COMO ESTABLECER ESTRATEGIAS PARA EL

APROVECHAMIENTO DEL AGUA EN PEMEX

UTILIZANDO TÉCNICAS DE OPTIMIZACIÓN

XVII FORO DE AVANCES DE LA INDUSTRIA DE LA REFINACIÓN

29 y 30 de junio de 2011

CONTENIDO

1 Problemática Actual y Futura

2 Que es la optimización para redes de Agua

3 Herramienta IMP para Optimizar Redes de Agua

4 Comparación con otros simuladores y referencias bibliográficas

5 Resultados Obtenidos en la Subsidiarias

PROBLEMÁTICA ACTUAL Y

FUTURA

Dos terceras partes de la superficie de México se encuentra en la zona árida del mundo.

Fuente: Políticas del sector público en el manejo del aguaEl Programa Nacional Hídrico 2007-2012.

Instituto Tecnológico del Agua. Manuel Fuentes Díaz, 2008

Fuente: Políticas del sector público en el manejo del agua, CONAGUA, 2007-2012Estadísticas del Agua en México, SEMARNAT, 2007. Instituto Tecnológico del Agua. Manuel Fuentes Díaz, 2008

DISPONIBILIDAD DEL AGUA SUBTERRANEA

Sin Disponibilidad Con Disponibilidad

Acuíferos Publicados

282 acuíferos publicados, a losque corresponde el 93%aproximadamente de laextracción de agua delsubsuelo a nivel nacional.

Es bien sabido que la industria, en general, consume grandescantidades de agua y los centros relacionados con la industriapetrolera, como Refinerías, Centros de Procesamiento de Gas(CPG) y Complejos Petroquímicos (CP), no son la excepción.

También es sabido que las pérdidas por evaporación y arrastreen las Torres de Enfriamiento son, normalmente, muy altas ypuede estar en un intervalo, a falta de información delconstructor (www.wikipedia.com), entre 30 y 100% del totalsuministrado.

GRANDES CONSUMIDORES DE AGUA

ESQUEMAS TRADICIONALES DE

REDES DE AGUA

Tratamientoagua cruda

Tratamiento para agua de

calderas

Sistema devapor

Incremento costos

Agua cruda

Tratamientoagua de desecho

RegulacionesFijas

Agua de lluviacontaminada

Inversiónde capital

Agua frescaProceso 1

Proceso 2

Proceso 3

Agua de desecho

Pérdidas deCondensado Vapor

Purga de la caldera

Purgas de la Regeneración intercambio iónico

Purgas de Torre de enfriamiento

Plantas de Proceso

80% agua fresca es

consumida aquí

ESQUEMA TRADICIONAL

¿QUE ES LA OPTIMIZACIÓN EN

REDES DE AGUA?

REGENERACIÓN

TENDENCIAS DE AHORRO DE AGUA

AGUAS

RESIDUALES

PROCESO 1

PROCESO 2

PROCESO 3

AGUA

FRESCA

PROCESO 1

PROCESO 2

PROCESO 3

AGUA

FRESCA

AGUAS

RESIDUALESREGENERACION

Re-USO

TRATAMIENTO PARCIAL DE EFLUENTES

Tratamientoagua cruda

BFWTratamiento

Sistemade vapor

Aguacruda

TratamientoAgua dedesecho

Agua frescaProceso 1

Proceso 2

Proceso 3

Pérdidas deCondensado Vapor

Purga de la caldera

Regeneración intercambio iónico

Purgas de Torre de enfriamiento

Costos

Proceso de Tratamiento 1

Proceso de Tratamiento 2

Proceso de Tratamiento 3

Proceso de Tratamiento 4

Compañia Proceso/Industrtia Localización Reducción deflujo de agua de

desecho (%)Confidencial Químicos y Fibras Alemania 5

Cerestar Procesamiento de maíz Reino Unido 25Gulf Oil Refinación Reino Unido 30

Monsanto Químicos Reino Unido 40Parenco Molino de papel Paises Bajos 20

Sasol Derivados del carbón Sudafrica 50Unilever Polímeros (batch) Reino Unido 60

US Air Force Base Militar USA 40Confidencial Refinación Paises Bajos 40Confidencial Químicos USA 40Confidencial Químicos y Fibras USA 25

REDUCCIÓN DE AGUA A NIVEL MUNDIAL

Referencia: Tanish R.A. & Rudman A.R., “Practical Techniques and Methods to develop an efficient water management strategy”, IQPC Conference on Water Recycling and Effluent Re-use, Abril 26-27, 1999.

