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PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA ANP
PARA O SETOR PETRÓLEO E GÁS - PRH-ANP
PRH NO
RELATÓRIO DE PLANO DE
TRABALHO DE PESQUISA
1 – IDENTIFICAÇÃO
Nome do Bolsista
Rafael Eugênio Moura Ramos
Título do Programa
Engenharia de Processos em Plantas de Petróleo e Gás Natural
Título do Curso / Especialização
Engenharia Química / Graduação
Instituição
Sigla
Universidade Federal do Rio Grande do Norte
UFRN
Nome do Orientador (1)
Nome do Orientador (2)
Osvaldo Chiavone Filho
Josette Lourdes de Souza Melo
2 – TÍTULO
Desenvolvimento de um sistema híbrido de destilação solar para tratamento de água produzida.
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PROGRAMA DE RECURSOS HUMANOS DA ANP
PARA O SETOR PETRÓLEO E GÁS - PRH-ANP
3 – INTRODUÇÃO
PRH NO
O petróleo é a principal fonte energética do mundo. Assim sendo, a indústria do petróleo cresce cada dia mais, e
surge a necessidade da mesma de se adequar às necessidades sociais e ambientais do mundo moderno. Com relação às
necessidades ambientais, destaca-se o destino dos rejeitos dessa indústria, que estão presentes em grandes quantidades e
são prejudiciais ao meio ambiente. De acordo com Azevedo, 1998, citado por Bezerra, 2004, a indústria do petróleo, no que
se refere aos processos de exploração e produção, apresenta como rejeito de maior quantidade as águas produzidas.
Denomina-se água produzida, ou água de formação de petróleo, toda a água que é produzida junto com o óleo, seja esta a
originada da água de formação, presente no reservatório, ou resultante também da água de injeção, usada para estimular a
produção de um poço.
Em campos maduros, a produção de água pode chegar a mais de 90% da produção total (Thomas et al., 2001,
citado por Bezerra, 2004), como é o caso de grande parte dos campos do estado do Rio Grande do Norte. Além dos
problemas logísticos gerados por tal quantidade de efluente, existe ainda o problema ambiental, pois esta água passa por
tratamento a fim de que possa ser descartada no mar. Desse modo, um grande volume de água é descartada, quando, na
verdade, poderia ser reutilizada para diversos fins na indústria, como na geração de vapor. Para tanto, é necessário um
tratamento adicional eficiente e barato, como o uso da energia solar. Essa água mesmo depois de tratada, como ocorre
atualmente, não é reutilizada devido aos problemas de incrustação e corrosão que provoca em uma unidade industrial, já
que a mesma apresenta, geralmente um mínimo de 1000 ppm de sais, além de metais pesados e compostos orgânicos.
Conforme mencionado, a energia solar se configura como uma alternativa interessante, como um tratamento
adicional da água produzida, pois uma consiste em uma fonte energética gratuita e abundante, gera pouca poluição e é
eficaz no tratamento de águas. Existem várias formas de utilizar a energia solar para esse fim, sendo a principal delas o
aproveitamento da radiação solar como energia térmica em um destilador solar, para evaporação e posterior condensação
da água poluída, obtendo ao final do processo água destilada. Essa operação imita, em pequena escala, o ciclo natural da
água, e apesar de eficaz na purificação de águas, encontra algumas limitações, como a sua baixa produtividade e eficiência
energética, necessitando ocupar extensas áreas. A eficiência energética de um destilador solar se encontra na faixa entre
38% e 43%, podendo chegar a um máximo de 60%. Esse valor deve-se, principalmente, às perdas energéticas típicas em
um destilador solar. Assim, contando com um valor de energia solar incidente sendo de 4 a 5 kWh/m 2 dia, a produção
correspondente seria de apenas 2 a 2,7 Kg/m2 .dia de água (Maluf, 2005).
Desse modo, a destilação solar dificilmente é empregada para tratamento de grandes volumes de água poluída,
sendo utilizada principalmente para abastecer pequenas comunidades que não têm fácil acesso à água potável, onde se
utiliza a dessalinização solar da água do mar. O uso de destiladores solares no tratamento de águas de produção seria
apenas parcialmente eficiente, já que, apenas para citar um exemplo, a vazão de água de produção na UTPF (Unidade de
Tratamento e Processamento de Fluidos) de Guamaré - RN, segundo Engenheiros do local, é atualmente, de 80000 m 3/dia e
apresenta a perspectiva de aumentar rapidamente, com o aumento nos investimentos na perfuração de novos poços. Esse
volume de água é bastante elevado para ser tratado por um destilador solar de área pequena.
