Curso Superior em Engenharia de Produção

[pic 1]

[pic 2]

Ministério da Educação Instituto Federal de Santa Catarina Campus Caçador Curso Superior em Engenharia de Produção

[pic 3]

Seminário de química

álcalis

                        

Relatório referente à disciplina de

Química Geral,

Orientado pelo professor Ricardo Guz.

Realizado pelos acadêmicos^[1]:

Francieli Delazari

Gabrieli Zampronio

Ana  luisa.

 

Caçador – SC

28 de novembro de 2022

1. INTRODUÇÃO

Trabalho apresentado para a disciplina de química do curso engenharia de produção, segunda fase IFSC caçador.



Este trabalho apresentará um resumo sobre a indústria de álcalis, mostrando seu funcionamento e suas principais utilidades, que é um subprocesso do processo Kraft, conforme podemos identificar no diagrama simplificado da figura 1.
O processo kraft (também conhecido como processo de polpação kraft ou sulfato) descreve uma tecnologia para a conversão da madeira em polpa de madeira (constituídos por fibras de celulose quase puras). O processo envolve o tratamento de cavacos de madeira com uma mistura de hidróxido de sódio e sulfeto de sódio, conhecido como licor branco, que rompem os vínculos que apontam lignina da celulose, que está dissolvida em uma solução alcalina, que é utilizada como combustível.
O processo de polpação alcalino teve seu início em 1854, através do processo soda. O processo kraft foi inventado por Carl F. Dahl em 1879 em Danzig, Prússia, Alemanha. A palavra “Kraft” é de origem sueca e alemã que significa “força” (resistência). A primeira fábrica de celulose utilizando essa tecnologia foi na Suécia, no ano de 1890. A invenção da caldeira de recuperação de GH Tomlinson em 1930, foi um marco no avanço do processo kraft. Deste modo, a recuperação e reutilização dos produtos químicos de polpação numa fábrica de celulose é um ciclo quase fechado com relação a produtos químicos inorgânicos. Por este motivo, em 1940, o processo de recuperação química ultrapassou o processo sulfito como método dominante para a produção de polpa de madeira. O então processo Kraft, consiste em atuar sobre a madeira na forma de cavacos com a combinação de dois reagentes químicos, hidróxido de sódio (NaOH) e sulfeto de sódio (Na2S), obtendo como resultado a dissolução da lignina e a liberação das fibras. Essas fibras liberadas constituem a “celulose” marrom ou massa marrom.*1
O processo Kraft tem como principal vantagem a recuperação dos produtos químicos adicionados a ele. Por outro lado, as desvantagens desse processo são:*1
 Alto custo de implantação.
 Odor dos gases oriundos do processo.
 Baixa alvura após cozimento relacionado a outros processos como sulfito, por exemplo.
 Baixo rendimento de 40 a 50%
 Alto custo de manutenção.

Figura 1 – Esquema geral do processo kraft

2. Aplicações

A caldeira de recuperação de álcalis é uma caldeira de recuperação química, sendo utilizada nas fábricas de celulose e papel, onde tem um papel fundamental no processo Kraft, com a finalidade de recuperar os produtos químicos e auxiliar na geração de vapor.

3. Funcionamento

As caldeiras de recuperação são equipamentos destinados ao aproveitamento do calor residual ou produtos de algum sistema ou processo, para a geração de vapor ou energia elétrica ou para aquecimento de algum fluído.
As caldeiras de recuperação álcalis é a caldeira de recuperação do ciclo alcalino, figura 2, e utiliza como combustível o resíduo orgânico da extração da celulose (licor negro), que são queimados na caldeira de recuperação para recuperar os produtos químicos inorgânicos, sendo o calor da combustão utilizado para produzir vapor de alta pressão, que é usado para gerar eletricidade em uma turbina. O vapor de baixa pressão da descarga da turbina é utilizado para aquecimento no processo. Na figura 3 podemos ver um diagrama simplificado do ciclo de recuperação.

Figura 2 - Ciclo Alcalino

‘
Figura 3 – Diagrama simplificado do ciclo de recuperação

A caldeira de recuperação tem função dupla. Como reator químico tem a função de recuperar composto químico adicional de recirculação. Como gerador de vapor tem a função de produzir vapor para o processo, decorrente do calor liberado na combustão da fração orgânica do licor negro, que corresponde aproximadamente a 2/3 da composição do licor negro.
No interior da caldeira ocorre a queima e transformação de substância, devido a temperatura, reações químicas e adição de ar, conforme indicado na figura 4.

