P+ÁGUA. Um Modelo para Seleção de Oportunidades Sustentáveis de Reúso de Efluentes Industriais a partir da Integração de Processos

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1 P+ÁGUA Um Modelo para Seleção de Oportunidades Sustentáveis de Reúso de Efluentes Industriais a partir da Integração de Processos Escola de Química UFRJ Reinaldo Coelho MIRRE Lídia YOKOYAMA Fernando Luiz Pellegrini PESSOA

2 Objetivo Apresentar uma metodologia para seleção de oportunidades de reúso, inserida em um modelo de gestão ambiental que utiliza ferramentas tecnológicas aplicadas à racionalização do consumo de água e da geração de efluentes industriais.

3 Sistema de Produção Industrial Preocupação atual com o uso racional dos recursos hídricos Processos industriais necessitam rever o padrão de consumo hídrico INSUMOS: - Matérias-primas - Materiais auxiliares - ÁGUA - Ar - Energia Reúso por inspeção não garante o máximo aproveitamento do potencial hídrico no processo (máximo reúso) - Produtos finais, principais e secundários - Resíduos (líquidos, sólidos e gasosos) - Energia, radiações, vibrações - Produto fora de especificação

4 Integração de Processos e Prevenção da Poluição PRODUÇÃO MAIS LIMPA Promover o equilíbrio entre consumo hídrico e produção industrial? (Modelo de Gestão Ambiental) DFA Diagrama de Fontes de Água (Método de Integração de Processos) Ausência de uma metodologia que proponha um mecanismo eficiente de reutilização de água na indústria Integração de Processos: Abordagem holística voltada para o projeto e a operação de processos, levando em conta a unidade dos processos, na visão de sistemas (DUNN e EL-HALWAGI, 2003)

5 Integração de Processos e Prevenção da Poluição Promover o equilíbrio entre consumo hídrico e produção industrial? PRODUÇÃO MAIS LIMPA (Modelo de Gestão Ambiental) DFA Diagrama de Fontes de Água (Método de Integração de Processos) Ausência de uma metodologia que proponha um mecanismo eficiente de reutilização de água na indústria Mirre et al. (2009) WSD as a sustainable tool for the CP practices: water/wastewater minimization in industrial processes

6 Econômica Diagrama de Fontes de Água Produção Mais Limpa Social P+ÁGUA Economia Ambiental Diagrama de Fontes de Água Valoração de danos ambientais sobre os recursos hídricos Ambiental

7 Bases do P+ÁGUA DFA - geração de cenários para redução de água Índices de estabilidade da água: seleção de cenários promissores corrosão e incrustação, em presença de sistema de água de resfriamento Melhorias de condições operacionais nos ciclos de concentração das torres de resfriamento Filtragem: Seleção de cenários promissores de reúso (novos índices com base na Estatística Descritiva) Tratamento: Identificação de correntes a serem tratadas visando redução da captação de água Índices de Qualidade da Água e de Vida Aquática: custo adicional de impacto Avaliação econômica: VPL, TIR e tempo de retorno

8 Bases do P+ÁGUA DFA - geração de cenários para redução de água Diagrama de Fontes de Água (GOMES, 2002; GOMES et al., 2007; GOMES et al., 2013) Procedimento algorítmico-heurístico voltado para identificação de oportunidades de realinhamento de correntes hídricas para máximo reúso Além de máximo reúso, a análise pode considerar: Restrição de vazão Múltiplas fontes de água Perdas inerentes ao processo Regeneração com reúso Regeneração com reciclo UM CONTAMINANTE MÚLTIPLOS CONTAMINANTES

9 DFA - geração de cenários para redução de água Diagrama de Fontes de Água (GOMES, 2002; GOMES et al., 2007; GOMES et al., 2013) Máximo Reúso Procedimento

10 Passo 1 Intervalos de concentração: Limites C C (fea) U C (fia) C {0, 50, 100, 400, 800} Concentração (ppm) Fonte externa Fontes internas Exemplo Tabela de Oportunidades (Wang & Smith, 1994) C IN e C OUT Melhor que sejam os máximos i 1 i 2 i 3 i 4

11 Passo 2 Representar as operações no DFA: concentrações de entrada e saída Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa Vazão limite (t/h) i 1 i 2 i 3 i 4

12 Passo 3 Determinar a quantidade de contaminante transferido da corrente de processo para a corrente de água, por intervalo: m f lim C Concentração (ppm) Fontes internas Fonte externa Vazão limite (t/h) (1) (1) (5) 40 3 (2) (12) (16) 10 4 (4) i 1 i 2 i 3 i 4