Logo, o desafio é encontrar uma maneira de utilizar a energia solar no tratamento de maiores volumes de água de
produção. É importante observar que a energia solar ainda se configura como uma fonte alternativa, sendo utilizada em
conjunto com outros tratamentos mais comumente usados, mas não isoladamente. De qualquer modo, é importante estudar
meios de aumentar a produtividade e eficiência de sistemas solares. Nesse contexto, Uma alternativa interessante é utilizar
sistemas híbridos ou compostos, como um dessalinizador solar híbrido utilizado por Lopes (2004). O mesmo utilizou um
coletor solar para pré-aquecer a água de entrada do destilador, bem como, fez uso de painéis fotovoltaicos para
aquecimento da água no destilador através de uma resistência elétrica acoplada.
A forma de pré-aquecimento de água que parece mais promissora é a convencionalmente usada, ou seja, o
aproveitamento do sistema de aquecimento solar de água utilizado em residências e estabelecimentos comerciais (também
chamado de aquecedor solar), que é formado basicamente por coletores solares, reservatório térmico e uma caixa d’água
(alimentação do sistema). Esse sistema pode então ser acoplado ao destilador solar, formando um sistema de préaquecimento/destilação solar de água que será chamado de sistema solar. O uso do pré-aquecimento na destilação solar
permite um aumento na produtividade do destilador solar, de acordo com Esteban (2000) e Lopes (2004).
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4 – OBJETIVO
O objetivo central do projeto é desenvolver e otimizar um sistema híbrido de destilação solar para tratamento da
água produzida, provinda de emissários Petrobras, com o intuito de remover os sais da mesma, bem como melhorar a
qualidade desse efluente para que possa ser destinado ao reuso. Há ainda alguns objetivos secundários a serem
desenvolvidos, que são: Quantificar a variação de temperatura dos fluidos (no destilador e no boiler), relacionando-a com
as variáveis ambientais, especialmente a radiação solar; teste com diferentes configurações de alimentação do destilador
pelo aquecedor solar; medida de vazões do destilado e alimentação; Modelagem do sistema para estudo de scale-up
(ampliação de escala); Determinação de propriedades da água produzida; Estudo da taxa de evaporação; E Realização de
análises físico-químicas na água, antes e depois do tratamento, a fim de determinar a eficiência do sistema.
5 – RELEVÂNCIA DO TEMA
Atualmente, as indústrias de variados setores em todo o mundo estão investindo em processos de tratamento para
seus efluentes, que sejam satisfatórios, técnica e economicamente. Isso porque a poluição gerada pelas mesmas ao longo
dos anos contaminou o ar, a água e o solo. E devido a esse fato, as legislações ambientais estão cada vez mais rigorosas.
A indústria de petróleo tem se preocupado com o impacto ambiental de seus efluentes e está se esforçando em descartar o
seu maior rejeito, a água produzida, em condições razoáveis. No entanto, ao invés de descartar, o ideal seria fazer um
reuso da mesma a partir de um tratamento adicional desse efluente, que seja eficaz e barato, como o uso da energia solar.
Isso é o que propõe o presente projeto, que portanto, apresenta alta relevância.
A reutilização dessa água na agricultura, por exemplo, é um benefício social importante. Vale destacar também a
vantagem econômica gerada a longo prazo, pois esse sistema apresenta baixo custo de operação e manutenção.
6 – METODOLOGIA
Após a montagem do “sistema solar”, foram realizados testes preliminares no aquecedor solar, com água de
abastecimento e com solução aquosa salobra, que apresentaram um perfil de temperatura semelhante no “boiler” com o
tempo. A água salobra é representativa da água produzida e apresentava concentração de 1000 ppm de NaCl. Essa água
foi preparada da seguinte maneira: Pesou-se em uma balança analítica no laboratório 250g de NaCl. Este foi então
adicionado lentamente (e sob agitação) à caixa d’água ( de capacidade de 250L), preenchida anteriormente com água
comum e foi feita a homogeneização na mesma.