SOLUCIONES FACTIBLES(SUB-OPTIMAS)

SOLUCIONES INFACTIBLESC

OST

O T

OTA

L A

NU

AL

($/A

ÑO

)

IMPACTO AMBIENTAL (MJ/AÑO)

Max CTAMin IA

A

Min CTAMax IA

B

ÁNALISIS DEL CIRCULO DE VIDA

Fase IMetas y Objetivos

Fase IIAnálisisde laSituación Actual

Fase IVInterpretación

Fase IIIImpacto de la Evaluación

HERRAMIENTA IMP PARA OPTIMIZAR REDES DE AGUA

Comunicación con Excel

Visualización gráfica de resultados

Acceso directo

OBJETIVO

Determinar de manera optima el flujo y lacomposición de contaminante para cadacorriente en la red de agua.

Tal que el costo anual total del consumo de aguafresca y de los tratamientos de agua de desecho seamínimo. Satisfaciendo las normas ambientales

Es un software para el:

Análisis de redes de agua Abate el consumo de agua fresca (de primer uso) Reduce la generación de agua de desecho Reduce los costos de agua

Usa tecnología avanzada para identificar la mejor oportunidad para:

Re-uso de corrientes Regeneración Tratamiento

Además del beneficio que conlleva el ahorro de este recurso natural tan escaso y valioso en el país.

AGUA

P14

P16

P15

P17

P13

P12

P3

P2

P4

P1

P5

P10

P7

P6

T2

T1

T4T3

T6

T7

T5

Procesos que generan drenaje

aceitoso

Procesos que generan drenaje

amargo

Tratamientos

M16

S11

S15

S14

S13

S12

S19 U00

S30M11

P22S23OUT

S30OUT

T22S22OUT

S23U00

M12 S17

S34M24

S36M26

S3M3

S2M2

S4M4

S1M1

S35M25

S37M27

S33M23

S5M5

S32M22

S10M10

S7M7

S6M6

M31M29

M30

M28

U00

S1OUT

M16OUT

U00

U00

U00

U00

S10OUT

Superestructura de

agua

Drenajede

Aguas claras

Reusos

S16

S18S18OUT S18

S16

S16

PLANTEAMIENTO MATEMÁTICO

++

+++=Φ

∑∑

∑∑∈∈

∈∈

i

iiip

i

i

i

tiTUt

it

tiTUt

itFW

FIPyCARFPMH

FOCHFICARFWHCMín

outout

))ˆ((

)()(

δ

α

Agua fresca Costo Inversión Costo operación

Costo y viabilidad técnica de reusos

COMPARACIÓN CON OTROS SIMULADORES Y

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

OPTIMO GLOBAL = $ 874,057 vs OPTIMO LOCAL = $ 948,749

DISEÑO OPTIMO DE LA RED DE AGUA

DescargaP1M1 40 S2

P2M2 S3

P3M3 S4

P4M4 S5

T1M5 S6

T2M6 S7

40

40 50

60

70

50

60

70

S1

0.349.44

39.6

10.7 44.6

0.06

35.6M5

2.80.3

2.461.9

61.9

1.4

61.9 36.6

2.072.472.4

AguaFresca

40

40

RED INTEGRADA

5.39

Valor de la Función Objetivo para la Red Convencional = $ 2,796,094

Karuppiah R., Grossmann I., “Global optimization for the synthesis of integrated water Systems in chemical processes,Computer & Chemical Engineering, 30 (2006) 650-673.

70

P1

P2T1Agua

fresca

40

50

60118.3118.3

P4

(9.0 ppm A,10.0 ppm B)

40 41.67

6070

8.3 T2P3

Descarga

220

220

RED CONVENCIONAL

COMPARACIÓN CON ASPEN-WATER

Consideraciones:

• Ahorro de 139.7 Ton/hr de agua de primer uso• 8000 hr/año• Tipo de cambio de 11.05 pesos/USD (Fuente: REFORMA, Sección Negocios del 25 de

septiembre de 2007).• No involucra el costo de inversión de la nueva planta de Tratamiento (T2), ni

costos de operación.

