DFA considera outras possibilidades para aplicação Múltiplas fontes de água Restrição de vazão Perdas inerentes ao processo Regeneração com reúso Regeneração com reciclo MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

13 Procedimento para Minimização de Vazão de Efluentes Aquosos
Diagrama de Fontes de Água (DFA) Múltiplas Fontes de Água

14 Então devemos minimizar uso de água de maior qualidade
Normalmente existem DIFERENTES FONTES de água de processo com diferentes QUALIDADES que podem ser usadas em várias operações Geralmente Qualidade Valor econômico Então devemos minimizar uso de água de maior qualidade

15 Massa de contaminante (kg/h)
Voltando aos dados do Exemplo 1... Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 2 100 20 5 50 3 30 800 40 4 400 10 Vamos admitir agora que tenhamos duas fontes de água: FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

16 25 50 100 400 800 20 (0,5) 20 (0,5) 20 (1) 20 1 66,7 66,7 (5) 2 100 26,7 26,7 (2) 26,7 (12) 40 (16) 3 40 13,3 5,7 5,7 (4) 10 4 i = 1 i = 2 i = 3 i = 4 i = 5

17 1 2 D 4 D M 3 20 t/h 20 t/h 0 ppm 100 ppm 47,7 t/h 100 ppm 66,7 t/h

18 Agora é com você!!!

19 Massa de contaminante (kg/h)
Exemplo 2 Operação Massa de contaminante (kg/h) CIN (ppm) COUT (ppm) Vazão limite (t/h) 1 6 150 40 2 14 100 800 20 3 24 700 1000 80 FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

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21 Software para Reúso/Reciclo de Água de Processos
MINEA

22 Interface principal do programa MINEA

23 Exemplo da geração do diagrama com o uso do MINEA

24 Legenda do DFA no programa MINEA

25 Diagrama de Fontes de Água (DFA)
Aplicação Industrial Refinaria de Petróleo

26 A Motivação do Reúso em Refinarias
Esquema simplificado dos processos de refino de petróleo (Araújo et al., 2005) Os processos de refino de petróleo demandam grande consumo de água, principalmente nas operações de resfriamento de correntes e na produção de vapor como fonte de energia

27 DFA A motivação do reúso em refinarias
A minimização do consumo de água no processo de refino tem como foco principal o sistema de resfriamento, por estar em grande parte ligado à troca térmica Os efluentes gerados em cada etapa do processo têm como contaminantes amônia, sulfetos, cianetos, fenóis e óleo Necessidade de uma metodologia que viabilize o uso racional da água:  o seu reaproveitamento não segue qualquer procedimento sistemático, o que compromete o alcance de um desejável máximo reúso DFA

28 Informações Necessárias para Aplicação do DFA
Fluxograma completo do processo Balanço Hídrico Caracterização dos contaminantes Vazões das fontes de abastecimento (externas e internas) Correntes de entrada e saída das operações (vazões x C) Especificações (conc’s máximas em cada operação)

29 Fluxogramas Gerais do Sistema Hídrico

30 AB PERDAS VAPOR AFLU ETA AD Captação ETA Caldeiras APCON AP

31 UDASF AFLU HGU EFLU HGU HGU AST2 AFLU HDT EFLU HDT HDT TQ41007 M T68305 EFLU T68305 T68304 TQ41007 PD FCC VAPOR PROCESSO AFLU0 FCC FCC EFLU FCC D AFLU ST04 ADEST AFLU V21012 V21012 AFLU V21003 EFLU V21003 V21003 AFLU T68303 AST1 AFLU T68303 T68303 V21001 Pré-Flash EFLU V21001

32 AFLU ETDI PDTR51501 PTR51501 TR51501 D Água de Máquina EFLU AM AB1
CAC EFLU CAC TR21001 PDTR51502 AB3 TR51502 PTR51502 PDTR21002 AB4 TR21002 PTR21002 V-21 Selagem EFLU V21 AB0 D AB5 RACI RACI PURGA ETA AB7 EFLU UG Uso Geral EFLU UDASF ADEST M AFLU DESSAL EFLU DESSAL M EFLU TQ41008 CAO EFLU CAO M DESSAL AFLU ETDI AST1 APCON AST2 ETDI EFLU ETDI TQ PETRÓLEO

