efeito da troca térmica sobre o processo de ustulação para
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Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Ciecircncias e Tecnologia
Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia Quiacutemica
Efeito da troca teacutermica sobre o processo de ustulaccedilatildeo
para produccedilatildeo de zinco metaacutelico
Fabricia Arauacutejo Sales
Campina Grande Paraiacuteba Brasil
copyFabricia Arauacutejo Sales 20 de marccedilo de 2020
Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Ciecircncias e Tecnologia
Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia Quiacutemica
Efeito da troca teacutermica sobre o processo de ustulaccedilatildeo
para produccedilatildeo de zinco metaacutelico
Fabricia Arauacutejo Sales
Dissertaccedilatildeo de Mestrado apresentado agrave Coordenaccedilatildeo do Programa
de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia Quiacutemica da Universidade Fede-
ral de Campina Grande - Campus de Campina Grande como parte
dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Mestre em
Engenharia Quiacutemica
Aacuterea de Concentraccedilatildeo Modelagem e Simulaccedilatildeo
Romildo Pereira Brito DSc
Orientador
Campina Grande Paraiacuteba Brasil
copyFabricia Arauacutejo Sales 20 de marccedilo de 2020
S163e
Sales Fabricia Arauacutejo
Efeito da troca teacutermica sobre o processo de ustulaccedilatildeo para produccedilatildeo
de zinco metaacutelico Fabricia Arauacutejo Sales ndash Campina Grande 2020
84 f il
Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Engenharia Quiacutemica) ndash Universidade
Federal de Campina Grande Centro de Ciecircncias e Tecnologia 2020 Orientaccedilatildeo Prof Dr Romildo Pereira Britordquo
Referecircncias
1 Engenharia Quiacutemica 2 Modelagem e Simulaccedilatildeo 3 Troca
Teacutermica 4 Oacutexido de Zinco 5 Vapor I Brito Romildo Pereira
II Tiacutetulo
CDU 6601-0345(043)
FICHA CATALOGRAacuteFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECAacuteRIA SEVERINA SUELI DA SILVA OLIVEIRA CRB-15225
Dedicatoacuteria
Dedico este trabalho aos meus pais Nilson e Severina
Agradecimentos
A Deus sobre todas as coisas por ter me dado forccedilas nos momentos mais difiacuteceis ao longo
dessa caminhada
Aos meus pais por sempre terem feito o possiacutevel e o impossiacutevel por mim Por sempre
colocarem a minha educaccedilatildeo como prioridade e por fazerem com que eu sempre acreditasse
que soacute eu poderia escolher o meu destino Por todo amor obrigada
A todos da minha famiacutelia que sempre se mostraram compreensivos diante das minhas
ausecircncias principalmente meus irmatildeos Lucas e Flaacutevia
A Gabriel por todo apoio pelo incentivo a sempre entregar o melhor de mim e por me
ajudar nos momentos que mais precisei Obrigada pelo amor e carinho
Aos meus amigos do LARCA em especial Neto Gilvan Girrad e Gladson por terem
acompanhado e compartilhado toda diculdade no decorrer deste trabalho
Aos meus amigos que sempre me apoiaram nas minhas escolhas e tambeacutem compreende-
ram minhas ausecircncias Jeacutessica Juacutelio Cezar Luana Luize Malisson e Samuel
Ao Prof Romildo Pereira Brito pela orientaccedilatildeo e por todos os ensinamentos que vatildeo
aleacutem da vida acadecircmica sempre inspirando a insistir e persistirnos nossos objetivos
Ideias e somente ideias podem iluminar a escuridatildeo
Ludwig von Mises
Resumo
O foco da intensicaccedilatildeo de processos estaacute nos processos que envolvem principalmente sis-
temas liacutequido-liacutequido e gaacutes-liacutequido enquanto as aplicaccedilotildees de manuseio de soacutelidos satildeo mais
limitadas Neste trabalho o objetivo eacute propor um modelo fenomenoloacutegico completo do
processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico com foco na avaliaccedilatildeo do efeito
da troca teacutermica em diferentes pontos do processo visando aumentar a produccedilatildeo de oacutexido
de zinco e a geraccedilatildeo de vapor O modelo implementado no Aspen PlusTM abrange desde a
alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa de resfriamento e lavagem dos gases gerados pelas re-
accedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos Dados de planta foram utilizados para validar os resultados
obtidos pelo modelo Os resultados mostram que o estudo de alternativas que permitam o
aumento da produccedilatildeo de oacutexido de zinco e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar onde ocorre o
aumento da aacuterea de troca teacutermica A anaacutelise de sensibilidade mostrou que sem investimento
de capital as mudanccedilas operacionais possibilitam um aumento de aproximadamente 10
na produccedilatildeo de oacutexido de zinco no entanto implicando uma reduccedilatildeo de aproximadamente
86 na geraccedilatildeo de vapor Com o uso de investimento de capital eacute possiacutevel obter condiccedilotildees
operacionais que aumentam a produccedilatildeo de oacutexido de zinco em ateacute 25 aleacutem da reduccedilatildeo do
consumo de aacutegua na etapa de resfriamento dos gases
Palavras-chave Modelagem e simulaccedilatildeo Troca teacutermica Oacutexido de zinco Vapor
Abstract
Process intensication focuses in processes involving mainly liquid-liquid and gas-liquid sys-
tems while solid handling applications are more limited In this work the main goal is to
propose a complete phenomenological model of the roasting process for metallic zinc pro-
duction emphasizing the evaluation of the thermal exchange eect in dierent points of
the process aiming at increasing the zinc oxide production and steam generation The
model implemented in Aspen PlusTM covers from the roaster feed to the stage of cooling
and washing the gases generated by the sulde oxidation reactions Plant data were used
to validate the model results The results show that the study of alternatives allowing the
increase in zinc oxide production and steam generation must take into consideration where
the enlargement in thermal exchange area happens Sensitivity analysis show that without
capital expenditure operational adjusts make it possible to increase in approximately 10
the zinc oxide production however implying in a decrease of around 86 in steam gener-
ation With capital expenditure it is possible to obtain operating conditions that increase
zinc oxide production up to 25 while also reducing water consumption at the gases cooling
stage
Keywords Modeling and simulation Thermal exchange Zinc oxide Steam
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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WILSON Grant M Vapor-Liquid Equilibrium XI A New Expression for the Excess FreeEnergy of Mixing Journal of the American Chemical Society v 86 n 2 p 127130 1964ISSN 15205126
- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Universidade Federal de Campina Grande
Centro de Ciecircncias e Tecnologia
Programa de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia Quiacutemica
Efeito da troca teacutermica sobre o processo de ustulaccedilatildeo
para produccedilatildeo de zinco metaacutelico
Fabricia Arauacutejo Sales
Dissertaccedilatildeo de Mestrado apresentado agrave Coordenaccedilatildeo do Programa
de Poacutes-Graduaccedilatildeo em Engenharia Quiacutemica da Universidade Fede-
ral de Campina Grande - Campus de Campina Grande como parte
dos requisitos necessaacuterios para a obtenccedilatildeo do grau de Mestre em
Engenharia Quiacutemica
Aacuterea de Concentraccedilatildeo Modelagem e Simulaccedilatildeo
Romildo Pereira Brito DSc
Orientador
Campina Grande Paraiacuteba Brasil
copyFabricia Arauacutejo Sales 20 de marccedilo de 2020
S163e
Sales Fabricia Arauacutejo
Efeito da troca teacutermica sobre o processo de ustulaccedilatildeo para produccedilatildeo
de zinco metaacutelico Fabricia Arauacutejo Sales ndash Campina Grande 2020
84 f il
Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Engenharia Quiacutemica) ndash Universidade
Federal de Campina Grande Centro de Ciecircncias e Tecnologia 2020 Orientaccedilatildeo Prof Dr Romildo Pereira Britordquo
Referecircncias
1 Engenharia Quiacutemica 2 Modelagem e Simulaccedilatildeo 3 Troca
Teacutermica 4 Oacutexido de Zinco 5 Vapor I Brito Romildo Pereira
II Tiacutetulo
CDU 6601-0345(043)
FICHA CATALOGRAacuteFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECAacuteRIA SEVERINA SUELI DA SILVA OLIVEIRA CRB-15225
Dedicatoacuteria
Dedico este trabalho aos meus pais Nilson e Severina
Agradecimentos
A Deus sobre todas as coisas por ter me dado forccedilas nos momentos mais difiacuteceis ao longo
dessa caminhada
Aos meus pais por sempre terem feito o possiacutevel e o impossiacutevel por mim Por sempre
colocarem a minha educaccedilatildeo como prioridade e por fazerem com que eu sempre acreditasse
que soacute eu poderia escolher o meu destino Por todo amor obrigada
A todos da minha famiacutelia que sempre se mostraram compreensivos diante das minhas
ausecircncias principalmente meus irmatildeos Lucas e Flaacutevia
A Gabriel por todo apoio pelo incentivo a sempre entregar o melhor de mim e por me
ajudar nos momentos que mais precisei Obrigada pelo amor e carinho
Aos meus amigos do LARCA em especial Neto Gilvan Girrad e Gladson por terem
acompanhado e compartilhado toda diculdade no decorrer deste trabalho
Aos meus amigos que sempre me apoiaram nas minhas escolhas e tambeacutem compreende-
ram minhas ausecircncias Jeacutessica Juacutelio Cezar Luana Luize Malisson e Samuel
Ao Prof Romildo Pereira Brito pela orientaccedilatildeo e por todos os ensinamentos que vatildeo
aleacutem da vida acadecircmica sempre inspirando a insistir e persistirnos nossos objetivos
Ideias e somente ideias podem iluminar a escuridatildeo
Ludwig von Mises
Resumo
O foco da intensicaccedilatildeo de processos estaacute nos processos que envolvem principalmente sis-
temas liacutequido-liacutequido e gaacutes-liacutequido enquanto as aplicaccedilotildees de manuseio de soacutelidos satildeo mais
limitadas Neste trabalho o objetivo eacute propor um modelo fenomenoloacutegico completo do
processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico com foco na avaliaccedilatildeo do efeito
da troca teacutermica em diferentes pontos do processo visando aumentar a produccedilatildeo de oacutexido
de zinco e a geraccedilatildeo de vapor O modelo implementado no Aspen PlusTM abrange desde a
alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa de resfriamento e lavagem dos gases gerados pelas re-
accedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos Dados de planta foram utilizados para validar os resultados
obtidos pelo modelo Os resultados mostram que o estudo de alternativas que permitam o
aumento da produccedilatildeo de oacutexido de zinco e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar onde ocorre o
aumento da aacuterea de troca teacutermica A anaacutelise de sensibilidade mostrou que sem investimento
de capital as mudanccedilas operacionais possibilitam um aumento de aproximadamente 10
na produccedilatildeo de oacutexido de zinco no entanto implicando uma reduccedilatildeo de aproximadamente
86 na geraccedilatildeo de vapor Com o uso de investimento de capital eacute possiacutevel obter condiccedilotildees
operacionais que aumentam a produccedilatildeo de oacutexido de zinco em ateacute 25 aleacutem da reduccedilatildeo do
consumo de aacutegua na etapa de resfriamento dos gases
Palavras-chave Modelagem e simulaccedilatildeo Troca teacutermica Oacutexido de zinco Vapor
Abstract
Process intensication focuses in processes involving mainly liquid-liquid and gas-liquid sys-
tems while solid handling applications are more limited In this work the main goal is to
propose a complete phenomenological model of the roasting process for metallic zinc pro-
duction emphasizing the evaluation of the thermal exchange eect in dierent points of
the process aiming at increasing the zinc oxide production and steam generation The
model implemented in Aspen PlusTM covers from the roaster feed to the stage of cooling
and washing the gases generated by the sulde oxidation reactions Plant data were used
to validate the model results The results show that the study of alternatives allowing the
increase in zinc oxide production and steam generation must take into consideration where
the enlargement in thermal exchange area happens Sensitivity analysis show that without
capital expenditure operational adjusts make it possible to increase in approximately 10
the zinc oxide production however implying in a decrease of around 86 in steam gener-
ation With capital expenditure it is possible to obtain operating conditions that increase
zinc oxide production up to 25 while also reducing water consumption at the gases cooling
stage
Keywords Modeling and simulation Thermal exchange Zinc oxide Steam
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
S163e
Sales Fabricia Arauacutejo
Efeito da troca teacutermica sobre o processo de ustulaccedilatildeo para produccedilatildeo
de zinco metaacutelico Fabricia Arauacutejo Sales ndash Campina Grande 2020
84 f il
Dissertaccedilatildeo (Mestrado em Engenharia Quiacutemica) ndash Universidade
Federal de Campina Grande Centro de Ciecircncias e Tecnologia 2020 Orientaccedilatildeo Prof Dr Romildo Pereira Britordquo
Referecircncias
1 Engenharia Quiacutemica 2 Modelagem e Simulaccedilatildeo 3 Troca
Teacutermica 4 Oacutexido de Zinco 5 Vapor I Brito Romildo Pereira
II Tiacutetulo
CDU 6601-0345(043)
FICHA CATALOGRAacuteFICA ELABORADA PELA BIBLIOTECAacuteRIA SEVERINA SUELI DA SILVA OLIVEIRA CRB-15225
Dedicatoacuteria
Dedico este trabalho aos meus pais Nilson e Severina
Agradecimentos
A Deus sobre todas as coisas por ter me dado forccedilas nos momentos mais difiacuteceis ao longo
dessa caminhada
Aos meus pais por sempre terem feito o possiacutevel e o impossiacutevel por mim Por sempre
colocarem a minha educaccedilatildeo como prioridade e por fazerem com que eu sempre acreditasse
que soacute eu poderia escolher o meu destino Por todo amor obrigada
A todos da minha famiacutelia que sempre se mostraram compreensivos diante das minhas
ausecircncias principalmente meus irmatildeos Lucas e Flaacutevia
A Gabriel por todo apoio pelo incentivo a sempre entregar o melhor de mim e por me
ajudar nos momentos que mais precisei Obrigada pelo amor e carinho
Aos meus amigos do LARCA em especial Neto Gilvan Girrad e Gladson por terem
acompanhado e compartilhado toda diculdade no decorrer deste trabalho
Aos meus amigos que sempre me apoiaram nas minhas escolhas e tambeacutem compreende-
ram minhas ausecircncias Jeacutessica Juacutelio Cezar Luana Luize Malisson e Samuel
Ao Prof Romildo Pereira Brito pela orientaccedilatildeo e por todos os ensinamentos que vatildeo
aleacutem da vida acadecircmica sempre inspirando a insistir e persistirnos nossos objetivos
Ideias e somente ideias podem iluminar a escuridatildeo
Ludwig von Mises
Resumo
O foco da intensicaccedilatildeo de processos estaacute nos processos que envolvem principalmente sis-
temas liacutequido-liacutequido e gaacutes-liacutequido enquanto as aplicaccedilotildees de manuseio de soacutelidos satildeo mais
limitadas Neste trabalho o objetivo eacute propor um modelo fenomenoloacutegico completo do
processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico com foco na avaliaccedilatildeo do efeito
da troca teacutermica em diferentes pontos do processo visando aumentar a produccedilatildeo de oacutexido
de zinco e a geraccedilatildeo de vapor O modelo implementado no Aspen PlusTM abrange desde a
alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa de resfriamento e lavagem dos gases gerados pelas re-
accedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos Dados de planta foram utilizados para validar os resultados
obtidos pelo modelo Os resultados mostram que o estudo de alternativas que permitam o
aumento da produccedilatildeo de oacutexido de zinco e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar onde ocorre o
aumento da aacuterea de troca teacutermica A anaacutelise de sensibilidade mostrou que sem investimento
de capital as mudanccedilas operacionais possibilitam um aumento de aproximadamente 10
na produccedilatildeo de oacutexido de zinco no entanto implicando uma reduccedilatildeo de aproximadamente
86 na geraccedilatildeo de vapor Com o uso de investimento de capital eacute possiacutevel obter condiccedilotildees
operacionais que aumentam a produccedilatildeo de oacutexido de zinco em ateacute 25 aleacutem da reduccedilatildeo do
consumo de aacutegua na etapa de resfriamento dos gases
Palavras-chave Modelagem e simulaccedilatildeo Troca teacutermica Oacutexido de zinco Vapor
Abstract
Process intensication focuses in processes involving mainly liquid-liquid and gas-liquid sys-
tems while solid handling applications are more limited In this work the main goal is to
propose a complete phenomenological model of the roasting process for metallic zinc pro-
duction emphasizing the evaluation of the thermal exchange eect in dierent points of
the process aiming at increasing the zinc oxide production and steam generation The
model implemented in Aspen PlusTM covers from the roaster feed to the stage of cooling
and washing the gases generated by the sulde oxidation reactions Plant data were used
to validate the model results The results show that the study of alternatives allowing the
increase in zinc oxide production and steam generation must take into consideration where
the enlargement in thermal exchange area happens Sensitivity analysis show that without
capital expenditure operational adjusts make it possible to increase in approximately 10
the zinc oxide production however implying in a decrease of around 86 in steam gener-
ation With capital expenditure it is possible to obtain operating conditions that increase
zinc oxide production up to 25 while also reducing water consumption at the gases cooling
stage
Keywords Modeling and simulation Thermal exchange Zinc oxide Steam
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Dedicatoacuteria
Dedico este trabalho aos meus pais Nilson e Severina
Agradecimentos
A Deus sobre todas as coisas por ter me dado forccedilas nos momentos mais difiacuteceis ao longo
dessa caminhada
Aos meus pais por sempre terem feito o possiacutevel e o impossiacutevel por mim Por sempre
colocarem a minha educaccedilatildeo como prioridade e por fazerem com que eu sempre acreditasse
que soacute eu poderia escolher o meu destino Por todo amor obrigada
A todos da minha famiacutelia que sempre se mostraram compreensivos diante das minhas
ausecircncias principalmente meus irmatildeos Lucas e Flaacutevia
A Gabriel por todo apoio pelo incentivo a sempre entregar o melhor de mim e por me
ajudar nos momentos que mais precisei Obrigada pelo amor e carinho
Aos meus amigos do LARCA em especial Neto Gilvan Girrad e Gladson por terem
acompanhado e compartilhado toda diculdade no decorrer deste trabalho
Aos meus amigos que sempre me apoiaram nas minhas escolhas e tambeacutem compreende-
ram minhas ausecircncias Jeacutessica Juacutelio Cezar Luana Luize Malisson e Samuel
Ao Prof Romildo Pereira Brito pela orientaccedilatildeo e por todos os ensinamentos que vatildeo
aleacutem da vida acadecircmica sempre inspirando a insistir e persistirnos nossos objetivos
Ideias e somente ideias podem iluminar a escuridatildeo
Ludwig von Mises
Resumo
O foco da intensicaccedilatildeo de processos estaacute nos processos que envolvem principalmente sis-
temas liacutequido-liacutequido e gaacutes-liacutequido enquanto as aplicaccedilotildees de manuseio de soacutelidos satildeo mais
limitadas Neste trabalho o objetivo eacute propor um modelo fenomenoloacutegico completo do
processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico com foco na avaliaccedilatildeo do efeito
da troca teacutermica em diferentes pontos do processo visando aumentar a produccedilatildeo de oacutexido
de zinco e a geraccedilatildeo de vapor O modelo implementado no Aspen PlusTM abrange desde a
alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa de resfriamento e lavagem dos gases gerados pelas re-
accedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos Dados de planta foram utilizados para validar os resultados
obtidos pelo modelo Os resultados mostram que o estudo de alternativas que permitam o
