COMO ESTABLECER ESTRATEGIAS PARA EL APROVECHAMIENTO DEL AGUA EN PEMEX UTILIZANDO TÉCNICAS DE OPTIMIZACIÓN

(1)

COMO ESTABLECER

ESTRATEGIAS PARA EL

APROVECHAMIENTO DEL

AGUA EN PEMEX

UTILIZANDO TÉCNICAS DE

OPTIMIZACIÓN

XVII FORO DE AVANCES DE LA INDUSTRIA DE LA REFINACIÓN

(2)

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

(3)

PROBLEMÁTICA ACTUAL

Y

(4)

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 agua El Programa Nacional Hídrico 2007-2012.

(5)

Fuente: Políticas del sector público en el manejo del agua, CONAGUA, 2007-2012

Estadísticas 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 los

que corresponde el 93%

aproximadamente

de

la

extracción

de

agua

del

(6)

(7)

Es bien sabido que la industria, en general, consume grandes

cantidades de agua y los centros relacionados con la industria

petrolera, 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 arrastre

en las Torres de Enfriamiento son, normalmente, muy altas y

puede estar en un intervalo, a falta de información del

constructor

), entre 30 y 100% del total

suministrado.

(8)

ESQUEMAS TRADICIONALES

DE

(9)

Tratamiento agua cruda Tratamiento para agua de calderas Sistema de vapor Incremento costos Agua cruda Tratamiento agua de desecho Regulaciones Fijas Agua de lluvia contaminada Inversión de capital Agua fresca Proceso 1 Proceso 2 Proceso 3 Agua de desecho Pérdidas de Condensado 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

(10)

¿QUE ES LA OPTIMIZACIÓN

EN

(11)

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 RESIDUALES REGENERACION

Re-USO

(12)

TRATAMIENTO PARCIAL DE EFLUENTES

Tratamiento agua cruda BFW Tratamiento Sistema de vapor Agua cruda Tratamiento Agua de desecho Agua fresca Proceso 1 Proceso 2 Proceso 3 Pérdidas de Condensado 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

(13)

Compañia Proceso/Industrtia Localización Reducción de flujo de agua de

desecho (%)

Confidencial Químicos y Fibras Alemania 5

Cerestar Procesamiento de maíz Reino Unido 25

Gulf Oil Refinación Reino Unido 30

Monsanto Químicos Reino Unido 40

Parenco Molino de papel Paises Bajos 20

Sasol Derivados del carbón Sudafrica 50

Unilever Polímeros (batch) Reino Unido 60

US Air Force Base Militar USA 40

Confidencial Refinación Paises Bajos 40

Confidencial Químicos USA 40

Confidencial 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.

(14)

SOLUCIONES FACTIBLES (SUB-OPTIMAS) SOLUCIONES INFACTIBLES C OS T O T OT A L A N U A L ( $ /A Ñ O)

IMPACTO AMBIENTAL (MJ/AÑO)

Max CTA Min IA A Min CTA Max IA B

(15)

Á

NALISIS DEL

C

IRCULO DE

V

IDA

Fase I Metas y Objetivos Fase II Análisis de la Situación Actual Fase IV Interpretación Fase III Impacto de la Evaluación

(16)

HERRAMIENTA IMP PARA

OPTIMIZAR REDES DE AGUA

(17)

Comunicación con Excel

Visualización gráfica

de resultados

(18)

OBJETIVO

Determinar de manera optima el flujo y la

composición de contaminante para cada

corriente en la red de agua.

Tal que el costo anual total del consumo de agua

fresca y de los tratamientos de agua de desecho sea

mínimo. Satisfaciendo las normas ambientales

(19)

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.

(20)

P14 P16 P15 P17 P13 P12 P3 P2 P4 P1 P5 P10 P7 P6 T2 T1 T4 T3 T6 T7 T5 Procesos que generan drenaje aceitoso Procesos que generan drenaje amargo Tratamientos M16 S11 S15 S14 S13 S12 S19 U00 S30 M11 P22 S23OUT S30OUT T22 S22OUT S23 U00 M12 S17 S34 M24 S36 M26 S3 M3 S2 M2 S4 M4 S1 M1 S35 M25 S37 M27 S33 M23 S5 M5 S32 M22 S10 M10 S7 M7 S6 M6 M31 M29 M30 M28 U00 S1OUT M16OUT U00 U00 U00 U00 S10OUT Superestructura de agua Drenaje de Aguas claras Reusos S16 S18 S18OUT _S18 S16 S16

