operações unitárias.doc
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1. INTRODUÇÃO
Toda indústria envolve um conjunto de processos para a realização de um produto final,
esses processos podem ser: processos químicos, processos de estocagem de materiais,
processo de vendas, processo de compras, entre outros. É neste aspecto que as operações
unitárias se enquadram, mais especificamente, as operações unitárias são processos químicos,
físico-químicos, petroquímicos, etc. Um processo químico é um conjunto de ações executadas
em etapas, que envolvem modificações da composição química, que geralmente são
acompanhadas de certas modificações físicas ou de outra natureza, no material que é ponto de
partida para se obter o produto ou os produtos finais.
Este trabalho tem como objetivo avaliar uma operação unitária de um determinado
processo industrial, fazendo as análises de balanço material, energético e a apresentação de
um fluxograma do processo escolhido. Para isso foram feitas visitas técnicas para a
observação deste processo e determinação dos itens requeridos.
O processo escolhido foi a remediação ambiental de água e solo contaminados por
combustíveis na área de um posto de gasolina. A remediação ambiental visa à retirada dos
contaminantes através de processos físicos (filtração, flotação, decantação, etc.) e químicos
(oxidação com peróxidos, barreiras reativas, etc.).
O caso estudado foi implementado pela GEOAMBIENTE Geologia e Engenharia
Ambiental, empresa especializada em trabalhos de investigação, diagnóstico, monitoramento
e remediação de águas subterrâneas e solo contaminados com hidrocarbonetos derivados de
petróleo.
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2. A EMPRESA
A GEOAMBIENTE Geologia e Engenharia Ambiental LTDA. é uma empresa que atua na
área de investigação e remediação de passivos ambientais, atuante em todo o mercado
brasileiro, com foco no sul do Brasil
A GEOAMBIENTE executa obras de construção de poços de monitoramento, implantação
de sistemas de remediação, escavação e transporte de solos contaminados ou resíduos.
Apresenta relatórios de Investigação, Diagnóstico e Monitoramento ambiental, além de
estudos de Análise de Risco Tier II segundo o modelo Risk Based Corrective Actions
(RBCA).
O controle, monitoramento e operação de sistemas de tratamento de resíduos, efluentes e
remediação também fazem parte do escopo de serviços da Geoambiente.
3. DESCRIÇÃO DO PROBLEMA
Postos retaliadores e de abastecimento de combustíveis em geral são grandes focos de
contaminações ambientais. As principais fontes associadas a esses empreendimentos se
referem ao vazamento de derivados de petróleo (óleo diesel e gasolina) dos tanques e bombas
e ao destino incorreto de óleos lubrificantes novos ou usados.
Os postos de combustíveis devem renovar suas licenças de operação a cada ano devido aos
seus grandes potenciais poluidores. Nesta requisição de licença são apresentados à Secretaria
Municipal do Meio Ambiente diversos documentos, planos e laudos, entre eles os de BTEX,
HPA´s, DQO e DBO, já que os postos podem ter problemas nos tanques, nas linhas de
distribuição ou nas pistas mal impermeabilizadas causando contaminações além de eventuais
problemas nas Caixas Separadoras de água e óleo que aumentam a descarga de matéria
orgânica no solo e no lençol freático.
No Auto Posto visitado foi encontrada uma contaminação no solo e na água subterrânea
por compostos orgânicos derivados do petróleo, mais precisamente de combustíveis, gasolina
e diesel.
No ano de 2009 o posto em questão apresentou laudos que indicavam contaminação em
estado alarmante, havendo risco de explosão, já que os tanques de 15.000 litros estavam
furados e os combustíveis vazando, formando uma pluma de contaminação grande, que
chegava até o outro lado da rua.
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Para solução do problema a distribuidora de combustíveis teve de retirar os tanques antigos
da área do posto e substituí-los por tanques novos de parede dupla (Aço/Carbono), a fim de
evitar novos problemas do gênero, além de implantar o processo de remediação, que está
sendo executado pela Geoambiente.
