UTILIZAÇÃO DE QUESTIONÁRIOS NA ESTIMATIVA DA INCERTEZA EM RECONCILIAÇÃO DE DADOS DO BALANÇO HÍDRICO 1,* Igor Rodrgues,,* Márco Martns,,* André Hartmann, 3,* Rcardo Kald ¹Bolssta ncação centífca PIBIC/CNPQ/UFBA, dscente do curso de Engenhara Químca ²Pesqusador DTI da Rede de tecnologas Lmpas da Baha/UFBA. ³Professor do Departamento de Engenhara Químca da Escola Poltécnca da UFBA * Unversdade Federal da Baha (UFBA), Rede de Tecnologas Lmpas da Baha (TECLIM), Rua Arstdes Novs, 0, Federação, 4010-630, Salvador, Baha, Brasl. e-mal: gorhvrvs@hotmal.com RESUMO A mportânca do uso sustentável dos recursos hídrcos é uma realdade cada vez mas evdente no âmbto da ndústra químca e petroquímca. Portanto, ferramentas que possbltem o gerencamento do uso da água devem ser desenvolvdas. Na ndústra, assm como em outros ambentes, o balanço hídrco permte essa gestão. Desconsderando qualquer acúmulo, as entradas e saídas do volume de controle determnado são dentfcadas e gualadas entre s. No entanto, os dos lados da equação não são guas, devdo a erros ou aproxmações no modelo do balanço e ncertezas nos valores de vazão de entrada e saída. A reconclação de dados é aplcada usando o conceto de qualdade de nformação (QI), que se comporta tal como o nverso da varânca, para cada tpo de nformação de vazão (obtda por dados de projetos, meddores, estmatva de técncos, equpamentos portátes, balanços de massa e energa ou até mesmo estmatvas grosseras). A estmatva da QI para cada vazão de água é uma questão crítca para o sucesso da reconclação de dados. Pela dfculdade de se estmar a QI de forma puramente quanttatva, o presente trabalho sugere a utlzação de questonáros sobre as característcas dos dados de vazão obtdos por: nstrumento de medção, estmatva de técnco e projeto. Esses questonáros contrbuíram para a estmatva da QI. Aprmorando a escolha da QI, a nformação gerada pela reconclação dos dados do balanço hídrco torna-se mas confável e permte a melhor gestão dos recursos hídrcos na ndústra. Palavras-chave: balanço hídrco, reconclação de dados, qualdade de nformação INTRODUÇÃO Com o progresso tecnológco, em conjunto com o sstema sóco-polítco-econômco vgente, o consumo de água se tornou presente no da-ada de ndústras em geral, seja na troca térmca, na dlução de resíduos ou até no própro processo de produção de uma determnada substânca. Esse crescmento no uso da água pode possbltar que esse recurso venha a se tornar escasso. Sendo assm, é evdente que o uso da água deve ser feto de forma conscente. O suprmento de água doce e de boa qualdade é mprescndível tanto para o desenvolvmento econômco quanto para a qualdade de vda humana. No entanto, a porcentagem de água doce do planeta é consderavelmente menor que a de água salgada, como mostra a Fgura 1 proposto por Shklomanov (1993), na qual cerca de 0,3% apenas de toda a água doce do mundo pode ser utlzada para consumo humano (água de ros e lagos); a maor parte está contda em geleras e no subsolo não-explorável. Tal fato mplca numa necessdade evdente de utlzar os recursos hídrcos de manera sustentável. Um dos grandes consumdores de água é o setor ndustral, logo ferramentas mas sustentáves, tas como aplcações de tecnologas Uberlânda, Mnas Geras, Brasl