13 Passo 4 Determinar o consumo de fontes de água: f m/ C int Regra 1: Uso de fontes externas quando não houver fonte interna disponível Regra 2: Priorizar o uso da fonte de água com maior concentração Regra 3: Para uma dada operação, a fonte utilizada em certo intervalo deve assimilar a quantidade de massa a ser transferida ( m do respectivo intervalo)

14 Concentração (ppm) Vazão limite (t/h) Fonte externa Fontes internas (1) (1) (5) (2) 20 (12) ,7 5,7 4 (16) (4) i 1 i 2 i 3 i 4 Fontes disponíveis Ұ f t/h a 0 ppm Priorizar reúso de fonte mais suja nas OP s Δm f L. (C out C in ) f Δm / (C out C in )

15 Concentração (ppm) Vazão limite (t/h) Fonte externa Fontes internas (1) (1) (5) (2) 20 (12) ,7 5,7 4 (16) (4) i 1 i 2 i 3 i 4 Δm f L. (C out C in ) f Δm / (C out C in )

16 Concentração (ppm) Vazão limite (t/h) Fonte externa Fontes internas (1) (1) (5) (2) 20 (12) ,7 5,7 4 (16) (4) i 1 i 2 i 3 i ,7 45,7 Pinch Original Reúso DFA 130,5 t/h (0 ppm) 90 t/h (0 ppm)

17 44,3 t/h 100 ppm 50 t/h 50 t/h 5,7 t/h 2 D 0 ppm 100 ppm 100 ppm 4 5,7 t/h 800 ppm 90 t/h 0 ppm D 20 t/h 40 t/h 0 ppm M 50 ppm 3 40 t/h 800 ppm 20 t/h 20 t/h 0 ppm ppm

18 Bases do P+ÁGUA DFA - geração de cenários para redução de água Índices de estabilidade da água: seleção de cenários promissores corrosão e incrustação, em presença de sistema de água de resfriamento Melhorias de condições operacionais nos ciclos de concentração das torres de resfriamento FILTRAGEM: Seleção de cenários promissores de reúso (novos índices com base na Estatística Descritiva) Tratamento: Identificação de correntes a serem tratadas visando redução da captação de água Índices de Qualidade da Água e de Vida Aquática: custo adicional de impacto Avaliação econômica: VPL, TIR e tempo de retorno

19 FILTRAGEM: Seleção de cenários promissores de reúso (novos índices com base na Estatística Descritiva) Processo de Tomada de Decisão

20 LUECKE (2007), Tomando Decisões, Harvard Business Essentials, Rio de Janeiro: Record. Processo de Tomada de Decisão Objetivo da decisão Estatística Aplicada Estabelecer um contexto para o sucesso Contextualizar a questão adequadamente Gerar alternativas Integração de Processos Redes de Transferência de Massa Finanças Corporativas Reúso de Águas MELHOR ALTERNATIVA

21 LUECKE (2007), Tomando Decisões, Harvard Business Essentials, Rio de Janeiro: Record. Processo de Tomada de Decisão Objetivo da decisão Estabelecer um contexto para o sucesso Contextualizar a questão adequadamente Gerar alternativas Integração de Processos Redes de Transferência de Massa MELHOR ALTERNATIVA colorirdesenhos.com

22 Conjunto total de cenários FILTRAGEM Procedimento de cálculo para seleção de cenários com oportunidades de reúso CTop base CTop considerado % RCO x100 CT 1 2 op base % Div % RCO % RCO cen % RCO ID1 % Div cen ID 2 1 % Div (% RCO % RCO) DP n 1 3 ID cen % RCO 2 2 Σ(% RCO ) % RCO n % RCO % RCO DP CV % RCO 4 Div 1 x RCO CV Div DP F AR N º _ de _ correntes _ reúso N º _ total _ de _ correntes 5 Div DP xf AR 6 Cenários Promissores

23 Conjunto total de cenários Custos operacionais (CT) dos cenários Redução percentual nos custos operacionais do cenário i (%RCO i ) Média dos percentuais de redução dos n cenários: % RCO Divergência entre a média de cada cenário i: %Divcen i Critério: maior redução nos custos e menor divergência entre a média i CTop base CTop considerado % RCO x100 CT 1 2 op base % Div % RCO % RCO cen % RCO ID1 % Div cen ID 2 1 % Div (% RCO % RCO) DP n F AR ID cen % RCO Div 1 x RCO CV 2 2 Σ(% RCO ) % RCO n % RCO % RCO DP CV % RCO Div DP N º _ de _ correntes _ reúso N º _ total _ de _ correntes 5 Div DP xf AR 6 Cenários Promissores

