BALANÇO HÍDRICO: UMA FERRAMENTA PARA GESTÃO INDUSTRIAL E OTIMIZAÇÃO AMBIENTAL.

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1 BALANÇO HÍDRICO: UMA FERRAMENTA PARA GESTÃO INDUSTRIAL E OTIMIZAÇÃO AMBIENTAL. Leonardo Slva de Souza (1) Mestrando em Engenhara Químca(UFBA). Pesqusador da Rede Teclm. Bárbara Vrgína Damasceno Braga (1) Graduanda em Engenhara Químca (UFBA).Bolssta da Rede Teclm. Asher Kperstok (1) PhD em Engenhara Químca, Tecnologas Ambentas.Prof.Assocado da Escola Poltécnca/UFBA- Dept Eng.Ambental.Coordenador da Rede Teclm. Rcardo de Araújo Kald (1) Doutor em Engenhara Químca.Prof.Adjunto da Escola Poltecnca/UFBA-Dept Eng.Químca.Vcecoordenador da Rede Teclm. Emerson Andrade Sales (1) Doutor em Cêncas/Engenhara Químca.Prof.Assocado do Insttuto de Químca (UFBA).Pesqusador da Rede Teclm. Endereço (1) : Rua Arstdes Novs, 02 - Federação - Salvador - BA - CEP: Brasl - Tel: (71) (71) ste: RESUMO A necessdade de se atngr a sustentabldade no consumo dos recursos hídrcos, exge maor atenção nas formas de utlzação da água. Assm, é de fundamental mportânca para as ndústras a adoção de estratégas que busquem maneras de preservá-los para evtar uma stuação de escassez. O balanço hídrco é uma ferramenta computaconal que dentfca as vazões de entrada e saída de água em um determnado período de tempo, a partr do mapeamento das vazões e das qualdades de nformação dessas estmatvas e/ou medções, que representa o grau de ncerteza da medda ou estmatva. Essa ferramenta possblta uma melhor gestão do uso da água nas empresas. Com as atualzações fetas no Balanço Hídrco fo possível melhorar o conhecmento do fluxo de água em undades ndustras, permtndo, após a reconclação dos dados, tomar decsões mas confáves. PALAVRAS-CHAVE: Balanço Hídrco, Qualdade de Informação, Reconclação de Dados, Otmzação Ambental. INTRODUÇÃO Uma urgênca ambental vsível para as plantas ndustras é a necessdade de economa de água devdo à prevsão de sua futura escassez para consumo humano e para fns ndustras. Neste aspecto, há a concordânca de ações nos dversos setores da socedade em relação à busca de novos camnhos para redução do consumo da água e dmnução no desperdíco da mesma. Na stuação atual das ndústras petroquímcas, não é dado o devdo valor à questão do consumo da água devdo ao baxo custo, em conseqüênca dsso não há uma medção consstente dos dados de correntes aquosas (Kperstok et al, 2003) mpossbltando atrbur ncertezas consstentes aos dados e dfcultando sua gestão. Nas ndústras não há preocupação em medr as correntes aquosas, tendo bascamente uma medção de entrada e outra de saída. Assm faltam parâmetros que possbltem medr o grau de ncerteza em relação à medda. O uso da reconclação de dados em sstemas com pouca medção se torna nvável, sso devdo à mpossbldade de assocar à medda uma ncerteza padrão, como é exgdo na metodologa estabelecda (Narasmhan, 2000). Assm, para vablzar a reconclação dos dados no Balanço Hídrco fo desenvolvdo o conceto de Qualdade de Informação. O Balanço Hídrco fo desenvolvdo com o auxílo de técncas computaconas de baxo custo que proporcona o conhecmento mas geral do consumo de água na ndústra e reduz sgnfcatvamente os gastos com esse recurso. Junto à aplcação dos concetos de Produção Mas Lmpa (P+L) e de gerencamento de recursos ambentas, esse trabalho propõe-se a mostrar uma metodologa para o gerencamento dos recursos hídrcos ABES Assocação Braslera de Engenhara Santára e Ambental 1

