Filtração Com Fluxo Cruzada Na filtração com fluxo cruzado ocorre uma alta velocidade tanqencial na superfície da tela, previnindo formação de vamada no período de pressurização. No filtro por fluxo cruzado forma-se um filme descendente de licor verde sobre toda supoerficie filtrante. Parte do licor é forçado através da tela enquanto que a maior parte do licor arrasta o dregs no filme até o fundo, onde é recisrculado para manter o filme. A filtração continua até que a lama de recisrculação atinge a densidade desejada. A resistência à filtração aumenta gradativamente mas simultaneamente é aumentada a pressão de fintração de modo que a razão de filtração é mantida. A lama de dregs engrossada é descartada pela própria pressão interna do filtro. Este método não necessita auxiliar de filtração, a concentração final de dregs é relativamente alta mas é necessário sistema para lavagem e secagem do dregs gerado. Na figura 19 fluxograma deste sistema.
Figura 20 – Filtro de Fluxo cruzado
1.8 Apagamento e caustificação O apagamento é a reação do óxido de cálcio (cal recuperada) e água para produção de hidróxido de cálcio (cal apagada). Tanto o óxido de cálcio como o hidróxido de cálcio são insolúveis em água e se comportam como fases sólidas. A cal que foi calcinada no forno de cal, mais a que é adicionada para repor perdas, são enviadas ao apagador em quantidades que se ajustem ao carbonato de sódio existente. As reações de apagamento e caustificação são simultâneas, de tal modo que a reação de caustificação se completa em 85-90% na seção de agitação no apagador e os caustificadores propiciam tempo de retenção suficiente para completar os 5 a 20% restantes. Apagamento: CaO + H2O
Ca(OH)2
Caustificação: Ca(OH)2 + Na2CO3
2NaOH + CaCO3
O apagamento é uma reação exotérmica com um calor de reação em torno de 280 kcal/kg de CaO, esse calor da reação é tal que a adição estequiométrica de cal deve elevar a temperatura do licor verde em torno de 5 0C. É muito importante utilizar a quantidade exata de cal viva no apagamento. Um excesso de cal viva maior que 1% sobre o equilíbrio estequiométrico pode causar turbidez no licor clarificado e diminuir a velocidade de filtração dos lodos de cal, uma vez que acelera o entupimento dos meios de 26
filtração. Também prejudica a lavagem (recuperação) de soda e as tortas de carbonato de cálcio produzidas nos filtros tem um maior conteúdo de umidade, uma deficiência de cal provoca uma conversão pobre do carbonato em soda. Durante a reação de hidratação da cal a liberação de calor é violenta provocando a desintegração das partículas de cal, aumentando com isso a área exposta e liberando os inertes que serão separados e descartados. O licor verde deve chegar ao apagador de cal a uma temperatura de 85-93 0C. Temperaturas baixas retardam o apagamento e partículas de cal sem apagar chegariam à unidade, impedindo o processo correto de apagamento, que é necessário para assegurar o êxito da caustificação, pois as condições de operação no apagamento controlam o tamanho das partículas de hidróxido de cálcio, do qual dependem as características de assentamento e filtração do lodo clarificado. A reação de apagamento é demorada se for processada a baixa temperatura, sendo a temperatura recomendada entre 95 e 105 0C. Caso a temperatura esteja baixa, partículas de cal não apagada ficarão acumuladas no slaker. O efeito da temperatura no apagamento é mostrado na figura 20.
Tempo de apagamento da cal em função da temperatura média de extinção (licor verde e água); Condição da lama na calcinação : 4 horas a 1.000ºC.
80
Temperatura média do 60 apagamento ºC Licor Verde
40
H2O
20
5
10
15
20
25
Tempo de apagamento (min)
Figura 21 : Efeito da temperatura sobre o apagamento.
