Artigo
ECONOMIA NO CONSUMO DE ÁGUA NO SISTEMA DE
RESFRIAMENTO DE UMA UNIDADE SUCROALCOOLEIRA
COM O AUMENTO DO CICLO DE CONCENTRAÇÃO
REDUCTION IN WATER CONSUMPTION WITH THE
INCREASE OF THE CYCLE OF CONCENTRATION IN
COOLING SYSTEMS OF A SUGAR CANE INDUSTRY
RESUMO
A busca por redução do consumo de água é uma das metas das grandes indústrias. As
indústrias sucroalcooleira que dependem de grandes volumes de água para seu processo
industrial, necessitam de um rigoroso tratamento de água de alimentação de caldeiras para
co-geração de energia elétrica, e também para arrefecimento de trocadores de calor, condensadores e o gerador. O presente tratabalho trata de sugerir uma alternativa para redução
do uso de água para sistemas de resfriamento partindo do aumento do ciclo de concentração de uma torre de resfriamento. O estudo foi realizado entre os meses de Março e Julho
de 2010 em uma unidade sucroalcooleira no município de Pereira Barreto-SP. Neste período
aplicou-se um aumento do ciclo de concentração de 8 para 11, obteve-se uma redução de
8%.h-1 na reposição de água em relação ao mesmo período do ano anterior.
Daniel Araujo Gonçalves*,
Luzenira Alves Brasileiro e
Jairo Salim Pinheiro de Lima
Departamento de Engenharia
Civil, Universidade Estadual
Paulista, UNESP - Ilha Solteira
*Correspondência:
[email protected]
Palavras-chave: Torres de Resfriamentos. Agroindústria Sucroalcooleira.
ABSTRACT
The search for reducing consumption of water is one of the goals of the major industries. The sugarcane industries that rely on large volumes of water for its industrial process, require a rigorous treatment of boiler feed water for the cogeneration of electricity and also to stage cooling heat exchanger,
condenser and generator energy. This tratabalho comes to suggest an alternative to reducing the
use of water for cooling systems of breaking the cycle of increasing concentration of a cooling tower.
The study was conducted between March and July 2010 in a sugar-ethanol unit in the city of Pereira
Barreto, SP. During this period he applied an increasing cycle of concentration of 8 to 11, we obtained a reduction of 8%.h-1 of the replacement of water over the same period last year.
Keywords: Cooling Towers. Industries of Sugar and Alcohol.
INTRODUÇÃO
No Brasil existem aproximadamente 420 usinas sucroalcooleiras, dentre elas 35% destinadas à produção de etanol,
3% açúcar e 62% são mistas, que juntas moem cerca de 600
milhões de toneladas de cana/ano (1). Números mostram que
para 1 kg de cana que é processada nas usinas é necessário 1m3 de água, levando em conta que uma usina de médio
porte processa 10 mil toneladas de cana.dia-1, significa que o
consumo aproximado de 10 mil m3 de água por uma unidade
sucroalcooleira diariamente (1,2).
Dentre as finalidades para uso de água, utilizam-se grande volume de água tratada para arrefecimento da turbina do
gerador que captam o vapor vegetal das caldeiras para pro2
dução de energia, trocadores de calor utilizados para resfriamento do mosto e dornas da fermentação e condensadores
da destilaria (3). Esta água após todo o processo de arrefecimento chega a uma temperatura média de 40-42ºC, o que
impossibilita o lançamento deste efluente, que segundo a legislação não pode ultrapassar os 40ºC ou aumentar em 3ºC a
temperatura do corpo receptor (3,4). Além disso, seria necessário repor milhões de m3/h de água para o processo, o que
aumentaria de forma exponencial os gastos com o tratamento
de água (3). Desta forma, toda a água do sistema é resfriada
por torres de resfriamento, visando o reaproveitamento em
um circuito fechado (3,4) (Figura 1).