AHORRO PARA EL CASO OPTIMIZADO

ZONA REFINERÍAS $/M3 $/Año USD/Año

CENTRO Tula /Salamanca 0.5 $558,800 $50,570

NORTE Cadereyta 1.2 $1,341,120 $121,368

SUR Salina Cruz 1.2 $1,341,120 $121,368

GOLFO Mina y Madero 5.5 $6,146,800 $556,271

AHORRO DE AGUA

RESULTADOS OBTENIDOSEN LAS

SUBSIDIARIAS

REFINACIÓN

CASOS DE ESTUDIO

CASO AMEJORA DE REMOCIÓN DE GRASAS Y ACEITES Y FENOLES EN LASPLANTAS DE AGUAS AMARGAS, Y CUANTIFICAR LA DISMINUCIÓN DELCONSUMO DE AGUA FRESCA, AL APROVECHAR ESTA AGUADESFLEMADA COMO AGUA A DESALADO.

CASO BREUSO DE AGUA ENTRE LOS DIVERSOS PROCESOS DE LAREFINERÍA, Y CUANTIFICAR LA DISMINUCIÓN DEL CONSUMO DE AGUAFRESCA, AL APROVECHAR ESTA AGUA ACEITOSA.

Mejora en la remoción degrasas y aceites yfenoles en el Aguadesflemada

CASO DE ESTUDIO A

M16

S11

S15

S14

S13

S12

T2 S30M11

P22S23OUT

S30OUT

T22S22OUT

T1 S23U00

S16

S16

T4T3M12 S17

P14 S34M24

P16 S36M26

P3 S3M3

P2 S2M2

P4 S4M4

P1 S1M1

P15 S35M25

P17 S37M27

P13 S33M23

P5 S5M5

P12 S32M22

P10 S10M10

P7 S7M7

P6 S6M6

M31T6M29

T7M30

T5M28

U00

S1OUT

M16OUT

U00

U00

U00

U00

S10OUT

S18S18OUT

Desaladora

Ct´s

HDS

FCC

METODOLOGÍA MATEMÁTICA

REUSO (T/HR) CASO OPERACIÓN

CASO A

Agua desflemada a desalado 5.13 22.28Agua desflemada a HDS 5.31Agua desflemada a FCC 5.05

TOTAL 5.13 32.64AHORRO DE AGUA (T/HR) 27.51

AHORROS DE AGUA PARA EL CASO A

REMOCIONES REQUERIDAS EN LAS PLANTAS DE AGUAS AMARGAST55 (Planta de Tratamiento de Aguas Amargas)

% Remoción Actual RequeridoA Grasas y Aceites 71.26 90F Fenoles 37.90 90

T66 (Planta de Tratamiento de Aguas Amargas)% Remoción Actual Requerido

A Grasas y Aceites 26.47 90F Fenoles 37.90 90

M16

S11

S15

S14

S13

S12

T2 S30M11

P22S23OUT

S30OUT

T22S22OUT

T1 S23U00

S16

S16

T4T3M12 S17

P14 S34M24

P16 S36M26

P3 S3M3

P2 S2M2

P4 S4M4

P1 S1M1

P15 S35M25

P17 S37M27

P13 S33M23

P5 S5M5

P12 S32M22

P10 S10M10

P7 S7M7

P6 S6M6

M31T6M29

T7M30

T5M28

U00

S1OUT

M16OUT

U00

U00

U00

U00

S10OUT

S18S18OUT

CASO DE ESTUDIO B

Re-usos entre procesos

CASOS DE ESTUDIO

REUSO (T/HR) CASO BASE CASO B.1Purgas de T.E. gen vapor a T.E. servicios

0.00 358.47

De FCC a T.E. 0.00 4.86De HDS a T.E. 0.00 25.20De Primaria 2 a FCC 0.00 0.28De Primaria 2 a T.E. 0.00 27.49De visbreaking a T.E. 0.00 13.68De azufre a T.E. 0.00 45.43Purgas de T.E. servicios a T.E. gen vapor

0.00 18.10

TOTAL 0.00 493.51

AHORROS DE AGUA PARA EL CASO B

COMPARACIÓN DE RESULTADOS

CASO

Consumo agua

fresca + PTAR

CONSUMO (Agua de

pozo)(T/HR)