24 Conjunto total de cenários CTop base CTop considerado % RCO x100 CT op base Σ(% RCO ) % RCO n Índices de desempenho de divergência (ID 1 ) e de média (ID 2 ) Índice ID 2-1 : divergência pela redução média dos custos operacionais dos cenários Cálculo do desvio-padrão relativo à amostra de dados não agrupados (DP) Cálculo do coeficiente de variação ou de dispersão (CV) 1 2 % Div % RCO % RCO cen % RCO ID1 % Div cen ID 2 1 % Div (% RCO % RCO) DP n F AR ID cen % RCO Div 1 x RCO CV 2 2 % RCO % RCO DP CV % RCO Div DP N º _ de _ correntes _ reúso N º _ total _ de _ correntes 5 Cálculo da divergência em relação ao desviopadrão: Div / DP Div DP 6 xf AR Critério: Menor valor da relação entre os índices ID 1 e ID 2, e menor valor da relação Média/Divergência. Cenários Promissores

25 Conjunto total de cenários CTop base CTop considerado % RCO x100 CT op base Σ(% RCO ) % RCO n 1 % Div % RCO % RCO cen 2 % RCO ID1 % Div cen ID 2 1 % Div ID cen % RCO 2 % RCO % RCO (% RCO % RCO) DP n DP CV % RCO Fator Adicional de Reúso (F AR ): Leva em conta o efeito das correntes que sofreram um novo direcionamento estrutural após a aplicação do DFA, em relação ao cenário base 4 F AR Div 1 x RCO CV Div DP N º _ de _ correntes _ reúso N º _ total _ de _ correntes 5 Div DP xf AR Critério: cenário(s) de menor(es) valor(es) 6 Cenários Promissores

26 Estudo de Caso REFINARIA DE PETRÓLEO Mirre et al. (2009; 2011) adaptação de Huang et al. (1999) e Ullmer et al. (2005) Diagrama de blocos do processo hídrico Cenário base Balanço hídrico do processo 3 contaminantes 7 operações

27 Software para Reúso/Reciclo de Água de Processos Aplicação do DFA MINEA

28 Interface Principal do Programa MINEA

29 Aplicação do DFA Geração de cenários de reutilização de correntes Máximo Reúso 7 Cenários!

30 Rede de águas para o cenário 1 Rede de águas para o cenário 7

31 Rede de águas para o cenário 4

32 Conjunto total de cenários CT op base CT op considerado % RCO x100 CT op base Σ (% RCO ) % RCO n 11 % Div % RCO % RCO % RCO ID 1 % Div 22 cen cen ID 2 1 % Div ID cen % RCO 2 % RCO % RCO 2 (% RCO % RCO ) DP n 1 33 DP CV % RCO 44 Div 1 Div x RCO CV DP F AR N º _ de _ correntes _ reúso N º _ total _ de _ correntes 55 Div DP xf AR 66 Cenários Promissores

33 Considerações Finais O modelo de gerenciamento de reúso de águas e efluentes industriais (P+ÁGUA) com base no tripé P+L / DFA / Valoração de Impactos é um instrumento útil para a consolidação de oportunidades de reúso no meio industrial Sua aplicação pode ser adequadamente ajustada de acordo com as características dos processos hídricos industriais (flexibilidade). Útil para avaliar a viabilidade de problemas com alternativas numerosas e complexas, sem recorrer imediatamente à otimização matemática E contribui para o gerenciamento sustentável do reúso de águas e efluentes industriais por meio de uma plataforma integrada de ferramentas tecnológicas e gestão industrial, atenuando impactos negativos de natureza ambiental, econômica e social.

34 Palavras-chave! I N T E G R A Ç Ã O P R O C E S S O S V A L O R A Ç Ã O D I A M B I E N T A L A G R A M A D F A P R O D U Ç Ã O M A I S L I M P A G E S T Ã O M O D E L O P + Á G U A I N D Ú S T R I A R E Ú S O Á G U A reinaldomirre@hotmail.com Fomento: CNPq

35 O B R I G A D O reinaldomirre@hotmail.com Fomento: CNPq