2 em fábrcas e ndústras, no que se refere à redução do consumo de água e da geração de efluentes. Esse projeto fo desenvolvdo dentro da undade de tratamento de água numa ndústra petroquímca localzada no muncípo de Camaçar-Baha, com o ntuto de fornecer aos responsáves pelo gerencamento de recursos hídrcos uma ferramenta demonstratva dos dados de consumo de água, em curto espaço de tempo e com uma maor freqüênca, possbltando um melhor montoramento dos mesmos (Kperstok et al, 2003). Este trabalho está estruturado em sete seções ncluído esta Introdução. Na Fundamentação Teórca serão detalhados os concetos da reconclação de dados e da Qualdade de Informação (QI). Na tercera seção é apresentada a metodologa do Balanço Hídrco. Na seção Resultados e Dscussões estão apresentados e dscutdos os resultados da mplantação do Balanço Hídrco na undade de tratamento de água de uma empresa petroquímca. Na qunta seção estão apresentadas as conclusões obtdas. Nas duas últmas seções estão os agradecmentos e referêncas bblográfcas, respectvamente. FUNDAMENTAÇÃO TÉORICA QUALIDADE DE INFORMAÇÃO Incerteza é o parâmetro assocado ao resultado de uma medção, que caracterza a dspersão dos valores que podem ser razoavelmente atrbuídos ao mensurando, quantdade partcular submetda à medção. (Bch, 2007). Nas ndústras, a maora das ncertezas das meddas não é conhecda. Para tornar vável o uso dos resultados do Balanço Hídrco nas decsões gerencas da empresa fo necessáro desenvolver uma ferramenta que possbltasse a reconclação das meddas no Balanço Hídrco. Para sso fo desenvolvda a Qualdade de Informação ou QI, uma ferramenta que assocada ao valor de uma medda ndca a faxa de certeza na qual fo obtda. Dversas são as formas nas quas os dados de podem ser obtdos, como medções nstantâneas com equpamentos portátes, nformações de projetos e balanços de massa e energa. A esses dados fo assocado um grau de ncerteza de acordo a forma com a qual a nformação fo obtda. A escala de valores de Qualdade de Informação utlzada está mostrada na Fgura 1. Fgura 1. Valores de QI usados no Balanço Hídrco Uma das vantagens desta ferramenta é a possbldade de compor o balanço hídrco com os dados de vazões dsponíves, sem se preocupar, ncalmente, se essas correntes são retratos das condções operaconas. A partr do 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, ou seja, dentfcação dos pontos que precsam ser meddos e/ou terem seu nstrumento de medda calbrado ou substtuído por um de menor ncerteza, para se obter resultados mas confáves no Balanço Hídrco (Fontana, 2004). 2 ABES Assocação Braslera de Engenhara Santára e Ambental

3 RECONCILIAÇÃO DE DADOS. As nformações obtdas na planta ndustral nem sempre estão coerentes com a realdade. Isso acontece devdo à varabldade dos dados coletados, no desconhecmento de alguma nformação, má nterpretação dos dados ou nconsstêncas desses. As totalzações de entradas e saídas dos equpamentos de processo, consderando acumulações como tanques, estão sempre numa stuação de balanço matemátco, mas as meddas coletada não (Sexas et al., 2003). Essas nconsstêncas se devem aos nstrumentos descalbrados, leturas fetas fora da faxa do nstrumento, erro de transmssão dos snas, entre outros. Para evtar equívocos, é feta a reconclação de dados. O seu resultado trará as nformações com uma coerênca maor do que se fossem utlzados sem tratamento prévo. Essa parte do tratamento de dados é de suma mportânca, pos são esses dados que rão balzar as decsões da empresa. A reconclação de dados é um algortmo que permte ajustar valores conhecdos, em função da ncerteza e das restrções do sstema, baseando-se na mnmzação da função objetvo apresentada na Equação 1.. Para sso, as devdas restrções operaconas levantadas são nserdas