O tempo de apagamento é o tempo que se leva para alcançar a máxima temperatura depois de adicionar água na cal (ou licor verde). Quando a cal recuperada é apagada com licor verde, as maiores mudanças ocorrem durante os cinco primeiros minutos. Os grânulos de cal começam a se expandir e podem ocorrer rachaduras das quais o vapor pode escapar, em seguida os grânulos se desintegram em pequenas partículas. Se esta etapa não ocorrer, a parte dos grânulos que não reagir pode precipitar no fundo do slaker e ser removido junto com os “grits”. Se a cal não for muito reativa, o processo de apagamento exotérmico não se processará com suficiente rapidez e a velocidade de aquecimento não será suficiente para desintegrar as partículas. A concentração do licor verde é medida com aerômetros Baumé. Existem também aquecedores de licor verde. A adição de cal viva é feita através de alimentadores de parafuso. O classificador do apagador remove cal muito queimada, cal mal queimada, areia, etc. Os rejeitos são conhecidos como “grits” e sua quantidade pode variar entre 0,5 a 2% da quantidade de cal adicionada.
27
Refriamento do licor verde O resfriamento do licor verde é realizado de modo a controlas a temperature do licor que entra no apagador, de modo a prevenir que o mesmo entre em ebulição. A ebulição pode ocorrer devido o calor gerado no apagamento como resultado da reação exotérmica. A ocorrência de ebulição traz risco de acidentes devido emissão de vapores e poeira além de dificultar o controle do grau de caustificação pela variação de temperatura. Não é possível uso de trocadores indiretos para esta aplicação devido rápido entupimento dos mesmos. A figura 21 mostra um resfriador de licor verde através de flasheamento do licor em um vaso sob vácuo. O vapor de água formado condensa em um trocador indireto com água cuja temperatura final é de 75ºC a 80°C. Com este tipo de resfriador é muito fácil controlar a temperatura final do licor verde entre 80°C – 90°C através do controle da pressão do vaso de vácuo. Por não haver contato entre o licor verde e a superfície de troca térmica não há problemas de entupimento ou incrustações.
Figura 22 – Resfriador de licor verde.
1.8.1
Equipamento utilizado no apagamento da cal O processo de apagamento da cal inclui a mistura com o licor verde e a classificação ou eliminação de partículas. O equipamento mais utilizado consiste em uma seção cilíndrica de mistura com agitador e um canal, onde raspadores movem os sólidos não dissolvidos até chuveiros de lavagem para descarregá-los como rejeito. Alguns sistemas tem parafusos sem fim no lugar de raspadores. A figura 23 mostra o esquema de um apagador-classificador de cal com extração através de raspador.
28
Entrada de cal Classificador GRITS
Entrada do Licor
Saída de Impurezas
Figura 23 – Apagador de cal O alimentador tipo ciclone localiza-se no topo do tanque apagador. A cal entra verticalmente no centro do ciclone e o licor verde é alimentado tangencialmente à parede do ciclone. Desta forma, a maior parte da cal é umedecida reduzindo a tendência à formação e emissão de poeira. O compartimento do apagador é cilíndrico e com uma capacidade suficiente para uma retenção de 10 a 15 minutos a fim de assegurar que toda cal seja apagada antes de entrar no classificador. A agitação é feita por um agitador tipo turbina de pás inclinadas. Da zona de apagamento, a mistura segue para uma zona de classificação, onde os sólidos mais grossos (“grits”) decantam e são eliminados por raspadores ou parafusos sem fim. Acima do nível de suspensão, um pequeno jato de água é aplicado para recuperar o licor antes da descarga dos “grits”. A mistura da cal apagada e parcialmente caustificada transborda por uma saída situada no compartimento de classificação e é dirigida aos caustificadores, onde a reação se completa. O tanque cilíndrico de apagamento é construído com aço inoxidável 304, com espessura de 67 mm. Do mesmo material se constrói o fundo dos defletores. A cobertura do tanque é de aço doce. O agitador e o eixo são também de aço inoxidável 304. Os mesmos materiais são utilizados na zona de classificação.
