Otimização de redes industriais de tratamento de água

Abstract

O consumo racional e a poupança de água, tanto a nível doméstico como industrial assume um grau de obrigatoriedade no século XXI devido a uma crise de escassez que se avizinha, fruto das alterações climatéricas. É crucial o desenvolvimento e aplicação de metodologias sistemáticas para a redução dos consumos de água na indústria, em especial na indústria química.A etapa de tratamento de efluentes faz parte de quase todas as indústrias do setor químico, sendo de destacar as redes de tratamento de água (Water Treatment Networks, WTN). Essas redes constituem um exemplo de uma rede de integração de massa, sendo necessário a otimização dos processos de tratamento, de forma a atingir um compromisso entre os custos de operação e os limites de descarga ambiental. Esses limites podem ser impostos por uma questão de segurança, ou serem utilizados para definir o valor das taxas a pagar pela emissão desses efluentes.Nesta dissertação são estudadas estas redes WTN, e é proposta a adição da classificação dos efluentes gerados, consoante o seu nível de concentração de cada espécie contaminante. As WTN são abordadas tendo por base um conceito de superestrutura, sendo aplicados métodos computacionais para a otimização. São considerados 3 casos de estudo, que aumentam gradualmente de complexidade.Para validar a adição da classificação de efluentes, é realizada uma análise de sensibilidade através da simulação de Monte Carlo, de forma a avaliar a robustez da rede obtida neste estudo, definiu-se uma Taxa de incongruência como sendo a percentagem de casos de simulação em que se verificaram transições da classe originalmente obtida para outras, distintas.Através de uma análise de sensibilidade foi possível demonstrar que, para cada um dos três casos de estudo, a Taxa de incongruência assumiu valores desde 21 a 78%. Na sequência deste estudo sugere-se uma alteração ao modelo base, que consiste na introdução de uma margem de segurança nos limites das classes de efluentes, de forma a criar uma margem de segurança, para prevenir futuras transições no processo. Após essa alteração, realizou-se nova análise de sensibilidade, tendo-se obtido agora taxas de incongruências na ordem de 1 a 2%.A adição da classificação de efluentes conferiu um maior grau de realismo à modelação de WTN, sendo possível a aplicação deste tipo de formulação com alguma robustez relativamente a transições de classes nos efluentes finais. Isto permite largamente evitar variações significativas na função objetivo, verificadas anteriormente.

The rational use and saving of water, both domestically and industrially, is almost an obligation in the 21st century due to an approaching scarcity crisis, as a result of climatic changes. Therefore, it is crucial to develop new systematic methodologies aimed at reducing the total consumption of water in the industry, especially in the chemical industry.The effluent treatment stage is part of almost every sector in the chemical industry, with emphasis on Water Treatment Networks (WTN). These networks are a good example of a mass integration network that requires the optimization of treatment processes in order satisfy both the operating cost expanses and the environmental discharge limits. These limits can be imposed as a matter of safety, or be used to define the fees to be paid for the discharge of the effluents.This thesis aims to study WTN’s, and the addition of classification of the generated effluent will be proposed, according to pre-established concentration limits for each contaminant species, according to which class it fits in. The WTN will be modeled as a superstructure, and computational methods will be applied for optimization. Furthermore, three case studies will be considered, which gradually increase in complexity.To validate the addition of the effluent classification, a sensitivity analysis was carried out through a Monte Carlo simulation, in order to evaluate the sensitivity of the water network to fluctuation in the mass loads and flows. An incongruity rate was defined as the percentage of simulation cases where the effluent transitions from its original class a new one.The sensitivity analysis showed that, for each of the three case studies, the incongruity rate was 21 and 78%. After this analysis, a modification to the previous base model is suggested, as a corrective term in the limits of the effluent classes, to create a safety margin to prevent future transition in the process. After this change, a new sensitivity analysis was performed, and this time the incongruity rates decreased around 1 to 2%.The addition of the effluent classes gave a greater degree of realism to the WTN model, making it possible to apply this kind of formulation with a low chance of transition of the effluent class. This allows the prevention of significant variations on the value of the objective function, which were previously notable.