PROJETO DE PROCESSOS QUÍMICOS: PLANTA INDUSTRIAL DE DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUA DO MAR

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1 PROJETO DE PROCESSOS QUÍMICOS: PLANTA INDUSTRIAL DE DESSALINIZAÇÃO DE ÁGUA DO MAR J.J. HILUY Filho 1, M.L. BEZERRA 2 e P.B.C. SANTANA 3. 1,2,3,4 Universidade Federal do Ceará, Centro de Tecnologia, Departamento de Engenharia Química para contato: hiluy@ufc.br RESUMO - A Engenharia Química faz uso de metodologias para a concepção, elaboração e execução de projetos. Este trabalho descreve o procedimento empregado no desenvolvimento de projeto de uma planta química, as principais etapas, documentos, ferramentas e o sequenciamento para a elaboração do projeto de processo químico. Uma unidade de dessalinização foi selecionada como processo industrial, devido à crise hídrica e real demanda do pólo industrial de Cubatão em São Paulo. O projeto de processos industrial, como conteúdo disciplinar na formação de engenheiros, tem tradicionalmente enfatizado a manufatura ao invés do desenvolvimento de um produto. Para o engenheiro de processos, a palavra produto compreende não apenas produtos químicos e correlatos, mas também energia, materiais, outros insumos, serviços e elementos envolvidos. Além disso, as instâncias técnica, econômica e socioambiental são imprescindíveis para a garantia da viabilidade e a consequente a implantação exitosa do projeto. 1. INTRODUÇÃO Atualmente, o aumento da demanda de água potável é um dos maiores desafios que a humanidade vem enfrentando, assim como as mudanças climáticas e a busca por fontes de energia limpa. Do total de água no mundo, apenas 3 % consiste em água potável, enquanto que os outros 97% correspondem a água salgada (Gökçek; Gökçek, 2016). Vários estudos vêm considerando a dessalinização como uma das soluções mais adequadas para a solução deste problema (Ma et al., 2016). Dessalinização de água do mar e de água salobra é a principal forma de obtenção de água potável em regiões que sofrem com a falta de fontes naturais de água doce. Dentre os processos, a Osmose Reversa é a tecnologia mais comumente utilizada para a obtenção de água potável em escala industrial (Lu et al., 2006). O processo de separação por Osmose Reversa (OR) se dá através da aplicação de um gradiente de pressão, no qual os sais presentes na solução concentrada ficam retidos em uma membrana, enquanto que o solvente (água) passa através dos poros da membrana, obtendo-se água com baixo teor de sais como permeato e uma solução salina mais concentrada que a corrente de alimentação (salmoura) como retentato.

2 Partículas comumente encontradas na água do mar, tais como metais ou matéria orgânica podem coagular sobre a membrana, comprometendo a eficiência do processo. A incrustação biológica, proveniente do crescimento de bactérias, fungos ou algas também representa outro grave problema neste tipo de tecnologia. Assim, o pré-tratamento da água do mar envolvendo coagulação/floculação, filtração e adição de um agente químico oxidante é uma etapa importante para assegurar uma boa performance de uma planta de OR (Valavala et al., 2011). Neste trabalho considerou-se as seguintes etapas para o projeto de uma Planta Industrial de Dessalinização por Osmose Reversa: Localização da Planta, Dados do Processo e Projeto, e Avaliação Econômica Preliminar. 2. LOCALIZAÇÃO DA PLANTA Para a escolha do local mais adequado para a implantação do projeto em estudo, foram considerados e avaliados os seguintes critérios: escassez de água na região, distância entre a planta e a fonte de alimentação de água, energia, mão de obra (ou seja, custo e disponibilidade de trabalho) e qualidade da água (no caso da água do mar, negligenciou-se a variação no teor de sais e sólidos dissolvidos entre diferentes partes do litoral brasileiro). Os estados considerados foram: Ceará, Bahia e São Paulo. Após análise decidiu-se que o local mais viável para a implantação do projeto seria a cidade de Cubatão, em São Paulo. 3. DADOS DO PROCESSO E PROJETO 3.1 Demanda de Produto Uma vez que existem cerca de 11,9 milhões de pessoas na cidade de São Paulo (São Paulo Convention & Visitors Bureau, 2015) e considerando que uma pessoa precisa de cerca de 110 litros de água por dia (Maranhão, 2015), um volume total de m³/dia deve ser produzido a fim de fornecer água potável para 10% da população da cidade. 3.3 Pré-tratamento Figura 1 - Fluxograma do pré-tratamento.