para que o conjunto dos dados seja gerado com a devda coerênca com a realdade do sstema. Também são ncluídas, além das equações dos balanços (global e por undades de produção) e as restrções operaconas, as equações de dstrbução e consumo dos dversos tpos de água, vapores e condensados entre as undades. Fo N 1 Valor _ meddo Valor _ reconclado Incerteza 2 equação (1) A Equação 1, a função objetvo usada na reconclação (Sexas et al. 2003) é mnmzada usando métodos computaconas ou analítcos. Porém para reconclar não basta a mnmzação da função objetvo, as equações de restrção estabelecdas devem ser obedecdas. As restrções são de três tpos: balanço, que são as equações de balanço mássco; não-negatvdade, que garante que não haverá vazões negatvas; operaconas, expõem a realdade da operação, como vazões máxmas e mínmas de determnadas correntes. A dfculdade no uso da formulação típca de um problema de reconclação de dados está na necessdade de conhecer-se a varânca dos dados expermentas (Crowe 1986). Para contornar esse problema, a metodologa desenvolvda propõe o uso da formulação apresentada na Equação 2 como função objetvo a ser mnmzada, em que se consdera a QI com comportamento nverso à ncerteza. Assm, não sendo todas as vazões meddas, aquelas que não possuem meddas dretas são atrbuídos valores estmados, portanto todas as vazões são conhecdas ou mapeadas com dferentes graus de confança, baseados no conhecmento da planta e à forma de obtenção desse valor. N 2 2 QI mn VR VM V 2 R 1 VM equação (2) NE 1 V Rn V Rout 0 onde, VR e VM são as vazões reconcladas e mapeadas (meddas ou estmadas), respectvamente, referentes à corrente ; QI é a qualdade de nformação referente a cada corrente ; N é o número de correntes envolvdas. NE é o número de equpamentos, undades ou nós, nos quas serão aplcados as equações dos balanços de massa. O problema de otmzação, representado pela Equação 2, pode ser soluconado utlzando dferentes softwares exstentes, por exemplo, Solver do Excel e o Matlab. A análse da Equação 2 permte vsualzar a relação nversa do QI e a ncerteza, ou seja, menor a ncerteza da medda, maor a confança no seu valor e maor valor de QI dessa varável. METODOLOGIA ABES Assocação Braslera de Engenhara Santára e Ambental 3

4 A metodologa do Balanço Hídrco, desenvolvda juntamente com o conceto de QI-Qualdade de Informação, para superar a dfculdade de gerencamento dos sstemas de dstrbução de água e coleta de efluente na ndústra devdo à falta de medção. Ela permte um gradatvo avanço do nível de conhecmento necessáro para poder gerencar as nformações com um acompanhamento em relação a uma ncerteza padronzada. A cada uma das correntes é atrbuída uma QI entre 0,01 e 10. A nota 0,01 é atrbuída a uma nformação precára sobre uma corrente, o que raramente acontece ou pode ser superado faclmente. Para correntes dervadas de outras correntes o QI estmado é a méda ponderada dos QI s antecessores. A avalação do valor desse novo QI é calcular ponderando vazão e valor de QI das correntes conhecdas, de acordo com a Equação 3. QI ponderado N 1 N 1 QI.V V equação (3) onde, QI é qualdade de nformação da vazão ; V é o valor de vazão ; refere-se à corrente assocada ao dado de vazão; N é o número de correntes envolvdas. Outra possbldade para estmar a ncerteza de uma varável é através da le de propagação de ncertezas. O estudo dos fluxos de massa compostos por correntes aquosas na forma de água, vapor, condensado e efluente, fetos no Balanço Hídrco, permte traçar o perfl de consumo de água e uma melhor gestão desse recurso. Para tanto, os dados de vazão devem ser