DIAGRAMA DE FONTES DE ÁGUA: Ferramenta para Reúso de Efluentes Industriais EQE-489 – Engenharia de Processos 2016 / 1 Reinaldo C. Mirre 01/02/2016 INTEGRAÇÃO DE PROCESSOS Prof. Carlos A. G. Perlingeiro

Sistemas com um contaminante Visão geral da Integração de Processos Químicos Diagrama de Fontes de Água (DFA): Ferramenta para síntese de redes de águas com máximo aproveitamento nos processos Softwares para reúso / reciclo de água de processos na indústria Aplicação industrial Reúso de água na indústria Considerações Finais Objetivo Apresentar o procedimento algorítmico-heurístico. Diagrama de Fontes de Água (DFA), voltado para a identificação de oportunidades de reúso de águas e efluentes industriais. / múltiplos contaminantes

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 Procedimento para Redução de Vazão de Efluentes Aquosos Diagrama de Fontes de Água (DFA) Sistemas com um componente Máximo Reúso ( GOMES, 2002; GOMES et al., 2007)

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

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

DFA - Revisão ► Cálculo de carga mássica (∆m) de contaminantes a ser assimilada em cada intervalo, e para cada operação Δm = f L. (C out – C in )

Tabela de Oportunidades DFA - Revisão ► 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 / (C out – C in ) ► 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

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

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

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

DFA - Revisão Balanço Hídrico: dados de vazão de água e concentração de contaminantes (entrada e saída de cada operação) Fluxograma de processos Identificar operações que usam águaFluxograma de processos hídricos Tabela de oportunidades Passo a passo do DFA ► Ordem crescente de concentrações ► Criação de intervalos ► Representação de operações, incluindo vazões e limites de concentrações ► Cálculo de carga mássica (∆m) de contaminantes a ser assimilada em cada intervalo, e para cada operação ► 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 Δm = f L. (C out – C in ) f = Δm / (C out – C in ) ► 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 ► Elaborar o fluxograma da rede a partir do DFA ►

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

Agora é com você!!!

Exemplo 2 OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) FONTE DE ÁGUA: 0 ppm

Diagrama de Fontes de Água (DFA) Múltiplas Fontes de Água

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

OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) Voltando aos dados do Exemplo 1... Vamos admitir agora que tenhamos duas fontes de água: FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

i = 1 i = 2 i = 3 i = (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) 20 66,7 26, ,3 5,7 800 i = 5 (1) 20

2 D M ,4 t/h 66,7 t/h 40 t/h 5,7 t/h 26,7 t/h 25 ppm 100 ppm 25 ppm 50 ppm 100 ppm800 ppm 5,7 t/h D 1 20 t/h 100 ppm 20 t/h 0 ppm 100 ppm 47,7 t/h

E se usássemos o efluente da operação 1 ao invés do efluente da operação 2? Como ficaria? Hummm!

i = 1 i = 2 i = 3 i = i = 5 (0,5) (5) (2)(12) (4) (16) (1) 20 66,7 26,7 13,3 26,740 5,7

t/h 5,7 t/h 0 ppm100 ppm 800 ppm 5,7 t/h D 2 66,7 t/h 100 ppm 66,7 t/h 25 ppm 100 ppm 1 t/h D M 3 93,4 t/h40 t/h 26,7 t/h 25 ppm 50 ppm800 ppm

Agora é com você!!!

Exemplo 2 OperaçãoMassa de contaminante (kg/h) C IN (ppm) C OUT (ppm) Vazão limite (t/h) FONTE DE ÁGUA I: 0 ppm FONTE DE ÁGUA II: 25 ppm

Exercício

Softwares para Reúso/Reciclo de Água de Processos MINEA

Interface principal (SANTOS, 2007)

Exemplo da geração do diagrama com o uso do Minea Legenda

(NAICE, 2015)

Relatório Número de Operações: 4 Número de Contaminantes: 1 Número de Intervalos: 4 Total de Fonte Externa Usada: 0ppm = 90 t/h Vazão Total por Intervalo: i = 1: 90 t/h i = 2: 90 t/h i = 3: 45,71429 t/h i = 4: 45,71429 t/h Informações sobre as Operações: OP-1: Total de Fonte Externa: 0ppm: 20 t/h Total de Fonte Interna: N/A Inventário dos Contaminantes: A: Ci = 0 / Cf = 100 OP-2: Total de Fonte Externa: 0ppm: 50 t/h Total de Fonte Interna: N/A Inventário dos Contaminantes: A: Ci = 0 / Cf = 50 OP-3: Total de Fonte Externa: 0ppm: 20 t/h Total de Fonte Interna: OP-2: 20 t/h Inventário dos Contaminantes: A: Ci = 25 / Cf = 775

Aplicações industriais Petrobras S.A. – Refinaria Henrique Lage (REVAP) Petrobras S.A. – Refinaria Isaac Sabbá (REMAN) Petrobras S.A. – Refinaria do Planalto Paulista (REPLAN) Indústria Têxtil Sucos cítricos Papel e Celulose Petroquímica

Necessidade de uma metodologia que viabilize o uso racional da água:  A aplicação de um procedimento sistemático favorece o alcance de um desejável máximo reúso 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 A motivação do reúso em refinarias DFA 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

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)

Fluxogramas Gerais do Sistema Hídrico

CaldeirasETACaptação AB AD AP APCON PERDAS VAPOR AFLU ETA

TQ41007 VAPOR PROCESSO PD FCC AFLU V21012 EFLU V21003AFLU V21003 AFLU T68303 EFLU T68305 AFLU ST04 EFLU FCCAFLU0 FCC AFLU HDTEFLU HDT EFLU HGU EFLU V21001 AFLU HGU UDASF D HGU HDT V21001 Pré-Flash T68303 V21012 TQ41007 FCC M T68305T68304 ADEST AST2 AST1 V21003

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

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

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

Cálcio Cianeto Sílica Amônia Cloreto Sulfeto Componentes representativos

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

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

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 ESQUEMA GERAL DE UMA TORRE DE RESFRIAMENTO (Sistema Semi-aberto)

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

Contaminante considerado Vazão água bruta após reúso (t/h) Redução alcançada (%) (1) Cálcio6084,0 (2) +10% TR’s5986,0 3) +20% TR’s5897,0 (4) Sílica5877,0 (5) +10% TR’s53416 (6) +20% TR’s48024 (7) Cloreto6271,0 (8) +10% TR’s6054,5 (9) +20% TR’s5976,0 (10) Cianeto21666 (11) Amônia6340 (12) Sulfeto20967 Síntese da redução na captação de água bruta pelas alternativas geradas Redução de vazão (%) em função dos cenários

Aplicação Industrial

Conclusão Fácil aplicação (dependendo do grau de complexidade do sistema) Facilidade relativa para implementação computacional (MINEA) Preserva o projeto existente Geração de cenários alternativos de reúso / reciclo / regeneração, incorporando outras restrições de processo Praticidade nos cálculos Maximiza o reúso Aplicável a processos contínuos e em batelada

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

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, 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), , 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.