Água quente
Condensador
ciclo de concentração de uma usina sucroalcooleira buscando a
redução de água e, consequentemente, custo com o tratamento.
MATERIAL E MÉTODOS
Evaporação
Água de
reposição
Água fria
Trocador de calor de placa
Descarga
O modelo estudado é de torres de resfriamento com tiragem induzida. Nesse sistema o ar é puxado para o interior da
torre por meio de um exaustor fixado na parte superior, onde
em alguns modelos podem ser localizados em sua base com
a introdução de obstáculos no seu interior, chamados pelos
fabricantes de “enchimento” ou “colmeias’’, permitindo um
aumento na eficiência e grau de nebulização, intensificando a
troca de calor entre a água e o ar, de acordo com a Figura 2 (4).
Figura 1. Esquema do sistema de resfriamento
Neste sistema, a água atua como fluido de resfriamento, com objetivo de remover carga térmica, fazendo com
que possa ser recirculada novamente, desta forma obtém
uma linha de água quente e água fria (resfriada), gerando
uma variação de temperatura (∆T) de grande importância
para avaliação do sistema de resfriamento não podendo
ultrapassar o limite de operação, que em média é de 11 a
18ºC dependendo do potencial da torre (5). Quanto mais
próximo do limite esta variação significa ótima eficiência do
sistema de resfriamento, caso esta ∆T seja baixa, necessita
de paradas para manutenção e vistorias de trocadores de
calor, e em casos mais graves aberturas de condensadores
causando redução da produção (5,6). Este problema pode
estar associado a entupimentos de trocadores de calor e
condensadores por bagacilho, terra, matéria orgânica e pequenos insetos que entram na linha de água pela bacia das
torres de resfriamento.
Todo sistema de resfriamento necessita de dosagem de
produtos químicos para manutenção (7). Estas dosagens
buscam reduzir corrosões, incrustações e controle microbiológico, elevando desta forma, o tempo de utilização de água
e assim reduzindo a necessidade de renovação desta água
de arrefecimento (7). Esta medida é realizada pelo ciclo de
concentração geralmente medido pela relação de sílica (SiO2)
da água de reposição pela sílica da água do sistema, sendo o
quanto a torre concentra uma determinada substância, quanto maior o ciclo menor a quantidade de água o sistema perde,
menor a dosagem de produto para manutenção e a redução
de custo para o tratamento desta água (7).
O que deve ser observado é que o ciclo não ultrapasse o
limite máximo de operação, caso isto aconteça é necessário
desconcentrar a água realizando a abertura da descarga de
água, evitando a saturação de produtos químicos, que em concentrações elevadas prejudicam o sistema (7). Por este motivo
alguns tratadores de água adotam ciclos menores e com abertura contínua da descarga e maior consumo de água (8,5).
A busca por um equilíbrio entre ciclo de concentração e água
de reposição é um grande desafio para os tratadores de água de
arrefecimento. O presente trabalho tem como objetivo elevar o
Exaustor
Blocos de dispersão
Colmeia
Ar
Água quente
Água de
reposição
Bacia
Água resfriada
Figura 2. Esquema de uma célula de uma torre de resfriamento
O estudo foi feito em parceria na unidade da usina Santa
Adélia durante um período de estágio realizado para empresa
Buckman Laboratórios, de agosto de 2009 a agosto de 2010,
no município de Pereira Barreto (SP). Neste trabalho foi realizado estudo do melhor ciclo de concentração analisando taxa
de evaporação, perda líquida e o diferencial de temperatura
da água de reposição para melhores condições de consumo
de água, comparando os dados com o mesmo período do
ano anterior ao início do estudo.
