BALANÇO HÍDRICO UMA NOVA SISTEMÁTICA

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1 BALAÇO HÍDRICO UMA OA SISTEMÁTICA D. Fontana, R. Kald, I. Sartor, A.Kperstok, M. Slva, E. A. Sales, J.G. Pacheco Flho, S. Olvera, C. Perazzo. - Unversdade Federal da Baha UFBA Escola Poltécnca TECLIM Rua Arstdes ovs, 630 CEP: Salvador BA Brasl Telefone: (0-xx Fax: (0-xx Emal: fontana@ufba.br - Braskem Undade de Insumos Báscos RESUMO Este trabalho consta de uma parte da metodologa crada no TECLIM/UFBA durante o desenvolvmento de um projeto de redução do consumo de água e mnmzação de efluentes realzado na Undade de Insumos Báscos da Braskem (UIB, ndústra de prmera geração do Pólo Petroquímco de Camaçar BA. Sendo o balanço hídrco uma ferramenta para gerencar o uso da água num processo produtvo, o trabalho descrto a segur contempla: métodos usados para aqusção de dados de vazão, a ferramenta de Qualdade de Informação (QI que auxlou no estabelecmento de prordade na obtenção dos dados de vazão para compor o balanço, sstemátca de mplementação do balanço hídrco em Excel e a adaptação do uso da ferramenta de reconclação de dados para o caso estudado. PALARAS-CHAE: Balanço Hídrco. Reconclação de vazões. Qualdade de Informação. Mnmzação de água. Mnmzação de efluentes. ABSTRACT Ths work conssts on part of the methodology created n the TECLIM/UFBA durng the development of water consume mnmzaton and wastewater mnmzaton project carred n the Undade de Insumos Báscos da Braskem (UIB, a basc petrochemcal ndustry at Pólo Petroquímco de Camaçar - BA. Beng the water balance the tool to manage the use of water n the productve process, the followng descrbed work contemplates: used methods for acquston of flow-rates data to compose water balance, the tool of Qualty of Informaton (QI that helped on establshng prortes on obtanng flow data, systematcs of mplementaton of the water balance n Excel and the adaptaton of the use the tool on the reconclaton of flow-rate data for the studed case..itrodução Uma das grandes dfculdades para representar o balanço hídrco de uma ndústra petroquímca que fo projetada cerca de 30 anos atrás, quando não era foco o cudado no uso dos recursos naturas e a água era consderada um recurso nesgotável, é a aqusção dos dados de vazões. Deste modo, grande parte das correntes aquosas não possuem um meddor de vazão nstalado em lnha. Portanto, as vazões meddas se tornam nsufcentes para representar o balanço hídrco da planta.

2 Para superar esta dfculdade, os dados de vazões foram levantados através de meddores portátes, calculados através de balanços de massa e energa ou va dados de projeto. Sendo assm, surge a necessdade de assocar ao dado de vazão nformações do grau de certeza relaconada com o método no qual esta nformação fo obtda. A ferramenta crada para assocar ao valor de vazão a faxa de certeza na qual fo obtdo este dado denomnou-se Qualdade de Informação (QI. este trabalho é apresentada uma nova sstemátca de representação do balanço hídrco, mplementado em Excel, de uma ndústra petroquímca como uma das etapas da metodologa usada para redução do consumo de água e da geração de efluentes na petroquímca estudada. Como parte desta metodologa são mostrados: os métodos usados na aqusção de dados, como o uso da ferramenta de Qualdade de Informação pode auxlar na avalação da consstênca dos dados do balanço hídrco e adaptação feta na ferramenta de reconclação de dados de vazões para atngr o fechamento dos balanços..qualidade DE IFORMAÇÃO A nexstênca de meddores totalzadores de vazão em todos os pontos necessáros para compor o balanço hídrco, SOUZA (000 justfca a necessdade dos dados de vazões serem obtdos de dversas formas. Os métodos adotados para a obtenção destes dados foram medções nstantâneas com equpamentos portátes, balanços de massa e energa nformações de projetos. Sendo assm, surge a necessdade de assocar a estes dados um grau de ncerteza relaconada com o método no qual esta nformação fo obtda. A ferramenta que assocada ao valor de vazão ndca a faxa de certeza na qual fo obtda denomnou-se Qualdade de Informação (QI. este sstema, a qualdade máxma refere-se à medção com equpamento totalzador de vazões nstalado em lnha e a qualdade mínma representa a falta da nformação de vazão. A escala de valores de Qualdade de Informação orgnal proposta, Conforme mostra a Fgura. Fgura - Escala de QI orgnal. Uma das vantagens desta ferramenta é a possbldade de compor o balanço hídrco com os dados de vazões dsponíves, sem se preocupar, em prmero momento, com as vazões desconhecdas. Tendo o balanço hídrco montado com as vazões assocadas ao seu QI, a próxma etapa é a melhora de QI global através da dentfcação de pontos crítcos que necesstam de melhora de QI. o desenvolvmento deste trabalho, em termos prátcos, foram atrbuídos os seguntes valores de QI para o método usado na obtenção dos dados de vazão: valores obtdos por estmatvas de operadores e engenheros atrbu-se o valor de QI =,6; valores obtdos em folhas de especfcação de equpamento, ou seja, correspondentes a vazões de projetos atrbu-se o valor de,9 (projeto antgo ou antes de amplação da planta e valor de 4, (projeto recente;