4. REMEDIAÇÃO DE SOLO E ÁGUA SUBTERRÂNEA
Para a recuperação da área impactada pelo vazamento foi realizado um estudo detalhado
do local, envolvendo as características físicas do solo, as concentrações dos contaminantes em
cada poço de monitoramento, as características do lençol freático e o direcionamento do
fluxo, entre outros.
De acordo com os resultados obtidos foi escolhida a forma de tratamento que mais se
adaptasse às condições do local, sendo a opção mais viável o Tratamento de Extração
Multifásica.
O processo de Tratamento de Extração Multifásica – MPE, do inglês “Multi Phase
Extraction”, é na verdade uma combinação de dois sistemas de tratamento. Basicamente, é
considerado como a combinação entre o sistema “Pump and Treat” – P&T e o Sistema de
Extração de Vapor do Solo – SVE, do inglês “Soil Vapor Extraction”. O sistema MPE é
constituído por uma combinação de extração da água subterrânea contaminada juntamente
com a geração de vácuo promovendo a remoção dos vapores presentes na zona contaminada.
Este processo apresenta a vantagem de remover as substâncias dissolvidas na água do
lençol freático em conjunto com os vapores do solo, o que acaba promovendo o arraste e
volatilização de compostos orgânicos de baixa pressão de vapor em conjunto com a aeração
passiva do meio acelerando os processos de biodegradação dos compostos orgânicos.
Através da aplicação do vácuo nos poços de extração cria-se um gradiente de pressão
dirigido para estes pontos, nos quais serão extraídas a fase livre, adsorvida, vapor e dissolvida
do contaminante (fluxo multifásico de subsuperficie). O gradiente de pressão é diretamente
proporcional ao vácuo aplicado, logo, a eficiência na extração das diferentes fases do
contaminante será função do sistema implantado.
O vácuo aplicado induz a migração das concentrações de vapor ao longo dos poços de
extração. O vapor extraído é proveniente do processo de volatilização de compostos voláteis
e semi-voláteis. Com a extração ocorre o incremento da disponibilidade de oxigênio na zona
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não saturada possibilitando o estímulo de processos aeróbicos de biodegradação dos
contaminantes.
O fluxo da parte líquida a partir da sub-superficie resulta na extração da fase livre de
hidrocarbonetos e compostos dissolvidos na água subterrânea e pode auxiliar no controle ou
reversão da migração da pluma de fase livre. A extração da parte líquida promove o
rebaixamento do nível de água local e o incremento da extração de vapores (Figura 3).
Modelo de MPE.
Os vapores extraídos são direcionados para um sistema de carvão ativado para tratamento e
posteriormente lançados na atmosfera. O sistema possui um dispositivo de operação
automática a partir de “timers”, os quais devem ser ajustados para intervalos de tempo de
operação que otimizem a extração do contaminante.
O sistema é projetado também para o tratamento da água contaminada com fase livre e a
água contaminada com fase dissolvida. A remoção da fase livre é realizada por caixa
separadora, segregando o óleo contaminado em tambores e a água com fase dissolvida para
tratamento. O tratamento, e a remoção da fase dissolvida são realizados inicialmente através
de “air stripping” seguidos de filtros em carvão ativado em série para pós-tratamento e
polimento final da água subterrânea que é devolvida ao aqüífero por meio de poço de injeção.
O sistema de extração por “Air Stripping” baseia-se no estímulo da volatilização dos
compostos orgânicos, principalmente os BTEX, através do incremento de área alcançado com
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a injeção de ar em microbolhas em uma coluna ou tanque. Este sistema envolve a
transferência de massa dos contaminantes da água para a atmosfera. Utilizado largamente em
processos de remediação de águas subterrâneas contaminadas. Os “Air Strippers” podem ser
operados continuamente ou em regime de batelada.