Figura 4 - Esquema do funcionamento da caldeira de recuperação
O processo de caldeira de recuperação tem vários processos da unidade:
• A combustão de material orgânico no licor negro para produzir vapor;
• Redução de compostos inorgânicos de enxofre a sulfeto de sódio, que sai na parte inferior;
• Produção de fluxo inorgânico fundido, principalmente de carbonato de sódio e sulfeto de sódio, que posteriormente é reciclado para o digestor depois de ser re-dissolvido;
• Recuperação de poeira inorgânica do gás de combustão para guardar produtos químicos;
• Produção de fumo de sódio para capturar resíduo de combustão de compostos de enxofre liberado.
Devido os custos crescentes nos valores pagos pela energia elétrica, problemas de geração e distribuição, problemas ambientais e o fato da indústria de celulose e papel consumir um volume elevado de energia, sob a forma de eletricidade e vapor. Tornou-se essencial explorar a quantidade de calor contida no licor negro, que é um subproduto do processo de celulose, o que vem aumentando ao longo dos anos, conforme demonstrado na figura 5. Para uma recuperação eficiente desta energia, as caldeiras devem ser capazes de trabalhar com maiores pressões, temperaturas e volumes, uma operação contínua por longo prazo e minimização da emissão de poluentes.

Figura 5 - Evolução da Matriz Energética Fonte: BRACELPA (2009).
As fábricas de celulose modernas utilizam um processo kraft mais do que autossuficiente na produção de energia elétrica, podendo utilizar o excesso numa fábrica de papel associada ou vender para outras indústrias próximas ou para comunidades através da rede elétrica local.

Figura 6. Representações Esquemática da Caldeira de Recuperação.

O licor negro tem grande importância no processo, pois é usado como fonte de energia (combustível) na caldeiras de recuperação, que funciona como um reator, gerando vapor que é recuperado em forma de cinza fundida (smelt).
Três fatores importantes acontecem na caldeira de recuperação:
 A água restante na lixívia é evaporada;
 O material sólido é decomposto em carbono, sais inorgânicos e gases voláteis, que são queimados;
 O carbono é queimado na presença do ar.
Na maioria das vezes o aquecimento da caldeira de recuperação inicia-se com a queima de combustíveis convêncionais e somente depois de atingida uma determinada temperatura começa a queima do licor negro.
As partículas provenientes da combustão podem ser classificadas em:
a) Partículas pesadas;
b) Partículas fundidas;
c) Partículas muito pequenas.

Figura 7. Caldeira de Recuperação.

Figura 8 – Caldeiras de recuperação química fabricadas pela CBC, aliada com a Mitsubishi Heavy

Figura 9 – CPMC Celulose Santa Fé, Caldeira de recuperação
Figura 10 – Caldeiras de recuperação da fabrica da Votorantim

4. Riscos

4.1. Explosão água-smelt

As caldeiras de recuperação química possuem o risco de explosão água-smelt, que se dá pelo fenômeno de natureza física, resultado da mistura destes dois fluídos, formando vapor extremamente rápido. Por essa razão é obrigatório a existência de um sistema de drenagem rápida de água, denominado de ESP (Emergency Shutdown Procedure), que no caso suspeita consistente ou constatação de vazamento de água que possa entrar em contato com o smelt na fornalha deve ser drenada.
A explosão smelt-água pode ser provocada pelo contato de poucos litros de água, que se torna vapor em poucos décimos de segundo. Esta evaporação repentina provoca aumento de volume e uma onda de pressão de cerca de 10 000 - 100 000 Pa.
A operação de drenagem, que apesar de ser uma medida de segurança submete a caldeira a solicitações térmicas e mecânicas consideráveis, devendo a caldeira se inspecionada antes de voltar a operar.
Para exemplificar a diversidade de situações que podem ocorrer, são citadas abaixo variáveis com grande influência sobre o nível de atenção que será requerido por uma dada caldeira após um ESP:*2
- Tempo de uso ou “idade” da caldeira;
- Concepção (especialmente se single-drum ou two-drum);
- Pré-existência de eventuais defeitos subcríticos;
- Histórico operacional;
- Histórico de manutenção e inspeção; avaliações de integridade;
- Etc.

4.2. Produção de dióxido de enxofre e gases de enxofre

A combustão do licor negro na fornalha da caldeira de recuperação tem de ser cuidadosamente controlada. A alta concentração de enxofre exige condições ótimas do processo para evitar a produção de dióxido de enxofre, que altamente tóxico e é um dos principais causadores da chuva ácida, pois, associado à água presente na atmosfera, forma ácido sulfuroso, e reduzir as emissões de gases de enxofre.

Figura 11 – Representação esquemática da formação da chuva ácida
4.3. Explosão de gases combustíveis

O outro tipo de explosão é a explosão de gases combustíveis. Para que isso aconteça o combustível e o ar deve ser misturado antes da ignição. As condições normais ou são um apagão (perda de chama), sem purga de forno ou de operação contínua em um estado estequiométrica. Para detectar os dispositivos de vigilância da chama blackout são instalados, com posterior remoção intertravamento e inicialização. Explosões de gás combustível estão conectadas com a queima de petróleo / gás na caldeira. Como também acompanhamento contínuo de O2 é praticado em praticamente todas as caldeiras, as explosões de gás não combustível têm se tornado muito raro.

...