3 valores obtdos por medção do tempo de escoamento de um recpente de volume conhecdo atrbu-se o valor de QI = 5,7; valores obtdos por medção com meddor ultra-sônco portátl atrbu-se o valor de QI = 8; valores obtdos através da base de dados do sstema de automação e controle da planta atrbu-se o valor de QI =0, pos esta base coleta dados de meddores nstalados em lnha na planta, além de totalzar os dados de vazão. O valor de QI das vazões obtdas por balanço de massa fo obtda ponderando-se vazão e valor de QI das correntes conhecdas. QI = ponderado = QI, ( = onde: QI = qualdade de nformação da vazão; = valor de vazão; = referente a corrente assocada ao dado de vazão; = número de correntes envolvdas. 3.BALAÇO HÍDRICO O fluxo hídrco da petroquímca estudada correspondente as correntes aquosas na forma de água, vapor, condensado e efluente fo complado na forma de balanço hídrco. Os dados de vazões complados no balanço hídrco referem-se a um determnado período. Fo feta a méda das vazões ou fo seleconada a vazão mas representatva nos casos em que os dados de vazões foram obtdos numa freqüênca menor que o período de complação. Exemplo em que fo usada a vazão méda: caso de vazões obtdas através de meddores nstalados na planta, que apresentam regstro na base de dados de controle e automação da planta no qual temos medções de mnuto em mnuto. Para termos possbldade de comparar as vazões, prncpalmente das fontes de efluentes como drenagens esporádcas, todas as vazões foram compladas em base contínua, levando-se em conta a vazão pontual, tempo de duração e freqüênca durante o período avalado. Outro crtéro adotado para facltar a comparação entre os valores de vazão fo a escolha da base de vazão a ser nserda no balanço. Devdo à exstênca de correntes tanto na fase líquda quanto vapor, a base escolhda fo à mássca, expressa em t/h. 3.Metodologa de representação e mplementação do Balanço Hídrco O balanço hídrco da UIB, mplementado em arquvo tpo Excel, fo representado na forma de dagrama de blocos, onde cada bloco representa uma das undades de produção, cujas lnhas que conectam os blocos representam o fluxo de correntes aquosas que entram e saem das undades, áreas ou equpamentos. a termnação destas lnhas, setas ndcam o sentdo do fluxo. Todas as lnhas representadas permtem a dentfcação do tpo de corrente (tpos de água, vapores, condensados, efluentes através do tpo de representação (contínua ou tracejada, cor da lnha ou dentfcadas com sglas as quas foram decodfcadas na legenda. Os balanços hídrcos das undades de produção da UIB foram representados de forma smlar ao balanço global, sendo cada bloco representando um equpamento (ou grupo de equpamentos dentfcado através do seu