PTAR (T/HR)

AHORRO PTAR (T/HR)

AHORRO PTAR (%)

AHORROAGUA

FRESCA (%)

BASE 4172 3335 837

A 4181 4,153 28 809 96.7 -0.2

B 3711 3,698 12.9 824 98.5 11.1

PEMEX GASY

PETROQUÍMICA BÁSICA

ESTRUCTURA DE PGPB

S4M2

T6

T1M8

S1U6

U14

M0

S1OUTS18

S2

T7

M4

S17T9

S10 M9

U31

U41

M7

S10OUT

S4OUT

T2

T5

M10

T4S17OUT T91

U9 U9OUT

U13

U14

S18OUT

PRETRATAMIENTOS

PROCESOS

TRATAMIENTOS

RIO

POZO

U1

U2

U3

U4

U5

U7

U8

U9

U10

U11

U12

T10

T11

FLUJOS T/HR Caso Base Matemática Punto Pliegue

AGUA FRESCA

AGUA POZO + AGUA RIO 1875 1,658.40 1,612.52% Ahorro 13 14

PRETRATAMIENTOS

CLORACION 1875 1,658.40 1,612.52

FILTRACION 491 486.8 459.39UDA 459 463.6 459.39UDA - PBS 26.6

TOTAL 2825 2635 2531TRATAMIENTOS

API - CPI 130 63 73.13

LAGUNAS RETENCIÓN Y OXIDACIÓN 130 63 73.13

LAGUNA ESTABILIZACIÓN 166 63 73.13

OXIDACIÓN - NEUTRALIZACIÓN 5.5 5.5 5.49

AGUAS AMARGAS (NUEVO) 5.5 5.5 5.49

PURGAS DE TORRES ENFRIAMIENTO (NUEVO) 106.2 111.1

OPTIMO 437 1,658 1,613REUSOS

CORRIENTES

AGUAS CLARAS A PROCESOS AMARGOS

AGUAS CLARAS A TORRES 21.4 57.83

DESFLEMADAS A TORRES 5.49

TRAT. NUEVO PURGAS A TORRES 106.2 111.1

ENTRE ACEITOSOS 0.1

ACEITOSAS A TORRES 30.4 73.13

PEMEX PETROQUÍMICA

PARAMETROSNOM-001-

SEMARNAT-1996

DECLARATORIA RIO COATZACOALCOS(ARROYO TEAPA)

PLAZO NO. 1 AÑO 2010

PLAZO NO. 2 AÑO 2015

PLAZO NO. 3 AÑO 2020

Temperatura (°C) 40 N/A <35 <35pH(Unidades de PH) 10 10 6.5-8.5 6.5 – 8.5

Sólidos sedimentables (ml/lt)

2 <1 <1 <1

Materia Flotante Ausente Ausente Ausente AusenteSST 60 30 30 30

Grasas y aceites 25 10 10 10DQO No aplica N/A 64 36

DBO(5días) 60 7 6 6Nitrógeno total 25 15 15 15

Fósforo 10 1.0 1.0 1.0Coliformes (NMP/100 ml) 2, 000

NMP/100 ml< 1,000

NMP/100 ml< 1,000

NMP/100 ml< 200

NMP/100 ml

Cianuros 2 0.02 0.02 0.02Arsénico 0.2 0.05 0.05 0.05

Cobre 6 0.2 0.2 0.2Cromo 1 0.05 0.05 0.05

Mercurio 0,01 0.0005 0.0005 0.0005Níquel 2 0.1 0.1 0.1Plomo 0.4 0.03 0.03 0.03

Zinc 20 0.15 0.15 0.15Fe N/A N/A 0.46 0.46

Cadmio 0.2 0.011 0.007 0.007Color (Pt-Co) S/D N/A < 100 <15

SAAM N/A N/A 0.4 0.4Nitrógeno Amoniacal N/A N/A 1.43 1.40

Fenoles N/A N/A 0.1 0.1Sulfatos N/A N/A 500 500

Toxicidad Aguda N/A N/A < 3 < 1Benceno N/A N/A 0.01 0.01Tolueno N/A N/A 0.2 0.2

Etilbenceno N/A N/A 0.1 0.1Xilenos N/A N/A 0.5 0.5

Bifenilos Policlorados N/A N/A 0.0007 0.0007Hidrocarburos Policiclicos

AromáticosN/A N/A 0.0001 0.0001

Contaminante

NOM-001-

SEMARNAT-

1996

DECLARATORIA

RIO

COATZACOALCOS

PLAZO NO. 3

(ARROYO TEAPA)