lmpas devem ser utlzadas por estas. Valle et al (006) apresenta algumas vantagens e oportundades da tecnologa em ste ndustras. Um método efcaz para o gerencamento e uso da água em ndústras é o balanço hídrco (BH) reconclado (Fontana et al, 004). O BH contablza as entradas e saídas de água em um volume de controle que está sendo estudado. Consderando que um BH de uma ndústra não fecha, sto é, as correntes de entradas são dferentes das correntes de saídas, é necessára a reconclação de dados deste para tornar os dados de vazões mas fdedgnos. A utlzação desse método em ndústras permte um maor conhecmento das prncpas correntes aquosas do volume de controle estudado, por exemplo: uma área ou undade da planta, um equpamento ou até mesmo a planta como um todo e, conseqüentemente, uma avalação mas detalhada sobre o consumo de água e geração de efluentes. Todos esses fatores são de suma mportânca na gestão de recursos hídrcos em uma planta de processos. Fgura 1- Dstrbução de água no mundo. Fonte: Shklomanov (1993) Um problema comum em ndústras é a falta de medção para correntes aquosas. Isso porque a água não era consderada um recurso natural nesgotável. Vsto a stuação, há grande dfculdade em coletar dados de vazão sufcentes para construr o BH e reconclá-lo, pos não há a quantdade necessára de meddores de correntes aquosas, o que leva à busca de meos alternatvos de adqurr esses dados. Dferentes meos de obtenção de dados acarretam dferentes ncertezas. Essas váras fontes de ncertezas mplcam, por sua vez, em um não fechamento do balanço, levando à falsa mpressão de que entra mas água no processo do que sa ou vce-versa. A necessdade de resolver esse problema levou à construção do conceto de Qualdade de Informação (QI), que funcona aproxmadamente como o nverso da ncerteza expandda técnca usada para exclur a necessdade de calcular a ncerteza expandda para cada valor de vazão que é usada na reconclação de dados do BH. A obtenção da QI para cada vazão é construída com base nas fontes de nformações provenentes de cada corrente aquosa. Neste trabalho, para a escolha adequada da QI, fo proposta a aplcação de questonáros com o propósto de avalar se a QI condz com a realdade. Balanço Hídrco (BH) METODOLOGIA Em ndústras, o consumo de água passa desde a utlzação humana até o processo produtvo, o que leva a um grande consumo, prncpalmente porque a água tem baxo custo para as aplcações ndustras (Valle, 006 et al). O BH é uma ferramenta que possblta um maor conhecmento a respeto das vazões aquosas do volume de controle que está sendo analsado. Em ndústras exstem város tpos de correntes aquosas que são contablzados pelo BH: água clarfcada e desmneralzada, condensado de vapor, vapores e efluentes. No BH todas estas correntes são tratadas em uma base mássca, ou seja, todas as correntes são consderadas em termos de toneladas por hora (t/h). O BH é construído em planlhas eletrôncas nas quas são fetos fluxogramas das undades ndustras para representar as correntes aquosas. Estes fluxogramas possuem blocos que representam as áreas ou equpamentos. Em cada bloco é verfcado se houve ou não o fechamento do balanço. Por dversos motvos um BH ndustral não fecha, seja por vazamentos de lnhas, pela falta de manutenção de nstrumentos, pelas ncertezas ntrínsecas à medção ou pela falta de meddores. Portanto, ferramentas mas sofstcadas devem ser utlzadas para a avalação Uberlânda, Mnas Geras, Brasl
do cclo hídrco de uma planta ndustral, então é necessáro fazer a reconclação dos dados do BH para atngr tal meta. Reconclação de Dados A reconclação de dados fo feta através de um programa em lnguagem do Matlab que possu uma nterface com as planlhas eletrôncas na qual fo prevamente construído o BH. A função objetvo típca de reconclação de dados para balanço hídrco é representada pela equação (Crowe, 1986): N = 1 ( VR ) VM mn (1) σ Sujeto as seguntes restrções de balanços de massa: L M ( VR) ( VR) = 0 j= 1,..., J n () out j l= 1 m= 1 j Onde: refere-se às correntes; σ = a ncerteza assocada à medção; VR = vazões reconcladas; VM = vazões meddas; n = representa as correntes de entrada; out = correntes de saída; N = nº total de