33 Balanço hídrico do processo da refinaria*
* Exemplo ilustrativo, não relacionado diretamente com os fluxogramas apresentados

34 Resultados da aplicação do procedimento DFA para consideração de sistemas com um contaminante

35 Componentes representativos
Cálcio Sílica Cloreto Cianeto Amônia Sulfeto

36 AST2 EFLU UDASF M AFLU ETDI PDTR51501 PTR51501 TR51501 D
Água de Máquina EFLU AM AB1 PDTR21001 AB2 PTR21001 EFLU CAC TR21001 CAC PDTR51502 AB3 TR51502 PTR51502 PDTR21002 AB4 TR21002 PTR21002 V-21 Selagem EFLU V21 AB0 D AB5 RACI RACI PURGA ETA AB7 EFLU UG Uso Geral ADEST M AFLU DESSAL EFLU DESSAL EFLU TQ41008 CAO EFLU CAO M DESSAL M AFLU ETDI AST1 APCON ETDI EFLU ETDI TQ PETRÓLEO

37 PDTR51501 PTR51501 Água de Máquina EFLU AM TR51501 D PDTR21001 PTR21001 D EFLU CAC TR21001 CAC PDTR51502 PTR51502 TR51502 M PDTR21002 PTR21002 TR21002 V-21 Selagem EFLU V21 D RACI RACI AB0 D PURGA ETA AB7 EFLU UG Uso Geral ADEST M AFLU DESSAL EFLU DESSAL M EFLU TQ41008 CAO EFLU CAO M DESSAL AST1 APCON ETDI AST2 TQ PETRÓLEO

38 ESQUEMA GERAL DE UMA TORRE DE RESFRIAMENTO
(Sistema Semi-aberto) Fluxo de ar Água de reposição (Make up) Tratamento químico Trocadores de calor Condensadores Chillers Drenagem (Blowdown) Bacia da torre contendo sais concentrados Água de resfriamento (fria) Água de resfriamento (quente) Processos de troca térmica Fluxo de água

39 Crescimento biológico
Parâmetros importantes na análise do sistema de resfriamento semi-aberto Ciclo de Concentração C.C. = íon Cl- no sistema íon Cl- na reposição Vazão e qualidade da água de reposição ou STD, Ca, Mg, Si Vazão e qualidade da purga do sistema Concentração de sais pH Temperatura Principais inconvenientes Corrosão Incrustações Tratamento da água Crescimento biológico

40 Simulações de índice de estabilidade da água
LSI = pH - pHs Langelier Perfil do índice de saturação de Langelier (LSI) em função de variações de pH e ciclo de concentração, para as condições de análise da torre de resfriamento TR01 Perfil do índice de saturação de Langelier (LSI) em função de variações de pH e ciclo de concentração, para as condições de análise da torre de resfriamento TR02

41 Redução de vazão (%) em função dos cenários
Síntese da redução na captação de água bruta pelas alternativas geradas Contaminante considerado Vazão água bruta após reúso (t/h) Redução alcançada (%) (1) Cálcio 608 4,0 (2) +10% TR’s 598 6,0 3) +20% TR’s 589 7,0 (4) Sílica 587 (5) +10% TR’s 534 16 (6) +20% TR’s 480 24 (7) Cloreto 627 1,0 (8) +10% TR’s 605 4,5 (9) +20% TR’s 597 (10) Cianeto 216 66 (11) Amônia 634 (12) Sulfeto 209 67 Redução de vazão (%) em função dos cenários

42 Aplicação Industrial

43 Alguns trabalhos desenvolvidos com o DFA
Gomes (2002): Procedimento para minimização de efluentes aquosos - UFRJ Delgado (2003, 2008) - UFRJ Kumaraprasad e Muthukumar (2009) - Índia Stelling (2004) - UFRJ Karthick et al. (2010) - Índia Húngaro (2005) - UFRJ Xavier (2009) - UFSC Mirre (2007) - UFRJ Calixto (2011) - UFRJ Santos (2007) - UFRJ Mirre (2012) - UFRJ Gomes et al. (2007) - UFRJ França (2012) - UFRJ Marques (2008) - UFRJ Moreira (2008) - UFBA Gomes et al. (2013) - UFRJ Melo (2008) - UFSC Pacheco (2014) - UFRJ Ulson de Souza et al. (2009) - UFSC Sá (2015) - UFRJ Ulson de Souza et al. (2010) - UFSC Naice (2015) - UFRJ