A remoção de compostos orgânicos utilizando carvão ativado está baseada na capacidade
de adsorção. Os compostos são adsorvidos sobre a superfície interna e externa dos grãos de
carvão, devido a sua grande área superficial.
Os principais contaminantes removidos são os contidos na fase dissolvida.
5. RESUMO DO PROCESSO
Resumidamente o sistema é constituído por uma combinação de extração da água
subterrânea contaminada juntamente com a geração de vácuo nos locais de extração
promovendo a extração conjunta dos vapores presentes ao redor dos pontos de extração
O início do processo de remediação da área se dá com o bombeamento da água
subterrânea e dos vapores do solo nos poços de monitoramento instalados, com uso de uma
bomba de vácuo.
A água e o ar bombeados são encaminhados através de tubulações até um tanque de
vácuo. O ar é constantemente retirado deste tanque e direcionado ao filtro de carvão ativado.
A água acumula-se no tanque até que este esteja completamente preenchido. Nesse
momento o bombeamento dos poços é interrompido e abre-se a válvula de descarga do
tanque.
A água contaminada dirigi-se então ao tanque de “Air Stripping” onde será injetado ar
através de um duto perfurado. A presença das bolhas de ar faz com que os contaminantes se
volatilizem, passando da fase líquida para o ar.
O ar com os compostos volatilizados é encaminhado para o filtro de carvão ativado já
citado e posteriormente é lançado na atmosfera.
A água que sai do tanque segue também para um filtro de carvão ativado e após sua
passagem é lançada no sistema de tratamento de efluentes do posto.
Os resíduos retidos nos filtros de carvão ativado e todo seu material constituinte (carvão
ativado e areia grossa) são destinados para co-processamento sempre que o filtro encontre-se
saturado.
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Fluxograma do Sistema de Remediação Visitado
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FOTO 01 – Vista geral da área.
FOTO 02 – Tanque de vácuo (vermelho).
FOTO 03 – Sistema de aeração (Air Stripping).
FOTO 04 – Tanque de aeração (esquerda)
FOTO 05 – Montagem do filtro de carvão ativadodo sistema de tratamento de gases (bentonita)
FOTO 06 – Montagem do filtro de carvão ativadodo sistema de tratamento de gases (carvão ativado).
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FOTO 07 – Bomba de vácuo (direita) e tanque de selagem da bomba.
FOTO 08 – Montagem do filtro de carvão ativadodo sistema de tratamento de água (bentonita).
FOTO 09 – Montagem do filtro de carvão ativadodo sistema de tratamento de água (carvão ativado). FOTO 10 – Filtro de carvão ativado montado.
FOTO 11 – Painel de controle (timers).
FOTO 12 – Saída de ar após filtração.
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6. DIMENSÕES DOS EQUIPAMENTOS
Os equipamentos e suas respectivas descrições a seguir não são referentes ao sistema de
remediação visitado pela equipe, porém apresentam mínimas diferenças em relação ao
mesmo.
O motivo que levou a essa condição é o fato de o sistema visitado estar em fase final de
instalação e testes, tendo sido verificado seu funcionamento pela equipe, porém
impossibilitando a coleta de dados subseqüentes para análise dos balanços de massa e de
energia.
Os dados apresentados foram obtidos de um caso de remediação instalado em uma área onde
houve um acidente ferroviário com vazamento de combustível.
O sistema implantado é o mesmo do visitado com a maior diferença sendo a presença de
uma caixa separadora de água e óleo (CSAO) com função de retirada da fase sobrenadante
existente no lençol freático local.
1 container naval metálico com dimensões de 6,0 X 2,0 x 2,3 m, com objetivo de
acondicionamento e proteção dos sistemas de tratamento. Dotado de sistema de
ventilação natural e alarme.