(21)

PLANTEAMIENTO MATEMÁTICO













₊

+

=

Φ

∑

∈ ∈ ∈∈ i i i i p i i i t i TU t i t t i TU t i t FW

F

IP

y

C

AR

F

PM

H

F

OC

H

F

IC

AR

FW

HC

Mín

out out

)

ˆ

(

)

(

)

(

δ α

Agua fresca _{Costo Inversión} _{Costo operación}

(22)

COMPARACIÓN CON OTROS

SIMULADORES Y

REFERENCIAS

BIBLIOGRÁFICAS

(23)

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

DISEÑO OPTIMO DE LA RED DE AGUA

Descarga P1 M1 40 S2 P2 M2 S3 P3 M3 S4 P4 M4 S5 T1 M5 S6 T2 M6 S7 40 40 50 60 70 50 60 70 S1 0.34 9.44 39.6 10.7 44.6 0.06 35.6 M5 2.8 0.3 2.4 61.9 61.9 1.4 61.9 36.6 2.0 72.4 72.4 Agua Fresca 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 P2 T1 Agua fresca 40 50 60 118.3 118.3 P4 (9.0 ppm A, 10.0 ppm B) 40 41.67 60 70 8.3 _T2 P3 Descarga 220 220 RED CONVENCIONAL

(24)

(25)

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

(26)

RESULTADOS OBTENIDOS

EN LAS

(27)

(28)

CASOS DE ESTUDIO

CASO A

MEJORA DE REMOCIÓN DE GRASAS Y ACEITES Y FENOLES EN LAS

PLANTAS DE AGUAS AMARGAS, Y CUANTIFICAR LA DISMINUCIÓN DEL

CONSUMO DE AGUA FRESCA, AL APROVECHAR ESTA AGUA

DESFLEMADA COMO AGUA A DESALADO.

CASO B

REUSO DE AGUA ENTRE LOS DIVERSOS PROCESOS DE LA REFINERÍA, Y CUANTIFICAR LA DISMINUCIÓN DEL CONSUMO DE AGUA

(29)

Mejora en la remoción de grasas y aceites y fenoles en el Agua desflemada

CASO DE ESTUDIO A

M16 S11 S15 S14 S13 S12 T2 S30 M11 P22 S23OUT S30OUT T22 S22OUT T1 S23 U00 S16 S16 T4 T3 M12 S17 P14 S34 M24 P16 S36 M26 P3 S3 M3 P2 S2 M2 P4 S4 M4 P1 S1 M1 P15 S35 M25 P17 S37 M27 P13 S33 M23 P5 S5 M5 P12 S32 M22 P10 S10 M10 P7 S7 M7 P6 S6 M6 M31 T6 M29 T7 M30 T5 M28 U00 S1OUT M16OUT U00 U00 U00 U00 S10OUT S18 S18OUT Desaladora Ct´s HDS FCC

(30)

METODOLOGÍA MATEMÁTICA

REUSO (T/HR) CASO OPERACIÓN

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

TOTAL 5.13 32.64

AHORRO DE AGUA (T/HR) 27.51

AHORROS DE AGUA PARA EL CASO A

REMOCIONES REQUERIDAS EN LAS PLANTAS DE AGUAS AMARGAS

T55 (Planta de Tratamiento de Aguas Amargas)

% Remoción Actual Requerido A Grasas y Aceites 71.26 90 F Fenoles 37.90 90

T66 (Planta de Tratamiento de Aguas Amargas)

% Remoción Actual Requerido A Grasas y Aceites 26.47 90 F Fenoles 37.90 90

(31)

M16 S11 S15 S14 S13 S12 T2 S30 M11 P22 S23OUT S30OUT T22 S22OUT T1 S23 U00 S16 S16 T4 T3 M12 S17 P14 S34 M24 P16 S36 M26 P3 S3 M3 P2 S2 M2 P4 S4 M4 P1 S1 M1 P15 S35 M25 P17 S37 M27 P13 S33 M23 P5 S5 M5 P12 S32 M22 P10 S10 M10 P7 S7 M7 P6 S6 M6 M31 T6 M29 T7 M30 T5 M28 U00 S1OUT M16OUT U00 U00 U00 U00 S10OUT S18 S18OUT

CASO DE ESTUDIO B

Re-usos entre procesos

(32)