correntes envolvdas; L =correntes de entrada em cada undade; j= refere-se a cada undade; J = quantdades de undades. Além das restrções de balanço (Equação ), são apontadas também outras restrções tas como: a mpossbldade de vazões negatvas (restrções de não negatvdade) e restrções operaconas (determnadas vazões possuem lmtes), geralmente este tpo de restrção é nserdo com base em nformações provenente de especalstas da área. O fechamento do BH com a reconclação de dados chega-se ao objetvo fnal, que é o conhecmento das correntes aquosas da planta, dentfcando assm os maores consumdores de água e geradores de efluentes. O conhecmento de tas correntes aquosas é o passo ncal para mplantação de metodologas para a redução de geração de efluentes e mnmzação do consumo de água (Fontana et al, 005). Qualdade de Informação (QI) A reconclação de dados clássca (Equação1) necessta da ncerteza de medção das vazões meddas. No entanto, a falta de meddores de água na ndústra mpossblta a estmação da ncerteza de cada vazão. Para soluconar esse problema, fo usado o conceto de qualdade de nformação (QI). A QI é defnda como uma varável nversamente proporconal à ncerteza de medção, sua representação é dado por: QI VM =k σ (3) Onde k é uma constante de proporconaldade. Assume-se que a constante de proporconaldade é aproxmadamente gual para cada vazão mapeada. Então, substtundo a Equação 3 na Equação 1, obtém-se a equação 4, escrta da segunte forma: mn N ( VR VM) = 1 ( VM ) QI (4) Nesta nova função objetvo VM será agora chamada de vazão mapeada, que pode ser uma vazão medda (uma vazão que possu um nstrumento para med-la). A vazão mapeada é obtda de dversos modos e cada um destes possu uma QI. Dessa forma, fo crada uma escala de QI de modo que cada valor de QI represente o nível da confança da fonte de nformação da vazão mapeada. Essa escala pode ser vsta na Fgura, sendo consderadas as seguntes fontes de nformações: Informação duvdosa (ID), Projeto nível A (PNA), Projeto nível B (PNB), Informação Precára (IP), Informação Melhorada (IM), Informação Confável (IC). A vazão mapeada por uma nformação duvdosa (ID) provém de uma estmatva grossera (geralmente um chute do valor) dada por técncos e especalstas da área, este é o caso quando não se tem nformação regstrada da vazão da corrente e por sso tem a menor QI. As vazões provenentes de projetos níves A e B referem-se às vazões de projeto da corrente aquosa, a nformação PNB é provenente de projeto orgnal (partda da planta) e PNA quando Uberlânda, Mnas Geras, Brasl
a nformação é orunda de um projeto atualzado (uma revamp), estes valores de PNA e PNB possuem valores de QI baxos, pos em mutos casos, numa ndústra, o ponto operaconal muda com certa freqüênca, o que contrbu para valores de vazão dferentes quando projetados. As vazões obtdas por nstrumentos nstalados em planta que não possuem plano de calbração ou são baseada em relatóros operaconas ou são classfcadas como nformações precáras (IP); já as vazões mapeadas obtdas por nstrumentos de medção móvel como, por exemplo, ultrassom ou até mesmo realzado por nferênca de volume de recpente conhecdo, representam uma QI classfcada como IM (nformação melhorada). Por últmo se a fonte de nformação da vazão mapeada é provenente de uma smulação valdada, relatóro operaconal detalhado ou de um meddor perodcamente calbrado (pouco provável) a QI atrbuída é IC (nformação confável). Qualdade de nformação 1,0 10,0 8,0 6,0 4,0,0 0,0 0.4 6.0 10.0 4,0 6,0 10,0 ID PNB PNA IP IM IC Fontes de nformações Fgura - Escala de QI utlzada na reconclação de dados do BH. Essa escala de QI está dretamente lgada à confabldade com a qual a nformação fo adqurda; assm, se torna possível