aumento da produccedilatildeo de oacutexido de zinco e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar onde ocorre o
aumento da aacuterea de troca teacutermica A anaacutelise de sensibilidade mostrou que sem investimento
de capital as mudanccedilas operacionais possibilitam um aumento de aproximadamente 10
na produccedilatildeo de oacutexido de zinco no entanto implicando uma reduccedilatildeo de aproximadamente
86 na geraccedilatildeo de vapor Com o uso de investimento de capital eacute possiacutevel obter condiccedilotildees
operacionais que aumentam a produccedilatildeo de oacutexido de zinco em ateacute 25 aleacutem da reduccedilatildeo do
consumo de aacutegua na etapa de resfriamento dos gases
Palavras-chave Modelagem e simulaccedilatildeo Troca teacutermica Oacutexido de zinco Vapor
Abstract
Process intensication focuses in processes involving mainly liquid-liquid and gas-liquid sys-
tems while solid handling applications are more limited In this work the main goal is to
propose a complete phenomenological model of the roasting process for metallic zinc pro-
duction emphasizing the evaluation of the thermal exchange eect in dierent points of
the process aiming at increasing the zinc oxide production and steam generation The
model implemented in Aspen PlusTM covers from the roaster feed to the stage of cooling
and washing the gases generated by the sulde oxidation reactions Plant data were used
to validate the model results The results show that the study of alternatives allowing the
increase in zinc oxide production and steam generation must take into consideration where
the enlargement in thermal exchange area happens Sensitivity analysis show that without
capital expenditure operational adjusts make it possible to increase in approximately 10
the zinc oxide production however implying in a decrease of around 86 in steam gener-
ation With capital expenditure it is possible to obtain operating conditions that increase
zinc oxide production up to 25 while also reducing water consumption at the gases cooling
stage
Keywords Modeling and simulation Thermal exchange Zinc oxide Steam
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Agradecimentos
A Deus sobre todas as coisas por ter me dado forccedilas nos momentos mais difiacuteceis ao longo
dessa caminhada
Aos meus pais por sempre terem feito o possiacutevel e o impossiacutevel por mim Por sempre
colocarem a minha educaccedilatildeo como prioridade e por fazerem com que eu sempre acreditasse
que soacute eu poderia escolher o meu destino Por todo amor obrigada
A todos da minha famiacutelia que sempre se mostraram compreensivos diante das minhas
ausecircncias principalmente meus irmatildeos Lucas e Flaacutevia
A Gabriel por todo apoio pelo incentivo a sempre entregar o melhor de mim e por me
ajudar nos momentos que mais precisei Obrigada pelo amor e carinho
Aos meus amigos do LARCA em especial Neto Gilvan Girrad e Gladson por terem
acompanhado e compartilhado toda diculdade no decorrer deste trabalho
Aos meus amigos que sempre me apoiaram nas minhas escolhas e tambeacutem compreende-
ram minhas ausecircncias Jeacutessica Juacutelio Cezar Luana Luize Malisson e Samuel
Ao Prof Romildo Pereira Brito pela orientaccedilatildeo e por todos os ensinamentos que vatildeo
aleacutem da vida acadecircmica sempre inspirando a insistir e persistirnos nossos objetivos
Ideias e somente ideias podem iluminar a escuridatildeo
Ludwig von Mises
Resumo
O foco da intensicaccedilatildeo de processos estaacute nos processos que envolvem principalmente sis-
temas liacutequido-liacutequido e gaacutes-liacutequido enquanto as aplicaccedilotildees de manuseio de soacutelidos satildeo mais
limitadas Neste trabalho o objetivo eacute propor um modelo fenomenoloacutegico completo do
processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico com foco na avaliaccedilatildeo do efeito
da troca teacutermica em diferentes pontos do processo visando aumentar a produccedilatildeo de oacutexido
de zinco e a geraccedilatildeo de vapor O modelo implementado no Aspen PlusTM abrange desde a
alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa de resfriamento e lavagem dos gases gerados pelas re-
accedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos Dados de planta foram utilizados para validar os resultados
obtidos pelo modelo Os resultados mostram que o estudo de alternativas que permitam o
aumento da produccedilatildeo de oacutexido de zinco e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar onde ocorre o
aumento da aacuterea de troca teacutermica A anaacutelise de sensibilidade mostrou que sem investimento
de capital as mudanccedilas operacionais possibilitam um aumento de aproximadamente 10
na produccedilatildeo de oacutexido de zinco no entanto implicando uma reduccedilatildeo de aproximadamente
86 na geraccedilatildeo de vapor Com o uso de investimento de capital eacute possiacutevel obter condiccedilotildees
operacionais que aumentam a produccedilatildeo de oacutexido de zinco em ateacute 25 aleacutem da reduccedilatildeo do
consumo de aacutegua na etapa de resfriamento dos gases
Palavras-chave Modelagem e simulaccedilatildeo Troca teacutermica Oacutexido de zinco Vapor
Abstract
Process intensication focuses in processes involving mainly liquid-liquid and gas-liquid sys-
tems while solid handling applications are more limited In this work the main goal is to
propose a complete phenomenological model of the roasting process for metallic zinc pro-
duction emphasizing the evaluation of the thermal exchange eect in dierent points of
the process aiming at increasing the zinc oxide production and steam generation The
model implemented in Aspen PlusTM covers from the roaster feed to the stage of cooling
and washing the gases generated by the sulde oxidation reactions Plant data were used
to validate the model results The results show that the study of alternatives allowing the
increase in zinc oxide production and steam generation must take into consideration where
the enlargement in thermal exchange area happens Sensitivity analysis show that without
capital expenditure operational adjusts make it possible to increase in approximately 10
the zinc oxide production however implying in a decrease of around 86 in steam gener-
ation With capital expenditure it is possible to obtain operating conditions that increase
zinc oxide production up to 25 while also reducing water consumption at the gases cooling
stage
Keywords Modeling and simulation Thermal exchange Zinc oxide Steam
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Ideias e somente ideias podem iluminar a escuridatildeo
Ludwig von Mises
Resumo
O foco da intensicaccedilatildeo de processos estaacute nos processos que envolvem principalmente sis-
temas liacutequido-liacutequido e gaacutes-liacutequido enquanto as aplicaccedilotildees de manuseio de soacutelidos satildeo mais
limitadas Neste trabalho o objetivo eacute propor um modelo fenomenoloacutegico completo do
processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico com foco na avaliaccedilatildeo do efeito
da troca teacutermica em diferentes pontos do processo visando aumentar a produccedilatildeo de oacutexido
de zinco e a geraccedilatildeo de vapor O modelo implementado no Aspen PlusTM abrange desde a
alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa de resfriamento e lavagem dos gases gerados pelas re-
accedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos Dados de planta foram utilizados para validar os resultados
obtidos pelo modelo Os resultados mostram que o estudo de alternativas que permitam o
aumento da produccedilatildeo de oacutexido de zinco e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar onde ocorre o
aumento da aacuterea de troca teacutermica A anaacutelise de sensibilidade mostrou que sem investimento
de capital as mudanccedilas operacionais possibilitam um aumento de aproximadamente 10
na produccedilatildeo de oacutexido de zinco no entanto implicando uma reduccedilatildeo de aproximadamente
86 na geraccedilatildeo de vapor Com o uso de investimento de capital eacute possiacutevel obter condiccedilotildees
operacionais que aumentam a produccedilatildeo de oacutexido de zinco em ateacute 25 aleacutem da reduccedilatildeo do
consumo de aacutegua na etapa de resfriamento dos gases
Palavras-chave Modelagem e simulaccedilatildeo Troca teacutermica Oacutexido de zinco Vapor
Abstract
Process intensication focuses in processes involving mainly liquid-liquid and gas-liquid sys-
tems while solid handling applications are more limited In this work the main goal is to
propose a complete phenomenological model of the roasting process for metallic zinc pro-
duction emphasizing the evaluation of the thermal exchange eect in dierent points of
the process aiming at increasing the zinc oxide production and steam generation The
model implemented in Aspen PlusTM covers from the roaster feed to the stage of cooling
and washing the gases generated by the sulde oxidation reactions Plant data were used
to validate the model results The results show that the study of alternatives allowing the
increase in zinc oxide production and steam generation must take into consideration where
the enlargement in thermal exchange area happens Sensitivity analysis show that without
capital expenditure operational adjusts make it possible to increase in approximately 10
the zinc oxide production however implying in a decrease of around 86 in steam gener-
ation With capital expenditure it is possible to obtain operating conditions that increase
zinc oxide production up to 25 while also reducing water consumption at the gases cooling
stage
Keywords Modeling and simulation Thermal exchange Zinc oxide Steam
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Resumo
O foco da intensicaccedilatildeo de processos estaacute nos processos que envolvem principalmente sis-
temas liacutequido-liacutequido e gaacutes-liacutequido enquanto as aplicaccedilotildees de manuseio de soacutelidos satildeo mais
limitadas Neste trabalho o objetivo eacute propor um modelo fenomenoloacutegico completo do
processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico com foco na avaliaccedilatildeo do efeito
da troca teacutermica em diferentes pontos do processo visando aumentar a produccedilatildeo de oacutexido
de zinco e a geraccedilatildeo de vapor O modelo implementado no Aspen PlusTM abrange desde a
alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa de resfriamento e lavagem dos gases gerados pelas re-
accedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos Dados de planta foram utilizados para validar os resultados
obtidos pelo modelo Os resultados mostram que o estudo de alternativas que permitam o
aumento da produccedilatildeo de oacutexido de zinco e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar onde ocorre o
aumento da aacuterea de troca teacutermica A anaacutelise de sensibilidade mostrou que sem investimento
de capital as mudanccedilas operacionais possibilitam um aumento de aproximadamente 10
na produccedilatildeo de oacutexido de zinco no entanto implicando uma reduccedilatildeo de aproximadamente
86 na geraccedilatildeo de vapor Com o uso de investimento de capital eacute possiacutevel obter condiccedilotildees
operacionais que aumentam a produccedilatildeo de oacutexido de zinco em ateacute 25 aleacutem da reduccedilatildeo do
consumo de aacutegua na etapa de resfriamento dos gases
Palavras-chave Modelagem e simulaccedilatildeo Troca teacutermica Oacutexido de zinco Vapor
Abstract
Process intensication focuses in processes involving mainly liquid-liquid and gas-liquid sys-
tems while solid handling applications are more limited In this work the main goal is to
propose a complete phenomenological model of the roasting process for metallic zinc pro-
duction emphasizing the evaluation of the thermal exchange eect in dierent points of
the process aiming at increasing the zinc oxide production and steam generation The
model implemented in Aspen PlusTM covers from the roaster feed to the stage of cooling
and washing the gases generated by the sulde oxidation reactions Plant data were used
to validate the model results The results show that the study of alternatives allowing the
increase in zinc oxide production and steam generation must take into consideration where
the enlargement in thermal exchange area happens Sensitivity analysis show that without
capital expenditure operational adjusts make it possible to increase in approximately 10
the zinc oxide production however implying in a decrease of around 86 in steam gener-
ation With capital expenditure it is possible to obtain operating conditions that increase
zinc oxide production up to 25 while also reducing water consumption at the gases cooling
stage
Keywords Modeling and simulation Thermal exchange Zinc oxide Steam
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Abstract
Process intensication focuses in processes involving mainly liquid-liquid and gas-liquid sys-
tems while solid handling applications are more limited In this work the main goal is to
propose a complete phenomenological model of the roasting process for metallic zinc pro-
duction emphasizing the evaluation of the thermal exchange eect in dierent points of
the process aiming at increasing the zinc oxide production and steam generation The
model implemented in Aspen PlusTM covers from the roaster feed to the stage of cooling
and washing the gases generated by the sulde oxidation reactions Plant data were used
to validate the model results The results show that the study of alternatives allowing the
increase in zinc oxide production and steam generation must take into consideration where
the enlargement in thermal exchange area happens Sensitivity analysis show that without
capital expenditure operational adjusts make it possible to increase in approximately 10
the zinc oxide production however implying in a decrease of around 86 in steam gener-
ation With capital expenditure it is possible to obtain operating conditions that increase
zinc oxide production up to 25 while also reducing water consumption at the gases cooling
stage
Keywords Modeling and simulation Thermal exchange Zinc oxide Steam
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Lista de Figuras
21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) 22
22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto 24
23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo 25
24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa 27
31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004] 32
41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelo
termodinacircmico 39
42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua 43
43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo 45
44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM 48
45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM 50
46 Implementaccedilatildeo do ustulador 52
47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 54
48 Implementaccedilatildeo da scrubber 56
49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados 58
51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito 62
52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 63
53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua de
circulaccedilatildeo 64
54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubber
em funccedilatildeo da vazatildeo de ar 65
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo da
vazatildeo de ar 65
56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveis
selecionadas 67
57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave
jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo 71
58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na
recirculaccedilatildeo da scrubber 74
59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica do
novo trocador de calor 75
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Lista de Tabelas
21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil 20
41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O 44
42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM 45
43 Componentes utilizados na modelagem 49
44 Dados de entrada para o caso base 51
45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador 53
46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo 55
47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber 57
48 Validaccedilatildeo do modelo 57
51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo 61
52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo 66
53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I) 67
54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo 68
55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I) 69
56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II) 70
57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II) 72
58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III) 76
59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III) 76
510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas 78
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Lista de siacutembolos e abreviaturas
JO2Coeciente de difusatildeo do O2 27
PO2Pressatildeo parcial do oxigecircnio 26
PSO2Pressatildeo parcial do dioacutexido de enxofre 26
CAPEX Custo de investimento (do inglecircs Capital Expenditure) 68
CFD Fluidodinacircmica computacional (do inglecircs Computational Fluid Dynamics) 16
CISOLID Conventional Inert Solid 41
DRX Difraccedilatildeo de raio-X 30
DTA Anaacutelise teacutermica diferencial 30
DTGA Anaacutelise termogravimeacutetrica derivada 31
LME Bolsa de Metais de Londres (do inglecircs London Metal Exchange) 20
MEV Microscopia eletrocircnica de varredura 31
PFD Diagrama de uxo de processo (do inglecircs Process Flow Diagram) 17
RLE Ustulaccedilatildeo-Lixiviaccedilatildeo-Eletroacutelise (do inglecircs Roast-Leach-Electrowin) 16
TGA Anaacutelise termogravimeacutetrica 30
U Coeciente global de transferecircncia de calor 70
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
Sumaacuterio
1 Introduccedilatildeo 15
11 Objetivo geral 17
12 Objetivos especiacutecos 17
13 Organizaccedilatildeo 17
2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 19
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa 19
22 Ustulaccedilatildeo 22
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo 25
24 Consideraccedilotildees nais 29
3 Descriccedilatildeo do problema 30
31 Principais abordagens 30
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo 33
33 Consideraccedilotildees nais 35
4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 37
41 Ambiente de simulaccedilatildeo 37
42 Modelos termodinacircmicos 38
421 Peng-Robinson 40
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL) 42
43 Meacutetodos numeacutericos 44
431 Meacutetodo da Secante 46
432 Meacutetodo de Broyden 46
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA) 47
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM) 48
441 Ustulador 51
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo 53
443 Scrubber 55
45 Validaccedilatildeo do modelo 57
46 Consideraccedilotildees Finais 59
5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 60
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo 60
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador 66
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo 70
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber 73
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica
no processo de ustulaccedilatildeo 77
56 Consideraccedilotildees Finais 79
6 Conclusatildeo 80
Referecircncias bibliograacutecas 82
15
Capiacutetulo 1
Introduccedilatildeo
O desenvolvimento de ferramentas cada vez mais modernas para o monitoramento e controle
de processos industriais traz consigo a posibilidade de tornar as induacutestrias energeticamente
mais ecientes e consequentemente mais competitivas No caso dos processos metaluacutergicos
fatores como a crescente demanda pelo aumento de produtividade aliado agrave reduccedilatildeo do
consumo energeacutetico e agraves restriccedilotildees ambientais satildeo os principais motivadores para a busca
por alternativas que permitam realizar tais melhorias
