Dimensionamento dos equipamentos de uma planta para produção de Bicarbonato de Sódio

Dimensionamento dos equipamentos de uma planta para produção de Bicarbonato de...

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Universidade Estadual de Campinas

Faculdade de Engenharia Química

Coordenação de Graduação

Trabalho de Conclusão de Curso

“Dimensionamento dos equipamentos de uma planta para produção de Bicarbonato de Sódio”

Aluno(s): Fernando César Lourenço Miaise 070869

Supervisor(a): Prof. Dr. Sandra Lúcia da Cruz

Campinas – SP

June de 2013

Agradecimentos

Agradeço primeiramente a minha família que sempre esteve presente por mim, meus pais Paulo e Célia, e minha querida irmã Ana, que se esforçaram para me mandar para uma boa universidade e depois me manter nela. Agradeço também a meu avô Célio que sempre esteve presente na minha vida me ajudando. E também agradeço aos que não estão mais presentes mas me marcaram para sempre.

Agradeço em segundo aos meus amigos, por estarem aqui para tornar esses anos na Unicamp tão divertidos, sem vocês não teria graça.

Agradeço finalmente a Unicamp por ter me proporcionado tal experiência e as bases para minha futura vida profissional, em especial aos professores da FEQ por todo o conhecimento compartilhado. E também a minha orientadora, Prof. Dr. Sandra Lúcia da Cruz, pela ajuda e por estar sempre disponível.

Declaração

Declaro para todos os fins que eu, Fernando César Lourenço Miaise, aluno da Faculdade de Engenharia Química, Unicamp, Campinas – SP, sou o autor do trabalho aqui apresentado, sendo as parte extraídas da literatura devidamente referenciadas.

Campinas 10 de Novembro de 2011,

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Fernando César Lourenço Miaise

Resumo

O Bicarbonato de Sódio é uma das substâncias mais populares, presente nas mais diversas formulações, sendo usado desde antiácido até extintor de incêndio. Dessa forma faz-se necessário uma planta eficiente, bem calibrada em que não ocorram perdas e/ou desperdícios. Portanto, esse trabalho teve como meta o projeto de equipamentos de uma planta para produção de Bicarbonato de Sódio a partir de Carbonato de Sódio, Água e Gás Carbônico, pelo processo Solvay.

Atualmente o processo Solvay é usado na produção de Bicarbonato de Sódio, pelo Grupo Solvay, o presente trabalho foi baseado nas informações fornecidas por este Grupo.

Comercializado como BICAR®, o bicarbonato de sódio do grupo Solvay apresenta diferentes especificações, dependendo da área a ser utilizado.

Palavras chave: bicarbonato de sódio, projeto, ASPEN.

Sumário

Sumário de Figuras

Sumario de Tabelas

Nomenclatura

∆P

Perda de Carga

A

Área

A0

Área do orifício

Aa

Área ativa

Ad

Área do vertedor

As

Área ocupada pelo suporte do prato

Asec

Área da seção transversal

At

Área total do prato

AV

Área pela qual o vapor atravessa o prato

CEPCI

Chemical Engineering Plant Cost Index

CF

Coeficiente de inundação

Co

Coeficiente de orifício

D

Diâmetro

Da

Diâmetro do impelidor

do

Diâmetro do orifício

Dt

Largura do tanque

E

Distância entre Impelidor e o fundo do tanque

E

Arraste

f

Fator de atrito de Fanning

g

Aceleração da Gravidade

gc

Constante

H

Altura do líquido no tanque

H

Altura

h

Perda de carga

hD

Perda de carga no orifício

hL

Altura

hR

Perda de carga residual

hT

Perda de carga total no prato

J

Largura da Chicana

L

Largura da pá do Impelidor / Vazão de Líquido

l

Espessura do prato

Lc

Altura da cesta da centrífuga

Mp

Massa do leito

N

Número de Rotações

Np

Número de Potência

P

Potência

Q

Vazão volumétrica

R

Raio do equipamento

Re

Número de Reynolds

Ro

Posição da particulas

t

Espaçamento entre pratos

tperm

Tempo de permanencia

V

Volume / Vazão de Vapor

Va

Velocidade do gás através da área ativa

VF

Velocidade de Inundação

Vo

Velocidade de orifício

Vow

Velocidade de choro

W

Altura do impelidor

W

Comprimento do Vertdouro

Z

Largura média de vazão

α

Parâmetro para o cálculo de CF

β

Parâmetro para o cálculo de CF

μ

Viscosidade Dinamica

ρ

Densidade

σ

Tensão superficial da mistura

  1. Introdução

O Bicarbonato de Sódio tem uma ampla aplicação no cotidiano podendo ser utilizado como antiácido, reagente de laboratório, na eletrodeposição de ouro e platina, em curtumes, no tratamento da lã e da seda, na nutrição de animais, na cerâmica, para a preservação da manteiga e da madeira, é um dos componentes dos talcos e desodorantes e devido à sua propriedade de liberar dióxido de carbono gasoso é muito usado nas receitas de culinária como agente fermentador (fermento químico), para ser utilizado no crescimento das massas de pães, bolos e biscoitos durante o cozimento no forno.