4 tag. Como dentro de cada undade exste uma dvsão por áreas, os equpamentos pertencentes à mesma área foram representados próxmos possbltando representar uma delmtação e dentfcação da área no qual pertence. Cada arquvo do balanço é composto por: uma planlha com o balanço hídrco avalado no volume de controle da UIB, na qual cada corrente apresenta o seu valor de vazão correspondente; uma planlha espelho muto smlar a anteror cuja a únca dferença está na célula que contém o valor de vazão, este fo substtuído pelo valor da qualdade de nformação assocada a vazão; uma planlha contendo a entrada de dados; uma planlha relatóro contendo a descrção das correntes de entrada e saída das undades, com o valor de vazão e QI correspondentes. a planlha de entrada de dados dos balanços hídrcos por undade, uma coluna contém a dentfcação das correntes do balanço (descrção do tpo de corrente e equpamento e outras colunas dsponíves para entrada dos dados: vazão e QI assocado à vazão. Como estes dados foram vnculados com as planlhas contendo o fluxograma de vazão e o fluxograma de QI, as atualzações destes fluxogramas torna-se automátca, bastando atualzar a entrada de dados. Para facltar a atualzação dos dados fo nserda uma coluna denomnada fonte, na qual se especfca a orgem do dado. Exemplo: em correntes que apresentam meddores em lnha, na coluna fonte fo nserdo o tag do meddor. A atualzação automátca tem a vantagem prncpalmente se o período de referênca dos dados mudar ou então forem fetas dversas melhoras na qualdade de nformação. Uma das possbldades de avalar o balanço hídrco está na avalação da planlha relatóro. esta planlha todas as correntes de entrada e saída de cada uma das undades (no balanço global ou áreas (nos balanços por undades foram descrtas e assocadas aos seus respectvos valores de vazão e QI. Como o vínculo desta planlha fo feto através dos fluxogramas de vazão e fluxograma de QI, quasquer alterações fetas no balanço, va entrada de dados, será atualzada automatcamente no relatóro. Em cada uma das undades de produção (áreas de processo representadas no balanço global (balanço por undades é feto o somatóro de toda a vazão de entrada e saída, com seus respectvos QIs ponderados. A partr destes dados são fetos cálculos da dferença entre a entrada e saída de cada undade (ou área, QI ponderado da undade (ou área e desvo percentual através da relação descrta a segur: 00 ( desvo % = n out out, ( onde: = somatóro das vazões de entrada; n = somatóro das vazões de saída. out A partr das nformações contdas na planlha relatóro podemos avalar quas as correntes do balanço que uma melhora no QI acarretaram uma melhora sgnfcatva no balanço hídrco. Portanto, serve de referênca para a escolha de quas correntes devem ser prorzadas na etapa de melhora de QI. 4.RECOCILIAÇÃO DO BALAÇO HÍDRICO GLOBAL ormalmente, os balanços hídrcos apresentam um desvo percentual (equação

5 dferente de zero ndcando o não fechamento dos balanços, mesmo sendo feto um grande esforço na etapa de melhora de QI. este momento uma das ferramentas usadas para consegur desvo nulo e detecção de erros grosseros é a reconclação de dados. Tendo os dados de vazões assocados a sua faxa de ncerteza, a reconclação busca novos dados de vazões que satsfaçam as equações de balanço através de uma dstrbução de ncertezas. do equpamento (ou volume de controle avalado. Uma nova formulação da função objetvo fo proposta para a aplcação da metodologa do balanço hídrco adotada. Consderando o QI com comportamento nverso a varânca, ponderando-se os dados pelo valor de vazão, a formulação proposta é mostrada a segur: A formulação típca de um problema, segundo CROWE (986 de reconclação de dados, no caso de vazões, é expresso da segunte forma: mn R = M QI ( R M, (5 ( R M mn = σ R L, (3 ( ( = 0 Rl nk Rm out l= M s.a., (4 para k=,..., K. onde: m= R = vazões reconcladas; = vazões meddas; M σ = varânca (assocada ao grau de ncerteza do meddor; n = correntes de entrada; out = correntes de saída; = referente a corrente assocada a vazão; = número de correntes envolvdas; L = número de correntes de entrada de cada undade; M = número de correntes de saída de cada undade; k = referente a undade; K = número de undades. A equação 3 representa a função objetvo do problema de otmzação e a equação 4 representa as restrções de gualdade do problema equvalentes ao balanço de massa k A reconclação das vazões no Balanço Hídrco Global da UIB fo mplementada no Matlab (versão 6., usando a rotna constr do toolbox de otmzação, mportando os dados de vazão e QI ncluídos na planlha relatóro do balanço global. Como restrções do problema, além das equações dos balanços tanto global como por undades, foram ncluídas as equações dstrbução e consumo dos dversos tpos de água, vapores e condensados entre as undades. Com o ntuto de evtar problemas de ndetermnação, os dados de vazões nulas foram substtuídos por um valor muto pequeno, na ordem de 0-6, e para casos em que não se conheca o valor de vazão, ou seja, QI = 0 foram substtuídos por QI = 0.0 e atrbuído um valor ncal qualquer de vazão. Cabe salentar, que esta alteração apenas fo feta nos dados que causam mpacto no Balanço Global, ou seja, nos que casos que afetam a reconclação de dados. Para evtar a não convergênca do algortmo de otmzação (usado para mnmzar o erro entre vazão reconclada e não reconclada do problema de reconclação fo