A metalurgia como um todo ainda eacute uma aacuterea pouco explorada pela engenharia de
processos Isso signica que as soluccedilotildees desenvolvidas tecircm como caracteriacutestica principal
anaacutelises pontuais sem a investigaccedilatildeo do impacto que alteraccedilotildees em um ponto da planta
pode gerar no restante do processo Nesse contexto uma abordagem desse tipo de processo
sob a oacutetica da engenharia de quiacutemica eacute apresentada neste trabalho Como estudo de caso
foi utilizado o processo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico de uma induacutestria do Brasil mais
especicamente a etapa da ustulaccedilatildeo que consiste em um tratamento do mineacuterio sulfetado
A versatilidade do zinco metaacutelico (Zn) lhe assegura uma posiccedilatildeo privilegiada no mer-
cado dada a sua aplicabilidade que se estende da induacutestria automotiva ateacute a farmacecircutica
passando pela utilizaccedilatildeo em eletrodomeacutesticos torres de transmissatildeo eleacutetrica tintas e re-
vestimentos Aleacutem destas o zinco se destaca pela sua propriedade anticorrosiva (muito
explorada por sideruacutergicas) e pela facilidade de combinaccedilatildeo com outros metais
A produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas hidrometaluacutergica e a
pirometaluacutergica A primeira opccedilatildeo eacute a rota tradicional que inclui o processo Roast-Leach-
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 16
Electrowin (RLE) apresentando como uma das principais vantagens a obtenccedilatildeo do metal
com elevado grau de pureza [FENEAU 2002] Enquanto isso a rota pirometaluacutergica eacute uma
opccedilatildeo menos utilizada atualmente que faz uso de alto fornos para realizar a reduccedilatildeo do
oacutexido de zinco e produzir o vapor de zinco que eacute condensado para obtenccedilatildeo do zinco metaacutelico
A mesma induacutestria para a qual esse estudo foi desenvolvido patenteou uma modicaccedilatildeo
no processo RLE que viabiliza o tratamento do concentrado silicatado [SOUZA MENDES
2001] para a produccedilatildeo de zinco pela rota hidrometaluacutergica e atualmente utiliza os dois
tipos de concentrado (sulfetado e silicatado) simultaneamente
A ustulaccedilatildeo exerce a funccedilatildeo de oxidar os sulfetos presentes no concentrado sulfetado
sendo conduzida em fornos ustuladores e operando a temperaturas elevadas onde ar e
oxigecircnio (O2) satildeo injetados para promover as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo [BALARINI et al 2008]
Dessa forma eacute onde ocorre a transformaccedilatildeo do sulfeto de zinco (ZnS) em oacutexido de zinco
(ZnO) o qual eacute encaminhado para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e eletroacutelise
Processos envolvendo ustulaccedilatildeo satildeo caracterizados pela geraccedilatildeo de um grande volume
de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma caldeira
de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para atender outras
aacutereas da planta nesse caso autoclaves e lixiviaccedilotildees Uma vez que se dispensa a utilizaccedilatildeo
de combustiacuteveis foacutesseis para a geraccedilatildeo desse vapor o mesmo tambeacutem eacute denominado como
vapor verde Portanto um aumento na alimentaccedilatildeo de concentrado sulfetado pode reetir
natildeo soacute na produccedilatildeo nal de zinco como tambeacutem na disponibilidade de vapor da planta
uma vez que o vapor gerado nessa etapa atende em torno de 30 da demanda total do
processo
Os estudos relacionados agrave ustulaccedilatildeo normalmente tecircm focado em questotildees associadas
agrave alimentaccedilatildeo do ustulador uma vez que eacute comum a utilizaccedilatildeo de diversos tipos de con-
centrados sulfetados em um mesmo processo Aleacutem disso eacute comum observar a abordagem
de problemas que se referem ao forno isoladamente como a uidizaccedilatildeo do leito por exem-
plo Entre as abordagens avaliadas destacam-se black box Fluidodinacircmica Computacional
(CFD) loacutegica Fuzzy e trabalhos experimentais
Nesse contexto esse trabalho tem como motivaccedilatildeo o desenvolvimento de alternativas
que permitam tornar a metalurgia extrativa do zinco mais sustentaacutevel atuando natildeo soacute
no aumento de produtividade da etapa da ustulaccedilatildeo mas na autossuciecircncia do processo
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 17
produtivo do zinco em termos de consumo de vapor A partir modelagem da etapa da
ustulaccedilatildeo que abrange desde o forno ustulador ateacute a limpeza dos gases foram levantados
cenaacuterios com diferentes combinaccedilotildees de condiccedilotildees operacionais tornando possiacutevel avaliar
o impacto que alteraccedilotildees na alimentaccedilatildeo e na capacidade de troca teacutermica da ustulaccedilatildeo
exerceraacute no processo como um todo
11 Objetivo geral
Avaliar o efeito da troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco metaacutelico
12 Objetivos especiacutecos
Os objetivos especiacutecos desejados com a realizaccedilatildeo deste trabalho satildeo os listados a seguir
bull Implementar e validar o modelo fenomenoloacutegico do processo de ustulaccedilatildeo em ambiente
simulado (Aspen PlusTM)
bull Estudar as variaacuteveis com maior inuecircncia em pontos importantes do processo para
serem avaliadas na anaacutelise de sensibilidade
bull Propor e implementar alteraccedilotildees no Process Flow Diagram (PFD) com foco no au-
mento da aacuterea de troca teacutermica do processo
bull Avaliar a performance das conguraccedilotildees propostas em termos de produtividade de
oacutexido de zinco (ZnO) e geraccedilatildeo de vapor por meio de uma anaacutelise de sensibilidade
comparando ao caso base
13 Organizaccedilatildeo
Este texto estaacute organizado da seguinte maneira no Capiacutetulo 2 eacute apresentada uma visatildeo geral
do processo produtivo do zinco e mais especicamente da etapa de ustulaccedilatildeo no Capiacutetulo 3
se discorre a respeito dos limitadores do processo de ustulaccedilatildeo com foco na capacidade
de troca teacutermica aleacutem disso satildeo apresentadas as principais abordagens da literatura no
Capiacutetulo 1 Introduccedilatildeo 18
tratamento de concentrados sulfetados no Capiacutetulo 4 satildeo discutidos os detalhes relacionados
agrave implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do modelo desenvolvido no Capiacutetulo 5 satildeo apresentados os
criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem a anaacutelise de sensibilidade assim como as
novas conguraccedilotildees propostas em prol do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e
otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes do processo por m satildeo reunidas todas as conclusotildees
a respeito do trabalho desenvolvido aleacutem das oportunidades identicadas para trabalhos
futuros
19
Capiacutetulo 2
Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do
zinco metaacutelico
Neste capiacutetulo eacute apresentado de modo resumido o contexto em que o processo de ustulaccedilatildeo
estaacute inserido o que inclui a ocorrecircncia propriedades e as formas de extraccedilatildeo do zinco Satildeo
descritas as diferenccedilas entre os tipos de processo utilizados para o processamento desse
metal assim como as tecnologias pertencentes agrave cada classicaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo
eacute dedicada agrave descriccedilatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo com destaque para algumas questotildees
relacionadas agraves reaccedilotildees e aos aspectos termodinacircmicos desta etapa
21 Fontes de zinco e metalurgia extrativa
O zinco (Zn) pode ser encontrado na natureza na forma de diversos mineacuterios e comumente
apresenta-se associado a sulfetos de chumbo (Pb) ferro (Fe) e cobre (Cu) por exemplo Os
mineacuterios sulfetados satildeo denidos como ocorrecircncias primaacuterias de zinco sendo responsaacuteveis
por cerca de 90 da produccedilatildeo mundial de concentrado [CORTEZ 2002]
O mineacuterio na forma de sulfeto pode sofrer transformaccedilotildees na zona de oxidaccedilatildeo e formar
oacutexidos carbonatos e silicatos dando origem agraves chamadas ocorrecircncias secundaacuteriasde zinco
geralmente encontradas em depoacutesitos superciais [FEIJoacute 2007] A Tabela 21 apresenta os
principais mineacuterios de zinco encontrados no Brasil e seus respectivos teores de zinco ( Zn)
As reservas brasileiras representam apenas 12 das reservas mundiais e possuem em
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 20
Tabela 21 Principais mineacuterios de zinco do Brasil
Mineral Componentes Zn (em mol)
Esfarelita ZnS 670
Willemita Zn2SiO4 590
Franklinita (ZnFeMn)(FeMn)O4 150 a 200
Calamina Zn4Si2O7(OH)2H2O 542
Fonte adaptado de Cortez [2002]
torno de 65 milhotildees de toneladas de zinco contido no mineacuterio Essas reservas apesar de
distribuiacutedas entre os estados de Minas Gerais Bahia Mato Grosso e Rio Grande do Sul
concentram-se principalmente nos municiacutepios de Vazante (MG) e Paracatu (MG) onde se
observa 862 das ocorrecircncias conhecidas do Brasil Os depoacutesitos de Vazante satildeo de mineral
oxidado willemita e calamina com teores de zinco variando entre 16 e 39 (em massa)
e as reservas de Paracatu satildeo de mineacuterio sulfetado (esfalerita) com teor de cerca de 5 (em
massa) de zinco contido [NEVES C A R 2010 CORTEZ 2002]
O fato do zinco ser um produto negociado no mercado nanceiro mundial mais especi-
camente pela Bolsa de Metais de Londres (LME) o dene como uma commodity Ou seja
natildeo haacute uma diferenciaccedilatildeo entre o zinco proveniente de diferentes induacutestrias o que torna o
mercado pulverizado e sujeito a um cenaacuterio mundial de negociaccedilatildeo
Entre as aplicaccedilotildees possiacuteveis para o zinco metaacutelico destacam-se sua grande facilidade de
combinaccedilatildeo com outros metais para a fabricaccedilatildeo de ligas e o seu uso na galvanizaccedilatildeo de accedilos
estruturais folhas chapas dentre outros Aleacutem destas sua aplicaccedilatildeo tambeacutem se estende agrave
construccedilatildeo civil induacutestria automobiliacutestica eletrodomeacutesticos e agrave induacutestria farmacecircutica
Apesar de natildeo haver uma uniformidade no conceito que se refere agraves formas de extraccedilatildeo
do zinco com base nos trabalhos de Souza [2005] Feijoacute [2007] e Boyanov Peltekov e Petkova
[2014] eacute possiacutevel armar que a produccedilatildeo de zinco pode ser realizada por duas rotas distintas
pirometaluacutergica e a hidrometaluacutergica Como dito anteriormente a rota hidrometaluacutergica
inclui o processo RLE praticado por mais de 85 das plantas de zinco do mundo e que
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 21
seraacute abordado com mais detalhes neste trabalho Para cada uma dessas rotas existem
tecnologias especiacutecas que satildeo detalhadas por Souza [2005] e Feijoacute [2007] e listadas a seguir
bull Processo Roast-Leach-Electrowin (RLE) tem como principais etapas a ustulaccedilatildeo li-
xiviaccedilatildeo e eletroacutelise para a extraccedilatildeo do zinco Por conta disso tambeacutem eacute conhecido
como processo eletroliacutetico apresentando como principal vantagem a obtenccedilatildeo do
metal com elevado grau de pureza [FENEAU 2002]
bull Processo Integrado Silicato-Sulfeto tecnologia patenteada por Souza e Mendes [2001]
na verdade implica em uma alteraccedilatildeo do processo RLE e atualmente eacute utilizada apenas
por uma planta no mundo localizada no Brasil
bull Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) apesar de estar em desuso eacute uma tecno-
logia pertencente agrave rota pirometaluacutergica que tambeacutem inclui a etapa de ustulaccedilatildeo
Entretanto ao inveacutes do ZnO seguir para as etapas de lixiviaccedilatildeo e eletroacutelise (como no
processo RLE) o mesmo eacute reduzido por carvatildeo em um forno Imperial Smelting para
produzir o zinco metaacutelico na forma de gaacutes e em seguida ser condensado em um banho
de chumbo liacutequido
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo Direta Atmosfeacuterica (ZDL) trata-se de uma tecnologia onde
o concentrado sulfetado eacute tratado com uma soluccedilatildeo rica em ferro (III) advinda da
etapa de lixiviaccedilatildeo aacutecida do processo RLE A etapa de oxidaccedilatildeo do ferro eacute realizada
em condiccedilotildees atmosfeacutericas com oxigecircnio (O2) de alta pureza
bull Processo de Lixiviaccedilatildeo sob Pressatildeo (ZPL) segue a mesma premissa da tecnologia de
lixiviaccedilatildeo direta entretanto diferencia-se pelo fato das reaccedilotildees serem conduzidas em
vasos de pressatildeo Aleacutem disso destaca-se pelo consumo de O2 que chega a ser o dobro
da quantidade utilizada no processo de lixiviaccedilatildeo direta atmosfeacuterica
bull Processo Zincex Modicado (MZP) assim como no caso do processo integrado silicato-
sulfeto esse caso tambeacutem consiste em uma alteraccedilatildeo do processo RLE onde a etapa de
puricaccedilatildeo eacute substituiacuteda por uma etapa de extraccedilatildeo por solventes para a puricaccedilatildeo
do licor concentrado obtido apoacutes a lixiviaccedilatildeo aacutecida
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 22
Com base nas alternativas mais utilizadas para a produccedilatildeo de zinco com exceccedilatildeo do
Processo Imperial Smelting Furnace (ISF) as outras tecnologias compreendem alteraccedilotildees
que possuem como referecircncia o processo RLE Nesse sentido a Figura 21 apresenta um
esquema simplicado das etapas desse processo e que seraacute detalhado na proacutexima seccedilatildeo
como foco na etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 21 Fluxograma simplicado do processo Roast-Leach-Electrowin (RLE)
Fonte Souza [2005]
22 Ustulaccedilatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo estudado neste trabalho estaacute inserido no processo de produccedilatildeo
de zinco Integrado Silicato-Sulfeto o que faz da etapa de ustulaccedilatildeo um ponto ainda mais
importante para a sustentabilidade do processo
A ustulaccedilatildeo corresponde a um processo de oxidaccedilatildeo de sulfetos geralmente conduzido
em fornos ustuladores e que atingem elevadas temperaturas [BALARINI et al 2008] Esta
etapa tem como funccedilatildeo transformar o concentrado constituiacutedo principalmente de sulfeto
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 23
de zinco em oacutexido de zinco (ZnO) que seguiraacute para as etapas de lixiviaccedilatildeo puricaccedilatildeo e
eletroacutelise
Uma das principais caracteriacutesticas de processos de ustulaccedilatildeo eacute a geraccedilatildeo de um grande
volume de gases SO2 a altas temperaturas os quais geralmente satildeo direcionados para uma
caldeira de recuperaccedilatildeo com o objetivo de gerar uma parte do vapor necessaacuterio para a opera-
ccedilatildeo da planta Nesse caso especiacuteco o vapor advindo da ustulaccedilatildeo atende parte da demanda
das autoclaves e lixiviaccedilotildees A Figura 22 apresenta uma diagrama de blocos do processo
Integrado Silicato-Sulfeto onde eacute possiacutevel observar que aleacutem do concentrado sulfetado esse
processo tambeacutem utiliza simultaneamente uma segunda mateacuteria-prima denominada de
concentrado silicatado e que apresenta na sua composiccedilatildeo os mineacuterios willemita e calamina
Nesse processo o maior consumidor de vapor eacute a aacuterea das autoclaves responsaacutevel pela
solubilizaccedilatildeo do magneacutesio presente no concentrado silicatado Sendo assim o papel da etapa
de ustulaccedilatildeo vai aleacutem da produccedilatildeo do ZnO uma vez que a mesma fornece em torno de 30
da demanda de vapor da planta e gera os gases SO2 que ao serem encaminhados para a
faacutebrica de aacutecido satildeo convertidos em SO3 e na sequecircncia em H2SO4 a ser utilizado nas
etapas de lixiviaccedilatildeo
A ustulaccedilatildeo ocorre de modo a garantir o contato do concentrado sulfetado com o ar en-
riquecido com O2 que aleacutem de garantir a uidizaccedilatildeo do leito eacute o responsaacutevel pela promoccedilatildeo
das reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo caracterizadas pela alta liberaccedilatildeo de energia Uma vez iniciado o
processo eacute autoacutegeno ou seja nenhum calor externo eacute necessaacuterio devido agrave natureza exoteacuter-
mica das reaccedilotildees
Do ponto de vista de processo o forno de ustulaccedilatildeo consiste em um reator de leito
uidizado que aleacutem de possuir uma grelha por onde passa o ar necessaacuterio conta com uma
serpentina que auxilia no resfriamento do forno Outra estrateacutegia utilizada em conjunto com
a serpentina para o controle de temperatura do forno eacute a adiccedilatildeo de aacutegua (H2O) diretamente
no leito
De acordo com a literatura o controle de temperatura utilizando injeccedilatildeo direta de aacutegua
eacute uma praacutetica comum se tratando de fornos ustuladores como mostram os trabalhos de
Themelis e Freeman [1984] e Taskinen et al [2008] Sendo assim convencionou-se que
enquanto a quantidade de aacutegua adicionada no leito varia em funccedilatildeo da temperatura o
enriquecimento do ar com O2 eacute funccedilatildeo do balanccedilo de massa do enxofre (S) na forma de ZnS
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 24
Figura 22 Diagrama de blocos do processo Integrado Silicato-Sulfeto
Fonte Elaborada pelo autor
no ustulado
Apoacutes o ustulador a caldeira de recuperaccedilatildeo garante o aproveitamento do calor dos gases
gerados durante as reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo para a geraccedilatildeo de vapor saturado Aleacutem disso uma
quantidade consideraacutevel de particulados (ustulado) acompanha esses gases que seguem para
a caldeira os quais tambeacutem satildeo recuperados a partir de batedores existentes no interior da
mesma juntamente com os ciclones e os precipitadores eletrostaacuteticos localizados na saiacuteda
da caldeira A preocupaccedilatildeo em retirar esses soacutelidos justica-se por dois motivos recuperar
a maior quantidade possiacutevel de ustulado e promover a limpeza dos gases que alimentaratildeo a
scrubber
O desaerador eacute responsaacutevel por remover os gases natildeo condensaacuteveis como O2 e dioacutexido
de carbono (CO2) presentes na aacutegua que alimenta a caldeira responsaacuteveis pelo aumento da
corrosatildeo Aleacutem disso o desaerador possibilita o preacute-aquecimento da aacutegua antes de alimentar
o vaso de vapor que tem como funccedilatildeo separar a aacutegua nas fases liacutequida e vapor visto que
as correntes de saiacuteda da serpentina do forno e da caldeira de recuperaccedilatildeo satildeo bifaacutesicas
Os gases produzidos na ustulaccedilatildeo apoacutes a passagem pela caldeira de recuperaccedilatildeo ciclones
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 25
e precipitadores eletrostaacuteticos satildeo direcionados para a scrubber com o intuito de reduzir
a temperatura atraveacutes do contato direto com aacutegua para que estes possam seguir para a
faacutebrica de aacutecido para a produccedilatildeo de H2SO4 A Figura 23 apresenta o uxograma mais
detalhado da etapa de ustulaccedilatildeo
Figura 23 Fluxograma simplicado do processo de ustulaccedilatildeo
Forno Ustulador
Caldeira de recuperaccedilatildeo
Resfriadorrotativo
Moinho de bolas
Ciclone
Desaerador
Tubulatildeo de vapor
Vapor
Aacutegua
Aacutegua desmineralizada
ZnO
Concentrado
Purga
Gases
Aacutegua direta
Oxigecircnio
Aacutegua de resfriamentoAr
Precipitador eletrostaacutetico
Makeup Gases para afaacutebrica de aacutecido
Purga
Aacutegua de recirculaccedilatildeo
Scrubber
Fonte Elaborada pelo autor
23 Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
A versatilidade do processo de ustulaccedilatildeo para o tratamento de diferentes mineacuterios exige o
entendimento de alguns aspectos quiacutemicos e termodinacircmicos considerados relevantes Nesse
caso destaca-se o sistema Zn-S-O utilizado na avaliaccedilatildeo das regiotildees de estabilidade de
diferentes fases do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
O primeiro ponto a ser levado em consideraccedilatildeo eacute o fato de que a performance da ustu-