No que diz respeito aos experimentos com a água comum, estes foram realizados a partir do final do mês de Maio,
quando o sistema de pré-aquecimento foi montado, até a metade do mês de junho, época em foram iniciados os testes
com a água salobra, que permaneceram até Agosto. Em Setembro começaram os experimentos com água produzida.
Foram realizados testes no destilador com dois modos de operação: Em batelada e contínuo, quando alimentado
pelo aquecedor solar. Na forma contínua, utilizou-se um fluxo constante de aproximadamente 0,5 L/h para alimentação do
destilador, onde o fluido foi a água produzida. A mesma está sendo fornecida pela PETROBRÁS e é originada do rejeito
para os emissários submarinos. O “sistema solar” é composto de uma caixa d'água de 250L, uma placa coletora solar de
2m2, um reservatório térmico de 200L e um destilador solar, tipo duas águas, com 1m 2 de área útil. A caixa d´água serve
como alimentação do sistema. As medidas de temperaturas foram realizadas com termorresistências (tipo PT-100) de aço
inox, no boiler e no destilador solar (temperatura do líquido e do vapor). Os dados foram coletados e armazenados através
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de registradores (dataloggers), a cada minuto, e transmitidos para o computador. Além da temperatura da água, foram
obtidos dados de temperatura do ar, radiação solar incidente e precipitação pluviométrica, que foram adquiridos juntos ao
INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais).
O tratamento dos dados das temperaturas é realizado em um computador na forma de gráfico e tabela. Faz-se
então, uma comparação das temperaturas do ar, do líquido e do vapor (no destilador), da água no boiler e dos dados de
radiação solar obtidos do INPE.
Após cada teste no sistema solar, realiza-se a coleta de destilado e quantifica-se o volume total diário obtido. Parte
da coleta é reservada para as análises, onde também é coletada amostra do resíduo e do boiler. As amostras destinadas a
análises são conservadas em geladeira a aproximadamente 4°C. As análises a serem realizadas são: pH, condutividade,
cloretos, TOC, TOG e dureza. As medições de pH e de condutividade estão sendo realizadas em medidores digitais do
laboratório. A condutividade será feita através do método de Mohr, que se trata de uma titulação simples. Os métodos para
as análises de TOC, TOG e dureza serão definidos no decorrer do projeto.
Serão testadas diversas configurações de alimentação do destilador pelo sistema de pré-aquecimento solar
(constituído pela caixa d´água, o boiler e o cloetor solar plano), a fim de otimizar a produtividade da água destilada
7 – ETAPAS
O projeto divide-se em quatro etapas principais:
Revisão bibliográfica; Montagem do “sistema solar”; Experimentos no “sistema solar”, Otimização do sistema.
A revisão bibliográfica foi realizada inicialmente e deve-se manter durante todo o andamento do projeto, em que se
está estudando especialmente a energia solar e sua aplicação no tratamento de águas, bem como, o uso do destilador
solar; O próximo passo foi a cotação dos equipamentos úteis ao projeto, como o coletor solar, o reservatório térmico (boiler)
e o próprio destilador solar. Essa cotação foi feita junto às empresas da área, através de visitas aos websites das próprias e
contato via e-mail, e através de dissertações que continham análise de custos, como o trabalho de Maluf (2005). A mesma
foi realizada pelo bolsista PRH – 14 Rogério Pitanga, também responsável pela aquisição e instalação dos equipamentos,
montagem do sistema de pré-aquecimento e testes preliminares e corresponde à etapa inicial do projeto. O destilador sola
foi desenvolvido pelo DEM - Departamento de Engenharia Mecânica da UFRN e o sistema de pré-aquecimento solar, bem
como os sensores de temperatura e dataloggers foram adquiridos por empresas privadas nacionais.
Após montado o sistema solar, estão sendo realizados experimentos no mesmo. Esta é a etapa mais importante do
projeto pois é a que produz os resultados experimentais. A mesma está subdividida nas seguintes etapas: Testes no
sistema de pré-aquecimento (aquecedor solar), com experimentos com água comum e água salobra; Testes no destilador
em batelada, realizado também com água produzida; Testes no sistema solar, com alimentação contínua.
