Bombas de alta pressão para aplicações de osmose reversa

As Bombas APP pertencem à família das Bombas de Deslocamento Positivo e utilizam a tecnologia de Pistão Axial, que opera com base em um princípio fundamentalmente diferente das bombas centrífugas. Em uma Bomba APP, a vazão é determinada principalmente pelo deslocamento e pela velocidade de rotação, enquanto a pressão é gerada de acordo com a demanda do sistema. Esse princípio de operação, combinado com baixo vazamento interno e baixas perdas hidráulicas e mecânicas, permite que as Bombas APP alcancem alta eficiência.

Além de atingirem maior eficiência de pico, as Bombas APP mantêm uma eficiência consistentemente alta em diversas condições, ao dissociar pressão e vazão. Isso ajuda a reduzir as perdas de energia fora da faixa de projeto e a manter um SEC (Consumo de Energia Específico) e custos operacionais mais baixos ao longo do tempo.

Nas bombas centrífugas, a pressão e a vazão estão ligadas por meio da curva da bomba, e a eficiência máxima é alcançada apenas próximo ao Ponto de Melhor Eficiência (BEP).

As bombas são frequentemente selecionadas e comparadas em um único ponto de operação especificado, normalmente no Ponto de Melhor Eficiência (BEP) ou próximo a ele. No entanto, as plantas de Osmose Reversa raramente operam continuamente nesse ponto exato. A salinidade da água de alimentação, a temperatura, o incrustamento e o envelhecimento da membrana, bem como a demanda de produção, alteram a pressão e a vazão necessárias ao longo do tempo.

O desempenho da bomba deve, portanto, ser avaliado em toda a faixa operacional esperada e no perfil operacional anual. Como as Bombas APP mantêm uma eficiência consistentemente alta à medida que as condições operacionais mudam, sua economia real de energia em comparação com as bombas centrífugas pode ser substancialmente maior do que uma comparação em um único ponto de operação sugeriria.

A questão principal não é apenas “Qual é a eficiência máxima?”, mas “Quanta energia a bomba consumirá em condições operacionais reais ao longo da vida útil da Planta?”

A maioria das Plantas de SWRO em todo o mundo opera abaixo de ~50.000 m³/dia e apresenta:

• Maior variabilidade de carga
• Operação em etapas e redução de potência mais frequentes
• Projetos em Skids modulares
• Layouts com restrições de espaço
• Faixas operacionais mais amplas

Nessas condições, manter uma alta eficiência consistente em diversas condições operacionais é fundamental para minimizar o Consumo Específico de Energia (SEC). Ao mesmo tempo, o tamanho compacto e a flexibilidade de instalação das Bombas APP simplificam sua integração em sistemas modulares e layouts de plantas com restrições de espaço.

As Bombas APP são otimizadas para processos com membranas de alta pressão, nos quais pressão estável, alta eficiência e flexibilidade operacional são fundamentais.

As aplicações típicas incluem:

• Plantas de SWRO em terra firme com capacidade de até 50.000 m³/dia
• Plantas de SWRO marítimas e offshore, em contêineres e descentralizadas
• Sistemas de Osmose Reversa (RO) para reuso de água e efluentes, incluindo processos de Descarga Líquida Zero (ZLD) e Descarga Líquida Mínima (MLD)
• Concentração e valorização de salmoura
• Sistemas de RO de múltiplos estágios

Sua capacidade de manter alta eficiência em uma ampla faixa operacional torna as Bombas APP particularmente eficazes em aplicações nas quais a salinidade, as taxas de recuperação e as demandas de produção variam ao longo do tempo.

O Custo Total de Propriedade (TCO) leva em consideração tanto o investimento inicial quanto os custos operacionais ao longo da vida útil da planta, que varia de 20 a 30 anos.

As bombas de alta pressão representam apenas cerca de 4 a 5% do CAPEX de uma planta de SWRO e aproximadamente 1% do TCO total ao longo de sua vida útil. No entanto, elas são responsáveis por cerca de 70% do consumo de energia da planta, o que pode representar de 30% a 40% do TCO total.

Mesmo pequenas diferenças na eficiência das bombas de alta pressão podem se traduzir em diferenças substanciais no consumo de energia e nos custos operacionais ao longo da vida útil da estação. A escolha da tecnologia correta para as bombas de alta pressão é, portanto, fundamental para minimizar o TCO, ao mesmo tempo em que contribui para a descarbonização e o cumprimento das metas ESG.

As Bombas APP apresentam um design compacto, de acionamento direto e lubrificação a base de água, eliminando a necessidade de caixas de engrenagens, correias e sistemas externos de lubrificação a óleo. Seus requisitos de manutenção previsíveis e longos intervalos entre manutenções contribuem para uma operação confiável e uma manutenção planejada.

A manutenção pode ser realizada diretamente na fábrica por equipe treinada, sem a necessidade de enviar a bomba a um centro de serviços externo. A Danfoss pode fornecer o treinamento necessário, permitindo que os operadores planejem a manutenção de acordo com as necessidades de produção, controlem o tempo de inatividade e maximizem a disponibilidade da fábrica.