1 (um) tanque de vácuo de 1.008 litros;
1 (uma) bomba de anel líquido com capacidade de geração de vácuo ótima de
trabalho entre 400 e 600 mmHg e vazão de até 60 m³ / hora de ar. Dados da carta
do fabricante. Bomba de anel líquido OMEL BVM / II-156 / 60 – 7,5CV;
1 (uma) caixa separadora água e óleo Alpina SPR 2000 com capacidade para
2.000 L;
1 (um) tanque de 200 litros para água utilizada na selagem da bomba.
1 (um) tanque de “Air Stripping” com sistema de aeração de base com volume de
200 litros;
1 (um) compressor para injeção de ar no tanque de “Air Stripping”. Compressor
BOYU ACQ-001 – 10W.
1 (um) filtro em carvão ativado de fluxo ascendente, com volume útil de 200
litros, para o tratamento final e polimento da água advinda do sistema de “Air
Stripping”;
1 (um) filtro de carvão ativado com volume útil de 100 litros para o tratamento
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A
dos gases contendo hidrocarbonetos;
1 (um) tambor de 200 litros para armazenamento temporário de resíduos líquidos
recuperados pelo sistema;
Tubulações e conexões em PVC, válvulas em aço carbono.
Sistema Instalado. A – Tanque aéreo de vácuo; B – Válvulas das linhas de bombeamento; C – Tanque selo da
bomba de vácuo; D – Caixa separadora água e óleo; E – Bomba de anel líquido; F – Tambor de coleta de “fase
livre”; G – Tanque de striping e H – Filtro de carvão ativado.
No interior dos poços de bombeamento foram instaladas tampas em nylon para vedação dos tubos e sucção através de tubulações de polietileno rígido.
7. BALANÇO DE MASSA
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B
CD
E
F
GH
7.1 FASE LIVRE
De acordo com os dados obtidos com os responsáveis pelo sistema foram removidos cerca
de 40 litros de óleo na caixa SAO durante o segundo trimestre de monitoramento.
O óleo separado pelo sistema de remediação foi acondicionado em tambor de 200 litros,
identificado e estocado dentro do container de remediação.
7.2 FASE DISSOLVIDA
O cálculo de vazão e tratamento do sistema pode ser realizado através de estimativa do
volume de água bombeado. O sistema operou com médias diferentes de ciclos por dia em
diferentes períodos durante estes 03 meses de operação, isto se deve pela sazonalidade de
chuvas evidenciada neste período. Os dados podem ser visualizados a seguir:
Tabela 01 – Dados dos ciclos de operação do sistemaCICLOS DE EXTRAÇÃO
DATA Nº CICLOS/DIA20/11/08 320/12/08 220/01/09 1
Considerando o desligamento do sistema somente com o tanque de vácuo com volume
total de 1.007,98 l, foi obtido um volume total de água tratada para o período do respectivo
relatório de 181,44 m3 ou média de 2,01 m3/dia.
Para estimativa da massa de contaminantes presentes no lençol freático local foi realizado
cálculo da média de concentração considerando os poços avaliados com os resultados obtidos
na última análise realizada. A seguir está apresentada tabela com as concentrações médias na
área para cada um dos compostos avaliados.
Tabela 02 – Concentrações de BTEX e PAH
CompostosConcentração Média nos poços
avaliadosBENZENO 0.8 ppbTOLUENO 0.0 ppb
ETILBENZENO 0.3 ppbXILENOS 11.7 ppbPAH's 1.1 ppb
Os valores encontrados foram então convertidos para concentração em g/Litro:
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Tabela 03 - Concentrações de BTEX e PAH
CompostosConcentração Média nos poços
avaliadosBENZENO 8.200E-07 g/LTOLUENO 0.000E+00 g/L
ETILBENZENO 2.800E-07 g/LXILENOS 1.166E-05 g/LPAH's 1.095E-06 g/L
Multiplicando-se o volume total bombeado (181,44 m3) pelas concentrações de cada um
dos compostos obtém-se a massa de BTEX e PAH’s removidos:
Tabela 04 - Massa de BTEX e PAH retirada dos poços
Compostos Massa RetiradaBENZENO 1.488E-01 gramasTOLUENO 0.000E+00 gramas
ETILBENZENO 5.080E-02 gramasXILENOS 2.116E+00 gramasPAH's 1.987E-01 gramas
TOTAL 2.51 gramas
7.3 FASE GASOSA
Para a estimativa da massa de contaminantes removidos da zona aerada do solo, foi
realizado cálculo da média de concentração para cada um dos poços avaliados com os
resultados obtidos através de leitura por aparelho GASTECH.