laccedilatildeo natildeo estaacute condicionada apenas agrave composiccedilatildeo mineraloacutegica e elementar do concentrado
sulfetado temperatura e agraves da pressotildees parciais do O2 SO2 e SO3 de modo que paracirc-
metros como granulometria tempo de reaccedilatildeo e o tipo do ustulador tambeacutem afetaratildeo as
caracteriacutesticas do ustulado
Aleacutem desses fatores como mencionado anteriormente a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo enri-
quecida com O2 eacute manipulada com base na quantidade de enxofre presente no meio Somado
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 26
a isso o grau de eliminaccedilatildeo do enxofre tambeacutem depende do grau de anidade dos elemen-
tos minerais pelo enxofre ou pelo oxigecircnio Por exemplo o sulfeto de ferro (FeS) pode ser
oxidado porque o ferro tem mais anidade pelo oxigecircnio do que pelo enxofre enquanto isso
um mineral como o sulfeto de cobre (CuS) tenderaacute a aparecer em maior quantidade no
ustulado como sulfeto devido agrave maior anidade do cobre pelo enxofre do que pelo oxigecircnio
[SHAMSUDDIN 2016]
Um dos recursos utilizados tanto na induacutestria como nos estudos desse tipo de processo
satildeo os Diagramas de Aacutereas de Predominacircncia (PAD) tambeacutem conhecidos como Diagramas
de Kellogg A partir destes eacute possiacutevel avaliar as condiccedilotildees necessaacuterias para a formaccedilatildeo de
diferentes produtos assim como as relaccedilotildees de equiliacutebrio no sistema
A partir do diagrama apresentado na Figura 24 pode-se observar que diferentes produtos
satildeo formados (sulfetos oacutexidos sulfatos e silicatos) em condiccedilotildees consideradas tiacutepicas de um
processo de ustulaccedilatildeo de zinco Esses diagramas tambeacutem permitem visualizar as fases
estaacuteveis para diferentes componentes com base em variaacuteveis como a temperatura e as
pressotildees parciais do O2 (PO2) e do SO2 (PSO2
) No caso da Figura 24 Nyberg [2004]
destaca que a aacuterea oval representa as condiccedilotildees tiacutepicas de operaccedilatildeo do forno avaliado aleacutem
de armar que uma reduccedilatildeo na temperatura resultaraacute na formaccedilatildeo de ZnSO4 como seraacute
discutido a seguir
No caso da ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo do zinco o principal mineacuterio presente no con-
centrado eacute a esfarelita entretanto eacute natural que existam outros componentes aleacutem do ZnS
como CuS FeS FeS2 PbS dentre outros De acordo com Shamsuddin [2016] quanto maior
a variedade de sulfetos presentes no concentrado mais complexos seratildeo os mecanismos das
reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Entretanto estudos como o de Boyanov Peltekov e Pet-
kova [2014] apresentam os mecanismos de reaccedilotildees mais comuns nesse tipo de processo As
reaccedilotildees que apresentam Mecomo reagente ou produto satildeo representaccedilotildees gerais vaacutelidas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 27
Figura 24 Diagrama de Predominacircncia para o sistema Zn-O-S com a pressatildeo do O2 xa
Fonte Nyberg [2004]
para os metais que geralmente estatildeo presentes junto com ZnS no concentrado sulfetado
2 ZnS + 3O2 2ZnO + 2SO2 (21)
MeS +32O2 MeO + SO2 (22)
ZnS + 2O2 ZnSO4 (23)
MeS + 2O2 MeSO4 (24)
MeO + SO3 MeSO4 (25)
2 SO2 + O2 2 SO3 (26)
A principal reaccedilatildeo caracteriacutestica do processo de ustulaccedilatildeo para a produccedilatildeo de zinco
eacute representada por (21) Ao se considerar que essas reaccedilotildees podem ser limitadas pelos
fenocircmenos de difusatildeo interna ou pela reaccedilatildeo na superfiacutecie da partiacutecula por exemplo para
que essa reaccedilatildeo ocorra eacute essencial que pelo menos trecircs moleacuteculas de O2 cheguem agrave interface
para formar duas moleacuteculas de dioacutexido de enxofre O coeciente de difusatildeo do O2 (JO2) eacute
maior que o das moleacuteculas de SO2 mas sempre existe uma razatildeo miacutenima entre as pressotildees
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 28
parciais do O2 e SO2 (PO2PSO2
) na atmosfera fora da partiacutecula de concentrado Portanto
essa relaccedilatildeo miacutenima deve ser mantida de modo que a mesma seja sempre superior ao valor
de equiliacutebrio Tal fato justica a importacircncia da relaccedilatildeo entre a quantidade de O2 no ar de
uidizaccedilatildeo e a quantidade de enxofre na mateacuteria-prima
De modo geral a ustulaccedilatildeo do sulfeto de zinco eacute realizada em temperaturas entre 900 e
980degC para produzir oacutexido de zinco (ZnO) [NYBERG 2004] Tendo isso em vista Shamsud-
din [2016] arma que a taxa de oxidaccedilatildeo dos sulfetos tende a ser muito lenta em temperaturas
abaixo de 700degC Em temperaturas ainda mais baixas ocorre a formaccedilatildeo dos sulfatos re-
presentada por (23) (24) e (25) Em contrapartida devido ao calor adicional liberado
pelas outras reaccedilotildees a temperatura do meio se eleva ateacute que a maior parte dos sulfatos seja
decomposta de maneira que esses sulfatos para o caso avaliado representam menos de 2
da composiccedilatildeo do ustulado
De acordo com Boyanov Peltekov e Petkova [2014] a ocorrecircncia de outras reaccedilotildees
secundaacuterias tambeacutem eacute possiacutevel como a formaccedilatildeo das ferritas e silicatos dadas por
ZnO + Fe2O3 ZnFe2O4 (27)
2 ZnO + SiO2 Zn2SiO4 (28)
O alto teor de ferro (Fe) no concentrado eacute um dos paracircmetros utilizados para denir
a qualidade da mateacuteria-prima uma vez que um alto percentual de Fe no mineacuterio tende
a facilitar a formaccedilatildeo das ferritas formas muito estaacuteveis e pouco soluacuteveis do ferro que satildeo
indesejadas no processo produtivo do zinco devido ao impacto negativo na taxa de lixiviaccedilatildeo
de zinco [BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Vale ressaltar que a formaccedilatildeo das ferritas tambeacutem depende muito da natureza fiacutesica
do mineacuterio Visto que se o mineacuterio apresentar na sua composiccedilatildeo mineraloacutegica o ZnS e o
FeS separadamente estes se oxidaratildeo formando Fe2O3 e ZnO de maneira que a formaccedilatildeo
da ferrita precisaraacute de mais tempo para ocorrer ao longo do processo Por outro lado se
o mineacuterio original possuir em uma mesma estrutura o ZnS e o FeS a formaccedilatildeo de ferrita
seraacute favorecida Cortez [2002] arma que experimentalmente chegou-se a resultados que
demonstram uma menor formaccedilatildeo de ferrita de zinco para o caso de processos de ustulaccedilatildeo
que ocorrem de maneira mais raacutepida e com temperaturas mais elevadas
Capiacutetulo 2 Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico 29
24 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo foi apresentada uma visatildeo geral do processo de ustulaccedilatildeo incluindo desde
as formas de ocorrecircncia do zinco ateacute as particularidades sob a oacutetica termodinacircmica e rea-
cional do processo Foram explicadas as diferenccedilas entre as rotas de produccedilatildeo do zinco as
tecnologias mais utilizadas atualmente assim como a importacircncia da etapa de ustulaccedilatildeo no
processo Integrado Silicato-Sulfeto O intuito ao fazer essa introduccedilatildeo das particularidades
do processo a ser estudado eacute que ao assimilar a forma como ele opera atualmente isso
sirva de base para compreender melhor as mudanccedilas que seratildeo propostas neste trabalho e
o impacto que elas podem causar
Em seguida foram apresentados o diagrama de predominacircncia para o sistema Zn-S-O e
os principais mecanismos reacionais com foco especial nas condiccedilotildees que levam agrave formaccedilatildeo
das ferritas produto tido como indesejado ustulaccedilatildeo do zinco
No capiacutetulo a seguir o problema abordado neste trabalho eacute descrito assim como as
principais metodologias que vecircm sendo aplicadas de acordo com a literatura disponiacutevel
tomando como base a introduccedilatildeo desenvolvida neste capiacutetulo
30
Capiacutetulo 3
Descriccedilatildeo do problema
Neste capiacutetulo eacute apresentado um levantamento das principais abordagens do processo de
ustulaccedilatildeo do zinco encontradas na literatura com destaque para questotildees como controle de
temperatura e uidodinacircmica do ustulador estrateacutegias de blendagem e paracircmetros cineacuteticos
das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Em seguida uma seccedilatildeo eacute dedicada agrave descriccedilatildeo do problema
abordado no trabalho e a partir da visatildeo geral do processo descrita no capiacutetulo anterior
satildeo destacadas as motivaccedilotildees para cada conguraccedilatildeo proposta com foco no aumento da aacuterea
de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
31 Principais abordagens
A blendagem adequada do concentrado a ser alimentado no ustulador eacute um tema recor-
rente em trabalhos focados na metalurgia extrativa do zinco [BOYANOV SANDALSKI
IVANOV 2011 BOYANOV PELTEKOV PETKOVA 2014]
Devido agrave utilizaccedilatildeo de diversos tipos de concentrados em uma mesma campanha Boya-
nov Sandalski e Ivanov [2011] realizaram um estudo de caracterizaccedilatildeo por diferentes meacute-
todos e a partir da utilizaccedilatildeo de softwares para o caacutelculo e prognoacutestico da composiccedilatildeo
quiacutemica assim como das proporccedilotildees de mistura o estudo propotildee condiccedilotildees que levam ao
aprimoramento de iacutendices econocircmicos ainda que haja variaccedilotildees no concentrado alimentado
Nessa mesma linha com base em teacutecnicas de DRX DTA TGA e Moumlssbauer Boyanov
Peltekov e Petkova [2014] avaliaram diferentes tipos de concentrados com foco no teor de
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 31
ferro (Fe) com o objetivo de denir condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo que minimizassem a presenccedila
de ferritas (ZnFe2O4) no ustulado uma vez que essas espeacutecies dicultam a lixiviaccedilatildeo do zinco
nas etapas subsequentes do processo RLE
Aleacutem das condiccedilotildees de alimentaccedilatildeo adotadas na ustulaccedilatildeo outro ponto de interesse
se refere agrave ocorrecircncia das reaccedilotildees no leito uidizado Em Marzoughi et al [2018] foram
investigados os mecanismos e a cineacutetica das reaccedilotildees para a ustulaccedilatildeo de um concentrado de
esfalerita Para isso foram realizados experimentos onde se avaliou o efeito do tempo e da
temperatura no grau de oxidaccedilatildeo atraveacutes de aquecimento isoteacutermico e natildeo isoteacutermico Para
o ajuste dos dados os autores adotaram o modelo de encolhimento de nuacutecleo Devido agrave
abordagem experimental do problema tambeacutem foram utilizadas anaacutelises termogravimeacutetricas
(TGA) e termogravimeacutetricas derivadas (DTGA)
Outra abordagem que vem sendo utilizada nos problemas envolvendo a ustulaccedilatildeo faz uso
da uidodinacircmica computacional (CFD) alternativa amplamente aplicada para o ajuste de
paracircmetros (granulometria massa especiacuteca das partiacuteculas velocidade de uidizaccedilatildeo dentre
outros) que garantam um alto grau de conversatildeo das reaccedilotildees de ustulaccedilatildeo Trabalhos como
o de Dash Mohanty e Mishra [2017] avaliaram a possibilidade de se alcanccedilar um aumento
de conversatildeo das reaccedilotildees do processo de ustulaccedilatildeo a partir da modelagem e simulaccedilatildeo de
um forno ustulador em CFD O estudo teve como objetivo avaliar o comportamento das
partiacuteculas com menor granulometria considerando diferentes vazotildees de alimentaccedilatildeo e o
efeito que a utilizaccedilatildeo de um ar de uidizaccedilatildeo enriquecido com O2 exerce sobre conversatildeo
do ZnS em ZnO
Ainda sobre a granulometria do concentrado Balarini et al [2008] desenvolveu um estudo
que tambeacutem teve como base teacutecnicas de difraccedilatildeo de raio-X (DRX) e microscopia eletrocircnica
de varredura (MEV) para a caracterizaccedilatildeo do concentrado sulfetado e do ustulado de
modo que foi identicada uma relaccedilatildeo direta entre os tamanhos das partiacuteculas dos mineacuterios
sulfetados com a ocorrecircncia de ustulaccedilatildeo incompleta
Com base em um ponto de vista focado na termodinacircmica do processo Safarzadeh
e Howard [2018] desenvolveram um novo tipo de diagrama para expressar as relaccedilotildees de
equiliacutebrio do sistema metal-enxofre-oxigecircnio (M-S-O) denominado Roaster diagrams onde
um dos casos avaliados eacute justamente o sistema Zn-S-O De acordo com os autores embora
os diagramas de aacuterea de predominacircncia (PADs) que jaacute satildeo consolidados sejam uacuteteis para
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 32
a determinaccedilatildeo das fases estaacuteveis nesse tipo de sistema um diagrama mais uacutetil seria aquele
que mostra as aacutereas de estabilidade de diferentes fases em funccedilatildeo da temperatura e do
percentual de oxigecircnio dos gases que saem do ustulador uma vez que esses satildeo paracircmetros
que o metalurgista pode manipular durante a operaccedilatildeo
Em termos de controle Nyberg [2004] realizou a caracterizaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
e a partir disso propocircs uma estrateacutegia de controle baseada em loacutegica fuzzy tendo como
principal objetivo aumentar a produccedilatildeo de ustulado por meio da otimizaccedilatildeo da taxa de
tratamento dos gases gerados O autor destaca a importacircncia de se controlar a temperatura
do ustulador e a quantidade de O2 no leito aleacutem de enfatizar o impacto que a performance
da caldeira de recuperaccedilatildeo exerce no grau de liberdade para manipulaccedilatildeo de variaacuteveis do
ustulador A Figura 31 mostra um esquema com a estrateacutegia de controle desenvolvida
Figura 31 Esquema da estrateacutegia de controle desenvolvida por Nyberg [2004]
Fonte Adaptada de Nyberg [2004]
Com o mesmo objetivo Taskinen et al [2008] propocircs um sistema de controle avanccedilado
de um forno ustulador de leito uidizado utilizando modelos de seacuteries temporais de modo
que seja possiacutevel maximizar a alimentaccedilatildeo de concentrado mantendo os paracircmetros ope-
racionais do forno dentro dos limites O sistema de controle proposto baseia-se em um
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 33
modelo dinacircmico e preditivo com paracircmetros determinados experimentalmente utilizando
o MATLABSIMULINK
Com exceccedilatildeo do trabalho de Nyberg [2004] em geral os trabalhos mencionados demons-
tram uma forte tendecircncia em realizar estudos focados exclusivamente no ustulador de modo
que natildeo satildeo investigados os impactos que as alteraccedilotildees propostas podem gerar na caldeira
de recuperaccedilatildeo e na limpeza de gases por exemplo As estrateacutegias propostas por Nyberg
[2004] e Taskinen et al [2008] estatildeo alinhadas com o que eacute abordado neste trabalho ou
seja o aumento da vazatildeo de concentrado no ustulador Nesse sentido este trabalho tem
como objetivo o desenvolvimento de um modelo fenomenoloacutegico que consiga responder como
algumas variaacuteveis chaves no processo de ustulaccedilatildeo se comportaratildeo mediante modicaccedilotildees
nos cenaacuterios de alimentaccedilatildeo e a partir deste propor modicaccedilotildees que permitam o aumento
da produccedilatildeo de ZnO via concentrado como descrito na proacutexima seccedilatildeo
32 Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
No capiacutetulo anterior foi apresentada uma descriccedilatildeo mais detalhada do processo de ustulaccedilatildeo
com destaque para a Figura 23 que mostra desde a alimentaccedilatildeo do ustulador ateacute a etapa
de limpeza dos gases realizada na scrubber O modelo desenvolvido neste trabalho tambeacutem
se estenderaacute ateacute a etapa de limpeza dos gases em virtude dos pontos criacuteticos identicados
e discutidos a seguir
A etapa de ustulaccedilatildeo pertencente ao processo Integrado Silicato-Sulfeto especicamente
apresenta como um dos seus principais problemas a diculdade em encontrar alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado sem comprometer a operaccedilatildeo da planta
equipamentos e produccedilatildeo Obviamente o aumento da produccedilatildeo de ustulado soacute eacute possiacutevel
atraveacutes do aumento da vazatildeo de concentrado para o forno ustulador entretanto conside-
rando que um aumento de alimentaccedilatildeo de concentrado tem como consequecircncia a elevaccedilatildeo
das temperaturas ao longo do processo a diculdade em realizar essa modicaccedilatildeo eacute limitada
pela capacidade de resfriamento do ustulador e de outras partes do processo
Conforme citado anteriormente a injeccedilatildeo de aacutegua diretamente sobre o leito eacute uma praacutetica
comum nas induacutestrias Poreacutem o aumento da vazatildeo de aacutegua para controle da temperatura
do forno ustulador eacute limitado pela capacidade de resfriamento da scrubber visto que uma
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 34
maior quantidade de aacutegua sobre o leito uidizado eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de
gaacutes que sai do ustulador e segue ateacute a scrubber Diante disso com o objetivo de mitigar
problemas na scrubber uma estrateacutegia utilizada atualmente para o controle de temperatura
no caso do processo para o qual o modelo foi desenvolvido eacute substituir cerca de 25 em
massa da alimentaccedilatildeo do forno ustulador com o ustulado jaacute produzido que no caso de ser
utilizado para esses ns tambeacutem eacute denominado como carga fria
Ao se considerar essa praacutetica de utilizar carga fria como estrateacutegia para o controle de
temperatura a primeira proposta de modicaccedilatildeo avaliada corresponde a uma alteraccedilatildeo no
proacuteprio ustulador onde se analisa o impacto que um aumento da aacuterea de troca teacutermica da
serpentina pode trazer para o processo mediante uma reduccedilatildeo de carga fria e consequente-
mente o aumento da vazatildeo de concentrado
Outro ponto chave no processo de ustulaccedilatildeo eacute a operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
As temperaturas de entrada e saiacuteda dos gases que passam pela caldeira satildeo diretamente
afetadas pelo cenaacuterio de alimentaccedilatildeo do ustulador Portanto uma vez que ocorra alguma
elevaccedilatildeo de temperatura no ustulador dadas as condiccedilotildees limites de operaccedilatildeo da caldeira
esse efeito seraacute observado nos gases que saem da caldeira e seguem para a scrubber
Diante disso a segunda conguraccedilatildeo avaliada consiste na inclusatildeo de um trocador de
calor entre a caldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber de modo que os gases que saem da
caldeira sejam utilizados para preacute-aquecer a aacutegua de circulaccedilatildeo utilizada na serpentina e na
caldeira Sendo assim tem-se como objetivo quanticar a capacidade de aumento da vazatildeo
de concentrado desde que os gases de entrada da scrubber estejam em uma temperatura
que respeite a capacidade de resfriamento da mesma
A terceira e uacuteltima conguraccedilatildeo se refere agrave etapa de limpeza dos gases uma vez que
um aumento da temperatura na alimentaccedilatildeo da torre resultaraacute em uma maior temperatura
nos gases que saem pelo topo da mesma Tal alteraccedilatildeo implica no aumento da umidade dos
gases o que natildeo eacute recomendado devidos aos diversos problemas que podem ser causados agrave
jusante desse ponto da faacutebrica como a possibilidade de corrosatildeo na faacutebrica de aacutecido
Em virtude disso nessa conguraccedilatildeo tem-se como objetivo avaliar a capacidade de au-
mento da vazatildeo de concentrado diante da inclusatildeo de um trocador de calor na aacutegua de
recirculaccedilatildeo da proacutepria torre manipulando em paralelo a vazatildeo de makeup de aacutegua de
resfriamento
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 35
Ao se denir as propostas de alteraccedilotildees no processo de ustulaccedilatildeo o estudo do efeito da
troca teacutermica em diferentes pontos do processo levou em consideraccedilatildeo diversos cenaacuterios de