1.8.2
Lavagem do vapor desprendido O vapor desprendido na operação de apagamento deve ir diretamente para a atmosfera, já que do contrário apaga a cal que está entrando produzindo entupimento e respingo. Em algumas fábricas são instalados lavadores na chaminé do apagador (scrubber). Nestes lavadores um ventilador mistura os gases, pó e o licor verde de entrada que atua como líquido de lavagem. O licor verde e o pó são descarregados tangencialmente na seção ciclônica do lavador, os gases são separados da corrente líquida e o licor verde de lavagem, junto com o pó capturado, caem no apagador. Outros lavadores utilizam o princípio Venturi. É aconselhável, devido a natureza corrosiva dos líquidos de lavagem, que os tubos e o ventilador de lavagem sejam de aço inoxidável. 1.8.3
Caustificadores Embora a caustificação comece no apagador, a reação não alcança o equilíbrio no tempo relativamente curto (10 a 15 minutos) que se destina ao apagador. A reação de caustificação pode ser escrita como: Ca(OH)2(s) + Na2CO3(aq)
2NaOH(aq) + CaCO3(s)
Tanto o Na2CO3 como o NaOH estão em solução enquanto o Ca(OH)2 e o CaCO3 estão no seu limite de solubilidade e sua reação ocorre na fase sólida. O CaCO3 é mais insolúvel que o Ca(OH)2 e este é quem desloca a reação para a direita. O calor da reação para caustificação por si mesmo é muito pequeno. O aumento da temperatura que ocorre no apagamento e caustificação vem praticamente da reação de apagamento e não da reação de caustificação. 29
A reação se realiza em tanques ligados em série equipados com agitadores, com objetivo de manter os sólidos (carbonato de cálcio) finamente dividido em suspensão, todavia não causam a dispersão dos aglomerados. Geralmente tem defletores para reduzir a tendência da suspensão aquosa de formar vórtice. Normalmente se dispõem de três caustificadores em série para completar o volume requerido para a caustificação. Uma disposição convencional de três caustificadores é mostrado na figura 24. A solução flui, por gravidade, do apagador para o primeiro caustificador e transborda em sucessão para os outros, do último caustificador transborda para um coletor. Cada unidade tem um tempo de retenção de 30 minutos com a possibilidade de derivações no caso de manutenção e rotação de 65 a 125 rpm.
Licor parcialmente caustificado
Licor branco + lodo para o decantador
Figura 24 : Disposição de três Caustificadores em série.
Os caustificadores são recipientes verticais de aço, normalmente com uma cobertura superior. A agitação é feita por um agitador de pás curvadas ou inclinadas, girando a uma velocidade de 70-80 rpm. O interior pode ser recoberto com tijolo refratário ou aço inoxidável, com objetivo de impedir a corrosão e dar resistência a abrasão. A tendência atual é a utilização de aço inoxidável 304. Os tanques tem um suspiro na parte superior e é disposto de forma que o licor circule por gravidade de um tanque para outro. É necessário um tempo maior de reação quando os clarificadores são substituídos por filtros a pressão, já que os filtros são mais sensíveis a cal que não tenha reagido. Outro sistema de caustificação consiste em dispor os tanques um em cima do outro com um eixo de agitação comum. Neste caso, o licor é circulado do tanque superior até em baixo.
1.8.4
Velocidade de caustificação As curvas de equilíbrio servem apenas como uma orientação para indicar o máximo possível de eficiência de conversão. Na prática, a conversão é mais controlada pela velocidade do processo do que pelo equilíbrio da reação. Dados da velocidade de reação de apagamento e caustificação são mostrados na figura 25.
