terça-feira, 25 de novembro de 2014

[II SBEQ] MINIMIZAÇÃO DE EFLUENTES AQUOSOS - REINALDO COELHO MIRRE E FERNANDO PELLEGRINI (UFRJ)

Por Reinaldo Coelho Mirre ¹ e Fernando Luiz Pellegrini Pessoa ²
¹ Pesquisador na Escola de Química da UFRJ e ² Professor Titular na Escola de Química da UFRJ

Para transformar matérias-primas em produtos de valor agregado e competitividade comercial, a Engenharia Química aborda os fenômenos e fundamentos físico-químicos que levam em conta a operação coordenada de equipamentos e processos industriais. A necessidade de se estabelecer procedimentos sistemáticos e integrados para o projeto de processos originou o desenvolvimento da área da Engenharia de Processos Químicos. Conceitualmente esta área se divide em métodos que orientam a elaboração de fluxogramas promissores (etapa de síntese) e a avaliação de parâmetros que interferem no desempenho físico e econômico dos fluxogramas (etapa de análise).

A visão de sustentabilidade nos processos de produção consiste em buscar o máximo aproveitamento dos insumos e recursos empregados, como matérias-primas, água, energia e demais utilidades, com a menor quantidade possível de efluentes aquosos, resíduos sólidos e emissões atmosféricas.

A crise da escassez de água doce no mundo tem sido um dos principais problemas a serem enfrentados para garantir a sustentabilidade dos sistemas naturais no planeta. No Brasil, mesmo como detentor de grandes reservas deste recurso, já se pode sentir nas grandes cidades os efeitos da sobrecarga de abastecimento irregular, saneamento deficiente e poluição de mananciais, reflexos da urbanização não planejada e do mau uso das fontes de água.

A cobrança pelo uso da água de uma bacia hidrográfica, decorrente de mecanismos regulatórios que estipulam o valor econômico da água, aponta para uma tendência de aumento dos custos de produção, em função das taxas de captação, consumo e descarte de efluentes industriais. Neste caso, a saída para lidar com este novo cenário está em incentivar o desenvolvimento de técnicas ou metodologias que minimizem tanto a vazão de água alocada nos processos químicos quanto a de efluentes gerados, objetivando reduzir os custos totais dos sistemas. Assim, a abordagem sistemática oferece a oportunidade de alcançar o máximo reuso, em contraposição ao reuso por inspeção de qualidade de correntes aquosas, normalmente adotado pelas empresas. Esta perspectiva abre caminho para o adequado gerenciamento dos recursos hídricos, e redução de impactos de natureza econômica, ambiental e social; e é aí que entra a Integração de Processos, uma das subdivisões da Engenharia de Processos.

A Integração de Processos pode ser entendida como a aplicação de métodos sistemáticos que avaliam o processo e as interações entre seus elementos de forma global, em oposição à análise individual de equipamentos e operações. Deste modo, a partir das características de determinado processo, pode-se avaliar de que forma a interação entre as operações permite otimizar o sistema como um todo. O conjunto de ferramentas desta área estabelece o uso de regras heurísticas, abordagem termodinâmica ou técnicas de programação matemática (otimização).

A otimização do uso da água em processos industriais pode ser alcançada por meio de métodos de programação matemática, técnicas determinísticas que adotam uma função objetivo e restrições específicas do processo e/ou termodinâmicas, com base em critérios de julgamento, como minimização da vazão de água captada ou de efluente, ou ainda a maximização da economia de água no processo. São modelos normalmente orientados para a determinação direta do valor ótimo, porém de implementação por vezes dispendiosa e que poderia desestimular o interesse do meio industrial. 

Por esta razão, é comum o reúso de água na indústria por meio de inspeção da qualidade de correntes hídricas, que permite identificar oportunidades para um novo direcionamento da água em operações cujas concentrações de espécies presentes não venham interferir no desempenho dos equipamentos ou do processo de modo geral; mesmo assim, o procedimento adotado neste caso normalmente não garante o máximo reúso.

No ambiente industrial, podemos ressaltar a definição que tem orientado os estudos de minimização de efluentes por meio de redes de conservação de recursos, segundo a qual reúso é o aproveitamento direto da água proveniente de um equipamento, operação ou processo em outros nos quais este efluente ainda não foi utilizado, sem que seja levantada qualquer possibilidade de tratamento de efluente para ajuste de concentração de um determinado contaminante, pois considera-se que não ocorra violação dos limites de concentração do contaminante na entrada da unidade.

Além da programação matemática, existe outra categoria de métodos, de resposta mais imediata, classificados de gráficos, algorítmicos, heurísticos ou evolutivos. Estes métodos possuem uma abordagem sequencial e sistemática, mais simples de serem aplicados quando comparados à programação matemática, e, embora não garantam a obtenção do ótimo global na análise paramétrica, podem chegar a valores próximos ao ótimo, ou mesmo serem adotados como ponto de partida para métodos sofisticados de otimização. Possuem a vantagem de auxiliar o engenheiro de processos a oferecer uma resposta rápida para o problema. Um destes métodos práticos é o chamado Diagrama de Fontes de Água (DFA), procedimento algorítmico que utiliza balanço material, conceitos de tecnologia Pinch, e regras heurísticas. O objetivo é gerar redes de águas (fluxogramas) com mínimo consumo e máximo reuso, e, dependendo da qualidade dos dados, atender simultaneamente a outras restrições, como vazão fixa, perdas ou ganhos de vazão, e uso de múltiplas fontes externas, quando houver, e necessidade de processos de regeneração para reúso e/ou reciclo. Com menor esforço de resolução computacional que os métodos de programação matemática, o DFA favorece o alcance de resultados próximos a estruturas otimizadas. Além disso, conduz a diferentes cenários de reuso, tornando-se atrativo para a seleção de acordo com as características do processo em análise. Por fim, a minimização do consumo de efluentes aquosos disponibiliza maior quantidade de água para a prioridade de abastecimento público, por exemplo, atenuando a sobrecarga e os impactos negativos sobre o recurso hídrico.

Como área de aplicação, a Integração de Processos impulsionou seu desenvolvimento como forma de atender à crise do petróleo na década de 1970, que naturalmente afetou a produção industrial e levou à necessidade de racionamento do consumo de utilidades industriais. Pouco depois, a preocupação com a disponibilidade dos recursos hídricos motivou estudos para a conservação e o uso racional da água na indústria. Atualmente, novas frentes de estudo se voltam para a minimização do uso de hidrogênio e o planejamento de redução de emissões de carbono, por exemplo.

O desenvolvimento atual da Engenharia Química vem se intensificando de acordo com os objetivos de Sustentabilidade e da Engenharia de Processos Verde. Embora a literatura especializada esteja em pleno desenvolvimento, a popularização dos métodos de Integração de Processos no meio industrial ainda é tímida, principalmente em função da dificuldade de se estabelecer parcerias permanentes entre grupos de pesquisa aplicada e engenheiros de processo atuantes na indústria. Por outro lado, o gerenciamento sustentável de recursos hídricos por meio da prática adequada de reúso, com mínimo consumo da fonte e mínimo impacto com a geração de efluentes, representa um importante passo para a responsabilidade ambiental na indústria. Deste modo, o estímulo ao desenvolvimento de novas ferramentas de base tecnológica deve ser constante, no sentido de cooperar para que o padrão de consumo dos recursos naturais seja de forma racional e sustentável.

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