alimentaccedilatildeo onde fosse possiacutevel reduzir gradativamente a contribuiccedilatildeo de carga fria na
alimentaccedilatildeo do ustulador
Em resumo o presente trabalho se propotildee a avaliar a ustulaccedilatildeo sob a oacutetica da engenharia
de processos onde seja possiacutevel aprofundar questotildees que apesar de serem abordadas pela
literatura ainda satildeo tratadas de maneira pontual com foco especial no ustulador Aleacutem
disso eacute importante ressaltar que a motivaccedilatildeo de se avaliar o aumento de produtividade
com foco na etapa de ustulaccedilatildeo eacute justicada pela abertura de uma nova mina que forneceraacute
concentrado sulfetado Dessa forma o trabalho natildeo implica apenas uma otimizaccedilatildeo do
ponto de vista energeacutetico eou de produccedilatildeo uma vez que passou a ser uma necessidade de
ajuste agraves novas demandas da planta para a qual o trabalho foi desenvolvido
Os resultados das simulaccedilotildees foram validados a partir de dados de planta em termos de
temperatura vazatildeo e composiccedilatildeo e permitiu avaliar a sensibilidade do processo agrave quatro
variaacuteveis decisivas vazatildeo de concentrado vazatildeo de carga fria vazatildeo de ar para uidizaccedilatildeo
do leito e a aacuterea de troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo A manipu-
laccedilatildeo simultacircnea dessas variaacuteveis gerou uma matriz com centenas de cenaacuterios operacionais
tornando possiacutevel avaliar aqueles que resultam em aumento de produccedilatildeo de ZnO e de vapor
33 Consideraccedilotildees nais
Neste capiacutetulo com base na literatura jaacute existente acerca dos toacutepicos previamente citados
neste capiacutetulo e nos problemas identicados na proacutepria operaccedilatildeo da planta sob estudo
deseja-se propor modicaccedilotildees na etapa de ustulaccedilatildeo do processo Integrado Silicato-Sulfeto
de modo que se torne posssiacutevel o aumento da produccedilatildeo de ZnO e vapor via concentrado O
objetivo central eacute aumentar a capacidade de resfriamento do processo a partir de alternativas
que exijam um baixo custo de investimento para que se torne possiacutevel a elevaccedilatildeo da vazatildeo
de concentrado alimentada ao ustulador
A partir das abordagens apresentadas tambeacutem foi explicada a motivaccedilatildeo para se realizar
um trabalho com um enfoque voltado para a engenharia de processos demonstrando que
uma visatildeo global do processo pode responder questotildees que ainda natildeo foram aprofundadas
Capiacutetulo 3 Descriccedilatildeo do problema 36
devido ao fato das atenccedilotildees na maioria dos trabalhos estarem voltadas para o ustulador
isoladamente Aleacutem disso foram denidas as justicativas para cada conguraccedilatildeo que seraacute
avaliada
No capiacutetulo a seguir eacute realizada a apresentaccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo desenvolvido e
que seraacute utilizado para propor as modicaccedilotildees incluindo detalhes relacionados aos meacutetodos
numeacutericos modelos termodinacircmicos e as variaacuteveis de validaccedilatildeo do modelo
37
Capiacutetulo 4
Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
Neste capiacutetulo satildeo apresentadas as etapas para a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo do
processo de ustulaccedilatildeo utilizado neste trabalho Primeiramente eacute apresentada e justicada
a escolha do ambiente de simulaccedilatildeo Em seguida satildeo explicados os criteacuterios para a de-
niccedilatildeo dos modelos termodinacircmicos para cada parte do processo assim como as estrateacutegias
utilizadas para a escolha dos meacutetodos numeacutericos responsaacuteveis pela resoluccedilatildeo dos balanccedilos
de massa e energia do processo como um todo Na sequecircncia satildeo mostradas as rotinas ado-
tadas para a implementaccedilatildeo do modelo de forma que seja possiacutevel representar os principais
fenocircmenos desde o ustulador ateacute a limpeza dos gases Por m o modelo eacute validado usando
dados de planta que foram fornecidos
41 Ambiente de simulaccedilatildeo
Um dos principais criteacuterios para a escolha de uma ferramenta em detrimento de outra eacute
o tipo de resposta que se busca para solucionar um determinado problema A escolha do
ambiente de simulaccedilatildeo teve como prioridade garantir a avaliaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo
de maneira global mas ainda assim ser possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com o
niacutevel de detalhe necessaacuterio para viabilizar a implementaccedilatildeo da melhor alternativa
O simulador escolhido foi o Aspen PlusTM software amplamente utilizado para mode-
lar matematicamente processos quiacutemicos se mostrando como uma ferramenta poderosa na
resoluccedilatildeo de problemas criacuteticos de engenharia de processos que podem surgir desde a con-
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 38
cepccedilatildeo de um novo projeto ateacute a otimizaccedilatildeo das operaccedilotildees de um processo jaacute consolidado
Para isso este simulador se vale de relaccedilotildees fundamentais da engenharia quiacutemica como
balanccedilos de massa e energia equiliacutebrio de fase e quiacutemico e cineacutetica das reaccedilotildees Uma vez
que todos esses equacionamentos satildeo tratados de maneira acoplada satildeo obtidos modelos
complexos que exigem a utilizaccedilatildeo de estrateacutegias de convergecircncia especiacutecas como sugerir
cortes oacutetimos no uxo de informaccedilotildees meacutetodos numeacutericos adequados para cada etapa de
resoluccedilatildeo e estabelecer a sequecircncia de resoluccedilatildeo para uxogramas que necessitam realizar a
recirculaccedilatildeo de dados
Outro criteacuterio levado em consideraccedilatildeo foi o fato do Aspen PlusTM apresentar como uma
de suas principais caracteriacutesticas um extenso banco de dados com modelos de propriedades
fiacutesicas e quiacutemicas meacutetodos de estimativa e modelos termodinacircmicos Tais fatores satildeo tidos
como essenciais para uma boa representatividade do modelo principalmente em situaccedilotildees
onde eacute preciso prever comportamentos fora da idealidade como eacute o caso do processo de
ustulaccedilatildeo
Aleacutem da possibilidade de desenvolver modelos fenomenoloacutegicos para diversos tipos de
processo o simulador se destaca pela sua interface graacuteca que permite o usuaacuterio inserir os
dados de entrada necessaacuterios de maneira bastante intuitiva As representaccedilotildees graacutecas dos
equipamentos assim como a facilidade de conectaacute-los com correntes de processo permitem
uma visatildeo global do processo e consequentemente um melhor entendimento de como as
variaacuteveis podem estar correlacionadas
Por m era desejaacutevel que uma vez concluiacuteda a etapa de modelagem e validaccedilatildeo fosse
possiacutevel denir novos cenaacuterios de operaccedilatildeo com ou sem modicaccedilotildees no uxograma do
processo Nesse sentido o Aspen PlusTM permite realizar essas alteraccedilotildees assim como as
anaacutelises de sensibilidade para gerar convenientemente as tabelas e os graacutecos que mos-
tram como o desempenho do processo varia com mudanccedilas realizadas nas especicaccedilotildees dos
equipamentos e nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo selecionadas
42 Modelos termodinacircmicos
A primeira etapa no desenvolvimento de um modelo no Aspen PlusTM eacute a deniccedilatildeo dos com-
ponentes e do modelo termodinacircmico que deve ser utilizado para calcular as propriedades
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 39
termodinacircmicas e de transporte Sendo assim eacute essencial que se realize um estudo preacutevio
do processo em questatildeo para que a escolha do modelo termodinacircmico seja realizada da me-
lhor maneira Para auxiliar nessa escolha o simulador tambeacutem oferece uma assistecircncia de
modo que baseado em algumas caracteriacutesticas chaves do processo o mesmo sugere as op-
ccedilotildees consideradas mais adequadas A Figura 41 apresenta um diagrama com as principais
caracteriacutesticas que o Aspen PlusTM solicita para a sugestatildeo de modelos termodinacircmicos ou
como tambeacutem satildeo conhecidos das equaccedilotildees de estado
Figura 41 Diagrama com opccedilotildees fornecidas pelo Aspen PlusTM para escolha do modelotermodinacircmico
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
De modo geral as equaccedilotildees de estado cuacutebicas aplicadas na representaccedilatildeo do comporta-
mento PVT das fases liacutequida e vapor precisam abranger uma larga faixa de temperatura e
pressatildeo Aleacutem disso natildeo devem ser complexas a ponto de gerar diculdades numeacutericas ou
analiacuteticas durante sua utilizaccedilatildeo Portanto equaccedilotildees polinomiais que satildeo cuacutebicas no volume
molar precisam equilibrar generalidade e simplicidade para possibilitar diversas aplicaccedilotildees
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 40
[SMITH NESS ABBOTT 2013]
As equaccedilotildees de estado geralmente expressam a pressatildeo como a soma de dois termos
uma pressatildeo de repulsatildeo (PR) e uma pressatildeo de atraccedilatildeo (PA) como mostrado na equaccedilatildeo
(41)
P = PR + PA (41)
PR =RT
V minus b(42)
PA = minus a
g(V )(43)
Onde g(V ) eacute funccedilatildeo do volume molar V
A primeira equaccedilatildeo cuacutebica uacutetil para essa nalidade foi proposta por van der Waals
em 1873 e eacute dada pela equaccedilatildeo (44) Desde entatildeo muitos autores propuseram variaccedilotildees
dessa relaccedilatildeo a exemplo de Redlich-Kwong Wilson Soave-Redlich-Kwong Peng-Robinson
dentre outros
P =RT
V minus bminus a
V 2(44)
421 Peng-Robinson
A equaccedilatildeo (45) foi proposta por Peng e Robinson [1976] e teve como objetivo aprimorar
a precisatildeo dos valores de densidade gerados para a fase liacutequida bem como as pressotildees de
vapor e as proporccedilotildees de equiliacutebrio Ateacute entatildeo os valores de densidade para a fase liacutequida
apresentavam desvios signicativos dos valores reais mesmo com as equaccedilotildees de estado jaacute
existentes sendo capazes de calcular valores de densidade para a fase vapor considerados
aceitaacuteveis
P =RT
V minus bminus a(T )
V (V + b) + b(V minus b)(45)
A equaccedilatildeo 45 tambeacutem pode ser reescrita da seguinte forma
Z3 minus (1minusB)Z2 + (Aminus 3B2 minus 2B)Z minus (AB minusB2 minusB3) = 0 (46)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 41
Onde
A =aP
R2T 2(47)
B =bP
RT(48)
Z =PV
RT(49)
Ao se aplicar 45 no ponto criacutetico satildeo obtidas as seguintes expressotildees
a(Tc) = 0 45724R2T 2
c
Pc(410)
b(Tc) = 0 07780RTcPc
(411)
Zc = 0 307 (412)
A equaccedilatildeo (45) manteacutem o padratildeo das equaccedilotildees de estado apresentando um termo
referente agrave pressatildeo de repulsatildeo e o outro agrave pressatildeo de atraccedilatildeo Ao se comparar as equaccedilotildees
(44) e (45) eacute possiacutevel observar que o segundo termo mais especicamente a funccedilatildeo g(V )
foi modicada
De acordo com Peng e Robinson [1976] ao se escolher uma funccedilatildeo adequada para g(V )
o fator criacutetico de compressibilidade previsto pode se aproximar de um valor mais realista
Aleacutem disso esse cuidado ao se propor novas modicaccedilotildees permitem ampliar a aplicabilidade
dessas equaccedilotildees a pressotildees mais altas melhorando signicativamente a previsatildeo de pressotildees
de vapor para substacircncias puras e consequentemente as razotildees de equiliacutebrio para misturas
Uma vez que o processo de ustulaccedilatildeo envolve as fases liacutequida vapor e soacutelida eacute importante
destacar a forma com que o simulador considera as questotildees relacionadas ao comportamento
termodinacircmico No caso do Aspen PlusTM ao se incluir soacutelidos convencionais (CISOLID)
no modelo isto eacute com foacutermula quiacutemica bem denida os mesmos natildeo participam dos caacutel-
culos de equiliacutebrio Dessa forma o modelo termodinacircmico deve ser escolhido com base nos
componentes convencionais que se encontram nas fases liacutequida e vapor
A escolha do modelo de Peng-Robinson para prever o comportamento PVT do processo
de ustulaccedilatildeo se mostrou ser a opccedilatildeo mais adequada devido ao processo ser submetido agrave
altas pressotildees de modo que o mesmo eacute responsaacutevel pela correccedilatildeo dos desvios em relaccedilatildeo agrave
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 42
idealidade das fases
422 Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
O modelo NRTL foi desenvolvido por Renon e Prausnitz [1968] e teve como premissa um
dos conceitos introduzidos por Wilson [1964] o qual arma que em uma soluccedilatildeo liacutequida
composiccedilotildees locais diferentemente da composiccedilatildeo global da mistura satildeo supostamente
responsaacuteveis pelas orientaccedilotildees moleculares natildeo-aleatoacuterias e interaccedilotildees de curto alcance que
resultam de diferenccedilas no tamanho molecular e nas forccedilas intermoleculares Aleacutem disso
Wilson [1964] mostrou que o excesso de energia de Gibbs poderia ser convenientemente
expresso por uma funccedilatildeo algeacutebrica da composiccedilatildeo local
Seguindo essa mesma linha a equaccedilatildeo NRTL contendo trecircs paracircmetros para um sistema
binaacuterio eacute dada por
GE
x1x2RT=
G21τ21x1 + x2G21
+G12τ12
x2 + x1G12
lnγ1 = x22
[τ21
(G21
x1 + x2G21
)2
+G12τ12
(x2 + x1G12)2
]
lnγ2 = x21
[τ12
(G12
x2 + x1G12
)2
+G21τ21
(x1 + x2G21)2
]G12 = eminusατ12
G21 = eminusατ21
τ12 =b12RT
τ21 =b21RT
Os paracircmetros α b12 e b21 satildeo especiacutecos para um par de particular de espeacutecies aleacutem
de serem independentes da composiccedilatildeo e da temperatura Os valores dos coecientes de
atividade (γ1 e γ2) em uma condiccedilatildeo de diluiccedilatildeo innita satildeo fornecidos pelas equaccedilotildees
apresentadas a seguir [SMITH NESS ABBOTT 2013]
lnγinfin1 = τ21 + τ12eminusατ12 (413)
lnγinfin2 = τ21 + τ12eminusατ12 (414)
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 43
Apesar da escolha do modelo de Peng-Robinson para representar o comportamento ter-
modinacircmico da maior parte do processo de ustulaccedilatildeo a inclusatildeo da etapa de limpeza dos
gases mais especicamente da scrubber exigiu a escolha de um modelo termodinacircmico
especiacuteco para a representar o comportamento das propriedades fiacutesicas relacionadas aos
fenocircmenos de transferecircncia de massa e energia durante o resfriamento dos gases Essa ne-
cessidade ocorreu por duas razotildees as diferenccedilas nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo em termos de
pressatildeo entre o conjunto ustuladorcaldeira de recuperaccedilatildeo e a scrubber e a solubilidade do
SO2 em aacutegua paracircmetro este que exerce bastante inuecircncia no que se refere aos fenocircmenos
envolvidos no contato direto entre o gaacutes e a aacutegua
Dessa forma foram testados diferentes modelos termodinacircmicos disponiacuteveis no Aspen
PlusTM tomando como referecircncia o valor da solubilidade de SO2 em aacutegua agrave 20degC apresen-
tado no trabalho de Martins e De Andrade [2002] A Figura 42 apresenta o comportamento
da solubilidade do SO2 em funccedilatildeo da temperatura da aacutegua para os seguintes modelos termo-
dinacircmicos UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB e AMINES Pelos pers obtidos ao
se comparar com o comportamento apresentado por Martins e De Andrade [2002] percebe-
se que os trecircs primeiros modelos apresentam um comportamento semelhante enquanto os
dois uacuteltimos natildeo tecircm nenhuma representatividade do processo
Figura 42 Pers de solubilidade do SO2 em aacutegua
0 10 20 30 400
50
100
150
200
250
300
Solu
bilid
ade
(g S
O2
kg H
2O)
Temperatura da aacutegua (ordmC)
UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES Literatura
Fonte Martins e De Andrade [2002]
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 44
Na Tabela 41 eacute apresentada a comparaccedilatildeo para certicar qual eacute o meacutetodo mais indicado
ou seja qual apresenta o menor desvio com o valor teoacuterico
Tabela 41 Comparaccedilatildeo dos valores de solubilidade do SO2 em H2O
Literatura UNIQUAC NRTL UNIFAC PENG-ROB AMINES
Solubilidade1066 11353 10474 11174 607 935
(gSO2kgH2O)
Desvio - 65 17 48 943 912
Fonte Martins e De Andrade [2002]
O modelo NRTL apresentou o menor desvio quando comparado com o valor obtido pela
literatura Os valores apresentados na Tabela 41 mostram que o valor da solubilidade
teoacuterico obtido foi de 1066 g SO2kg H2O enquanto o fornecido pelo NRTL foi igual a
10474 g SO2kg H2O o que signica um desvio de 17 Portanto o NRTL foi o modelo
termodinacircmico utilizado para a modelagem da scrubber
43 Meacutetodos numeacutericos
O modo de resoluccedilatildeo do Aspen PlusTM eacute sequencial modular ou seja os resultados calcu-
lados para um bloco satildeo utilizados como informaccedilotildees de entrada para o bloco seguinte
Entretanto para que essa sequecircncia seja estabelecida primeiramente o simulador escolhe
automaticamente as chamadas Tear streams geralmente correntes de reciclo onde informa-
ccedilotildees como a vazatildeo total molar vazatildeo por componente pressatildeo e entalpia satildeo determinadas
a cada iteraccedilatildeo
Como dito anteriormente uma das estrateacutegias do Aspen PlusTM para a resoluccedilatildeo dos ba-
lanccedilos de massa e energia dos uxogramas eacute a realizaccedilatildeo de cortes no uxo de informaccedilotildees
o que gera os blocos de convergecircncia Esses blocos satildeo denidos de forma que se priorize a
convergecircncia das Tear streams Design Specs e os problemas de otimizaccedilatildeo (Optimization)
Os blocos de convergecircncia determinam como as estimativas para as Tear streams ou das
variaacuteveis manipuladas nos Design Specs satildeo atualizadas de iteraccedilatildeo para iteraccedilatildeo Dessa
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 45
forma eacute determinada uma sequecircncia que inclui todas as unidades de operaccedilatildeo e os blocos
de convergecircncia [ASPEN TECHNOLOGY 2000]
A Tabela 42 apresenta os meacutetodos numeacutericos escolhidos como padratildeo pelo Aspen PlusTM
para a resoluccedilatildeo do sistema de equaccedilotildees que representa o modelo implementado
Tabela 42 Meacutetodos numeacutericos utilizados como padratildeo pelo Aspen PlusTM
Meacutetodo padratildeo
Tears Wegstein
Single Design Spec Secante
Multiple Desig Spec Broyden
Tears amp Design Specs Broyden
Optimization SQP
Fonte Adaptada de Aspen Technology [2000]
A depender do niacutevel de complexidade do modelo eacute comum que seja necessaacuterio escolher
meacutetodos de resoluccedilatildeo diferentes do padratildeo do simulador No caso do processo de ustulaccedilatildeo
foram modicados os meacutetodos numeacutericos para a resoluccedilatildeo das Tear streams e do Optimi-
zation este uacuteltimo sendo utilizado para manipular as conversotildees das reaccedilotildees incluiacutedas no
ustulador de forma que a composiccedilatildeo nal do ustulado fosse atendida A Figura 43 mos-
tra os meacutetodos numeacutericos utilizados na resoluccedilatildeo dos balanccedilos do modelo desenvolvido A
seguir eacute apresentado um breve resumo sobre as premissas de cada meacutetodo
Figura 43 Meacutetodos numeacutericos utilizados no modelo do processo da ustulaccedilatildeo
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 46
431 Meacutetodo da Secante
O meacutetodo da secante eacute um meacutetodo de aproximaccedilatildeo linear e consiste em uma das variaccedilotildees
do meacutetodo de Newton O desenvolvimento teve como motivaccedilatildeo o fato de que a depender
da funccedilatildeo a deniccedilatildeo da sua derivada pode ser muito dispendiosa Para essas situaccedilotildees a
derivada pode ser aproximada por uma diferenccedila nita dada pela Equaccedilatildeo 415 [CHAPRA
2012]
f prime(xi) asympf(ximinus1)minus f(x1)
ximinus1 minus xi(415)
Ao substituir a Equaccedilatildeo 415 na equaccedilatildeo do meacutetodo de Newton se obteacutem a equaccedilatildeo