30
90
102ºC
80
70 70ºC 60 Eficiência de Caustificação, %
50 Símbolo 40
30
Temperatura
Tipo de Lama
102
levemente calcinada
102
muito calcinada
70
levemente calcinada
70
muito calcinada
20
0 0
20
40
60
80
100 120 Tempo, ( Min)
140
160
Figura 25 : Curva de Razão de Caustificação.
As curvas mostram duas zonas completamente diferentes, um período inicial com uma velocidade muito rápida na qual a maioria da conversão ocorre seguida de outro período com baixa velocidade onde aproxima-se o equilíbrio. A uma determinada temperatura, a cal levemente calcinada reage mais rapidamente que a cal muito calcinada. O efeito da temperatura é parcial, em temperaturas mais altas o coeficiente de difusão iônica é maior e a reação ocorre mais rapidamente.
Figura 26 – Caustificador de 3 câmaras. 31
1.9 Clarificação do licor branco A suspensão procedente dos caustificadores contém o carbonato de cálcio que deve ser eliminado para produzir um licor branco claro apto para seu uso no cozimento e para evitar problemas de coloração na polpa branqueada. Esta operação é realizada em unidades de sedimentação por gravidade denominados clarificadores. Algumas fábricas que produzem polpas branqueadas de alta qualidade também utilizam um “filtro de polimento”, após a clarificação para assegurar a máxima limpeza do licor de cozimento. 1.9.1
Fatores que afetam a clarificação As propriedades de sedimentação das partículas sólidas em suspensão no licor branco dependem de vários fatores: Condições de calcinação da cal; • Natureza e quantidade de impurezas; • Condições utilizadas no apagamento e caustificação; • Composição do licor; • Características da cal de reposição. • As variáveis que mais influenciam na velocidade de decantação são: Concentração do licor verde. Para uma maior concentração, pior decantação; • Utilização de um excesso de óxido de cálcio no apagamento; • Qualidade da cal. A cal mais reativa produz lodos que sedimentam mais lentamente. Em • geral, quando no apagador é utilizado cal, recém saída do forno de cal, há melhor sedimentação; Quantidade utilizada de cal de reposição. A cal nova sedimenta pior que a cal recalcinada; • Temperatura utilizada no apagador. Temperaturas baixas (menor que 99 0C) dão lugar a • formação de partículas ou aglomerados maiores, que sedimentam mais rapidamente porém tem tendência a dar partículas finas no líquido sobrenadante (produz turbidez); A cal de reposição deve ser livre de impurezas inertes (ferro, sílica), formadores potenciais • de flóculos gelatinosos de difícil decantação e causadores de problemas na lavagem da lama de cal e na operação de forno de cal; Arraste de sabão ou licor preto para o licor verde até o apagador, devido a uma operação • incorreta na caldeira de recuperação, que atrasa a decantação, em alguns casos, adiciona-se amido para ajudar na precipitação da lama de cal. Uma cal de boa qualidade é aquela com cal útil e reatividade altas, com boa porosidade. Se a cal for mal queimada, a porosidade e a eficiência serão baixas e a quantidade de lama e viscosidade serão maiores. Cal muito queimada acarreta uma reação mais lenta, lama com má decantação e difícil de lavar. 1.9.2
Equipamento utilizado O licor que sai dos caustificadores contém o carbonato de cálcio (lodos de cal) que deve ser eliminado antes do licor ser utilizado no cozimento. Em geral, esta operação é realizada em unidades de sedimentação por gravidade, os clarificadores, que operam para produzir um fluxo de lodos com uma consistência de 35-40%, com objetivo de minimizar a quantidade de soda que deve ser recuperada na subseqüente operação de lavagem. O objetivo primário da clarificação é obter um licor branco limpo. Os clarificadores normalmente alcançam 100 ppm de turbidez ou menos quando são operados adequadamente. O uso de polímeros pode melhorar a sedimentação porém impede um bom funcionamento dos filtros de lodos de cal existentes antes do forno de cal. No cálculo dos clarificadores unitários é tomado 0,93 m2 /t dia sobre a base de lodos ou até 1,48 m2 /t dia no caso de sedimentadores de múltiplos compartimentos, em função da altura dos compartimentos. O fluxo de saída dos lodos é controlado pela sua densidade e por instrumentos de medição que estão montados no acionamento do raspador. Atuam, em geral, sobre uma bomba de velocidade variável.