O aparelho foi regulado para detectar a presença de hexano, um dos compostos mais
comuns presentes em gasolina e óleo diesel.
A seguir está apresentada a tabela com as concentrações máximas de VOC’s por poço de
extração ligado.
Tabela 08 – Concentrações máximas de VOC por poço de extração.
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POÇO VALOR MÁXIMO DE VOC (ppmV)PB-01 10.000PB-02 830PB-03 88PB-04 144PB-05 393PB-06 680PB-07 901PB-08 100
Considerando a formula , onde:
• P (pressão) = 1,0 atm;• V (concentração volumétrica) = 0,000493;• R (constante dos gases ideais) = 0,082 atm.L/mol.K;• T (temperatura em Kelvin) = 293,2;• PM (peso molecular do hexano) = 86 g/mol; e,
Considerando o volume de ar bombeado por mês e o volume bombeado no período total,
foi obtida a concentração de massa de VOC removida por período de operação do sistema.
Na tabela a seguir é apresentado o memorial de cálculo utilizado.
POÇOS Unidade 4/11/2008 17/2/2009PB-01 ppmv 1540 10000PB-02 ppmv 240 830PB-03 ppmv 100 88PB-04 ppmv 80 144PB-05 ppmv 0 393PB-06 ppmv 540 680PB-07 ppmv 0 901PB-08 ppmv 520 100MÉDIA 377,5 1642 Cálculo do volume de ar bombeado Unidade 1º Trimestre 2º TrimestreVazão da bomba m³/hora 50,0 50,0Tempo de ciclo da bomba hora 10,0 10,0Ciclos por dia adimensional 1,0 1,0Volume de ar bombeado por dia m³/dia 500,0 500,0Volume de ar bombeado por mês m³/mês 15000,0 15000,0 Cálculo da massa de hidrocarbonetos P.V = n. R. T P (pressão) atm 1,0 1,0
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V (concentração volumétrica)L (hc) / L
(ar) 0,0003775 0,0016420R (constante dos gases ideais) atm.L/mol.K 0,082 0,082T (temperatura Kelvin) K 293,2 293,2PM (peso molecular Hexano) g / mol 86,0 86,0
m = (P. V. PM) / (R. T)g (hc) / L
(ar) 0,0013505531 0,0058744587
Cálculo da Massa de contaminantes removidos 1º Trimestre 2º TrimestreMassa removida por dia kg / dia 0,68 2,94Massa removida por mês kg / mês 20,3 88,1Massa removida no período kg / período 60,8 264,4 Acumulado kg/período 60,8 325,1
7.4 RESUMO DO BALANÇO DE MASSA
Durante os três meses de operação analisados foram bombeados 181,44 m3 de água
contaminada do solo e 45.000,00 m3 de ar contaminado.
Após a passagem da água bombeada pela caixa SAO ficaram retidos 40 litros de óleo, ou
0,04 m3.
A água contaminada foi tratada com a injeção de 1.350,00 m3 de ar pelo sistema de Air
Stripping.
Este tratamento efetuou a retirada de 264,4 kg de compostos orgânicos voláteis, num total
de 1,025 m3 (considerando a densidade do hexano = 3,0).
Depois de passar pelo tanque de aeração os 180,375 m3 de água foram direcionados ao
filtro de carvão ativado. Neste filtro ficaram retidos aproximadamente 0,002 m3 dos
compostos BTEX e PAH.