correspondente ao meacutetodo da Secante (416)
ximinus1 = xi minusf(xi)(ximinus1 minus xi)f(ximinus1)minus f(xi)
(416)
No Aspen PlusTM o meacutetodo da Secante geralmente eacute utilizado para convergir o Single
design spec ou blocos de convergecircncia gerados pelo proacuteprio usuaacuterio
432 Meacutetodo de Broyden
O meacutetodo de Broyden assim como o da secante tambeacutem se trata de uma modicaccedilatildeo do
meacutetodo de Newton e tem como objetivo a resoluccedilatildeo de sistemas natildeo lineares de forma
que seja possiacutevel reduzir a quantidade de funccedilotildees necessaacuterias a serem avaliadas para a
representaccedilatildeo de um sistema [BROYDEN 1965 SASSI 2010]
Os meacutetodos que possuem esse propoacutesito tambeacutem satildeo conhecidos como meacutetodos quase-
Newton e possuem o formato apresentado nas equaccedilotildees (417) e (418)
Bksk = minusF (xk) (417)
xk+1 = xk + sk (418)
Onde Bk consiste em uma substituta da matriz Jacobiana J(xk)
No simulador o meacutetodo de Broyden geralmente eacute utilizado para a convergecircncia das
Tear streams e dos Design Specs que satildeo fortemente dependentes o que se aplica ao caso
do processo de ustulaccedilatildeo como mostrado no toacutepico 44
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 47
Em uma situaccedilatildeo onde o meacutetodo Broyden esteja sendo utilizado e as variaacuteveis manipu-
ladas dos Designs Specs atingem seus limites inferior ou superior o meacutetodo encontra uma
soluccedilatildeo que minimiza a soma dos quadrados dos Designs Specs e os erros das Tear streams
divididos por suas respectivas toleracircncias As iteraccedilotildees param quando o quadrado meacutedio da
raiz das alteraccedilotildees nas variaacuteveis manipuladas em escala eacute menor que a toleracircncia denida
De acordo com Sassi [2010] o meacutetodo proposto por Broyden em 1965 eacute um dos mais
conhecidos entre os meacutetodos quase-Newton ou seja aqueles meacutetodos em que a matriz
Jacobiana J(xk) eacute aproximada por uma matriz Bk que satisfaz a equaccedilatildeo do meacutetodo da
secante O objetivo eacute se evitar a avaliaccedilatildeo da matriz Jacobiana a cada iteraccedilatildeo Aleacutem
disso a resoluccedilatildeo de sistemas lineares tambeacutem satildeo simplicadas A equaccedilatildeo que sintetiza o
meacutetodo de Broyden eacute apresentada em (417)
Bk+1 = Bk +(yk minusBks
k)(sk)T
(sk)T (sk)
yk = F (xk+1)minus F (xk)
sk = xk+1 minus xk
433 Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
A utilizaccedilatildeo da ferramenta Optimization disponibilizada pelo Aspen PlusTM permitiu o
ajuste das conversotildees das reaccedilotildees que ocorrem no ustulador Para isso foi implementada
uma funccedilatildeo objetivo com a nalidade de minimizar as diferenccedilas entre a composiccedilatildeo do
ustulado fornecida pela planta e os valores obtidos na simulaccedilatildeo
A Figura 44 apresenta a interface do Aspen PlusTM com as variaacuteveis manipuladas (con-
versotildees das reaccedilotildees) para minimizar essas diferenccedilas assim como as variaacuteveis que precisaram
ser denidas para a formulaccedilatildeo da funccedilatildeo objetivo
Para a resoluccedilatildeo dessa parte do modelo optou-se pela utilizaccedilatildeo do meacutetodo BOBYQA
desenvolvido por Powell [2009] Esse meacutetodo consiste em um algoritmo iterativo para en-
contrar um miacutenimo de uma funccedilatildeo F(x) com x isin Rn sujeita aos limites a le x le b A funccedilatildeo
F eacute especicada por uma caixa pretaque retorna o valor F(x) para qualquer variaacutevel x
Cada iteraccedilatildeo emprega uma aproximaccedilatildeo quadraacutetica de Q para F que satisfaz a condiccedilatildeo
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 48
Figura 44 Implementaccedilatildeo do Optimization no Aspen PlusTM
Fonte Elaborada pelo autor
expressada pela equaccedilatildeo (419)
Q(yj) = F (yj) j = 1 2 m (419)
Onde m corresponde ao nuacutemero de pontos de interpolaccedilatildeo impostas em uma aproximaccedilatildeo
quadraacutetica
O valor de m eacute constante e denido pelo usuaacuterio de modo que esteja dentro do intervalo
[n + 2 12(n + 1)(n + 2)] sendo tiacutepico o valor m = 2n+ 1 Os pontos de interpolaccedilatildeo (yj)
satildeo escolhidos e ajustados automaticamente
De acordo com Powell [2009] o modelo eacute atualizado pela minimizaccedilatildeo da norma de
Frobenius da variaccedilatildeo da matriz de derivada de segunda ordem de Q Portanto nenhuma
derivada de primeira ordem de F eacute exigida explicitamente
44 Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
Uma vez denidos os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos a serem utlizados na
resoluccedilatildeo das equaccedilotildees de balanccedilo de massa e energia do processo de ustulaccedilatildeo o proacute-
ximo passo consiste na deniccedilatildeo dos componentes considerados para o desenvolvimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 49
modelo os quais satildeo listados na Tabela 43
Conforme mostrado na Tabela 43 foram utilizados componentes soacutelidos e convencionais
(na forma liacutequida ou gasosa) a presenccedila da fase soacutelida adiciona um grau de diculdade a
mais na implementaccedilatildeo do uxograma visto que a fase soacutelida eacute tratada separadamente As
principais reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador e que foram consideradas nesse trabalho
satildeo apresentadas a seguir enquanto a Figura 45 mostra o uxograma implementado e a
Tabela 44 traz os principais inputs utilizados
Tabela 43 Componentes utilizados na modelagem
Componentes Foacutermula molecular Tipo
Sulfeto de zinco ZnS Soacutelido
Sulfeto de ferro FeS Soacutelido
Sulfeto de cobre CuS Soacutelido
Sulfeto de chumbo PbS Soacutelido
Oacutexido de zinco ZnO Soacutelido
Oacutexido de ferro III (hematita) Fe2O3 Soacutelido
Oacutexido de cobre CuO Soacutelido
Oacutexido de chumbo PbO Soacutelido
Enxofre S Soacutelido
Oxigecircnio O2 Convencional
Dioacutexido de enxofre SO2 Convencional
Aacutegua H2O Convencional
Nitrogecircnio N2 Convencional
Fonte Elaborada pelo autor
2 ZnS(s) + 3O2(g) 2ZnO(s) + 2SO2(g) (420)
2CuS(s) + 3O2(g) 2CuO(s) + 2SO2(g) (421)
4FeS(s) + 7O2(g) 2Fe2O3(s) + 4SO2(g) (422)
2PbS(s) + 3O2(g) 2PbO(s) + 2SO2(g) (423)
Capiacutetu
lo4
Modela
gem
esim
ulaccedilatildeodoprocesso
50
Figura 45 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo implementado em Aspen PlusTM
HIERARCHYHIERARCHY
AR DE FLUIDIZAiumliquestfrac12iumliquestfrac12O
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 51
Tabela 44 Dados de entrada para o caso base
Corrente Componentes Fraccedilatildeo molar Vazatildeo Temperatura (degC) Pressatildeo (bar)
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeON2 079
28000 Nm3h 300 125O2 021
H2O H2O 10 10 th 300 130
H2O-IN H2O 10 180 th 300 2950
Fraccedilatildeo maacutessica
CONCENTRADO
ZnS 08827
1401 th 350 125FeS 00826CuS 00064PbS 00283
CARGA FRIA
ZnO 08684
346 th 300 125Fe2O3 00881CuO 00062PbO 00311
O2 O2 1 1100 Nm3h 300 125
Fonte Elaborada pelo autor
441 Ustulador
As reaccedilotildees que ocorrem no forno ustulador foram simuladas a partir da rotina RStoic
correspondente ao modelo de um reator estequiomeacutetrico Para isso eacute necessaacuterio incluir as
estequiometrias e as conversotildees das reaccedilotildees
Como dito anteriormente o valor da conversatildeo de cada reaccedilatildeo foi ajustado com a fer-
ramenta Optimization do Aspen PlusTM minimizando a diferenccedila entra a composiccedilatildeo do
ustulado nal (resposta do modelo) e a composiccedilatildeo da carga fria (dado de planta) Vale
lembrar que a carga fria nada mais eacute do que parte do produto que sai do ustulador e eacute
realimentado junto com o concentrado A Figura 46 mostra de forma mais detalhada como
o forno ustulador foi implementado sendo possiacutevel observar a inclusatildeo do bloco correspon-
dente agrave serpentina parte essencial para a retirada de parte do calor gerado em decorrecircncia
da natureza exoteacutermica das reaccedilotildees consideradas Para ns de simulaccedilatildeo a serpentina pre-
sente no interior do ustulador foi representada por um bloco baseado na rotina HeatX a
qual eacute capaz de prever a troca de calor que na praacutetica ocorre entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e o
interior do ustulador com base no valor da aacuterea de troca teacutermica informada pela planta
De acordo com a Figura 46 o ustulador conta com quatro correntes de entrada concen-
trado sulfetado misturado e carga fria ar de uidizaccedilatildeo O2 utilizado no enriquecimento do
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 52
Figura 46 Implementaccedilatildeo do ustulador
BLEND-2(IN)
4(IN)
5(IN)
6(IN)
18(IN)
7(OUT)
19(OUT)
8(OUT)
H2O-RESFRIAMENTO
O2
CONCENTRADO + CARGA FRIA
AIR
H2O-SERPENTINA
VAPOR-1
SO2-1
ZNO-R
USTULADOR
SERPENTINA
HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O USTULADOR
Fonte Elaborada pelo autor
ar e a aacutegua de resfriamento do leito A corrente H2O mostrada na Figura 45 e que tambeacutem
compotildee a carga do blend corresponde agrave umidade presente no concentrado sulfetado sendo
manipulada para atender uma umidade meacutedia de 8 independente da vazatildeo de alimenta-
ccedilatildeo Apoacutes a serpentina tambeacutem foi incluiacutedo um bloco separador cuja nalidade eacute simular
as vazotildees de soacutelido que saem pelo topo e pela base do forno ustulador
Aleacutem da fraccedilatildeo maacutessica de enxofre no ustulado para essa seccedilatildeo do modelo foram utili-
zadas como variaacuteveis de validaccedilatildeo a temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador e a vazatildeo
de aacutegua injetada diretamente no leito A Tabela 45 especica alguns inputs especiacutecos para
a seccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 53
Tabela 45 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo do ustulador
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na serpentina 820 th
Aacuterea de troca teacutermica da serpentina 240 m2
Fraccedilatildeo de ustulado retirada na parte inferior do forno 300
Fonte Elaborada pelo autor
442 Caldeira de recuperaccedilatildeo
Para o entendimento da operaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo eacute importante esclarecer alguns
detalhes relacionados ao circuito da aacutegua no processo Ao se observar a Figura 45 nota-se
que a aacutegua de circulaccedilatildeo total que sai do vaso de vapor eacute bombeada e dividida entre a
caldeira de recuperaccedilatildeo e a serpentina do forno ustulador de forma que haacute a geraccedilatildeo de
vapor nesses dois pontos na planta de ustulaccedilatildeo
A corrente bifaacutesica (liacutequido-vapor) que sai da serpentina e da caldeira segue para o vaso
de vapor a partir do qual o vapor saturado para ser usado em outras partes da planta eacute
obtido ao mesmo tempo uma vazatildeo de make-up de aacutegua vinda do desaerador tambeacutem eacute
alimentada ao vaso de vapor Eacute importante destacar que esse make-up eacute funccedilatildeo natildeo soacute
da retirada de vapor como tambeacutem da purga contiacutenua a qual estaacute diretamente ligada agrave
qualidade da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira e da serpentina
A caldeira de recuperaccedilatildeo desempenha um papel fundamental no processo de ustulaccedilatildeo
uma vez que o vapor gerado na mesma juntamente com o vapor produzido na serpentina
supre boa parte da demanda de vapor da planta A Figura 47 mostra a escolha da rotina
HeatX para a sua implementaccedilatildeo a qual consegue prever como a troca de calor ocorreraacute
entre a aacutegua de circulaccedilatildeo e os gases oriundos do forno ustulador utilizando a aacuterea de troca
teacutermica que tambeacutem foi informada pela planta sendo possiacutevel determinar a quantidade de
vapor gerada nessas condiccedilotildees de operaccedilatildeo
A estrateacutegia de dividir a caldeira em dois trocadores (CALDEIRA-1 e CALDEIRA-2)
foi utilizada porque aproximadamente 70 do ustulado eacute arrastado pelos gases que satildeo
alimentados agrave caldeira Essa divisatildeo possibilitou simular a remoccedilatildeo de parte do ustulado
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 54
Figura 47 Implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
8(IN) 10(OUT)
17(IN)
20(OUT)
9(OUT)
H2O-CALDEIRA
SO2-1
VAPOR-2
SO2-2
ZNO-B
CALDEIRA-1 CALDEIRA-2
SO2
HIERARCHY
SO2-2
SO2-1
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR
Fonte Elaborada pelo autor
(ZNO-B) que adere aos primeiros feixes a partir da inclusatildeo de um separador similar ao
que foi implementado na hierarquia do ustulador (Figura 46)
O vaso de vapor foi implementado como um vaso ash equipamento tipicamente utili-
zado para realizar a separaccedilatildeo de correntes bifaacutesicas Conforme dados de planta a relaccedilatildeo
entre a vazatildeo de alimentaccedilatildeo do forno e a produccedilatildeo de vapor estaacute entre 1 e 118 dessa forma
utilizando a ferramenta Design Spec do Aspen PlusTM a vazatildeo de make-up (MAKEUP) foi
ajustada de acordo com a de vazatildeo de alimentaccedilatildeo do ustulador
Como variaacuteveis de validaccedilatildeo para essa etapa adotou-se as temperaturas dos gases na
entrada na regiatildeo intermediaacuteria e na saiacuteda da caldeira aleacutem da vazatildeo de vapor que sai da
ustulaccedilatildeo para atender as outras aacutereas da planta (autoclaves e lixiviaccedilotildees) Vale destacar
que parte desse vapor eacute direcionado para o desaerador com o objetivo de preacute-aquecer a aacutegua
de circulaccedilatildeo Por conta disso foram realizadas manipulaccedilotildees nessa quantidade de vapor
de modo a manter a temperatura da aacutegua de circulaccedilatildeo no valor xado pela operaccedilatildeo da
planta (105degC) A Tabela 46 apresenta algumas informaccedilotildees adicionais necessaacuterias para a
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 55
implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Tabela 46 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da caldeira de recuperaccedilatildeo
Inputs
Vazatildeo de aacutegua na caldeira 4260 th
Aacuterea de troca teacutermica da caldeira 6280 m2
Pressatildeo de operaccedilatildeo 295 bar
Coeciente global de transferecircncia de calor 45 kcalhm2K
Fraccedilatildeo de ustulado coletada nos batedores 210
Fonte Elaborada pelo autor
O valor utilizado para o coeciente global de transferecircncia calor (45 kcalhm2K) foi
ajustado de acordo com algumas premissas importantes a exemplo da faixa de variaccedilatildeo
para esse paracircmetro em situaccedilotildees onde a transferecircncia ocorre entre as fases liacutequida e vapor
aleacutem dos dados de planta fornecidos para a temperatura na saiacuteda da caldeira e de geraccedilatildeo
de vapor
Esse tipo de consideraccedilatildeo eacute importante pelo fato de ser comum ocorrer variaccedilotildees nesse
coeciente ao longo da campanha seja em virtude do excesso de particulados nos feixes
da caldeira ou de eventuais alteraccedilotildees em outras condiccedilotildees de operaccedilatildeo Sendo assim ao
considerar os histoacutericos de dados para variaacuteveis como a temperatura de saiacuteda da caldeira
e da geraccedilatildeo de vapor eacute possiacutevel ajustar o coeciente global de transferecircncia de calor de
modo que o mesmo reita um periacuteodo de operaccedilatildeo considerado estaacutevel para a caldeira
443 Scrubber
A etapa de puricaccedilatildeo dos gases eacute um ponto criacutetico do processo de ustulaccedilatildeo sendo res-
ponsaacutevel pela limpeza e resfriamento dos gases que alimentaratildeo a faacutebrica de aacutecido Para a
realizaccedilatildeo de qualquer modicaccedilatildeo em termos de alimentaccedilatildeo de concentrado e carga fria
vazatildeo de aacutegua direta ou de ar de uidizaccedilatildeo eacute essencial que se avalie o impacto que tais
alteraccedilotildees possam implicar na capacidade de resfriamento desses gases A Figura 48 mostra
a implementaccedilatildeo dessa etapa no simulador Aspen PlusTM
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 56
Somada agrave escolha do modelo termodinacircmico discutida no toacutepico 422 algumas conside-
raccedilotildees foram realizadas para simulaccedilatildeo como listado a seguir
bull A torre possui trecircs estaacutegios os quais representam as trecircs seccedilotildees de pulverizaccedilatildeo de
aacutegua
bull A vazatildeo de make-up e de purga foram ajustadas de forma a manter a recirculaccedilatildeo de
aacutegua na faixa de 320 360 msup3h
bull A eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foi denida como 90 35 e 20 para os estaacutegios 1 2 e
3 respectivamente
Os valores de eciecircncia de vaporizaccedilatildeo foram ajustados de modo que as temperaturas e
vazotildees se aproximassem o maacuteximo das informaccedilotildees de referecircncia (Tabela 47) Aleacutem disso
os valores obtidos demonstram que a solubilidade do SO2 tende a aumentar ao longo dos
estaacutegios uma vez que a medida que a vaporizaccedilatildeo decai mais SO2 apresenta-se na fase
liacutequida juntamente agrave aacutegua na base da scrubber
Figura 48 Implementaccedilatildeo da scrubber
SCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
GASES-SCRUBBER
Fonte Elaborada pelo autor
A Tabela 47 apresenta as informaccedilotildees que foram utilizadas para a implementaccedilatildeo da
scrubber
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 57
Tabela 47 Informaccedilotildees adicionais para a implementaccedilatildeo da scrubber
Inputs
Pressatildeo de descarga das bombas 25 kgfcm2
Temperatura da aacutegua de make-up 260degC
Vazatildeo de make-up na scrubber 260 th
Temperatura dos gases na entrada da scrubber le 2900degC
Temperatura dos gases na saiacuteda da scrubber le 690degC
Fonte Elaborada pelo autor
45 Validaccedilatildeo do modelo
Eacute comum em plantas industriais natildeo haver instrumentaccedilatildeo em todas as correntes do pro-
cesso visto que se prioriza os pontos criacuteticos onde a realizaccedilatildeo do controle ou monitoramento
eacute essencial para manter as condiccedilotildees operacionais adequadas Dessa forma a validaccedilatildeo do
modelo implementado foi realizada com base nos histoacutericos de dados de algumas variaacuteveis
que satildeo acompanhadas
A Tabela 48 apresenta os valores de planta e os resultados obtidos a partir do modelo
onde eacute possiacutevel observar uma boa concordacircncia entre os mesmos
Tabela 48 Validaccedilatildeo do modelo
Variaacutevel Dados de planta Simulaccedilatildeo
Temperatura meacutedia de operaccedilatildeo do ustulador (degC) 9395 9491
Aacutegua de circulaccedilatildeo nas serpentinas (m3h) 1051 1054
Temperatura dos gases na entrada da caldeira (degC) 9059 9078
Temperatura intermediaacuteria da caldeira (degC) 4587 4717
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira (degC) 3316 3311
Make-up de aacutegua no vaso de vapor (m3h) 153 146
Geraccedilatildeo de vapor (th) 135 147
Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador (m3h) 095 103
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 58
Os histoacutericos utilizados correspondem a um periacuteodo de operaccedilatildeo que representa um
cenaacuterio tiacutepico de operaccedilatildeo da planta Para a determinaccedilatildeo dos valores meacutedios foi realizado
um tratamento estatiacutestico para a obtenccedilatildeo do histograma e do boxplot com o objetivo
de identicar os outliers As Figuras 49a a 49b apresentam os graacutecos obtidos para a
temperatura meacutedia do ustulador e a vazatildeo de aacutegua direta respectivamente como exemplo
do tratamento realizado
Figura 49 Histogramas e boxplots dos histoacutericos de dados
(a) Temperatura meacutedia do ustulador
(b) Vazatildeo de aacutegua direta
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 4 Modelagem e simulaccedilatildeo do processo 59
46 Consideraccedilotildees Finais
Neste capiacutetulo foi detalhada a construccedilatildeo do modelo de simulaccedilatildeo para o processo de us-
tulaccedilatildeo que seraacute utilizado ao longo deste trabalho Foi apresentado desde os trabalhos de
referecircncia que fundamentam os modelos termodinacircmicos e meacutetodos numeacutericos utilizados na
