Redução do Consumo de Água em Sistemas de
Água de Resfriamento em Refinarias do Brasil
Nilson de Moura Gondim
Petrobras/Abastecimento
28/11/2014
1. INTRODUÇÃO
 Motivação:
 A bacia do alto Tietê, abriga uma população superior a 15 MM
habitantes e um dos maiores complexos industriais do mundo
apresenta problemas de vazões insuficientes para atender a
demanda da região metropolitana de São Paulo ( BRAGA et.
al., 2005).
 Restrições para o aumento de outorga de captação de água
das Unidades Operacionais do Refino, bem como reduções
desta outorga, como no caso da REPLAN em Paulínia.
2. OBJETIVO
 Avaliar no sistema de água de resfriamento:
• o ciclo de concentração das torres de resfriamento,
tomando como base os índices de estabilidade da
água sob ótica dos processos de deposição e
corrosão.
•
o estado da arte das rotas do tratamento da purga
aplicado nas refinarias.
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
 3.1 ESTADO DA ARTE DAS DEMANDAS DE ÁGUA
•
Consumo típico de água em refinaria
AS REFINARIAS SÃO
GRANDES
CONSUMIDORES
DE
ÁGUA, DE FATO QUE,
O
CONSUMO
TÍPICO
DE UMA REFINARIA
EM TODO O MUNDO É
NA FAIXA DE 0,5 a
1,5 m3 por m3 de
petróleo
processado
(HWANG
ET
2011; BUCHAN
ARENA, 2006ª).
AL.,
Água de
resfriamento
(reposição)
48%
Água de
Alimentação
de caldeira
(desmi)
20%
Água de
Processo
10%
Água de
Incêndio
11%
&
Água de
Lavagem
5%
Água
Potável
6%
Fonte: Adaptado de Mavis (2003) e Arena (2006) apud HWANG & MOORE (2011).
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
•
 3.1 ESTADO DA ARTE
Especialistas preveem que, em 2025, três quarto da
população do planeta irão sofrer por falta de água. E à
medida que a água se torna cada vez mais escassa, surgem
conflitos em torno do seu uso e da forma que o regulariza
(LEONARD, 2011).
Disponibilidade de água atual e futura em função da capacidade de refino no mundo
Fonte: Adaptado de Arena (2006) apud HWANG & MOORE (2011).
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
•

3.4 TRATAMENTO DE ÁGUA
No Brasil, as refinarias de petróleo adotam de uma maneira
geral as seguintes rotas de tratamento e distribuição de água.
Esquema típico das rotas de tratamento de água em refinarias de petróleo
Fonte: Petrobras (2013).
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.4 TRATAMENTO DE ÁGUA
Esquema típico de tratamento de água com suas respectivas perdas
de água
Fonte: Petrobras (2013).
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

3.5 SISTEMA DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO
Sistema de resfriamento aberto com recirculação com as principais variáveis
Fonte: Adaptado de NACE, 2009
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
 3.5 SISTEMA DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO
Balanço de massa e energia
(FLYNN, 2009, PUCKORIUS, 2013)
(15)
(18)
CR – Concentração do soluto não volátil na água de recirculação;
CMU – Concentração do soluto não volátil água de reposição (makeup);
E – evaporação (m3/h);
f ¬– fator de evaporação, significando a perda de calor por evaporação, que é
responsável pelo resfriamento da água.
R – vazão de recirculação (m3/h);
∆T –gradiente térmico (range),(°C);
Cp – calor específico da água (kJ/kg °C) = 4,1868 kJ/kg °C;
λ – calor latente de vaporização da água (kJ/kg) = 2300 kJ/kg.
MU – reposição (makeup) (m3/h)
CR – ciclo de concentração (concentration ratio)
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
 3.5 SISTEMA DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO
3.5.7.1 Índices de Incrustações
 Os depósitos minerais são formados quando os minerais
dissolvidos na água excedem sua solubilidade (NACE,
2007). Portanto, a primeira causa da formação de
incrustações é a supersaturação.
 Os sais mais comuns que contribuem para formação dos
depósitos são: carbonato de cálcio (calcita), fosfato de
cálcio e zinco, sulfato de cálcio e silicatos.
 Normalmente, as solubilidades destes compostos reduzem
com a elevação do pH e temperatura (SUZUKI, 1999;
FLYNN, 2009).