obtdos, preferencalmente, por meo de sstemas de medção calbrados. Quando sto não é possível, uma estmatva da vazão é obtda por meo de balanço de massa, dados de projeto, estmatvas teórcas, smulação ou nformações coletadas na undade através de entrevsta com as pessoas que convvem na área ndustral. Esses dados de vazão rão preencher a prmera planlha do Balanço, a Entrada de dados. A função dessa planlha é apenas receber os dados de vazão e qualdade de nformação (QI), nenhum cálculo é realzado nessa planlha, bem como, nformações e detalhes sobre os equpamentos, característcas da corrente que crcula no equpamento além da dentfcação do equpamento totalzador de medção da corrente, se assm exstr, para a corrente e o equpamento em estudo. O Balanço Hídrco é composto por outras três planlhas: o balanço hídrco avalado no volume de controle da undade em estudo, na qual cada corrente apresenta o seu valor de vazão correspondente; outra muto smlar a anteror cuja dferença está na célula que contém o valor de vazão que passará a conter a qualdade de nformação assocada a cada vazão e por últmo uma planlha relatóro contendo a descrção das correntes de entrada e saída das undades, com o valor de vazão reconcladas e brutas, e QI correspondentes. Como todos os dados foram vnculados com as planlhas contendo o fluxograma de vazão e o fluxograma de QI, as atualzações destes fluxogramas tornam-se automátcas, 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. Caso ocorra alguma mudança no período de referênca dos dados ou então forem fetas melhoras na qualdade de nformação a atualzação desses dados será automátca, representando uma das prncpas vantagens do balanço hídrco. (Fontana, 2004). O Balanço Hídrco pode ser avalado através da planlha relatóro. Onde todas as correntes de entrada e saída de cada uma das undades ou áreas foram descrtas e assocadas aos seus respectvos valores de vazão e QI. A partr das nformações contdas na planlha relatóro é possível avalar quas as correntes do balanço, que melhorando o QI, acarretaram numa melhora sgnfcatva no balanço hídrco. Portanto, serve de referênca para a escolha de quas correntes devem ser prorzadas na etapa de melhora de QI, ou seja, é possível dentfcar as correntes que devem ser meddas de forma efcente e confável (Fontana, 2004). Todos os dados de vazão que compõem os Balanços Hídrcos são complados nas planlhas eletrôncas e representados na forma de dagrama de blocos. Cada bloco representa uma undade de produção ou mesmo cada equpamento (dentfcado através do seu códgo de dentfcação na empresa), cada lnha que conecta esses blocos ndca o fluxo de correntes aquosas que entram ou saem e as setas ndcam o sentdo desses fluxos. As lnhas são representadas dferentemente conforme o tpo de corrente, tracejadas, colordas sendo 4 ABES Assocação Braslera de Engenhara Santára e Ambental

5 dentfcadas conforme legenda. A Fgura 2 lustra o Balanço Hídrco na sua forma mas macro, enquanto na Fgura 3 ele apresentado de forma mcro, onde o detalhamento chega ao nível dos equpamentos. Fgura 2. Planlha eletrônca do Balanço Hídrco. Fgura 3. Planlha eletrônca do Balanço Hídrco por Undade. Uma forma de garantr que as nformações atendam as restrções determnado no processo, o desvo seja zero, e melhorar a dstrbução das ncertezas exstentes, consste na aplcação da reconclação de dados das vazões mapeadas. A partr dos dados de vazão assocados à sua qualdade QI, a reconclação de dados busca novos valores de vazão que possam satsfazer as equações de balanço de massa por meo de técncas de otmzação matemátca, as quas mnmzam a dferença entre os valores orgnas e os valores reconclados de vazão. ABES Assocação Braslera de Engenhara Santára e Ambental 5