resoluccedilatildeo dos balanccedilos de massa e energia ateacute o processo de implementaccedilatildeo e validaccedilatildeo do
modelo
No capiacutetulo a seguir satildeo discutidos os criteacuterios para a escolha de variaacuteveis que compotildeem
as anaacutelises de sensibilidade realizadas assim como as novas conguraccedilotildees propostas em prol
do aumento da aacuterea de troca teacutermica do processo e otimizaccedilatildeo de paracircmetros importantes
para a produccedilatildeo da ustulaccedilatildeo
60
Capiacutetulo 5
Anaacutelise de sensibilidade e novas
conguraccedilotildees
Este capiacutetulo aborda os criteacuterios utilizados para a construccedilatildeo de uma anaacutelise de sensibilidade
capaz de avaliar o efeito da troca teacutermica em diferentes pontos do processo de ustulaccedilatildeo
Iniciando pelas variaacuteveis que afetam por exemplo a temperatura do ustulador e da entrada
da scrubber Em seguida satildeo apresentados os resultados das anaacutelises de sensibilidade com o
aumento da aacuterea de troca teacutermica em trecircs pontos diferentes do processo no ustulador apoacutes
a caldeira de recuperaccedilatildeo e na scrubber Para a concepccedilatildeo dessas anaacutelises foram realizadas
modicaccedilotildees na conguraccedilatildeo do caso base de modo que satildeo discutidos os proacutes e os contras
de cada alternativa a partir de um estudo comparativo em termos de geraccedilatildeo de vapor
produccedilatildeo de ustulado (ZnO) e do investimento estimado para cada alternativa
51 Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo
de ustulaccedilatildeo
A escolha das variaacuteveis a serem modicadas na anaacutelise de sensibilidade foi realizada no
sentido de buscar alternativas que permitissem o aumento da vazatildeo de alimentaccedilatildeo do
concentrado sulfetado de modo que ainda fosse possiacutevel manter a normalidade operacional
da planta com atenccedilatildeo especial para o efeito dessas mudanccedilas na temperatura dos gases de
entrada e na saiacuteda da scrubber
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 61
Com esse objetivo as primeiras variaacuteveis escolhidas para compor a anaacutelise de sensibili-
dade foram a vazatildeo de concentrado sulfetado e a vazatildeo de carga fria A inclusatildeo da carga
fria como variaacutevel de anaacutelise eacute justicada pelo fato de que a alimentaccedilatildeo do forno ustulador
eacute constituiacuteda por um percentual do ustulado produzido com a nalidade de retirar parte do
calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo conforme citado anteriormente Tendo isso em vista
as modicaccedilotildees propostas visaram reduzir o percentual de carga fria e consequentemente
aumentar o de concentrado sulfetado
As simulaccedilotildees evidenciaram um alto niacutevel de acoplamento entre diversas variaacuteveis de
modo que algumas correlaccedilotildees foram estabelecidas por meio da ferramenta Design Spec o
que garantiu robustez ao modelo para a geraccedilatildeo de cenaacuterios de novas condiccedilotildees operacionais
A Tabela 51 apresenta as relaccedilotildees observadas entre algumas variaacuteveis do processo de forma
que cada linha corresponde a um Design Spec implementado no modelo Em outras palavras
variaacuteveis que antes eram calculadas pela simulaccedilatildeo ou xadas como um dado de entrada
tiveram seus valores recalculados de modo a coadunar com dados de planta mediante a
manipulaccedilatildeo de outras variaacuteveis
Tabela 51 Relaccedilotildees entre as variaacuteveis alvo e as variaacuteveis de decisatildeo
Variaacuteveis alvo Variaacuteveis de decisatildeo
Temperatura meacutedia do ustulador Vazatildeo de aacutegua direta no ustulador
Umidade da alimentaccedilatildeo do ustulador Vazatildeo de aacutegua adicionada agrave alimentaccedilatildeo
Razatildeo entre a aacutegua de make-up no desaerador e a alimentaccedilatildeo de concentrado Vazatildeo de make-up no desaerador
Temperatura da aacutegua na saiacuteda do desaerador Vazatildeo de vapor direcionada para o desaerador
Temperatura do ustulado na entrada do resfriador rotativo Fraccedilatildeo de soacutelidos retirada pelos batedores da caldeira
Fonte Elaborada pelo autor
Aleacutem da vazatildeo de concentrado e carga fria outra variaacutevel escolhida foi a vazatildeo de ar visto
que aleacutem de exercer inuecircncia na uidizaccedilatildeo do leito tambeacutem afeta a conversatildeo das reaccedilotildees
de oxidaccedilatildeo dos sulfetos e as temperaturas ao longo do processo A Figura 51 mostra
a matriz resultante de uma anaacutelise de sensibilidade preliminar realizada para vericar o
impacto dessa variaacutevel cujos resultados foram obtidos mantendo a temperatura do forno
ustulador constante e igual agrave 950degC para tanto a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente
ao forno foi usada como variaacutevel de decisatildeo De acordo com a Figura 51 a coluna AIR
corresponde a vazatildeo de ar que variou de 22000 a 30000 Nm3h
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 62
Figura 51 Anaacutelise de sensibilidade para a vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo do leito
Fonte Elaborada pelo autor
A Figura 52 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura dos gases na saiacuteda
da caldeira e o excesso de O2 na saiacuteda do forno ustulador Conforme esperado a Figura
52 mostra que o excesso de O2 eacute diretamente proporcional agrave vazatildeo de ar visto que a vazatildeo
de concentrado permaneceu constante ou seja a quantidade de enxofre disponiacutevel para
a combustatildeo permaneceu inalterada enquanto a de O2 foi aumentada Por essa gura eacute
possiacutevel observar que para o caso base (Tabela 55) a planta opera com aproximadamente
7 de excesso de O2
A Figura 52 tambeacutem mostra que a temperatura na saiacuteda da caldeira eacute diretamente
proporcional agrave vazatildeo de ar mesmo com a temperatura do forno tendo sido mantida cons-
tante Esse comportamento eacute explicado pelo fato da aacuterea de troca teacutermica da caldeira ter
permanecido constante enquanto a vazatildeo de gaacutes aumenta com a vazatildeo de ar Outra questatildeo
importante relacionada agrave operaccedilatildeo da caldeira eacute apresentada na Figura 53 onde eacute mostrado
que o aumento da vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira natildeo apresenta inuecircncia sobre a
temperatura de saiacuteda dos gases resultado obtido atraveacutes de outra anaacutelise de sensibilidade
onde apenas a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela caldeira variou Esse resultado tambeacutem foi
obtido para a vazatildeo de aacutegua de circulaccedilatildeo pela serpentina do forno ustulador ou seja na
faixa estudada natildeo haacute inuecircncia sobre a temperatura do forno
A Figura 54 apresenta o efeito da vazatildeo de ar sobre a vazatildeo de aacutegua adicionada direta-
mente no forno ustulador e na temperatura dos gases na entrada da scrubber A partir do
graacuteco apresentado foi obtido um comportamento inversamente proporcional entre a vazatildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 63
Figura 52 Excesso de O2 na saiacuteda do forno e temperatura dos gases na saiacuteda da caldeiraem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000310
315
320
325
330
335
340
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Exc
esso
de
O2 (
)
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutegua adicionada diretamente ao forno e a vazatildeo de ar essa tendecircncia eacute explicada pelo
aumento da quantidade de energia necessaacuteria para elevar a temperatura do ar que alimenta
o forno Ou seja o aumento da vazatildeo de ar provoca resfriamento do forno ustulador dimi-
nuindo a quantidade aacutegua necessaacuteria para manter a temperatura deste constante e igual a
950degC
A Figura 55 demonstra o efeito da vazatildeo de ar sobre a temperatura do forno e dos gases
na entrada da scrubber quando a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno eacute mantida
constante em outra anaacutelise de sensibilidade realizada Nessa gura observa-se que somente
eacute possiacutevel operar o forno em 950degC com vazotildees de ar proacutexima de 28000 Nm3h entretanto
a temperatura dos gases na entrada da scrubber ultrapassa 291degC valor maacuteximo permitido
na entrada da torre
Com base nos resultados das Figuras 54 e 55 observa-se um trade-o entre a vazatildeo
de ar de uidizaccedilatildeo e a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao forno operar com baixa
vazatildeo de ar e maior vazatildeo aacutegua direta ou operar com alta vazatildeo de ar e menor vazatildeo aacutegua
para o resfriamento do leito Essa decisatildeo se torna mais difiacutecil de ser tomada quando satildeo
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 64
Figura 53 Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira em funccedilatildeo da vazatildeo de aacutegua decirculaccedilatildeo
320 360 400 440 480 5203300
3305
3310
3315
3320
3325
3330
Tem
pera
tura
na
saiacuted
a da
cal
deira
(degC
)
Vazatildeo de aacutegua na caldeira (th)
Fonte Elaborada pelo autor
consideradas variaccedilotildees nas vazotildees de concentrado e carga fria Nesse sentido a anaacutelise de
sensibilidade considerando as diversas variaacuteveis do processo eacute fundamental para a tomada de
decisatildeo e tal anaacutelise somente pode ser realizada com a implementaccedilatildeo do modelo completo
do processo
Diante do amplo conjunto de combinaccedilotildees considerado as anaacutelise de sensibilidade apre-
sentadas a seguir mostraratildeo condiccedilotildees operacionais onde
bull Seja possiacutevel reduzir a vazatildeo de carga fria ao mesmo tempo em que se aumenta a
vazatildeo de concentrado que alimenta o ustulador
bull A vazatildeo total de soacutelidos que alimenta o ustulador seja menor ou igual agrave condiccedilatildeo
operacional atual
bull A temperatura dos gases na entrada e na saiacuteda da scrubber natildeo ultrapassem o valores
da restriccedilatildeo
Os dados utilizados para a construccedilatildeo dos graacutecos das Figuras 52 54 e 55 satildeo apre-
sentados na Tabela 52
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 65
Figura 54 Vazatildeo de aacutegua direta no leito e temperatura dos gases na entrada da scrubberem funccedilatildeo da vazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 3000000
05
10
15
20
25
30
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Vazatilde
o de
H2O
dire
ta (t
h)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Figura 55 Temperatura do ustulador e dos gases na entrada da scrubber em funccedilatildeo davazatildeo de ar
22000 24000 26000 28000 30000900
920
940
960
980
1000
1020
1040
1060
1080
Vazatildeo de ar (Nm3h)
Tem
pera
tura
do
ustu
lado
r (degC
)
270
275
280
285
290
295
300
Tem
pera
tura
na
entra
da d
a sc
rubb
er (deg
C)
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 66
Tabela 52 Resultados da anaacutelise de sensibilidade em relaccedilatildeo ao ar de uidizaccedilatildeo
Ar de uidizaccedilatildeo (Nm3h) Excesso de O2 () Aacutegua direta (th) Tmeacutedia do ustulador (degC) Tsaiacuteda da caldeira (degC) Tentrada da scrubber (degC)
22000 304 268 107390 31374 27374
23000 373 242 105468 31709 27709
24000 441 222 103288 31982 27982
25000 508 194 101214 32272 28272
26000 575 160 99254 32579 28579
27000 640 131 97363 32874 28874
28000 704 104 95483 33155 29155
29000 768 078 93730 33441 29441
30000 830 044 91981 33739 29739
Fonte Elaborada pelo autor
52 Conguraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
Devido ao aumento de calor gerado pelas reaccedilotildees de oxidaccedilatildeo dos sulfetos resultante do
aumento da vazatildeo de concentrado foram realizados estudos preacutevios onde foi possiacutevel vericar
as variaacuteveis que mais afetam as temperaturas do forno na saiacuteda da caldeira e dos gases na
entrada e saiacuteda da scrubber Para contornar essas alteraccedilotildees percebeu-se que o aumento da
alimentaccedilatildeo de concentrado estaacute condicionado agrave capacidade de retirar calor que o processo
de ustulaccedilatildeo possui Tal observaccedilatildeo levou agrave inclusatildeo da quarta variaacutevel na anaacutelise de
sensibilidade a aacuterea de troca teacutermica
A primeira conguraccedilatildeo avaliada consiste em uma modicaccedilatildeo onde se propotildee o aumento
da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno ustulador a qual foi implementada utili-
zando o mesmo uxograma apresentado na Figura 45 Essa escolha foi realizada levando
em consideraccedilatildeo o menor investimento necessaacuterio a ser realizado visto que uma modica-
ccedilatildeo de projeto na caldeira de recuperaccedilatildeo eacute muito mais complexa aleacutem de exigir um maior
investimento
Foram gerados centenas de casos os quais correspondem aos cenaacuterios possiacuteveis consi-
derando as combinaccedilotildees dentro dos intervalos denidos para as variaacuteveis selecionadas A
Figura 56 mostra parte das variaacuteveis do processo que foram acompanhadas durante as al-
teraccedilotildees nas vazotildees de concentrado carga fria ar de uidizaccedilatildeo e na aacuterea de troca teacutermica
da serpentina
Os intervalos estabelecidos para as variaacuteveis da anaacutelise de sensibilidade foram determina-
dos de acordo com algumas restriccedilotildees como o limite de carga de alimentaccedilatildeo do ustulador
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 67
Figura 56 Matriz resultante da anaacutelise de sensibilidade considerando as quatro variaacuteveisselecionadas
Fonte Elaborada pelo autor
e a vazatildeo miacutenima de ar que garante a uidizaccedilatildeo do leito A Tabela 53 mostra os intervalos
para cada variaacutevel manipulada e o incremento para cada uma delas
Tabela 53 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo I)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
22000 le Nar le 30000 2000 Nm3h
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
240 le Aserpentina le 320 4 m2
Fonte Elaborada pelo autor
Apesar do nuacutemero signicativo de cenaacuterios gerados a partir da anaacutelise de sensibilidade os
resultados obtidos foram ltrados com base em alguns criteacuterios identicados especicamente
para o processo avaliado neste trabalho os quais satildeo apresentadas na Tabela 54
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 68
Tabela 54 Restriccedilotildees operacionais do processo de ustulaccedilatildeo
Variaacutevel Restriccedilatildeo
Vazatildeo de ar de uidizaccedilatildeo 22000 - 28000 Nm3h
Temperatura do ustulador 950 plusmn 10degC
Teor de enxofre (S) no ustulado 03 plusmn 005
Temperatura dos gases na saiacuteda da caldeira 325 plusmn 10degC
Temperatura na entrada do resfriador rotativo 800 plusmn 10degC
Temperatura na entrada da scrubber le 291degC
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados dos cenaacuterios apresentados na Tabela 55 mostram que para diferentes
aacutereas de troca teacutermica da serpentina eacute possiacutevel aumentar a vazatildeo do concentrado e reduzir
a vazatildeo de carga fria simultaneamente
As linhas destacadas em cinza da Tabela 55 representam o caso base que foi obtido para
a condiccedilatildeo operacional atual O cenaacuterio 1 corresponde a uma nova condiccedilatildeo operacional
sem a necessidade de CAPEX e resulta em um aumento de mais de 10 na produccedilatildeo de
ustulado (ZnO) O aumento na produccedilatildeo de ustulado eacute obtido para a menor vazatildeo de ar
avaliada o que signica uma menor vazatildeo de gases gerada pelo ustulador implicando em
uma reduccedilatildeo de aproximadamente 86 na geraccedilatildeo de vapor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 69
Tabela 55 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base 240 140 35 28000 94974 097
1 240 155 10 22000 94966 467
2 280 150 20 24000 94789 311
3 320 155 15 25000 94945 327
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte I)
Cenaacuterio Aserpentina (m2) Tout caldeira (degC) Tin scrubber (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 24 33088 29088 707 032 1027 127 904
1 240 32557 28557 126 0261136 1160 1004
(+1068) (-865) (+1106)
2 280 32575 28575 324 0251100 1237 971
(+710) (-260) (+750)
3 320 33096 29096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo I (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios 2 e 3 representam condiccedilotildees operacionais onde haacute necessidade de investi-
mento de capital para aumento da aacuterea de troca teacutermica da serpentina do forno de us-
tulaccedilatildeo de forma que o ganho de produccedilatildeo de ZnO obtido cou entre 7 de 10 aleacutem
de um pequeno aumento na geraccedilatildeo de vapor no cenaacuterio 3 No caso especiacuteco do cenaacuterio
3 o investimento eacute da ordem de US$ 150000 enquanto o ganho com ZnO foi estimado
de forma conservadora em US$ 3000000 por ano As informaccedilotildees em termos nanceiros
foram apresentadas pela planta de modo que natildeo foi possiacutevel ter acesso ao detalhamento
desses caacutelculos
Os resultados da anaacutelise de sensibilidade que mostram o aumento da produccedilatildeo de ZnO a
partir da reduccedilatildeo da vazatildeo total de alimentaccedilatildeo do forno ustulador fornecem mais seguranccedila
quanto agrave uidizaccedilatildeo do leito
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 70
53 Conguraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor
apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
Outra possibilidade de aumentar a produccedilatildeo de ZnO com investimento de capital eacute resfriar
os gases antes da entrada na scrubber aproveitando a energia para preacute-aquecer alguma
corrente do processo Apesar de implicar em um maior investimento eacute uma alternativa
mais conservadora pois evita alteraccedilotildees na condiccedilatildeo operacional do forno ustulador em
especial na uidizaccedilatildeo
De fato a instalaccedilatildeo de um novo trocador de calor representa o aumento na aacuterea de
troca teacutermica do processo que natildeo afeta nem a serpentina do forno nem a caldeira de
recuperaccedilatildeo aumento esse que permite maior retirada do calor gerado pelas reaccedilotildees de
oxidaccedilatildeo dos sulfetos com aproveitamento para geraccedilatildeo de vapor
A Figura 57 mostra o uxograma com a inclusatildeo de um trocador de calor o qual tem
como objetivo resfriar os gases que iratildeo alimentar a scrubber e preacute-aquecer a corrente de
aacutegua que sai do desaerador
Foram traccedilados trecircs cenaacuterios um para cada temperatura de saiacuteda dos gases que passaratildeo
pelo novo trocador de calor antes de alimentar a scrubber A Tabela 56 mostra os intervalos
para as variaacuteveis alteradas e os intervalos avaliados
Tabela 56 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo II)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
250 le Tgaacutes na saiacuteda do novo trocador le 270 10degC
140 le Fconcentrado le 160 05 th
10 le Fcarga fria le 20 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
Para todos os cenaacuterios foi utilizado o valor de 47 Wm2K para o coeciente global de
transferecircncia de calor (U) do novo trocador
De acordo com os nuacutemeros apresentados na Tabela 57 como esperado quanto menor a
temperatura dos gases que saem do novo trocador de calor maior a aacuterea de troca teacutermica
necessaacuteria o que signica mais calor transferido para a aacutegua que alimenta o desaerador
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
71
Figura 57 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor agrave jusante da caldeira de recuperaccedilatildeo
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADORSCRUBBER
MAKE-UP-S GASES
PURGA-S
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
MKP-AQC
HOT-GAS
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 72
A Tabela 57 mostra o aumento da geraccedilatildeo de vapor pelo processo de ustulaccedilatildeo o qual
atenderaacute as demandas das outras aacutereas da planta Para cada cenaacuterio avaliado eacute possiacutevel
observar que a vazatildeo de vapor gerado estaacute ligada tanto agrave aacuterea de troca teacutermica do novo
