Sistema de microfiltração Pall

Desafios

Uma importante estação de serviços públicos da América do Norte utiliza amaciadores e desmineralizadores de cal convencionais para produzir água de alta qualidade para reposição de caldeiras. A estação de serviço público é uma grande usina movida a carvão que opera três unidades movidas a carvão. As unidades têm cerca de 600 MW cada e foram originalmente projetadas para lidar com carvão betuminoso com alto teor de enxofre. O sistema convencional utiliza coagulante, cal, ácido e cáustico em grandes quantidades para produzir água desmineralizada. A Pall Corporation e o pessoal da fábrica trabalharam juntos para desenvolver um sistema integrado baseado em membrana para produzir água permeada de alta qualidade para maximizar os tempos de execução de troca iônica.

Os filtros clarificadores/multimédia convencionais para o tratamento da água doce que entra nas plantas apresentam vários inconvenientes. O principal é a incapacidade desses sistemas de lidar com condições repentinas de perturbação que poderiam resultar em aumentos no total de sólidos suspensos na água de alimentação. Isto também se reflete num aumento no Índice de Densidade de Silte (SDI), ou na turbidez (valores NTU) na água de alimentação da unidade, bem como no permeado (filtrado).

A água bruta superficial de um lago adjacente é a fonte de água doce para a usina. No esquema de tratamento original, cerca de 1.500 gpm desta água estavam sendo tratados com um processo convencional de clarificação e amolecimento de cal fria seguido de filtração em leito de areia/cascalho. Unidades de desmineralização foram posteriormente utilizadas para produzir a qualidade de água necessária para as caldeiras HP. Essas unidades consistiam em um leito catiônico convencional utilizando ácido sulfúrico para regeneração do leito resinoso, e leitos aniônicos de base fraca e forte, bem como um desmineralizador de leito misto utilizando soda cáustica para regeneração da resina. A jusante das unidades desmineralizadas, a água condensada das caldeiras era encaminhada para tanques de armazenamento. Um sistema de filtragem de pré-revestimento Graver Powdex^® foi usado para polir o condensado antes dos aquecedores de baixa pressão.

Houve diversas forças motrizes que levaram a estação de serviços públicos a considerar esquemas de tratamento alternativos em vez do clarificador/leito de areia convencional. O primeiro foram os custos químicos necessários para regenerar os leitos desmineralizadores. Estes custos eram extremamente elevados, uma vez que a regeneração da resina era realizada uma vez por dia ou até com maior frequência. O tempo de execução da troca iônica precisava ser melhorado significativamente.

Em segundo lugar, procuravam simplicidade operacional. A perturbação frequente nos clarificadores resultaria em regeneração frequente. Embora a planta tenha sido projetada com um desmineralizador de três leitos seguido por polidores de leito misto para atender à qualidade da água de alimentação da caldeira, o avanço da sílica no leito de base forte era frequente e os leitos eram regenerados com mais frequência. E, finalmente, o sistema de polimento de condensado teve que ser pré-revestido frequentemente devido à má qualidade da água condensada. Uma melhoria na frequência do pré-revestimento da resina proporcionaria um benefício indireto à planta. Com essas mudanças em mente, a estação de serviços públicos recrutou a Pall para ajudar a conduzir as mudanças tão necessárias.

Solução

Os especialistas em tratamento de água da Pall realizaram uma análise detalhada das condições da planta e decidiram recomendar um sistema integrado de membrana (microfiltração/osmose reversa) (IMS) para substituir os clarificadores de amolecimento de cal fria e os leitos de filtro de areia/cascalho. Como a usina estava em operação, um desafio adicional foi instalar os sistemas sem desligar os trens desmineralizadores ou impactar negativamente a quantidade de água tratada enquanto a nova usina IMS estava em operação. A Pall recomendou a instalação do IMS em paralelo com os clarificadores e filtros de areia/cascalho e a reutilização dos tanques de água filtrada existentes. Um tanque de água filtrada foi usado como um tanque de MF/RO (tanque de filtrado) e o outro como tanque de armazenamento de água permeada por Osmose Reversa (RO) (o novo tanque de alimentação do trem desmineralizador).

Após o comissionamento do IMS, o pessoal da planta contornou o sistema de clarificador/leito de areia e alimentou a água que entrava no sistema de alimentação diretamente no sistema MF.

O sistema integrado da Pall consistia em um  sistema de microfiltração para tratamento de água de reposição de usinas usando módulos de microfiltração Microza. O sistema era composto por duas linhas de tratamento independentes de 42 módulos cada. Este sistema tem capacidade de 2 x 100% (máximo de 770 gpm cada) e permite uma produção média de 1.400 gpm (entrada de 1.540 gpm com recuperação de 95%) com ambos os trens em serviço. Como o sistema IMS foi instalado junto com o sistema existente, o espaço disponível para o skid RO era limitado. Portanto, o skid RO teve que ser projetado de forma personalizada para caber no espaço disponível. Para isso, o sistema RO consistia em três estágios (trem único), dispostos em um 16:8:4 matriz com cinco elementos de membrana cada. O fluxo de entrada para o sistema RO foi de 625 gpm. O sistema foi projetado para uma produção total de permeado de 500 gpm, capacidade média da caldeira.