3 O pré-tratamento inclui a adição de produtos químicos e filtros de areia, conforme descrito na Figura 1. Cloro é adicionado para evitar incrustação biológica e para manter boas condições oxidativas. Os sólidos em suspensão e colóides na corrente de alimentação foram reduzidos por coagulação e floculação usando sulfato férrico e uma pequena dose de polímero. Com base nas concentrações requeridas de cada reagente (Valavala et al., 2011), fez-se um balanço de massa para encontrar a quantidade necessária de cada componente no pré-tratamento. Os resultados são mostrados na Tabela 1. Também foi usado uma quantidade de 182 kg/h de MDC-120, um anti-incrustante, a fim de suprimir a precipitação de qualquer cátion restante. Este produto químico é comercializado pela Companhia GE e seu uso foi sugerido pelo software GE Winflows utilizado para simular este processo. Apenas estes reagentes foram necessários para preparar a água de alimentação para o processo de Osmose Reversa (OR), de acordo com as simulações. Tabela 1 - Quantidade necessária dos reagentes utilizados durante a fase de pré-tratamento. Reagente Concentração Requerida (mg/l) Quantidade necessária (kg/h) Cl 2 4,00 32,05 Fe 2 (SO 4 ) Polímero 5,00 40, Tubulação O material escolhido para a tubulação antes do primeiro estágio de OR foi o aço comercial com revestimento interno de concreto, a fim de evitar qualquer incidente de corrosão, onde o fluido de trabalho é água do mar. Uma vez que o fluido seja parcialmente dessalinizado, aço comercial padrão pode ser usado. A Tabela 2 mostra as dimensões e as características da tubulação para o projeto. O Trecho 1 refere-se ao pré-tratamento, enquanto que a Trecho 2 consiste na seção logo após o filtro de areia até o 1 módulo de OR. Tabela 2 - Configuração da tubulação projetada. Tubulação Diâmetro (cm) Comprimento (m) Características Trecho Tês e 1 cotovelo Trecho Tê e 1 cotovelo

4 3.5 Bombas Para escolher uma configuração de bombas apropriada, a equação de Bernoulli foi aplicada considerando tanto as perdas de carga distribuídas quanta as localizadas. As bombas projetadas são mostradas na Tabela 3, onde Bomba 1 refere-se à bomba de sucção e Bomba 2 refere-se à bomba logo após o filtro de areia, e as Bombas de Alta Pressão 1 e 2 referem-se as bombas do processo de OR. Bomba Tabela 3 Especificação das Bombas Diferença de Pressão (kpa) Vazão (m³/s) 1 66,47 2, ,26 Alta Pressão ,9 0,95 Alta Pressão ,10 1,36 Trocador de pressão 438,47 1,32 Bombas centrífugas foram consideradas mais adequadas para a fase de pré-tratamento (bombas 1 e 2) e para o trocador de pressão, já que elas podem facilmente atender aos requisitos do processo e possuem um custo relativamente baixo. Já para as bombas de alta pressão 1 e 2, bombas empistonadas são mais recomendadas, uma vez que estas são capazes de superar a alta pressão osmótica requerida no processo de OR. 3.6 Processo de Osmose Reversa (OR) Configuração: O software gratuito GE Winflows foi usado para ajudar na concepção e simulação da planta de OR. Após várias simulações, chegou-se à conclusão de que uma configuração de 2 estágios com recuperação de salmoura seria a mais viável, em concordância com a literatura estudada (Lu et al., 2006), como mostrado na Figura 2. Desta forma, obteve-se uma recuperação de 64% e um permeato de alta qualidade.