32
1.9.2.1 Clarificadores unitários Um clarificador é mostrado na figura 27. A entrada do licor é feita na parte central superior. O agitador é de baixa velocidade e tem por finalidade conduzir os lodos decantados ao ponto de descarga. A saída é feita através de um transbordo.
Parte superior do tanque
Alimentação
Caixa de Alimentação
Canal de Transbordo Transbordo
Figura 27 : Esquema de um Clarificador unitário.
1.9.2.2 Clarificadores de múltiplos compartimentos É utilizado com objetivo de economizar espaço. Se trata neste caso de vários clarificadores unitários colocados um em cima do outro (figura 28). Tem uma caixa de entrada e outra de saída equipada com tubos de transbordo ajustáveis. O lodo sedimentado passa para baixo de tal modo que sua totalidade se reúne numa só saída. Atualmente se constroem com dois compartimentos para simplificar os problemas de equilíbrio associado aos clarificadores de quatro compartimentos. Tanque de Entrada
Alimentação 4
1
1
COMPART. 1
2
3
COMP 2
Tubos de transbordo com anéis ajustáveis
Tanque de transbordo
2
COMPART. 2
6 3
7
Saída da caixa de transbordo
COMP 3 COMP
2 COMPART. 3 2 5
COMPART. 4
4
3
3
COMP 9
8
gua e ar a alta pressão Fi ura 22 : Es uema de clarificador combinado com armazenamento. 1 – Caixa de alimentação 2 – Tanques de alimentação central 3 – Raspadores giratórios 33 4 – Eixo 5 – Compartimento inferior
6 – Canal periférico 7 – Tubos de transbordo 8 – Cone de descarga 9 – Saída das lamas (lodos).
Figura 28 : Clarificador de compartimento múltiplo.
1.9.2.3 Clarificadores combinados com armazenamento Se trata de clarificadores que dispõem de uma parte superior destinada ao armazenamento correspondente a um tempo de 12 a 20 horas. A figura 29 mostra este tipo de clarificador. Mecanismo de elevação Acionamento do raspador
Acionamento
Parte superior do tanque
Nível máximo Eixo
Tubo de alimentação Nível mínimo
Alimentaçã Alimentação o
Tubo de transbordo
Poço de descarga Raspador central
Saída da lama (lodo)
Figura 29 : Esquema de clarificador combinado com armazenamento.
1.9.3
Filtração Para a separação dos lodos de cal, além dos clarificadores baseados na sedimentação, podem também ser utilizados equipamentos baseados na separação por filtração. Os mais utilizados são os filtros de vácuo com descarga através de corrente transportadora e os filtros de pressão. Os primeiros combinam a clarificação com a lavagem, se bem que apresentam problemas quando tem um excesso de cal e utilizam uma quantidade considerável de energia. 1.9.3.1 Filtros de corrente Filtração à vácuo em um filtro de corrente assegura boa eficiência de separação e boa lavagem da lama em um mesmo equipamento. Devido ao vácuo aplicado ocorre redução de aproximadamente 15°C na temperatura do licor branco. Esta desvantag em é a principal razão de muitas fabricas terem alterado equipamento para filtros pressurizados. Graças a boa lavagem da manta este tipo de filtro pode suportar variações pequenas na dosagem de cal. A despeito do alto custo de manutenção e sua complexidade este tipo de filtro ainda é utilizado na lavagem de lama após filtros pressurizados.