Figura . Bicarbonato de Sódio [1]

O dimensionamento correto dos equipamentos permite um bom ajuste ao processo, gerando uma alta conversão e pureza do produto final, além de diminuir os gastos com perdas, reprocessamento, energia, e etapas de purificação.

O Processo Solvay, Reação 1, para produção do Bicarbonato é um processo industrial criado pelo químico belga Ernest Solvay no século XIX, ele é atualmente responsável pela produção de três quartos da produção mundial de Bicarbonato. Ele se baseia na insolubilidade do bicarbonato de sódio em meios alcalinos a baixas temperaturas, utilizando para isso grandes colunas de saturação gasosa, torres de absorção. [2]

Reação 1

Através do processo Solvay pode-se obter Bicarbonato de Sódio (NaHCO3) tratando uma solução saturada de Carbonato de Sódio (Na2CO3) com gás carbônico (CO2), segundo a Reação 1 e esquematizado na Figura 2, esquema fornecido pela Solvay Portugal.

Figura . Fluxograma para Produção de NaHCO3 [3]

O processo estudado apresenta uma grande variedade de equipamentos, no entanto no presente trabalho serão dimensionados somente quatro deles, o tanque agitado, a coluna de absorção, centrifuga e leito fluidizado para secagem.

Em um tanque agitado, Tanque de Dissolução, é homogeneizada uma solução de Carbonato de Sódio com Água, a temperatura ambiente e pressão de 1 atm. Essa solução segue para uma coluna de absorção, Torre de Carbonatação, entrando pelo topo. Nessa coluna há uma corrente de gás carbônico pressurizado entrando no fundo da coluna, formando um sistema em contra-corrente.

A suspensão com os cristais de Bicarbonato de Sódio formado são então coletados no fundo da coluna e levados a um tanque de decantação, Concentrador. Neste tanque o sobrenadante é retirado e volta ao inicio do processo. A seguir a lama, agora mais concentrada, vai a uma centrífuga, na qual perde quase toda a umidade, a torta obtida possui apenas 8% de umidade. O filtrado obtido retorna também ao inicio do processo.

A torta obtida da centrífuga é posta para secar em um leito fluidizado com ar quente (70º) e seco. As partículas que foram fluidizadas são coletas em um ciclone e são encaminhadas para um silo de armazenagem, neste silo também são armazenadas as partículas secas obtidas no Secador. O ar que sai do ciclone passa por um filtro para evitar que alguma partícula seja liberada na atmosfera.

O produto já seco vai então a uma planta de triagem, em que são separados os diferentes tipos e tamanhos de partícula e embalado. Obtendo-se Bicarbonato de Sódio com cerca de 99,9% de pureza. [4]

Com exceção da coluna de absorção, todos os equipamentos funcionam a pressão ambiente.

2. Objetivos

O trabalho desenvolvido aqui tem como objetivos:

- Projeto e dimensionamento dos equipamentos: Tanque de dissolução, Torre de Carbonatação, Centrifuga e um secador por Leito Fluidizado.

- Simulação do processo no Simulador ASPEN Plus® com as especificações calculadas com base na literatura para confirmação dos cálculos feitos.

- Construção do fluxograma do processo.

- Analise do mercado brasileiro de Bicarbonato de Sódio.

3. Metodologia

Durante a realização desse trabalho foram utilizadas referências conhecidas da literatura na área de engenharia química para o projeto dos equipamentos. Para o processo Solvay foram realizadas pesquisas na literatura tanto sobre os equipamentos quanto as composições e características físicas das correntes.

Usando a literatura foram calculadas as dimensões de cada equipamento e composições, esse valores então foram alimentados no simulador ASPEN Plus®, da empresa AspenTech, com o intuito de confirmar se realmente era possível obter os valores descritos na literatura para a batelada escolhida.

Para o calculo de cada uma das vazões das linhas que resultou no Anexo 8.2. foram realizados balanços de massa simples em cada um dos equipamentos, usando para a resolução deles apenas as condições apresentadas durante o texto, com exceção das corrente 13, 15 e 16 em que foram estimados a massa de partículas que foram transportadas pelo ar. Pode-se ver como esses sistemas foram resolvidos no Anexo 8.3.

As dimensões da centrífuga do processo foram estabelecidas de acordo com um fornecedor especializado, as características da solução a ser filtrada foram fornecidas ao fornecedor e ele indicou qual o melhor equipamento a ser usado, fornecendo as dimensões e condições operacionais. [5]

Também foi utilizado o software VISIO, da empresa Microsoft Office, para desenvolvimento do fluxograma do processo, Anexo 8.1., e o Microsoft Excel, da mesma empresa, para os cálculos baseados em literatura.