5 Figura 2 - Configuração da planta. Membranas: As membranas AD 400 foram escolhidas para o processo devido à sua excelente rejeição de NaCl. Foram necessárias membranas para atingir a demanda do permeato de m 3 /dia. A configuração das membranas é mostrada na Figura 3. Array Data Stage 1 Recovery %: 40,00 Conc. TDS(mg/l): 0,00 Conc. Flow: ,07 m3/day Total Flow, m3/day Pressure, kpa Perm TDS Stage Housing Element Element Type Feed Perm Feed DP mg/l AD , , ,88 125,53 230, AD , , ,36 227,03 898,21 Total Stage 2 Recovery %: 40,00 Conc. TDS(mg/l): 59799,71 Conc. Flow: 70436,35 m3/day Total Flow, m3/day Pressure, kpa Perm TDS Stage Housing Elements Element Type Feed Perm Feed DP mg/l AD , , ,10 69,85 401, AD , , ,26 89, ,03 Total Figura 3 - Configuração de membranas. Recuperação de energia: Uma fração da pressão aplicada pela bomba de alta-pressão 1 permanece na salmoura deixando o 1º estágio de OR e pode ser recuperada por meio de um trocador de pressão (PeX), diminuindo o consumo de energia e aumentando a eficiência do processo. Uma redução de energia de cerca de 15,6% pôde ser alcançada com a utilização do PeX. A Tabela 4 mostra a energia consumida com e sem o PeX Tabela 4 Comparativo no consumo de energia do processo com e sem a presença do PeX. Bombas sem o PEX/W com o PEX/W 1 2,150E ,150E ,060E ,060E + 05 Alta pressão 1 1,186E ,530E + 06 Alta pressão 2 1,578E ,340E + 07 Trocador de pressão 0,000E ,320E + 06 Total 2,816E ,377E + 07

6 Produto: Os resultados obtidos pelo sistema de OR proposto neste projeto são mostrados na Figura 5. Para efeito comparativo, a Figura 4 mostra os padrões requeridos de água para o consumo humano de acordo com a Organização Mundial de Saúde (OMS). Ao final do processo, foi obtida uma redução de quase 99% de total de sólidos dissolvidos (TDS). Figura 4 Composição da água para consumo humano de acordo com a OMS (Water Pollution: Essay on Water Pollution). Analytical data mg/l mg/l Cation Product Feed Conc Anion Product Feed Conc Ca 1,03 418, ,48 SO4 3, , ,54 Mg 2, , ,41 Cl 209, , ,99 Na 129, , ,63 F 0,00 0,00 0,00 K 6,96 405, ,86 NO3 0,00 0,00 0,00 NH4 0,00 0,00 0,00 Br 1,12 68,64 183,65 Ba 0,00 0,00 0,00 PO4 0,00 0,00 0,00 Sr 0,00 0,00 0,00 B 0,00 0,00 0,00 Fe 0,05 20,70 55,87 SiO2 0,06 5,12 13,74 Mn 0,00 0,00 0,00 H2S 0,00 0,00 0,00 TDS mg/l 357, , ,78 HCO3 3,10 149,35 397,18 ph 5,69 7,01 7,12 CO2 9,30 9,19 9,36 CO3 0,00 0,26 1,44 Figura 5 Composição da corrente de entrada (feed) e do permeato (product). 4. AVALIAÇÃO ECONÔMICA PRELIMINAR 4.1 Custos do Projeto Para obter um valor inicial dos custos de produção, utilizou-se o método da Estimativa Fatorada. Este método considera que o custo total do projeto é o total de custos dos equipamentos multiplicado por um fator (4-10) associado à complexidade da planta e ao material de construção. Neste caso, o fator usado foi 6 devido à complexidade associada à construção dos estágios de OR, filtros e bombas de alta pressão. Este método não considera os custos referentes à eliminação de salmoura. Os custos deste projeto são mostrados na Tabela 5.