Alguns índices fazem a predição do potencial de incrustação
do CaCO3 na água, entre eles destacam-se:
 Índice de Langelier (LSI Langelier Scaling Index);
 Índice de Ryznar (RSI Ryznar Stability Index);
 Índice de Puckorius (PSI Puckorius (Practical) Scaling
Index)
3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
 3.5 SISTEMA DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO
Índices de Incrustações
4. MATERIAIS E MÉTODOS
 4.1 SISTEMA DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO
4.1.1 Redução das purgas das torres

Levantamento dos dados de caracterização das águas
de reposição e recirculação do sistema de água de
resfriamento nas refinarias tais como:
- variáveis operacionais: vazão de recirculação e
gradiente térmico;
- parâmetros químicos: sílica, dureza total,
alcalinidade total, condutividade, ferro, pH, turbidez,
DQO, óleo e graxa, ortofosfato e cloro livre.

Estes dados foram obtidos de 9 refinarias da
Petrobras distribuídas em varias regiões do Brasil,
totalizando 37 torres de resfriamento agrupadas em 4
grupos em função da carga de petróleo processada.
Os dados são referentes ao período de 2011.
4. MATERIAIS E MÉTODOS
 4.1 SISTEMA DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO
4.1.1 Redução das purgas das torres
 determinação dos ciclos de concentrações;
 avaliação da tendência à corrosão/incrustação;
 determinação dos parâmetros físico-químicos
em
função das alterações dos ciclos de concentrações
propostos;
 estimação
da redução da economia de água de
reposição e redução de efluentes.
4.1.2 Estratégias de tratamento da purga e custos da
água de reposição
 Foi realizado um levantamento do estado da arte das
soluções adotadas e em andamento, com relação aos
tratamentos destas correntes
 foi realizado um levantamento dos custos de água de
reposição (clarificada e/ou filtrada) das refinarias ao
longo de 2011.
5.RESULTADOS
5.1. SISTEMA DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO
5.1.1 REDUÇÃO DA PURGA DAS TORRES
As refinarias utilizam diferentes tipos de águas de reposição
(makeup) em seus sistemas de água de resfriamento. A
maioria utiliza água de rio filtrada (clarificada e filtrada), mas
há refinarias que utilizam mais de um tipo de água para repor
suas torres de resfriamento.
Figura 5.1 – Número de refinarias com seus vários tipos de suprimento de água de resfriamento
Água de Reusoc
2
Água de Concentrado
de OI e Água
Barragem
1
Água Barragem (Bruta)
1
Água Clarificada
4
Água de Concentrado
de OI e Água
Clarificada
4
Água de Concentrado
de OI e Água Filtrada
1
Água do Marb
1
:a
b
Água Filtradaa
5
Água de Poço
Artesiano
2
c
Água Clarificada e Filtrada, Sistema sem torres "once-through system"; Tratamento terciário do
efluente.
5.RESULTADOS
5.1. SISTEMA DE ÁGUA DE RESFRIAMENTO
5.1.1 REDUÇÃO DA PURGA DAS TORRES
 As refinarias foram distribuídas em 3 grupos de acordo com
a carga de petróleo processada:
• Grupo I processa mais de 40 000 m3/d;
• Grupo II processa entre 20 000 e 40 000 m3/d;
• Grupo III processa menos de 20 000 m3/d.
Tabela 5.1 – Vazões de água de recirculação por refinaria em cada grupo
Número de refinarias
3
P50 (m /h)
3
Média Aritmética (m /h)
3
Mínimo (m /h)
3
Máximo (m /h)
Grupo I
3
47 052
46 819
43 257
a
Grupo II
4
30 398
30 130
25 435
b
Grupo III
2
8 117
8 104
6 769
51 541
32 151
9 289
c
a
Grupo I: Carga de Petróleo Processada > 40 000 m 3/d; bGrupo II: entre 20 000 – 40 000 m3/d ; cGrupo III: < 20 000 m3/d
P50: Percentil 50%
Tabela 5.2 – Gradiente térmico (range) (∆T)
Número de refinarias
P50 (°C)
Média Aritmética (°C)
Mínimo (°C)
Máximo (°C)
a
Grupo I
3
8,7
9,0
6,9
12,4
a
Grupo II
4
9,1
9,0
6,3
10,3
b
Grupo III
2
7,1
7,1
6,9
7,2
c
Grupo I: Carga de Petróleo Processada > 40 000 m 3/d; bGrupo II: entre 20 000 – 40 000 m3/d ; cGrupo III: < 20 000 m3/d
P50: Percentil 50%
5.RESULTADOS
5.1.1. REDUÇÃO DA PURGA DAS TORRES
5.1.1.1 Ciclo de concentração
Tabela 5.6 – Ciclo de concentração (CR) dos grupos e refinarias
Ciclo de Concentração (CR)
Refinaria
8,1
Grupo I C
3,0
G
3,8
I
5,0
Média do Grupo I
5,7
Grupo II A
4,6
D
6,0
E
5,9
H
5,5
Média do Grupo II
2,8
Grupo III B
2,9
K
2,9
Média do Grupo III
b
3
a
Grupo I: Carga de Petróleo Processada > 40 000 m /d; Grupo II: entre 20 000 – 40 000 m3/d ; cGrupo III: < 20 000 m3/d
5.RESULTADOS
5.1.1. REDUÇÃO DA PURGA DAS TORRES
Figura 5.2 – Índices de Langelier no grupos de refinarias: (a) grupo I; (b) grupo II e (c) grupo III
5.1.1.2 Corrosão e Incrustaçãoo
 Os índices de
Observa-se que as
águas dos 3 grupos são
naturalmente corrosivas
em pH abaixo de 7,5
para qualquer condição
de operação (ciclos).