44 Para saber mais... GOMES, J.F.S., Procedimento para minimização de efluentes aquosos, Dissertação (Mestrado em Tecnologia de Processos Químicos e Bioquímicos), Escola de Química, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, RJ, 2002. GOMES, J.F.S., QUEIROZ, E.M., PESSOA, F.L.P., “Design procedure for water/wastewater minimization: single contaminant”, Journal of Cleaner Production, 15 (5), , 2007. GOMES, J., MIRRE, R.C., DELGADO, B.E.P.C., QUEIROZ, E.M., PESSOA, F.L.P., “Water Sources Diagram in Multiple Contaminant Processes: Maximum Reuse”, Industrial & Engineering Chemistry Research, Washington, 52 (4), , 2013.

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46 E agora... Vamos ao TESTE FINAL!!!

47 E agora... Vamos ao TESTE FINAL!!!

48 Palavras Cruzadas Tratamento para remoção parcial de contaminantes (1)
(2) (3) (4) (5) (6) Hummm! (7) (1) Tratamento para remoção parcial de contaminantes

49 √ (1) R E G E N E R A Ç Ã O (2) (3) (4) (5) (6) (7) (1) Tratamento para remoção parcial de contaminantes (2) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico

50 √ Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...)
(1) R E G E N E R A Ç Ã O √ (2) A N Á L I S E (3) (4) (5) (6) (7) (1) Tratamento para remoção parcial de contaminantes (2) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico (3) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...)

51 (1) R E G E N E R A Ç Ã O (2) A N Á L I S E (3) C O N C E N T R A Ç Ã O √ (4) (5) (6) (7) (1) Tratamento para remoção parcial de contaminantes (2) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico (3) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...) (4) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente

52 (1) R E G E N E R A Ç Ã O (2) A N Á L I S E (3) C O N C E N T R A Ç Ã O √ R E U S O (4) (5) (6) (7) (1) Tratamento para remoção parcial de contaminantes (2) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico (3) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...) (4) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente (5) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais

53 (1) R E G E N E R A Ç Ã O (2) A N Á L I S E (3) C O N C E N T R A Ç Ã O R E U S O (4) √ D F A (5) (6) (7) (1) Tratamento para remoção parcial de contaminantes (2) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico (3) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...) (4) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente (5) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais (6) Abordagem holística voltada para o projeto e a operação de processos, que leva em conta a unidade dos processos, na visão de sistemas

54 (1) R E G E N E R A Ç Ã O (2) A N Á L I S E (3) C O N C E N T R A Ç Ã O R E U S O (4) D F A (5) √ I N T E G R A Ç Ã O (6) (7) (1) Tratamento para remoção parcial de contaminantes (2) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico (3) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...) (4) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente (5) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais (6) Abordagem holística voltada para o projeto e a operação de processos, que leva em conta a unidade dos processos, na visão de sistemas (7) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada

55 √ (1) R E G E N E R A Ç Ã O (2) A N Á L I S E (3) C O N C E N T R A Ç
U S O (4) D F A (5) I N T E G R A Ç Ã O (6) √ C O N T A M I N A N T E (7) (1) Tratamento para remoção parcial de contaminantes (2) Exame crítico de um processo para prever e avaliar o seu desempenho físico e econômico (3) Medida quantitativa de uma espécie em solução aquosa (mg/L, ppm...) (4) Conceito ligado ao reaproveitamento de água para seu uso racional ou eficiente (5) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas em processos industriais (6) Abordagem holística voltada para o projeto e a operação de processos, que leva em conta a unidade dos processos, na visão de sistemas (7) Denominação genérica para espécie presente na corrente aquosa considerada

56 E S T U D E M