7 Tabela 5- Custos detalhados do projeto. Custo total do equipamento $ 9,682, Equipamento. Custo * fator $ 58,093, Área de projeto $ ,00 Eliminação de concentrado $ 33,000, Custo total do projeto $ 92,093, De acordo com Water Reuse Association (2011), o custo total calculado na Tabela 6 é um valor razoável para a capacidade da planta. Considerou-se que a demanda de produção para o primeiro ano foi de m 3 /ano, aumentando em 15% por ano até que a planta operasse em sua capacidade máxima de m 3 /ano. 4.2 Preço de Venda Para calcular o preço do produto final, utilizou-se o método do valor presente líquido. Este método considera os custos fixos e varáveis, levando em consideração a diferença entre valor presente de entrada e de saída do caixa. Essa diferença deve ser positiva para que a proposta do projeto seja considerada viável. A uma taxa de desconto de 5%, o preço da água produzida foi estimado em U$ 1,67/m 3 Tabela 7 - Análise de custos fixos Tabela 8 Análise dos custos variáveis DESCRIÇÃO % DO CUSTO TOTAL VALOR ($) Manutenção 6% 5,53E+06 Seguro 1,25% 1,15E+06 Impostos e taxas de licença 1,5% Operadores e Salários 1,38E+06 8,45E+04 Custos indiretos de mão 3,38E+04 de obra Tratamento ambiental 2% 1,84E+06 Substituição da 11% 1,01E+07 membrana TOTAL 2.01E+07 REAGENTES PREÇO ($/M 3 ) Cloro US $ 0,01 Sulfato férrico US $ 0,01 Polímero US $ 0,02 Energia US $ 1,07 TOTAL US $ 1,10

8 5. CONCLUSÃO Apesar dos grandes avanços tecnológicos em processos de OR, o gasto energético ainda é um dos principais gargalos de uma planta industrial de dessalinização. Neste trabalho, por exemplo, a energia foi o fator que mais afetou o total dos custos variáveis. A tarifa de energia industrial em São Paulo é de U$ 123,46/MWh, que é superior à média mundial de U$ 83,83 /MWh (Sistema Firjam, 2011). O tratamento e despejo da salmoura é outro fator que deve ser levado em consideração. 6. REFERÊNCIAS AN, Q. F.; GAO, C. J.; JI, Y. L.; MA, R.; WENG, X. D. High-flux and fouling-resistant reverse osmosis membrane prepared with incorporating zwitterionic amine monomers via interfacial polymerization. Desalination, v. 381, p , GÖKÇEK, M.; GÖKÇEK, O. B. Technical and economic evaluation of freshwater production from a wind-powered small-scale seawater reverse osmosis system (WP-SWRO). Desalination, v. 381 p.47-57, HAN, J.; HER, N.; SOHN, J.; VALAVALA, R.; YOON, Y. Pretreatment in Reverse Osmosis Seawater Desalination: A Short Review. Environ. Engin. Res., v. 16, p , HU, Y. D.; LIU Q. Z.; LU, Y. Y.; WU, L. Y.; ZHANG, X. L. Optimum design of reverse osmosis system under different feed concentration and product specification. J. of Membrane Sci., v. 287, p , MARANHÃO, F. É possível viver com 110 litros de água por dia? Veja como seria uma vida sua Disponível em: < Último acesso em 22 de fevereiro de SISTEMA FIRJAM. Quanto custa a energia elétrica para a indústria no Brasil? Estudos para o Desenvolvimento Estado do Rio de Janeiro, Disponível em: < 144C72E2A51&inline=1>. Último acesso em 26 de fevereiro de São Paulo Convention & Visitors Bureau. Dados da cidade, Disponível em: < Acessado em 4 de agosto de Water Pollution: Essay on Water Pollution. Disponível em: < words/351>. Último acesso em 26 de fevereiro de WATER REUSE ASSOCIATION. Seawater Desalination Costs, Disponível em:< >. Último acesso em 26 de fevereiro de 2011.