6 RESULTADOS E DISCUSSÃO O prncpal resultado do trabalho é a ferramenta computaconal que auxla a construção e o gerencamento do balanço hídrco da empresa e executa a reconclação de dados das vazões usando, no lugar do desvo padrão, a qualdade de nformação. O uso da qualdade de nformação vablzou a mplementação da reconclação de dados no balanço hídrco, um sstema que se caracterza por não ter mutas medções. A qualdade de nformação permtu aplcar os concetos de tecnologa lmpa na área ndustral, servndo como um nstrumento para a popularzação dos concetos acadêmcos no meo ndustral, desde operadores até engenheros. O uso dessa ferramenta pela empresa permtu a redução do consumo de água e geração de efluentes. Essa redução fo conseguda devdo às mudanças nos aspectos culturas onde houve uma grande nteração com a empresa permtndo redscutr técncas e prátcas operaconas, no aspecto tecnológco, com o desenvolvmento de uma ferramenta computaconal que auxla numa melhor gestão da água. Essas mudanças refletram numa redução de custos para a empresa, já que houve um aumento de 16% na produção de petroquímcos enquanto a geração de efluentes dmnu em 40% e o consumo de água reduzu em 2,5% desde a mplantação do Balanço Hídrco. A construção do Balanço Hídrco na undade de tratamento de água de uma ndústra petroquímca possbltou um melhor conhecmento do sstema no que se refere à topologa e como conseqüênca exgu também uma melhor análse das vazões exstentes e da forma que elas são meddas. Para o desenvolvmento da tabela com a qualdade de nformação fo necessáro que as pessoas que são responsáves pelo funconamento da planta dscutssem cada ponto do sstema. De acordo com os valores de QI mostrados na Fgura 1, estão classfcadas as 58 correntes dentfcadas no Balanço Hídrco de uma undade de tratamento de água (UTA) de uma undade ndustral. Na Fgura 4 está apresentada a dvsão das correntes dentfcadas segundo a sua qualdade de nformação. Fgura 4. Dstrbução das correntes dentfcadas em relação às suas qualdades de nformações Como é possível perceber na Fgura 5 menos da metade das correntes da undade de tratamento são meddas por equpamentos calbrados. Assm, sem o auxílo da ferramenta Balanço Hídrco não sera possível traçar o perfl de consumo de água nem se a forma que ela está sendo utlzada é a mas adequada, aquela que gera menos efluente e desperdícos. A qualdade de nformação é de suma mportânca pra reconclação, pos sem ela tornara mas dfícl devdo a falta de medção do sstema de água e a conseqüente falta de uma ncerteza de medção (KIPERSTOK et al, 2003). Durante o levantamento das correntes não fo possível obter as ncertezas das poucas medções exstentes - para reconclar os dados pela metodologa tradconal é necessáro conhecer as ncertezas das medções. Para tornar a reconclação vável surge o conceto de QI que possblta que quasquer correntes, com ou sem medções, sejam usadas no Balanço Hídrco. Aquelas que apresentam menor QI podem ser obtdas por meo de balanço, valores de projetos, por exemplo. 6 ABES Assocação Braslera de Engenhara Santára e Ambental