Langelier
(LSI)
referentes
aos 3 grupos
em
função
do ciclo de
concentração
e
pH
à
temperatura
de
80°C
(temperatura
de película)
estão
elaborados
pelo software
French
Creek.
5.RESULTADOS
5.1.1. REDUÇÃO DA PURGA DAS TORRES
5.1.1.2 Corrosão e Incrustação
Figura 5.3 – Índice de Saturação de Ryznar (a): temp. de 45°C, (b) temp. de 80°C
5.RESULTADOS
5.1.1. REDUÇÃO DA PURGA DAS TORRES
5.1.1.3 Parâmetros físico-químicos nos ciclos propostos
5.RESULTADOS
5.1.1. REDUÇÃO DA PURGA DAS TORRES
5.1.1.4 Estimativa de economia de água e efluente
Variáveis
B
R
m3/h
ΔT
°C
D
G
I
K
11524
11524
44079
44079
53385
53385
34016
34016
3000
3000
4,7
4,7
8,1
8,1
7,8
7,8
7,9
7,9
10,0
10,0
3,0
4,0
4,6
6,0
3,4
6,0
4,0
5,0
3,0
6,0
E
m /h (Eq.14)
83,9
3
MU
m /h (Eq.17) 125,8
ΔMU m3/h
83,9
552,8
552,8
644,7
644,7
416,1
416,1
46,4
46,4
111,8
706,3
663,4
913,3
773,6
554,7
520,1
69,7
55,7
14,0
43,0
139,7
34,7
13,9
Redução de MU (%) (Eq. 31)
11
6
15
6
20
14,0
43,0
139,7
34,7
13,9
CR
3
3
ΔMU m /h
Tabela 5.9 – Reduções de reposição e purga nas refinarias
Refinaria
B
D
G
Aumento do ciclo de concentração
3 para 4
4,6 para 6 3,4 para 6
3
Redução de água de reposição (m /h)
14,0
43,0
139,7
Redução da purga
3
(m /h)
14,0
43,0
139,7
% Redução de consumo água de reposição
11,0
6,0
15,0
% Redução da purga (efluentes)
11,0
6,0
15,0
I
K
4 para 5
34,7
3 para 6
13,9
34,7
6,0
6,0
13,9
20,0
20,0
5.RESULTADOS
5.1.1. REDUÇÃO DA PURGA DAS TORRES
5.1.1.4 Estimativa de economia de água e efluente
Com as ações de proposta de elevação do ciclo de
concentração das refinarias citadas, promove-se uma redução
no consumo de água (reposição) de 245 m3/h (5 886 m3/d).
Concomitantemente também se obtém a redução da purga na
mesma ordem de grandeza ao aplicar a equação (23). Neste
caso, a redução da purga totalizaria também 245 m3/h. Isto
representa uma economia anual de US$ 859 404,00 (2 x 5 886
m3/d x US$ 0,20/m3 x 365 d/ano) (US$ 0,85 MM/ano).