trocador de calor quanto ao cenaacuterio de alimentaccedilatildeo avaliado Prova disso eacute que mesmo
o cenaacuterio 2 possuindo uma maior aacuterea de troca teacutermica do que o cenaacuterio 3 diante das
diferenccedilas das vazotildees de concentrado e carga fria o mesmo natildeo supera a geraccedilatildeo de vapor
do cenaacuterio 3 (+708) contra um aumento de 401 obtido pelo cenaacuterio 2
Tabela 57 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo II)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tgases scrubber (degC) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 2910 140 35 28000 94974 097
1 6028 2500 160 10 28000 95001 339
2 4295 2600 155 20 30000 9504 199
3 2809 2700 160 15 28000 95145 311
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 707 032 1027 1270 904
1 6028 34729 477 0281173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
2 4295 34905 665 0321137 1321 1036
(+1071) (+401) (+1460)
3 2809 34742 477 0251173 1360 1036
(+1421) (+708) (+1460)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo II (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os resultados para a conguraccedilatildeo II mostram a possibilidade de um aumento na vazatildeo
de vapor gerado entre 4 e 10 o que corresponde a uma economia de ateacute US$ 217000 por
ano com combustiacutevel que seria utilizado na caldeira convencional da planta Para o valor da
aacuterea do trocador escolhido pela planta o investimento estimado eacute da ordem US$ 72000000
Em resumo a inclusatildeo do novo trocador permite simultaneamente aumentar o ganho
de produccedilatildeo de ustulado (107 a 142) e de vapor (4 a 10) o que geralmente natildeo ocorre
quando o aumento da aacuterea de troca teacutermica eacute realizado na serpentina do forno
Os resultados obtidos com essa conguraccedilatildeo demonstram que o estudo de alternativas
que possibilitem o aumento da produccedilatildeo de ustulado e da geraccedilatildeo de vapor deve considerar
onde ocorre o aumento da troca teacutermica antes ou depois da caldeira de recuperaccedilatildeo Aleacutem
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 73
disso os cenaacuterios obtidos para a conguraccedilatildeo I mostram que quando o aumento ocorre antes
da caldeira a vazatildeo do ar deve ser reduzida para atender agraves restriccedilotildees do processo Um
aumento posterior natildeo exige tal reduccedilatildeo evitando uma alteraccedilatildeo que gere algum tipo de
inseguranccedila nas condiccedilotildees de operaccedilatildeo do ustulador
Aleacutem disso enquanto o aumento na produccedilatildeo de ustulado aumenta a lucratividade da
planta o aumento na geraccedilatildeo de vapor contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
reduzindo o consumo de combustiacutevel
54 Conguraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor
na recirculaccedilatildeo da scrubber
A terceira conguraccedilatildeo avaliada consistiu na inclusatildeo de um trocador de calor para resfriar
parte da aacutegua de recirculaccedilatildeo da scrubber como mostra a Figura 58
Para a implementaccedilatildeo dessa modicaccedilatildeo diferente da conguraccedilatildeo II onde o aumento
da temperatura dos gases decorrente da alteraccedilatildeo na vazatildeo de concentrado eacute mitigado logo
na entrada da scrubber foi necessaacuterio estabelecer uma restriccedilatildeo de temperatura para os
gases na saiacuteda da scrubber de 56degC a qual foi incluiacuteda atraveacutes de um Design Spec Como
variaacutevel de decisatildeo utilizou-se a temperatura da aacutegua de recirculaccedilatildeo na saiacuteda do novo
trocador Tal escolha justica-se pela sua inuecircncia na temperatura nal dos gases uma
vez que inicialmente o make-up de aacutegua foi mantido constante
Geralmente a etapa de resfriamento e limpeza dos gases em processos de ustulaccedilatildeo
conta com duas torres sendo a primeira uma scrubber e em seguida uma torre lavadora
com recheio a qual eacute responsaacutevel pela reduccedilatildeo nal de temperatura dos gases A restriccedilatildeo
de temperatura denida para esse processo especicamente eacute justicada pelo fato de que
o layout da planta em estudo soacute possui uma torre (a scrubber) para realizar a tarefa de
resfriamento dos gases Desse modo torna-se necessaacuterio reduzir o maacuteximo possiacutevel a tem-
peratura dos gases na saiacuteda da torre para que qualquer problema em termos de corrosatildeo
seja evitado na faacutebrica de aacutecido
Para contornar a limitaccedilatildeo na capacidade de troca teacutermica dessa etapa utiliza-se uma
alta vazatildeo de make-up de aacutegua na scrubber (ver Tabela 47) o que acaba gerando uma
Capiacutetu
lo5
Anaacutelise
desen
sibilid
adeenovasconguraccedilotildees
74
Figura 58 Fluxograma do processo de ustulaccedilatildeo com a inclusatildeo do trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
LOST
HIERARCHY HIERARCHY
AR DE FLUIDIZACcedilAtildeO
O2
H2O DE RESFRIAMENTO
CONCENTRADO
CARGA FRIA
H2O
SO2-2
H2O-SERPENTINA
SO2-1
ZNO-B
ZNO-R
ZNO-S
VAPOR-2
H2O-CALDEIRA
PURGA
VAPOR-1
GASES-SCRUBBER
MAKEUP
VAPOR-5
H2O-IN
USTULADO
VAPOR-4
VAPOR-3
VAPOR-6
USTULADOR CALDEIRA
VASO-VAPOR DESAERADOR SCRUBBER
MAKE-UP-SGASES
PURGA-RG
H2O-CIRCULACcedilAtildeO
H2O-RESF
NOVO-TC
Fonte Elaborada pelo autor
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 75
vazatildeo de purga proporcional A partir dos resultados obtidos com a modicaccedilatildeo proposta
o graacuteco apresentado na Figura 59 mostra um comportamento inversamente proporcional
entre a aacuterea de troca teacutermica do novo trocador de calor e o make-up de aacutegua Portanto essa
conguraccedilatildeo aleacutem de viabilizar o aumento da vazatildeo de concentrado torna possiacutevel reduzir
a vazatildeo de make-up e de purga de aacutegua na scrubber o que garante uma economia de aacutegua
que tambeacutem contribui para a preservaccedilatildeo do meio ambiente
Figura 59 Make-up de aacutegua e purga da scrubber em funccedilatildeo da aacuterea de troca teacutermica donovo trocador de calor
0 10 20 30 40 50 600
5
10
15
20
25
30
Aacuterea de troca teacutermica (m2)
Mak
eup
na s
crub
ber (
th)
0
5
10
15
20
25
30
Pur
ga (t
h)
Fonte Elaborada pelo autor
Para essa conguraccedilatildeo foram obtidos sete cenaacuterios um para cada condiccedilatildeo de alimen-
taccedilatildeo A Tabela 58 mostra os intervalos para as variaacuteveis alteradas e seus respectivos
incrementos
Os cenaacuterios apresentados na Tabela 59 mostram que a inclusatildeo do trocador de calor
na scrubber proporciona o aumento da vazatildeo de concentrado sulfetado ateacute o limite das
restriccedilotildees de uidizaccedilatildeo e ainda assim garante que os gases encaminhados para a faacutebrica
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 76
Tabela 58 Dados para a anaacutelise de sensibilidade (conguraccedilatildeo III)
Intervalos avaliados na anaacutelise de sensibilidade Incremento
145 lt Fconcentrado (th) lt 175 05 th
00 lt Fcarga fria (th) lt 30 05 th
Fonte Elaborada pelo autor
de aacutecido estejam na temperatura adequada (em torno de 56degC) A depender do cenaacuterio de
alimentaccedilatildeo observa-se que a aacuterea de troca teacutermica tambeacutem se modica conrmando que a
limitaccedilatildeo de um aumento de produccedilatildeo de ZnO na ustulaccedilatildeo estaacute condicionada agrave capacidade
de resfriamento ao longo do processo com destaque para a scrubber
Tabela 59 Principais resultados da anaacutelise de sensibilidade (Conguraccedilatildeo III)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Tustulador (degC) H2O direta (th) Excesso de O2 () Excesso de S ()
Base - 140 35 94974 097 707 032
1 1304 145 30 9464 155 65 031
2 1572 150 25 95247 203 589 024
3 2839 155 20 94958 261 532 023
4 2678 160 15 95008 311 476 025
5 4345 165 10 95006 365 419 023
6 4098 170 05 95034 417 363 024
7 4815 175 00 94994 471 306 023
(a) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte I)
Cenaacuterio Atrocador (m2) Tout caldeira (degC) Fgases scrubber (th) Tout gases scrubber (degC) FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base - 33088 4225 6280 1027 127 904
1 1304 33484 4292 55271063 126 937
(+351) (-079) (+365)
2 1572 33958 4347 56151099 1277 972
(+701) (+055) (+752)
3 2839 34352 4413 55021136 1264 1004
(+1061) (-047) (+1106)
4 2678 34751 4472 56841173 1262 1036
(+1422) (-063) (+1460)
5 4345 35163 4533 54971209 1254 1069
(+1772) (-126) (+1825)
6 4098 35562 4593 56791246 125 1102
(+2132) (-157) (+2190)
7 4815 35962 4654 56821283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Resultados - Conguraccedilatildeo III (Parte II)
Fonte Elaborada pelo autor
Os cenaacuterios avaliados resultam em um aumento em torno de 25 na produccedilatildeo de ustu-
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 77
lado (ZnO) e SO2 Em contrapartida diferente do observado para a conguraccedilatildeo II natildeo haacute
um aumento na produccedilatildeo de vapor com exceccedilatildeo do Cenaacuterio 2 (+055) Isso eacute justicado
pelo fato de que mesmo com todos os cenaacuterios tendo sido avaliados para uma vazatildeo de ar de
uidizaccedilatildeo constante (28000 Nm3h) a aacuterea de troca teacutermica da caldeira natildeo foi alterada
enquanto a vazatildeo de gaacutes aumentou com o aumento da vazatildeo de concentrado como mostra
a coluna Fgases scrubber (th) Aleacutem desses fatores vale destacar que nessa conguraccedilatildeo
natildeo foi incluiacutedo o preacute-aquecimento da aacutegua de circulaccedilatildeo da caldeira razatildeo pela qual a con-
guraccedilatildeo II apresentou os melhores resultados em termos de aumento de geraccedilatildeo de vapor
das trecircs opccedilotildees avaliadas
55 Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da
aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
A partir da avaliaccedilatildeo das trecircs conguraccedilotildees propostas os resultados obtidos demonstram
que o aumento da aacuterea de troca teacutermica pode proporcionar natildeo soacute o aumento da produti-
vidade de ZnO como favorecer a economia de combustiacutevel para a a geraccedilatildeo de vapor e de
aacutegua no resfriamento dos gases Nesse contexto o trabalho desenvolvido apresenta um vieacutes
ambiental relevante na garantia da sustentabilidade do processo de extraccedilatildeo do zinco
Para a implementaccedilatildeo de uma modicaccedilatildeo que consiste no aumento da aacuterea de troca
teacutermica do processo naturalmente existe a necessidade de um investimento Logo a escolha
da conguraccedilatildeo mais adequada deve ponderar principalmente o aumento de produccedilatildeo de
ZnO e de vapor em relaccedilatildeo ao CAPEX necessaacuterio
A Tabela 510 apresenta a seleccedilatildeo dos melhores cenaacuterios para cada conguraccedilatildeo avaliada
onde observa-se que em termos de produccedilatildeo de ustulado a conguraccedilatildeo III se destaca com
um potencial de aumento de quase 25 de ZnO Em contrapartida ocorre um descreacutescimo
de 22 na geraccedilatildeo de vapor pela caldeira de recuperaccedilatildeo Em seguida a conguraccedilatildeo II
apresenta-se como a opccedilatildeo capaz de proporcionar um aumento tanto em ustulado (+1424)
como em vapor (1063)
Ao considerarmos que a conguraccedilatildeo II exige um aumento da aacuterea de troca teacutermica em
6028 m2 para um trocador gaacutes-liacutequido enquanto a conguraccedilatildeo III demanda um aumento
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 78
Tabela 510 Comparaccedilatildeo em termos de aacuterea de troca teacutermica das conguraccedilotildees avaliadas
Conguraccedilatildeo Aumento da aacuterea (m2) Fconcentrado (th) Fcarga fria (th) Nar (Nm3h) Tustulador (degC) H2O direta (th)
Base - 140 35 28000 94974 097
I 80 155 15 25000 94945 327
II 6028 160 10 28000 95001 339
III 4815 175 00 28000 94994 471
(a) Parte I
Conguraccedilatildeo Tout caldeira (degC) Excesso O2 () Excesso S () FZnO (th) Fvapor (th) FSO2(th)
Base 33088 707 032 1027 1270 904
I 33096 334 0251136 1300 1004
(+1068) (+241) (+1109)
II 34729 477 0251173 1405 1036
(+1421) (+1063) (+1460)
III 35962 306 0231283 1242 1134
(+2493) (-220) (+2544)
(b) Parte II
Fonte Elaborada pelo autor
de aacuterea de 4815 m2 em um trocador liacutequido-liacutequido a segunda opccedilatildeo exige um investimento
menor Sendo assim a inclusatildeo do trocador de calor para resfriar parte da aacutegua de recir-
culaccedilatildeo da scrubber apresenta-se como uma soluccedilatildeo intermediaacuteria entre o aumento da aacuterea
da serpentina e a inclusatildeo do trocador apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo do ponto de vista de
investimento necessaacuterio
Somado a isso vale destacar que o preccedilo da tonelada de vapor eacute bem menor que a de
ZnO Logo a conguraccedilatildeo III que apresenta um aumento na produccedilatildeo de ZnO em torno de
10 a mais em comparaccedilatildeo com a conguraccedilatildeo II tambeacutem eacute mais atrativa nesse sentido
Por m ao se comparar as trecircs conguraccedilotildees em relaccedilatildeo agraves questotildees ambientais tem-se
as seguintes conclusotildees
bull A conguraccedilatildeo I natildeo apresenta ganhos signicativos em vapor nem a possibilidade
de reduccedilatildeo no make-up de aacutegua da scrubber
bull A conguraccedilatildeo II mostrou ser possiacutevel obter um aumento de mais de 10 de vapor e
consequentemente gerar uma economia de combustiacutevel que seria utilizado em caldeiras
tradicionais
Capiacutetulo 5 Anaacutelise de sensibilidade e novas conguraccedilotildees 79
bull A conguraccedilatildeo III demonstra o potencial de reduccedilatildeo na captaccedilatildeo de aacutegua para o
resfriamento dos gases
56 Consideraccedilotildees Finais
Este capiacutetulo apresentou um levantamento das variaacuteveis mais importantes no processo de
ustulaccedilatildeo assim como as conguraccedilotildees propostas com foco no aumento da aacuterea de troca
teacutermica
Os resultados das simulaccedilotildees mostraram que o ponto do processo onde ocorre esse au-
mento de aacuterea pode favorecer o aumento da produccedilatildeo de ZnO em detrimento da de vapor
e vice-versa Aleacutem destes tambeacutem foram obtidos cenaacuterios onde foi possiacutevel obter ganhos
para os dois insumos
Em seguida foi realizado um comparativo entre as conguraccedilotildees avaliadas onde aleacutem
dos criteacuterios relacionados ao aumento de produccedilatildeo (ZnO e vapor) tambeacutem foi levado em
consideraccedilatildeo as vantagens ambientais e o investimento necessaacuterio para a recomendaccedilatildeo da
melhor alternativa
80
Capiacutetulo 6
Conclusatildeo
O processo de ustulaccedilatildeo de zinco eacute uma etapa fundamental no processo de obtenccedilatildeo do zinco
metaacutelico uma vez que inuencia na performance do processo de produccedilatildeo Para alcanccedilar
condiccedilotildees operacionais que resultaram em aumento da produccedilatildeo ustulado (ZnO) geraccedilatildeo
de vapor e na sustentabilidade da metalurgia extrativa de zinco as anaacutelises de sensibilidade
realizadas tornaram possiacutevel observar o comportamento de variaacuteveis distantes sicamente
mas fortemente acopladas
Uma vez denidas as aacutereas de troca teacutermica da serpentina e da caldeira de recuperaccedilatildeo
as vazotildees de aacutegua que circulam por elas natildeo podem ser usadas como variaacuteveis manipuladas
devido agrave falta de sensibilidade de variaacuteveis como a temperatura do ustulador e da saiacuteda da
caldeira de recuperaccedilatildeo Por outro lado a vazatildeo de aacutegua adicionada diretamente ao leito
ustulador tem grande inuecircncia na temperatura do processo de ustulaccedilatildeo bem como em
todo o processo
A busca por alternativas que proporcionem um aumento na produccedilatildeo de ZnO e de vapor
devem considerar onde ocorre o aumento da aacuterea de troca teacutermica Para um cenaacuterio onde
foram ajustadas apenas condiccedilotildees operacionais eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO
em 1068 em detrimento de uma reduccedilatildeo de 86 na geraccedilatildeo de vapor Com o aumento
da aacuterea da serpentina (conguraccedilatildeo I) tambeacutem eacute obtido um ganho de produccedilatildeo de ZnO
(+1068) enquanto a geraccedilatildeo de vapor no melhor cenaacuterio apresentou uma ganho de
apenas 241 Quando o aumento ocorre apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo (conguraccedilatildeo
II) eacute possiacutevel aumentar a produccedilatildeo de ZnO (+1421) e de vapor (+1063) entretanto
Capiacutetulo 6 Conclusatildeo 81
natildeo se atinge a maior vazatildeo possiacutevel de concentrado no forno Para uma modicaccedilatildeo na
scrubber (conguraccedilatildeo III) os resultados demonstram que o forno pode operar apenas com
concentrado o que gera um aumento signicativo na produccedilatildeo de ZnO mas sem ganhos
substanciais na produccedilatildeo de vapor
Os resultados obtidos indicam que manter ou reduzir alguns graus na temperatura dos
gases que entram na scrubber natildeo eacute suciente para atingir o potencial maacuteximo de aumento
da produccedilatildeo de ZnO (conguraccedilatildeo II) sendo necessaacuterio relacionar a temperatura e a vazatildeo
da corrente de gaacutes de entrada da scrubber com a vazatildeo de make-up de aacutegua e a temperatura
da aacutegua de recirculaccedilatildeo como avaliado na conguraccedilatildeo III
Dentre as opccedilotildees avaliadas a instalaccedilatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da
scrubber eacute uma alternativa intermediaacuteria em termos de investimento mas que atinge di-
retamente a limitaccedilatildeo do processo de ustulaccedilatildeo como um todo a qual se refere ao fato
de apenas uma torre realizar a etapa de resfriamento e limpeza dos gases Com base nos
cenaacuterios avaliados essa opccedilatildeo se mostra capaz de proporcionar um aumento na produccedilatildeo
de ustulado em ateacute 25 Portanto a instalaccedilatildeo do novo trocador de calor na scrubber eacute a
opccedilatildeo mais recomendada
Dentre as sugestotildees para a continuaccedilatildeo deste trabalho no futuro sugere-se a implemen-
taccedilatildeo da etapa correspondente agrave produccedilatildeo de aacutecido sulfuacuterico de modo que seja possiacutevel
observar como a alteraccedilatildeo da temperatura dos gases que saem da scrubber afetaraacute o perl
de temperatura da faacutebrica de aacutecido aleacutem de avaliar a possibilidade de se promover um
aumento da conversatildeo dos gases SO2 em SO3 e posteriormente em aacutecido sulfuacuterico
82
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- Introduccedilatildeo
-
- Objetivo geral
- Objetivos especiacuteficos
- Organizaccedilatildeo
-
- Ustulaccedilatildeo no processo de produccedilatildeo do zinco metaacutelico
-
- Fontes de zinco e metalurgia extrativa
- Ustulaccedilatildeo
- Termodinacircmica e reaccedilotildees da ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Descriccedilatildeo do problema
-
- Principais abordagens
- Troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees finais
-
- Modelagem e simulaccedilatildeo do processo
-
- Ambiente de simulaccedilatildeo
- Modelos termodinacircmicos
-
- Peng-Robinson
- Non-Random-Two-Liquid (NRTL)
-
- Meacutetodos numeacutericos
-
- Meacutetodo da Secante
- Meacutetodo de Broyden
- Otimizaccedilatildeo limitada por aproximaccedilatildeo quadraacutetica (BOBYQA)
-
- Implementaccedilatildeo em ambiente simulado (Aspen PlusTM)
-
- Ustulador
- Caldeira de recuperaccedilatildeo
- Scrubber
-
- Validaccedilatildeo do modelo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Anaacutelise de sensibilidade e novas configuraccedilotildees
-
- Variaacuteveis relevantes para a troca teacutermica do processo de ustulaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo I Aumento da serpentina no ustulador
- Configuraccedilatildeo II Inclusatildeo de um trocador de calor apoacutes a caldeira de recuperaccedilatildeo
- Configuraccedilatildeo III Inclusatildeo de um trocador de calor na recirculaccedilatildeo da scrubber
- Comparaccedilatildeo entre as alternativas para o aumento da aacuterea de troca teacutermica no processo de ustulaccedilatildeo
- Consideraccedilotildees Finais
-
- Conclusatildeo
- Referecircncias bibliograacuteficas
-
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