34
1.9.3.2 Filtros de pressão tipo “Candle” Antigamente foi muito utilizado filtros de corrente transportadora para separar os lodos de cal diretamente a partir dos caustificadores. Entretanto, estes filtros foram descartados, já que neles se utilizavam bombas de vácuo que produziam uma revaporização do licor branco, o que reduzia sua temperatura e necessitava um posterior reaquecimento antes de enviar o licor ao digestor. Os filtros de pressão são utilizados no processo de recaustificação para clarificar o licor branco. Um segundo filtro pode ser empregado como lavador dos lodos que saem do primeiro filtro. Os filtros podem ser utilizados como clarificadores ou lavadores (figura 30). Vapor Transbordo e retorno do licor branco para os caustificadores
Licor branco Água de lavagem ácida
Placa perfuradora Suspensão de cal
Elemento do filtro
Visor
Agitador Entrada de ácido dreno Lama de cal Água de selagem filtrada Figura 30 : Esquema de funcionamento de um Filtro a Pressão.
A superfície de filtração consiste em um certo número de filtros tubulares dispostos sobre tubos de aço perfurados. Os tubos de aço estão suspensos por uma placa. A alimentação se faz imediatamente abaixo da seção de tubos. A filtração se realiza na parte superior da seção de alimentação, enquanto que a parte inferior do equipamento serve como armazenamento de lodos e espessamento. A parte inferior está equipada com um raspador cônico com objetivo de favorecer o processo de engrossamento. A parte do filtro acima da seção de tubos serve como câmara de recolhimento de filtrado. Esta câmara não está pressurizada e o filtrado é descarregado através de transbordo, estando a câmara dividida em seções. Isto permite isolar uma seção e, se ocorre um prejuízo em algum dos filtros tubulares, é possível localizar e a operação pode continuar, desviando o fluxo até os caustificadores através da disposição adequada de válvulas. A operação de um filtro de pressão (figura 31) é descontínua e pode ser dividida em três estágios: Estágio 1: filtração, 5-10 minutos; • Estágio 2: descarga da torta, 5-10 segundos; • Estágio 3: sedimentação de sólidos. 10-20 segundos. • 35
Recirculação
Licor branco
Lama causti ficada
Água
Lavador da lama de cal
Estágio de Filtração Descarga da Torta 5 a 10 minutos 5 a 10 segundos
Estágio de Sedimentação 10 a 20 segundos
Figura 31 : Estágios da operação de um filtro pressurizado.
A operação de cada estágio é efetuada através da adequada disposição das válvulas. Durante o estágio de filtração é alimentado um fluxo constante ao filtro (válvula 1). O licor branco é filtrado e descarregado através da câmara de filtragem para o tanque de armazenamento. Parte dos lodos formam uma torta sobre os filtros tubulares enquanto que o resto sedimenta no fundo da câmara. Durante a descarga da torta, a válvula 2 está aberta, o fluxo é invertido, a torta se separa das mangas filtrantes e se inicia a sedimentação que é a última etapa da filtração. Durante a sedimentação, a válvula 1 está fechada. Quando começa um novo estágio de filtração, a válvula 1 se abre e a 2 se fecha. Na parte inferior do filtro se forma uma capa de lodo espesso com uma espessura de 3 a 4 cm. Esta capa é controlada através da medida do peso específico. Os lodos são engrossados até 45% e continuamente descarregados pela parte inferior para um tanque de diluição de lodos. O entupimento das superfícies de filtração depende das condições do processo. É possível observar através da pressão de alimentação. Quando está subindo para um nível superior o filtro tem que ser esvaziado e lavado, circulando um ácido diluído através do filtro. O intervalo de limpeza é de 4 a 8 semanas quando a eficiência de recaustificação é de 80-84%. Neste caso é possível aproveitar para trocar as mangas filtrantes. Entre as vantagens deste filtro estão: licor branco limpo com menos de 20 mg/L de sólidos em suspensão, requer menos espaço, construção fechada, economia de energia e facilidade de acesso para inspeção.