5.RESULTADOS
5.1.3. ESTRATÉGIAS E TECNOLOGIAS DE TRATAMETO
Tabela 5.10 – Tecnologias de tratamento e tipos de descarga da purga nas refinarias
Refinaria
A
B
C
D
E
F
G
H
I
J
K
Vazão da purga
3
(m /h)
46
22
90
100
43
125
350
60
220
6
35
Tipo de descarga
ETDI
ETDI
ETDI
ETDI
a
ETDI reúso
ETDI
ETDI
b
ETDI/ZLD piloto
ETDI
ETDI
ETDI
Tecnologia do
tratamento
MBR, EDR, DESMI
MF, RO
ZLD (zero liquid discharge) – descarga da purga para reúso total;
ETDI – descarga da purga para a estação de tratamento de despejos industriais;
ETDI reúso – descarga da purga para misturar ao reúso do efluente em tratamento terciário.
a
A purga é tratada junto ao tratamento terciário (MBR, EDR e RO) do efluente da refinaria;
b
A Purga é enviada para sistema de efluente, mas existe uma planta piloto testando a purga com
membranas de microfiltração (MF) e osmose inversa (RO).
Em estudo realizado em 1998 em Taiwan, cerca de 19 plantas (26,8%) tiveram
programas de recuperação e reúso da purga entre 70 plantas. Cerca de 14
aplicaram o reúso da purga em sistema de resfriamento e 5 utilizaram como
produção de água para lavagens e controle de poluição de equipamentos. Segundo
You (1999), estes números não eram tão motivadores e a justificativa era que o
alto custo da implementação do reúso e a tecnologia ainda deveria ser melhorada.
5.RESULTADOS
5.1.4. CUSTOS ESPECÍFICOS ADOTADOS NAS REFINARIAS
Custos específicos de tratamento de água (TA)
5.3 RECOMENDAÇÕES OPERACIONAIS INDUSTRIAIS
Sistema de água de água de resfriamento
Economia de água
 Verificar se o desempenho das torres de
resfriamento está conforme o projeto, realizando
teste de desempenho (performance), segundo o
procedimento do Acceptance Test Code – ATC-105 do
Cooling Tower Institute CTI (última versão) para
verificar se a torre está cumprindo sua função de
troca térmica.
 Verificar com as empresas tratadoras, programas de
tratamento de água de resfriamento a operarem com
ciclos mais elevados (≥ 6) com a finalidade da
redução dos custos com os produtos químicos e
economia de água.
5.3 RECOMENDAÇÕES OPERACIONAIS INDUSTRIAIS
a)Economia de água
 Verificar a longo prazo a possibilidade de redução da
temperatura do retorno de água quente, utilizandose resfriadores a ar (air coolers) para resfriar parte
do retorno de água quente, com o objetivo de
reduzir as perdas por evaporação. Para esta opção, a
viabilidade do projeto deverá ser avaliada por meio
de um EVTE.
 Verificar com as empresas tratadoras, programas de
tratamento de água de resfriamento a operarem com
ciclos mais elevados (≥ 6) com a finalidade da
redução dos custos com os produtos químicos e
economia de água.
5.3 RECOMENDAÇÕES OPERACIONAIS INDUSTRIAIS
b)Economia de energia
 Em temos de economia de energia, um recurso
prático é em períodos de baixa carga (baixa
demanda de carga térmica no processo; p.e, parada
de uma unidade) ou baixas temperaturas de bulbo
úmido (períodos mais frios), desligar um ventilador.
Embora, não seja conveniente em torres de
correntes cruzada por causa do aumento de perdas
de água.
 Ajustar o ângulo das pás dos ventiladores para reduzir
a vazão de ar.
 Por último, pode-se instalar difusores hiperbólicos,
trocar o enchimento; porém, envolvem investimentos
6 CONCLUSÃO
 Elevando-se o ciclo de concentração, pode-se obter
redução no consumo de água de reposição, sendo
mais representativo quanto menor for ciclo de
origem. Isto implica na redução do consumo de
água bruta captada por carga de petróleo
processado nas refinarias. Além do mais, a redução
no consumo de água de reposição traduz-se na
diminuição da purga das torres de resfriamento e,
por sua vez, na redução dos efluentes gerados e os
impactos
ambientais
promovidos
por
estes
descartes.
6 CONCLUSÃO
 Alterando os ciclos de concentrações nas refinarias da
seguinte forma:
B de 3 para 4;
D de 4,6 para 6;
G de 3,4 para 6;
I de 4 para 5 e
K de 3 para 6; pode-se obter uma economia de
água de reposição (água filtrada) de 259 m3/h, como
também uma redução em mesmo valor da purga das
torres
de
resfriamento
(efluentes).
Portanto,
representando uma redução nos custos anuais na ordem
de US$ 0,85 MM.
Obrigado pela atenção!
Nilson de Moura Gondim
[email protected]
+55 21-21666897