AÑO 2020

Nitrógeno amoniacal 60 4.5

Grasas y aceites 15 10

DQO 25 36

Sulfatos 190 500

Dureza 500 500

Si 200 200

STD 3000 3000

Sulfuros 15 15

Cloruros 100 100

Fosfatos 450 450

NORMAS ECOLÓGICAS

NOM-001-SEMARNAT-1996

DECLARATORIA AÑO 2020

PROPORCIONADOS POR IMP

RESULTADOS A TRAVES DEL ARCHIVO “GDX”

EXCEL

GDX

Marginal

Es la cantidad por el cual la funciónobjetivo debería cambiar si el nivelde la ecuación fuera movido enuna unidad.

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

CASO 1. Modernización de los Tratamientos existentes yTratamiento de Purgas de Torres de Enfriamiento

CASO 2. Efecto de la Norma Ecológica para el año 2020

CASO3. Inclusión de un Tratamiento para el Drenaje Pluvia

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

Calculada

Máxima

CONCENTRACIONES MÁXIMAS

A LA ENTRADA DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO

VALORES LÍMITE

MEZCLA DE CORRIENTES QUE LLEGAN AL RIO

1

10

100

1000

10000

Calculado

Máximo

VALORES LÍMITE

Número Caso Descripción

Agua reuso (T/h)

No. de Torre

Flujo de Efluentes

(T/h)

No. de Torre

Flujo de agua fresca

(T/h)

Flujo de aguas claras (T/h)

% Ahorrode aguafresca

0 Base --- --- --- --- 2890.8 --- ---

1

Trat. Secundario Modernizado y Trat Purgas Torres

Enfriamiento sin considerar norma ecológica

166.8(1)

66.54*2 a 6*** 370.04 *** 2303.24 40.00 20.33

2 Caso 1 considerando la norma ecológica al año 2020 166.8(1) 1 a 6 307.39 *** 2397.76 74.67 17.06

3 Caso 2 + Trat. Nuevo para Drenaje Pluvial

166.8(1)

62.4*1 a 6*** 366.17 *** 2311.23 40.00 20.05

Notas: (1) Agua tratada de purgas de torres de enfriamiento* Drenaje Pluvial filtrado ** Optimiza agua cruda + tratamientos*** Pasa 1ro. a Cloración

RESULTADOS

CONCLUSIONES

El IMP desarrollo una herramienta que permite el diseño y análisis deredes de agua en Complejos Industriales, ya que permite evaluar laposibilidad de utilizar fuentes de agua diferentes al agua proveniente devasos captadores ya sea en forma directa o a través de tratamientos.

La filosofía de la herramienta consiste en hacer el máximo reuso deagua de los efluentes de los procesos o de su posible regeneraciónantes de mezclarse con otros efluentes.

Con esta herramienta se pueden realizar análisis de sensibilidad parapoder cumplir con las diferentes normas ecológicas y determinar demanera cuantitativa el efecto que traerá al medio ambiente.

Otra ventaja de la metodología radica en que se puede estudiar lainclusión de tratamientos de los efluentes de algunos procesos para suregeneración y reuso en otros procesos antes de mezclarse con otrosefluentes (posiblemente más contaminados) cuya mezcla haga menosviable su reuso.

INTEGRANTES DEL PROYECTO

M.C. PEDRO JAVIER HUITZIL MELÉNDEZ

Dr. JOSÉ MARTÍN GODOY ALCANTAR

M. en C. Ma. TERESA SANCHEZLLANES MACHUCA

Ing. BLANCA ESTELA MARTÍNEZ GUTIÉRREZ

Ing. ERNESTO DE JESUS GONZÁLEZ ALATORRE

Ing. JESUS ZUÑIGA HERRERA

M.C. RODOLFO AGUILAR ESCALANTE

Dr. IGNACIO GROSSMANN

M.C. ELVA ARZATE BARBOSA