A etapa de otimização do sistema pode ser desenvolvida junto com os testes no sistema e constitui-se na otimização:
Do sistema de pré-aquecimento; Do destilador; E do sistema solar como um todo. Além disso, ela envolve também uma
modelagem para o sistema, que permitirá a análise de uma posterior ampliação de escala. A otimização de cada parte do
sistema em separado e do sistema completo constitui-se na análise e configuração dos parâmetros que propiciem a melhor
eficiência e produtividade para o sistema. Nesse caso, serão feitos testes com diversas configurações de alimentação do
destilador. Por fim, realizar-se-á uma modelagem e conseqüente estudo de ampliação de escala do sistema, para que ao
final, seja possível o tratamento de vazões moderadas de água de produção, sendo capacitado a ser instalado, como um
sistema de tratamento alternativo, em Guamaré-RN, por exemplo.
8 – CRONOGRAMA DE TRABALHO
Revisão bibliográfica
Experimentos-piloto
Março/
2008
x
Abril/
2008
x
Maio/
2008
x
x
Junho/
2008
x
x
Julho/
2007
x
x
Agosto/
2007
x
x
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PRH NO
x
Cotação de equipamentos
Otimização/
desenvolvimento/
compra de equipamentos
Experimentos otimizados (sistema)
x
Setembro/
2008
Outubro/
2008
Novembro/
2008
x
x
x
x
x
Dezem
bro/
2008
x
x
x
x
x
x
x
x
Revisão bibliográfica
Experimentos-piloto
Cotação de equipamentos
Otimização/
desenvolvimento/
compra de equipamentos
Experimentos otimizados (sistema)
x
Janeiro
/2008
Fevereiro
/2008
x
x
x
x
x
9 – DISCIPLINAS DA ESPECIALIZAÇÃO
Código
DEQ0375
Disciplinas
Seminários de Petróleo e Gás Natural
Nº Créditos
03
DEQ0372
DEQ0370
Engenharia de Processos
Refino de petróleo e petroquímica
04
04
DEQ0376
DEQ0511
Introdução à Engenharia de Petróleo
Termodinâmica dos processos
04
04
10 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
DUFFIE, JOHN A., BECKHAM, WILLIAM A., 1991. “Solar Engineering of Thermal Processes”. 2ª Edição, J. Wiley,
New York.
MAGNA ANGÉLICA DOS SANTOS BEZERRA, “Desenvolvimento de um destilador solar para tratamento de
águas de produção de petróleo com vistas a sua utilização na agricultura e geração de vapor”, Universidade Federal do Rio
Grande do Norte, RN, 2004.
J. R. SAGLIETTI, J. F. ESCOBEDO, L. A. SILVA, “Coletor solar de polietileno – uma alternativa de baixo custo”,
IB/UNESP, SP, 1997.
CARLOS HENRIQUE FICHE DE CARVALHO, “Projeto de um sistema de aquecimento solar de água para
pousadas”, Universidade Federal de Lavras, MG.
ALEXANDRE PRATA MALUF, “Destiladores Solares no Brasil”, Universidade Federal de Lavras, MG, 2005.
CLARISSA SOARES, “Tratamento de água unifamiliar através da destilação solar natural utilizando água salgada,
salobra e doce contaminada”, Universidade Federal de Santa Catarina, 2004.
ANTONIO VICTOR VAZ DE PINA, “Dessalinização solar no abastecimento de água para uma família no
arquipélago de Cabo Verde”, Universidade Federal do Rio Grande do Sul, RS, 2004.
CARMEN ESTEBAN, JUDITH FRANCO, AMILCAR FASULO, “Distilador solar asistido con coletor solar
acumulador”, Universidad Nacional de San Luis, 2000.
JOAQUIM TEIXEIRA LOPES, “Dimensionamento e Análise Térmica de um Dessalinizador Solar Híbrido”,
Universidade Estadual de Campinas, SP, 2004.
http://www.soletrol.com.br
http://www.inpe.br
11 – OUTRAS OBSERVAÇÕES PERTINENTES
Este projeto apresenta a colaboração do CENPES (Centro de Pesquisa da PETROBRAS), Rio de Janeiro – RJ, Brasil;
O trabalho é a continuação do projeto iniciado pelo bolsista PRH – 14 Rogério Pitanga Santos, que está concluindo a
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graduação;
A água produzida utilizada está sendo concedida pela empresa PETROBRÁS.
Local
Data
Natal
____19_/__11___/__08_____
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