4. Revisão bibliográfica

4.1. Tanque agitado

A operação de agitação refere-se à movimentação de líquidos e pastas (estas consideradas como líquidos não-newtonianos) em tanques por meio de dispositivos, cujo objetivo reside, entre outros, no aumento das taxas de transferência de calor e de massa, bem como na facilitação da realização de reações químicas. Pode promover a mistura ou a agitação da(s) substância(s). A mistura envolve, no mínimo, duas fases distintas enquanto que a agitação, por si só, refere-se à movimentação de uma determinada fase, usualmente líquida.

Um tanque agitado é normalmente composto por um tanque propriamente dito, impelidores, responsável por transmitir movimento ao fluido, moto-redutor, castelo, camisas ou serpentinas, chicanas e eixo de escoamento.

O movimento do fluido, ou padrão de fluxo ou de escoamento de um tanque agitado, depende das proporções geométricas do tanque e das características dos acessórios que o compõem. A velocidade do fluido em qualquer ponto do tanque possuir três componentes. Componente radial cuja principal direção de descarga do fluido do impelidor coincide com a direção normal do eixo de acionamento. No fluxo radial o líquido inicialmente é dirigido para a parede do reservatório, ao longo do raio do tanque. Não é tão eficiente quanto o axial, além de necessitar de maior quantidade de energia para gerar o mesmo fluxo que o axial. A componente axial da velocidade é caracterizada por apresentar direção paralela ao eixo de acionamento. Nesse tipo de fluxo, o líquido é dirigido para a base do reator, isto é, paralelo ao eixo do impelidor. São deficientes em gerar turbulência e quebra das bolhas de ar o que os torna indesejáveis para cultivos aerados. A terceira componente é tangencial ou rotacional, que atua na direção tangencial, o que propicia um movimento circular ao redor do eixo de acionamento. Ressalte-se, entretanto que, em maior ou menor grau, tais componentes coexistem simultaneamente, o predomínio de uma ou outra se deve entre outros fatores, ao tipo de impelidor empregado na agitação (vistos com mais detalhes no item 5.2.2.). [6]

4.2. Coluna de absorção

Absorção na química é um fenômeno ou processo físico ou química em que átomos, moléculas ou íons introduzem-se em alguma outra fase, normalmente mais massiva, e fixam-se. O processo pode se dar pela fixação de um gás por um sólido ou um líquido, ou a fixação de um líquido por um sólido.

A substância absorvida se infiltra na substância que absorve, diferentemente da adsorção, já que espécies químicas submetidas à absorção são absorvidas pelo volume, não pela superfície (como no caso de adsorção).

Considere um soluto na forma de vapor, misturado com um gás, a ser chamado de "inerte". Esse nome de inerte deve-se a que ele permanecerá sempre na fase gasosa, não será transportado. Deseja-se remover o soluto da mistura gasosa ou para reaproveitamento ou para evitar que essa mistura seja lançada na atmosfera. A retirada do soluto será feita através de um solvente ou um "reagente químico". No primeiro caso, a remoção dá-se através da solubilidade do soluto no solvente; no outro caso, o soluto reage com o solvente. Dependendo do caso, um ou outro método pode ser mais interessante e econômico.

Outra simplificação, muitas vezes adotada, é considerar que o solvente também seja inerte, isto é, ele permanece na forma de líquido e praticamente não evapora. Essa simplificação, em geral, é aceitável porque a quantidade de solvente que evaporada, quando ocorre, normalmente é desprezível em relação à quantidade de soluto que é absorvido. Assim, temos um inerte no gás e um inerte no líquido, e o único componente que passa de uma fase à outra é o soluto. [7]

No caso estudado, uma coluna de absorção, seguida de reação, ocorre uma grande liberação de calor devido a reação ser exotérmica. Bicarbonato de Sódio não precipita em meios alcalinos e com elevada temperatura, então se faz necessário o controle de temperatura no fundo da coluna, para que não ultrapasse o valor de 40ºC, e os cristais de Bicarbonato possam ser formados.

4.3. Filtração

Filtração é uma operação unitária que promove a interação sólido-fluido, direcionada à separação da fase particulada, por meio do escoamento desta fase através de uma barreira porosa, denominada meio filtrante. Tal barreira é permeável a fase fluida, denominada filtrado, e retém a fase sólida, a qual se acumula progressivamente sobre o meio filtrante, constituindo a torta de filtração. Esta por sua vez, também atuará como meio filtrante e se caracteriza por exibir variação de compactação ao longo de sua estrutura, causada pela percolação de líquido. Trata-se de uma operação comum na indústria química e correlatas.

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