dferencar quanttatvamente, e não qualtatvamente, apenas, as dferentes formas de aqusção das nformações de vazão. Questonáro obtda por um nstrumento perodcamente calbrado nstalado em campo, a prncípo a QI escolhda é 10, porém será que este é realmente submetdo a um plano de calbração peródco? Qual a freqüênca de calbração? Esta freqüênca é adequada para o tpo de meddor? Mutas outras perguntas podem ser fetas de manera a avalar o estado de conservação do nstrumento. Se qualquer uma dessas nformações for negatva o nstrumento possu uma confabldade já duvdosa em relação à nformação obtda ncalmente. Logo, se for utlzada somente a nformação passada, segundo a escala, a QI deve contnuar a mesma (10), apesar da baxa confança dentfcada da medção. A escolha nadequada para a QI causa séras dfculdades no BH, pos a reconclação de dados depende da QI e, se este valor não for adequado, os resultados do BH reconclado fornecerão valores de vazão fora da realdade da planta. Esses serão percebdos por operadores experentes, ao ver uma vazão mpossível de ser encontrada em uma determnada tubulação. Tendo em vsta a necessdade de uma vsão crítca a respeto das fontes de nformação da vazão mapeada, surgu a necessdade de formular um questonáro no qual há uma sére de perguntas com ntuto de ter uma déa mas profunda sobre o modo com o qual a nformação fo conseguda, o que leva a uma QI mas próxma da realdade da planta. Esse questonáro deverá responddo pelos operadores da planta, ou pelos responsáves pelo BH, os responsáves pela nformação fo adqurda. O questonáro é realzado em planlhas eletrôncas, como mostram as Fguras 3 e 4, em que exstem perguntas cujas respostas devem ser afrmatvas ou negatvas. Cada resposta será utlzada na contablzação de pontos que resultará em um valor de QI (que estará no ntervalo da escala de QI usada), que deve ser usado para fazer a reconclação de dados. A escolha da QI para uma determnada vazão mapeada pode não condzer com a realdade do valor da vazão que fo mapeada, devdo a mprecsões ou até erros da fonte de nformação. Ou seja, o valor da QI deve ser valdado contnuamente para cada vazão mapeada. Por exemplo, uma vazão mapeada fo Uberlânda, Mnas Geras, Brasl
Fgura 3 Questonáro de avalação para determnar QI de vazão que possuem nstrumento. Fgura 5 Representação de um balanço hídrco de uma ndústra petroquímca. Fgura 4 - Questonáro de avalação para determnar QI de dados estmados. ESTUDO DE CASO A metodologa desenvolvda fo aplcada em um estudo de caso típco de uma ndústra petroquímca. O BH construído para este estudo de caso pode ser observado na Fgura 5. Observa-se que cada corrente possu os valores de vazão e QI respectvamente. Para cada bloco é calculado o balanço de massa, e para cada bloco (nó) o valor não é zero, ou seja, o balanço hídrco não fecha. No caso estudado, há númeras vazões aquosas, portanto para a aplcação do BH fo necessáro o levantamento das fontes de nformação de cada vazão mapeada. Neste BH, as vazões mapeadas foram obtdas das dversas fontes: meddores, relatóros operaconas, smulação, projetos ou de estmatvas. Como para cada fonte de nformação exstem nconvenentes já dscutdos neste artgo, foram aplcados os questonáros operaconas na determnação da escolha adequada da QI. Escolhda a QI depos de um estudo detalhado das fontes de nformação, fo executada a reconclação de dados deste BH. Os resultados dessa reconclação estão na Tabela 1. Tabela 1 Resultados obtdos após a reconclação de dados. Corre ntes VM (t/h) QI VR (t/h) Desvo (VR- VM) Desvo em relação a VM F1 54,41 10 53,64-0,77 1% F 149,00 9 143,79-5,1 3% F3 157,0 7 148,55-8,65 6% F4 148,10 10 14,59-5,51 4% F5 466,00 9 488,57,57 5% F6 18,00 5 08,00-10,00 5% F7 01,68 10 194,81-6,87 3% F8 16,3 10 13,19-3,13 19% F9 9,30 8 80,57-11,73 4% F10 84,40 10 79,15-5,5 6% F11 13,50 3 10,05-3,45 6% F1 08,00 10 01,4-6,58 3% F13 70,86 9 69,10-1,76 % F14 189,56 10 198, 8,66 5% F15,93 3 3,0 0,7 9% F16 04,00 5 198, -5,78 3% F17 149,70 10 146,78 -,9 % F18 54,30 10 51,45 -,85 5% F19 83,00 10 8,40-0,90 1% Com os novos valores de vazão, calculados pela reconclação de dados, calculou- Uberlânda, Mnas Geras, Brasl