Os 180,373 m3 de água purificada restantes foram injetadas novamente nos poços de
bombeamento para a recuperação do nível d’água do lençol freático.
Os 45.000,00 m3 de ar bombeados dos poço e os 1.351,025 m3 que saíram do tanque de
aeração foram filtrados em um filtro de carvão ativado que reteve as impurezas num total de
1,025 m3, sendo lançados na atmosfera aproximadamente 46.350,00 m3 de ar purificado.
O fluxograma abaixo representa todo o processo e as respectivas entradas e saídas em
cada etapa.
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8. BALANÇO DE ENERGIA
O balanço de energia do sistema de remediação concentra-se basicamente no
funcionamento da bomba de vácuo e do compressor de ar.
Para a bomba de vácua será considera a potência indicada na carta do fabricante de 7,5
CV, equivalente a aproximadamente 5.500 W. A bomba opera com potência efetiva entre 60 a
70 % da potência nominal, ou seja entre 3.300 e 3.850 W. Desconsiderando o tempo entre o
momento em que o tanque de vácuo está cheio e o instante em que a bomba volta a ser ligada
para enchê-lo novamente teremos o funcionamento da bomba durante 10 horas ao dia. Ao
longo de 3 meses teremos 900 horas de uso.
A partir dos dados apresentados temos a energia utilizada através da fórmula: W = P x T ,
onde W é a energia consumida, P é a potência do aparelho e T o tempo de uso.
W = 3.300 x 900
W = 2.970.000 Wh , ou 2.970 kWh.
Seguindo os mesmos modelos e considerando a potência do compressor de ar igual a 10
W teremos para esse aparelho o seguinte consumo:
W = 10 x 900
W = 9000 Wh, ou 9 kWh.
O total de energia gasto no sistema de remediação deve considerar também o consumo do
sistema de automação do processo, ou seja, dos timers. Infelizmente esses dados não estão
disponíveis para a equipe.
O balanço de energia do processo será obtido então pela soma dos gastos energéticos dos
dois equipamentos:
Wtotal = Wbomba + Wcompressor
Wtotal = 2.970 + 9
Wtotal = 2.979 kWh
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9. CONCLUSÃO
Os processos visitados pelos alunos foram úteis para dar uma idéia mais ampla de como
funcionam os processos industriais que envolvem as operações unitárias expostas em sala. Os
cálculos do balanço de massa e energia são indispensáveis para elaboração das metodologias,
uma vez que eles fornecem informações precisas sobre como deve ser feito o
dimensionamento dos equipamentos e controle de gastos, desde a energia elétrica até uso de
reagentes.
No cálculo do balanço de massas ficou clara a diferença de eficiência na retirada de
contaminantes entre as diferentes etapas do processo, sendo o Air Stripping e a flotação os
procedimentos mais eficientes.
O balanço de energia mostrou que o consumo de energia elétrica é devido quase
integralmente à bomba de vácuo utilizada para o bombeamento dos poços.
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10. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
United States Environmental Protection Agency (EPA). Multi-Phase Extraction:State-of-the-Practice. Cincinnati, OH. 1999
ABNT (2007). Sondagens de reconhecimento para fins de qualidade ambiental- Procedimento. Rio de Janeiro – RJ.
APHA, AWWA, WEF. Standard Methods for Examination of Water andWastewater, 20th ed. 1998 e 21st ed. 2005; U.S. Environmental Protection Agency– USEPA.
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CETESB – Companhia de Tecnologia em Saneamento Ambiental. Decisão de Diretorian° 195. Valores Orientadores para Solos e Águas Subterrâneas no Estado deSão Paulo, 2005.
Diretrizes de Passivo Ambiental em Pontos Armazenadores de Combustíveis,Anexo III, Instituto Ambiental do Paraná, 2003.
http://www.geoambiente.eng.br
http://www.webcalc.com.br
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