CASOS DE ESTUDIO

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

T.E. servicios 0.00 358.47 De FCC a T.E. 0.00 4.86 De HDS a T.E. 0.00 25.20 De Primaria 2 a FCC 0.00 0.28 De Primaria 2 a T.E. 0.00 27.49 De visbreaking a T.E. 0.00 13.68 De azufre a T.E. 0.00 45.43 Purgas de T.E. servicios a T.E.

gen vapor

0.00 18.10 TOTAL 0.00 493.51

(33)

COMPARACIÓN DE RESULTADOS CASO Consumo agua fresca + PTAR CONSUMO (Agua de pozo) (T/HR) PTAR (T/HR) AHORRO PTAR (T/HR) AHORRO PTAR (%) AHORRO AGUA 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

(34)

PEMEX GAS

Y

(35)

ESTRUCTURA DE PGPB

S4 M2 T6 T1 M8 S1 U6 U14 M0 S1OUT S18 S2 T7 M4 S17 T9 S10 _M9 U31 U41 M7 S10OUT S4OUT T2 T5 M10 T4 S17OUT T91 U9 U9OUT U13 U14 S18OUT PRETRATAMIENTOS PROCESOS TRATAMIENTOS RIO POZO U1 U2 U3 U4 U5 U7 U8 U9 U10 U11 U12 T10 T11

(36)

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 491 486.8 459.39 UDA 459 463.6 459.39 UDA - PBS 26.6 TOTAL 2825 2635 2531 TRATAMIENTOS 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 1,613

REUSOS 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

(37)

(38)

PARAMETROS SEMARNAT- NOM-001-1996

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 <35 pH(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 Ausente

SST 60 30 30 30

Grasas y aceites 25 10 10 10 DQO No aplica N/A 64 36 DBO(5días) 60 7 6 6 Nitrógeno total 25 15 15 15 Fósforo 10 1.0 1.0 1.0 Coliformes (NMP/100 ml) 2, 000 NMP/100 ml NMP/100 ml< 1,000 NMP/100 ml< 1,000 NMP/100 ml< 200 Cianuros 2 0.02 0.02 0.02 Arsénico 0.2 0.05 0.05 0.05 Cobre 6 0.2 0.2 0.2 Cromo 1 0.05 0.05 0.05 Mercurio 0,01 0.0005 0.0005 0.0005 Níquel 2 0.1 0.1 0.1 Plomo 0.4 0.03 0.03 0.03 Zinc 20 0.15 0.15 0.15 Fe N/A N/A 0.46 0.46 Cadmio 0.2 0.011 0.007 0.007 Color (Pt-Co) S/D N/A < 100 <15

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

Fenoles N/A N/A 0.1 0.1 Sulfatos N/A N/A 500 500 Toxicidad Aguda N/A N/A < 3 < 1 Benceno N/A N/A 0.01 0.01 Tolueno N/A N/A 0.2 0.2 Etilbenceno N/A N/A 0.1 0.1 Xilenos N/A N/A 0.5 0.5 Bifenilos Policlorados N/A N/A 0.0007 0.0007 Hidrocarburos Policiclicos

Aromáticos N/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

(39)

RESULTADOS A TRAVES DEL ARCHIVO “GDX”

EXCEL

GDX

Marginal

Es la cantidad por el cual la función

objetivo debería cambiar si el nivel

de la ecuación fuera movido en

una unidad.

(40)

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

CASO 1.

Modernización de

los Tratamientos existentes y

Tratamiento de Purgas de Torres de Enfriamiento

CASO 2.

Efecto de la Norma Ecológica para el año 2020

(41)

0.001 0.01 0.1 1 10 100 1000 Calculada Máxima

CONCENTRACIONES MÁXIMAS

A LA ENTRADA DE LAS TORRES DE ENFRIAMIENTO

(42)

MEZCLA DE CORRIENTES QUE LLEGAN AL RIO

1 10 100 1000 10000 Calculado Máximo

VALORES LÍMITE

(43)

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) % Ahorro de agua fresca 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

(44)

CONCLUSIONES

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

 La filosofía de la herramienta consiste en hacer el máximo reuso de agua de los efluentes de los procesos o de su posible regeneración antes de mezclarse con otros efluentes.

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

 Otra ventaja de la metodología radica en que se puede estudiar la inclusión de tratamientos de los efluentes de algunos procesos para su regeneración y reuso en otros procesos antes de mezclarse con otros efluentes (posiblemente más contaminados) cuya mezcla haga menos viable su reuso.