6 feto uma normalzação, dvdndo a função objetvo por 0 4. Os resultados obtdos com a mplementação feta no Matlab foram documentados em um arquvo tpo Excel, aos moldes do balanço global, sendo: A planlha de entrada de dados do global fo substtuída no arquvo do balanço reconclado por uma planlha denomnada Input_output_Matlab, na qual mporta os dados do balanço global para o Matlab e mporta o resultado obtdo no Matlab para o Excel; A planlha que contem os dados de vazões do balanço reconclado espelho a planlha do balanço global, com exceção dos dados de efluente fnal, desde que no balanço reconclado não deve exstr a dferença entre efluente mapeado e a vazão medda na calha; A planlha relatóro contém os dados do balanço global com e sem a reconclação e índces descrtos abaxo para auxlar na avalação dos resultados. Do mesmo modo que o arquvo do balanço global, fazendo uso da ferramenta do Excel de vncular os dados, basta atualzar a planlha Input_output_Matlab para que todas as demas planlhas fquem atualzadas automatcamente. Para avalar o resultado da reconclação, fo mplementado na rotna a mpressão de resultados como a dferença entre a vazão reconclada e a não reconclada, o desvo entre estas vazões e o grau de fechamento dos balanços. As relações usadas para avalar o resultado da reconclação são mostradas a segur: Dferença = R, (6 M ( R M Desvo das vazões (% = 00,(7 As relações foram nserdas na planlha relatóro do balanço hídrco reconclado. 4.Resultados da Reconclação Um dos mas mportantes resultados da reconclação de dados do balanço global equvale à detecção de erros grosseros no mesmo. Um resultado parcal da reconclação de dados do balanço fo à detecção de erros na ordem de grande de algumas correntes na qual foram confrmadas, após audtora em campo. O resultado da reconclação evdencou a necessdade de uma reavalação da escala de Qualdade de Informação orgnalmente proposta, além das alterações anterormente descrtas. Consderando que a reconclação de dados devera resultar em um erro menor de % para a medção do efluente fnal feta através de um sstema de calha Parshall e ultrassom, sendo que este resultado não fo verfcado, percebeuse que a escala orgnal proposta deve ser modfcada para representar melhor o sstema. Dversos testes foram fetos para estabelecer uma escala de QI mas representatva. A estratéga adotada fo à dvsão de um fator em todos os valores da escala de QI, com exceção do QI =0, que representa a melhor qualdade de dado de vazão, e consderar QI. Os resultados dos testes levaram a escolha do fator 6 para dvdr o QI orgnal. Deste modo surge uma nova escala de QI, representada na Fgura. R

7 Dentre os trabalhos futuros, ao testar esta metodologa em outros projetos, pretendese usar apenas os valores da escala de QI mas representatvos e fazer testes para aproxmar cada vez mas a faxa de certeza real assocada a cada método de obtenção de dados de vazão, ou seja, cada valor da escala de QI. 6.BIBLIOGRAFIA Fgura - Escala de QI reformulada. O resultado da reconclação com a escala de QI reformulada fo documentado na forma de balanço hídrco global reconclado, aos moldes da mplementação feta no Excel do balanço não reconclado. Como resultado da reconclação obtêmse um balanço hídrco com todos os balanços, por tpo de água, vapor e condensado, fechados no envoltóro das undades. CROWE, C. M., Reconclaton of Process Flow Rates by Matrx Projecton. J. AIchE, v. 3, n 4, p.66-63, 986. FOTAA, D. Recuperação de águas de processos Desenvolvmento de um problema padrão. Dssertação de mestrado - UFRGS, Porto Alegre RS, 00. SOUZA, R.. et al., Auto-Avalação para Lcencamento Ambental (ALA, Camaçar, BA, 60 p., out COCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS A metodologa usada fo efetva para o trabalho realzado. Os balanços hídrcos foram montados, as vazões necessáras para uma nova etapa de melhora de QI foram snalzadas nos casos em que esta necessdade fo evdencada. O balanço reconclado apresentou desvo percentual nulo, garantndo o fechamento dos balanços. A escala de QI deverá ser testada em trabalhos smlares, outros projetos com empresas dferentes com o mesmo objetvo do projeto no qual fo desenvolvda esta metodologa.