As Bombas APP também utilizam motores padrão de baixa tensão, que são amplamente disponíveis e, em geral, mais fáceis de manter do que os motores de média tensão. Elas exigem equipamentos elétricos e procedimentos de manutenção menos complexos, simplificando ainda mais a operação da fábrica e o gerenciamento de peças de reposição.

Essa simplicidade ajuda a melhorar a confiabilidade operacional, o que traz vantagens específicas em aplicações de tratamento de água remotas, descentralizadas e de importância crítica.

As Bombas APP combinam alta densidade de potência com um design compacto e leve. A maioria dos modelos pode ser instalada na horizontal ou na vertical e operada em paralelo para atender aos requisitos de vazão de conjuntos de RO maiores. Seu tamanho relativamente reduzido simplifica a integração em locais onde o espaço é limitado:

• Sistemas de Dessalinização marítimos
• Sistemas de RO em contêineres
• Unidades de tratamento móveis e descentralizadas
• Layouts de instalações com restrições de espaço

Seu tamanho compacto também simplifica o transporte, o manuseio, a instalação e a manutenção no local, em comparação com equipamentos de bombeamento centralizados maiores.

As Bombas APP são inerentemente adequadas para operação modular em paralelo. Várias bombas podem operar juntas no mesmo conjunto para fornecer a vazão necessária, sem depender de uma única bomba grande e centralizada.

Diferentemente dos projetos tradicionais de redundância em standby, os conjuntos de Bombas APP distribuem a capacidade entre várias bombas em operação. Se uma bomba for desligada para manutenção ou apresentar uma falha, o sistema pode continuar produzindo água com capacidade reduzida, em vez de desligar todo o conjunto.

Os conjuntos paralelos também podem ser adaptados a diferentes estratégias de produção e redundância, combinando bombas de velocidade fixa e controladas por VFD ou ligando e desligando unidades individuais conforme necessário.

Essa arquitetura oferece:

• Redundância distribuída e risco reduzido de falha em um único ponto
• Alta eficiência em diversas condições de carga
• Ajuste modular da potência sem grandes perdas de eficiência
• Operação contínua durante a manutenção ou reparos
• Risco reduzido de tempo de inatividade e maior disponibilidade da planta
• Controle independente das linhas
• Planejamento simplificado da manutenção
• Maior facilidade de escalabilidade e expansão futura da capacidade

Essa arquitetura é particularmente valiosa em sistemas SWRO, de reuso de água e de membranas modulares, nos quais as condições operacionais e a demanda de produção variam ao longo do tempo.

Não. Em uma configuração com Bombas APP em paralelo, uma bomba pode ser operada com um VFD de baixa tensão, enquanto as demais bombas operam em velocidade fixa utilizando acionadores suaves ou partida direta na rede, quando permitido.

Dependendo da faixa de operação esperada, a ampla faixa de controle de vazão de uma Bomba APP pode permitir que uma única unidade controlada por VFD acomode as variações de vazão necessárias. Se for necessária uma faixa de controle mais ampla, um segundo VFD pode ser incorporado. Alternativamente, o sistema de controle poderia ser projetado e configurado para desligar uma Bomba APP de velocidade fixa enquanto a unidade acionada pelo VFD ajusta sua velocidade para manter o vazão total necessário.

Em comparação com a instalação de um VFD para cada bomba, essa configuração significa que apenas uma parte da potência total instalada dos motores passa continuamente pelos VFDs. Isso pode reduzir:

• A capacidade instalada dos VFD e o investimento inicial
• As perdas de conversão elétrica
• A geração de calor e os requisitos de resfriamento
• A complexidade geral do sistema e os custos operacionais

Esses benefícios tornam-se cada vez mais relevantes à medida que aumenta o número de Bombas APP operando em paralelo. A configuração final pode ser adaptada à faixa de operação exigida pela planta, à filosofia de redundância e à estratégia de controle.

As Bombas APP representam uma tecnologia madura e amplamente implantada, com mais de 30.000 unidades instaladas globalmente em sistemas de membranas de alta pressão. Estima-se que, coletivamente, essas instalações:

• Produzam mais de 2,3 bilhões de m³ de água anualmente
• Economizem aproximadamente € 200 milhões em custos de energia a cada ano
• Evitarem aproximadamente 600.000 toneladas de emissões de CO₂ anualmente, em comparação com sistemas convencionais de bombeamento de alta pressão

Essa base instalada oferece ampla validação operacional em diversas condições de água de alimentação, temperaturas, ciclos de trabalho e ambientes operacionais.

Para proprietários de plantas e empresas de EPC, a base instalada é importante porque a confiabilidade a longo prazo, a facilidade de manutenção e o desempenho ao longo do ciclo de vida são comprovados na operação real – e não apenas em condições de laboratório ou de projeto-piloto.