O sistema em estudo é para arrefecimento de trocadores
de calor de mosto e dornas e condensadores de álcool da
destilaria, tendo como volume da bacia da torre de resfriamento 1000 m3 composta por 6 células, com vazão de entrada e saída 6000 m3.h-1, considerando a perda por arraste
0,2% da vazão. No período de 01/09/2009 a 28/02/2010 foram coletados dados de análises para realização do balanço
de massa em busca do melhor comportamento teórico do
sistema em estudo. No final programamos o ciclo com melhor desempenho.
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Artigo
PROCEDIMENTOS
Diariamente foram coletados dados como concentração
de SiO2 (processo e reposição), temperatura da água de alimentação e retorno do sistema, vazão das bombas em operação, % de abertura de descarga (Tabela 1).
Parâmetros
Resultados
SiO2 (processo)
90 (mg.l-1)
SiO2 (reposição)
16 (mg.l-1)
Ȼ
7,8
Re = Pl + Ø + Te + P
ΔT
15°C
Vzp
6000 m3.h-1
Purga
10%
Tabela 1. Histórico de processo da torre de resfriamento.
Para a avaliação do sistema diariamente foram realizados
cálculos para o balanço de massa as seguintes equações:
Equação 1
Onde:
Te: Taxa de evaporação (m3.h-1)
Vzp: Vazão da bomba do processo (m3.h-1)
ΔT: Diferencial de temperatura (°C)
SiO2 f
Ȼ =
SiO2 i
Equação 2
Onde:
Ȼ: Ciclo de concentração (SiO2)
SiO2 f: Concentração de SiO2 na torre de resfriamento
SiO2 i: Concentração de SiO2 na água de reposição
A necessidade de quantificar a perda líquida por evaporação
é de importância para controle interno, ou seja, dosagem de
produtos químicos inibidores para prevenção para incrustações, corrosões por “pitting’’ ou generalizada e agentes dispersantes inorgânicos e orgânicos onde não houve enfoque
para quantificar estes volumes neste trabalho. Esta perda líquida é quantificada da seguinte forma:
Pl = Te
(Ȼ-1)
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para avaliação do sistema a ser tratado, realizou-se um levantamento de todos os dados analíticos dos últimos 12 meses anteriores ao início do presente trabalho. Nesta consulta
observaram-se os dados de projeto da torre de resfriamento e
confrontamos os dados com o histórico de análise chegando
a um gráfico de possíveis ciclos de concentrações a serem
usados conforme gráfico da Tabela 1. Calculou-se também o
ciclo máximo teórico (₵mt), que é o ciclo máximo calculado
considerando o sistema pode suportar, chegando ao valor de
13, ou seja valor máximo de ciclo em operação.
Adotamos o valor de 11 para o ₵ e não de 13 conforme o
₵mt devido a conclusão que chegamos, onde essa diferença de 2 ₵ perde-se devido a falhas de operações durante a
produção, e interferes como ventania de terra, ventos muitos
fortes, contaminação de açúcar e outras coisas, que fazem
com que a água usada no resfriamento tenha que ser trocada
reduzindo o ciclo média mensal.
A partir do gráfico 1, analisamos a quantidade de água a
ser resposta em relação ao ₵, neste caso um esta diretamente proporcional ao outro. É possível observar que do ₵ 10
ao13 existe pouca diferença na necessidade de reposição, o
que viabiliza o uso do ₵ 11.
280
Equação 3
Onde:
Ȼ: Ciclo de concentração (SiO2)
Te: Taxa de evaporação (m3.h-1)
Pl: Perda Líquida
Equação 4
Te: Taxa de evaporação (m3.h-1)
P: Purga
Pl: Perda Líquida
Ø: Arraste
260
Reposição (m3/h)
Te =0,144 x Vzp x ∆T
100
Outro ponto a ser considerado é para a necessidade da água
de reposição (equação 4), que podem estar ligadas à necessidade de abertura da descarga para desconcentrar a água por ciclo
elevado, contaminação por arraste de açúcar, ação de exaustores instalados na entrada de uma célula de uma torre, evaporação da água que torna obrigatoriamente repor esta fração de
água normalizando o nível da bacia da torre de resfriamento, direcionando novamente ao processo industrial (2). Outra fração de
água perdida deve-se ao arraste, água não evaporada que por
ação de vento é jogada para fora da torre (7).