se a dferença e o desvo comparado com o valor mapeado. Com esses desvos, fo possível dentfcar as vazões que merecem tratamento especal, estudando seu comportamento e, conseqüentemente, levando à cênca dos pontos de perda e de consumo excessvo, podendo, assm, mnmzá-los. Como é mostrado na Tabela 1 com as vazões reconcladas o BH em cada bloco passa a fechar. Isso pode ser observado na Fgura 6. de nformação para cada vazão mapeada, logo, a elaboração de questonáros operaconas fo mprescndível para uma adequada escolha de cada QI. Portanto, a aplcação desta metodologa pode contrbur para o conhecmento das prncpas correntes aquosas de uma planta ndustral mesmo com pouca medção ou nformação dsponível, o que pode contrbur para uma melhor gestão do uso dos recursos hídrcos e mnmzação da geração de efluentes em uma ndústra. SUGESTÕES DE TRABALHOS FUTUROS Fgura 6 Representação de um balanço hídrco reconclado de uma ndústra. CONCLUSÕES O trabalho realzado mostrou a mportânca da construção de um balanço hídrco em ndústras de processos de modo a dentfcar suas prncpas correntes aquosas, sto é, os prncpas consumdores de água e geradores de efluentes. Além dsso, a utlzação da reconclação de dados é um fator necessáro para o conhecmento de valores mas próxmos da realdade e do fechamento do balanço. Porém, a utlzação da se utlzássemos a reconclação de dados clássca sera necessára à estmação das ncertezas das medções. Para reverter essa dfculdade, propusemos a utlzação do conceto de qualdade de nformação que substtu a ncerteza de medção na reconclação de dados no BH gerando resultados esperados e condzentes com a realdade de uma planta ndustral. Além dsso, um estudo mas detalhado das fontes de nformação utlzadas fo realzado. Isso porque a estmatva da QI depende dessas fontes Um trabalho que pode ser anda melhorado nesta metodologa é um estudo mas detalhado sobre a QI. Uma sugestão de trabalho para a estmatva da QI é a aplcação da lógca fuzzy (ou lógca dfusa), que é uma generalzação da lógca arstotélca, por trabalhar com pertnêncas ntermedáras a conjuntos sendo que as operações entre esses conjuntos abrangem a álgebra booleana. Em outras palavras, a lógca fuzzy trabalha com concetos vagos e mprecsos, assm como os que são encontrados na escolha das QIs. A oportundade sera, pos, aplcar o conceto dessa lógca aos questonáros e chegar a uma estmatva mas precsa das qualdades de nformação das vazões mapeadas. Os valores de QI estmados pela lógca fuzzy podem representar valores mas fdedgnos à realdade das plantas, portanto, garantr uma melhor aplcação da reconclação de dados. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS Crowe, C. M, 1986. Reconclaton of process flow rates by Matrx Projecton. AIChE Journal, v.3, nº 4, p. 616-63. Fontana, D., Kald, R., Kperstok, A. et al. 004. Balanço Hídrco: Uma Nova Sstemátca. XV CONGRESSO BRASILEIRO DE ENGENHARIA QUÍMICA. Curtba, PR. Fontana, D., Kald, R., Kperstok, A. et al. 005. Methodology for wastewater mnmzaton n the Petrochemcal Complex. ENPROMER. Costa Verde, RJ. SHIKLOMANOV, I. A. World Fresh Water Resources, n Water n Crss: A Gude to the World s Fresh Water Resources, P.H., Uberlânda, Mnas Geras, Brasl
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