7 Com todos os dados de vazão de água, entradas e saídas, da UTA e QI das correntes contablzadas no Balanço Hídrco fo possível traçar o perfl de consumo e geração de efluentes. O passo segunte fo a reconclação dos dados do Balanço Hídrco da UTA. O resultado da reconclação do Balanço Hídrco da undade de tratamento, como está apresentado na Fgura 5. Fgura 5.Comparação entre as vazões não-reconcladas e reconcladas. A dferença entre os resultados antes e depos da reconclação ndca que alguns meddores estão com um mau funconamento ou que há vazamento em alguma parte do sstema. Além de dentfcar na undade de tratamento qual processo que estava consumndo mas quantdade de água. Pode-se também, a partr desses resultados, conclur que a otmzação no processo de tratamento de água sera mas sgnfcatva na redução do consumo e geração de efluentes do que a dentfcação dos vazamentos e/ou mau funconamento dos meddores. A utlzação dessa ferramenta para gerencar o consumo de água na undade anda está sendo mplementada para utlzação por engenheros e operadores. A ntegração das planlhas do Balanço Hídrco com o sstema de obtenção de dados usado pela empresa, o PIMS (Process Informaton Management System) torna a reconclação dos em tempo real e possblta a tomada de decsões mas segura, pos está baseada em dados atuas e confáves. O Balanço Hídrco é uma ferramenta smples, dnâmca e bastante útl. Mudanças na operação da undade não mplcam no seu desuso, pos essas podem ser ncorporadas ao Balanço sem maores comprometmentos. CONCLUSÃO Essa ferramenta permte a obtenção de nformações de forma rápda e coerente. Permte que decsões sejam tomadas a partr de um maor conhecmento do sstema, portanto possblta uma maor assertvdade nas mesmas. Evdenca a possbldade de geração de ações que dmnuam o consumo de água na ndústra, reduzndo assm o mpacto ambental. Além de tornar vável a reconclação de dados em sstemas em que há poucas medções e/ou meddas pouco confáves. O Balanço Hídrco permte, anda, orentar uma polítca de melhora gradatva da qualdade da nformação referente aos fluxos de água na empresa, sendo que os dados dos balanços hídrcos são submetdos a técncas de reconclação de dados para melhorar a dstrbução das ncertezas exstentes. AGRADECIMENTOS Ao CNPq, FINEP e a UFBA pelo apoo e ncentvo à construção desse trabalho. ABES Assocação Braslera de Engenhara Santára e Ambental 7

8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BICH, W. Uma ntrodução ao gua para expressão da Incerteza de Medção (GUM). Duque de Caxas: INMETRO, CROWE, C. M., Reconclaton of Process Flow Rates by Matrx Projecton. AIchE Journal, v. 32 n 4 p , abrl KIPERSTOK,A; KALID,R.; SALES,E.; ESQUERRE,K.; SOUZA,L; MATOS,M.C.; CARVALHO,E; TEIXEIRA,L.;BRAGA,B;ASSIS,B.;SILVA,S.;MENDES,C.;PIRES,V.M.;MOCOCAIN,F.;HORTÉLIO, S.; ANDRADE,S. Metodologa Teclm e o Projeto Ecobraskem: Otmzação Ambental do Uso da Água e Geração de Efluentes.TECBAHIA, v.23, n.1-3,jan-dez FONTANA. D., KALID, R., SARTORI, I., KIPERSTOK. A., SILVA. M., SALES. E.A., PACHECO FILHO. J.G., OLIVEIRA. S., PERAZZO. C. Balanço hídrco Uma nova sstemátca. In: II CONGRESSO BRASILEIRO DE TERMODINÂMICA APLICADA, Curtba, Brasl, KIPERSTOK, A., SILVA, M., KALID, R. A., SALES, E. PACHECO FILHO, J. G., OLIVEIRA, S., PERAZZO, C., FONTANA D. Mnmzação do uso da água na ndústra através da parcera entre unversdade e empresas: o Projeto Braskem - Água. Baha Análse e Dados, v. 13, p Baha, Brasl, MARQUES, José Antôno. Reconclação de dados na dentfcação e caracterzação de balanços hídrcos em plantas ndustras. Unversdade Federal do Ro de Janero/COPPE. Dssertação de Mestrado. Ro de Janero,Ro de Janero, Brasl,abrl NARASIMHAN, S., JORDACHE, C. Data reconclaton & gross error detecton. An Intellgent use of process data. 8. SEIXAS, C., SZUSTER, M. Programação Concorrente em ambente WNT: Uma vsão de automação, Edtora da UFMG, VUOLO, J. H., Fundamentos da teora dos Erros, Ed. Edgard Blucher Ltda, São Paulo, ABES Assocação Braslera de Engenhara Santára e Ambental