240
220
200
180
160
Um parâmetro adotado para controle dos limites de concentrações salinas e sólidos suspensos é a abertura das descargas em % do volume da bacia, conforme a necessidade
para desconcentrar o sistema chamado de purga.
4
140
0123456789
10
11
12
13
14
Ȼ (Si02)
Tabela 1. Consumo de água em função do ciclo de concentração
A partir do estudo de simulação de ciclo, programou-se o uso
do ₵ 11 e obtivemos os resultados conforme quadros 1 ao 3.
Quadro 1. Comparação dos ciclos de concentração usados no
período de estudo
uma economia considerável. E por fim analisamos a purga do
sistema, chegando a uma redução de efluente para ser tratado de 7%.h-1 conforme quadro 3 com a redução da necessidade de abrir a purga para desconcentrar a água do sistema.
Ciclo de concentração
2009
2010
14
Março
-
-
12
Abril
5,89
9,80
Maio
9,00
10,90
Junho
8,20
9,80
Julho
6,90
10,70
Agosto
8,80
10,30
O quadro 1 mostra as médias mensais de ciclo de concentração durante o período de estudo e o mesmo período do ano
anterior e verifica-se notoriamente um aumento, mostrando que
para este sistema é possível elevar o ciclo de concentração ₵
sem perder a eficiência de operação obtendo 2,5 un. de ₵.
A partir de resultados satisfatórios com aumento do ciclo,
verificamos a abertura da descarga ou purga, que na unidade
em estudo é medida em % da bacia conforme quadro 2.
Quadro 2. Abertura da válvula da reposição da torre da destilaria em %.
Período
2009
2010
Março
-
-
Abril
28,12 %
21,57 %
Maio
30,12 %
22,94 %
Junho
22,69 %
22,84 %
Julho
26,22 %
14,29 %
Agosto
31,20 %
16,17%
Os resultados mostraram um equilíbrio entre o ₵ a purga,
o que é fundamental para economia de água. Com esse novo
parâmetro de operação obteve-se uma redução de aproximadamente 8 %.h-1 de água de alimentação, isso significa uma
redução de 28 m3.h-1, em se tratando de economia para se
tratar a água gasta-se em média R$ 5,00 por m3, tornando-se
Abertura da descarga em %
Período
10
8
2009
6
2010
4
2
0
Mar
Abr
Mai
Jun
Jul
Ago
Quadro 3. Comparação de abertura da descarga no período de estudo
CONCLUSÃO
A utilização de um sistema de resfriamento com economia de
água sem perder a eficiência é a grande interrogação de muitos
tratadores de água. Com base no histórico e no projeto do sistema de resfriamento em estudo, o presente trabalho apresentou
uma proposta eficiente para a redução do consumo de água, o
que em unidades sucroalcooleiras é relativamente caro em comparação aos sistemas de abastecimentos urbanos.
Obtivemos uma redução de 8%.h-1 do uso de água filtrada
para reposição da bacia da torre de resfriamento, uma redução
de 7% h-1 na purga do sistema, o que reduz o efluente a ser tratado e, consequentemente, os gastos para esse tratamento a partir de uma aumento de 2.5 un. de ₵. Muito provavelmente esta
diferença de 1%.h-1 da reposição em relação a purga deve-se a
evaporação de água e/ou ação de ventos arremessando a água
para fora da bacia.
Agradecimentos
Os autores agradecem a Buckman Laboratórios e Usina
Santa Adélia pela parceria que proporcionou este trabalho.
R e f er ê ncias
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MANCUSO, P. C. S. Reúso de água para torres de resfriamento. Biblioteca Virtual da Fsp Usp, 2002.
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