A capacidade do sistema RO foi projetada para atender a uma demanda média de água desmineralizada de 500 GPM. No entanto, durante limpezas químicas de caldeiras ou vazamentos de tubos, a demanda de água desmineralizada pode chegar a 900 GPM. Durante condições de alta demanda, o permeado de OR será misturado com o filtrado de MF. A bomba de alimentação do desmineralizador tem a capacidade de extrair tanto do filtrado MF quanto do permeado RO, misturando assim as duas correntes antes de alimentar os trens do desmineralizador.

O filtrado MF médio necessário para o RO é de 625 GPM e durante o pico de demanda, o filtrado MF necessário seria de 1.025 GPM para fazer a alimentação misturada de 900 GPM para o sistema desmineralizador. A Manutenção de Fluxo (FM) está sendo realizada para diminuir a Pressão Transmembrana (TMP) através da membrana MF. Existem três métodos FM usados neste sistema.

O primeiro método FM é a purificação/filtração reversa de ar (AS/RF), que envolve a injeção de ar a baixa pressão no lado de alimentação do módulo aproximadamente a cada 20 minutos. O filtrado limpo também é bombeado na direção inversa através das fibras ocas para desalojar incrustações e depósitos. Após o AS/RF, a unidade MF aumentará até o pico de fluxo instantâneo para compensar a perda de água filtrada, mantendo assim a saída média de filtrado constante.

O segundo método FM é a Manutenção de Fluxo Aprimorada (EFM), que está sendo realizada com base no aumento do TMP. Isso varia entre uma vez por dia e uma vez por semana para remover incrustações microbianas, diminuindo assim os valores de TMP. Durante o EFM, uma solução quente de cloro cáustico ou uma solução quente de cloro circula através do lado de alimentação da membrana. Durante o EFM, a unidade MF ficará off-line por 30 a 60 minutos.

Normalmente, à medida que o TMP se aproxima de 25-30 psig, é realizada uma limpeza química no local (CIP) – o terceiro método FM. Este é um protocolo de duas etapas, primeiro usando cáustico/cloro quente e depois uma solução ácida para retornar os módulos a condições “quase novas”. Isto é realizado centenas de vezes durante a vida útil dos módulos. Uma CIP também pode ser realizada em intervalos periódicos (uma vez a cada 60 dias, por exemplo) como medida de precaução para proteger a membrana, mesmo que o TMP não aumente significativamente durante esse intervalo.

Considerando os requisitos de FM para o sistema MF, foram selecionadas duas unidades de MF. Como a taxa média de alimentação do desmineralizador é de 500 GPM (alimentação RO de 625 GPM), cada unidade MF foi dimensionada para uma produção média de filtrado de 700 GPM.

Resultados

A usina de energia implanta um sistema de polimento de condensado Powdex (três recipientes por unidade) para lidar com o condensado. Esses sistemas são instalados para atender aos rigorosos requisitos de água de alimentação da caldeira, para melhorar a confiabilidade da produção e para aumentar a eficiência da usina. Antes da instalação do sistema integrado da Pall, a condutividade do sistema de condensado para as caldeiras era elevada, possivelmente devido ao alto teor de carbono orgânico total. Esses filtros pré-revestíveis foram pré-revestidos com uma frequência muito alta – uma vez por dia. Como custa aproximadamente US$ 850/pré-revestimento, a fábrica estava gastando US$ 1.100/dia no trabalho de pré-revestimento das duas unidades de polimento durante os períodos de operação e start-ups.

Desde o início da operação do sistema integrado, a frequência do pré-revestimento diminuiu de uma vez por dia para uma vez por semana. O sistema IMS de membrana dupla (MF/RO) foi eficaz na redução do teor de carbono orgânico total para níveis muito baixos no condensado, e isso teve um impacto positivo imediato no desempenho do sistema de polimento de condensado. O custo total do pré-revestimento diminuiu, contribuindo para uma economia substancial de aproximadamente US$ 250.000/ano. Estas poupanças somaram-se aos 1,2 milhões de dólares/ano poupados em custos de produtos químicos, conforme descrito anteriormente.

O custo do Sistema Integrado Pall foi de aproximadamente US$ 1,2 milhão. Economia em custos com produtos químicos decorrentes da instalação do sistema: US$ 1,2 milhão/ano. economia com o melhor desempenho do sistema de polimento: US$ 250.000/ano. Portanto, economia total para a fábrica: US$ 1,2 + US$ 0,25 = US$ 1,45 milhão/ano. O retorno do investimento foi alcançado em menos de 10 meses de operação.

O sistema integrado da Pall resultou em economias diretas consideráveis nos custos de produtos químicos e em melhores tempos de operação da unidade de troca iônica. Economias indiretas consideráveis também foram alcançadas através da redução da frequência da operação de pré-revestimento no sistema de polimento de condensado. Além disso, incluído nestes custos estava a vida útil média dos elementos pré-revestidos. A troca de elementos a cada dois anos pode se estender até cinco anos. Os desafios associados ao entupimento dos pré-filtros de RO no verão foram superados com uma solução técnica inovadora.

A parceria com a Pall permitiu que esta estação de serviço público norte-americana bem-sucedida evitasse grandes perdas financeiras por meio de uma solução integrada de água de alta pureza. Se você estiver procurando soluções de fabricação industrial, entre em contato com seu representante Pall hoje mesmo.