1.9.3.3 Filtros de Pressurizados de Discos Necessidades recentes de fechamento do circuito de água e definiram novas necessidades na lavagem da lama. A lavagem deveria utilizar menos água e ter maior eficiência. Esta necessidade somada a necessidade de maior economia de calor levou ao desenvolvimento de filtros pressurizados de discos para separação do licor branco e lavagem de lama. Figura 32 mostra uma planta de filtração a discos. O filtro de discos pressurizado consiste em elementos em forma de disco preso à um eixo central que gira que um vazo horizontal pressurizado. Uma parte de cada disco passa através do leite
36
de cal no fundo do vaso. A diferença de pressão é mantida fazendo-se o gás circular da parte interna dos discos, através de um ventilador, para a parte externa dos discos. A lama de cal é retida na superfície de cada elemento filtrante enquanto o licor branco passa através da manta para a parte interna dos discos. O licor é conduzido através do eixo para um vaso pressurizado no qual o filtrado é separado do gás. O licor branco é bombeado para estocagem e o gás é comprimido e enviado de volta ao vaso pressurizado. A camada de lama de cal formada nas telas é elevada do leite de cal conforme os discos giram. A diferença de pressão faz com que o filtrado seja conduzido à parte interna, permitindo que o teor de sólidos da camada chegue a 60%. Posteriormente a camada é lavada através de chuveiros e secada novamente. A parte superficial da camada é raspada antes que os discos mergulhem novamente no leite de cal. A parte remanescente da camada de lama age como pré-camada na próxima filtração. A lama de cal raspada passa través de dutos de descarga para um vaso pressurizado de mistura, é diluída em água e bombeada para o tanque de estocagem de lama. A pré-camada de lama de cal irá deteriorar-se lentamente. Intermitentemente o raspador devese mover para parte mais próxima da tela para remover material da superfície. Periodicamente toda pré-camada deve ser trocada, isto ocorre a intervalos de 8-24 h. Nenhuma destas alterações provoca interrumpção significativa na produção de licor branco.. Os elementos de filtração devem ser lavados com ácido diluído, fórmico ou sulfâmico, a intervalos de 1-3 meses. Os elementos de filtração normalmente são substituídos anualmente. O filtro de discos pressurizado é mais complexo e necessita maior especialização pela manutenção e operarão. O consumo de energia é também maior que o necessário para clarificação. O desenvolvimento da automação de processos permitiu a programação de seqüências complexas de operação através do sistema DCS, de modo a reduzir a carga da operação. O filtro de discos pressurizado oferece benefícios significativos como baixo conteúdo de sólidos suspensos no licor branco (>20 ppm) alta eficiência de separação para licor branco e lama de cal e a capacidade de separar e lavar a lama de cal em um único equipamento. A água de lavagem provoca diluição do licor branco reduzindo o ATT em 2-5 g/l. Devido a alta eficiência de separa, a circulação de alkali em plantas com filtro de discos é de aproximadamente 5% enquanto que em plantas com clarificadores é de aproximadamente 20%.
37
Figura 32: Filtro de discos pressurizado
1.10
Lavagem e engrossamento dos lodos de cal Os lodos de cal procedentes do clarificador de licor branco devem ser lavados e devem sofrer uma operação de extração de água antes da calcinação. O conteúdo em soda dos lodos lavados deve ser controlados para garantir uma operação satisfatória no forno de cal, por outro lado, deve assegurar-se um controle das emissões de TRS (enxofre total reduzido) no forno de cal. Os lodos procedentes do clarificador tem um conteúdo em soda de 16-20% (como Na2O) e são lavados normalmente em tanques de sedimentação. A esta operação segue-se outra lavagem e extração de água que é efetuada num filtro de vácuo do tipo pré-camada. Estas operações baixam o conteúdo em soda para menos de 1% dos lodos secos. A água usada na lavagem da lama de cal pode vir de quatro pontos diferentes: água fresca do condensado dos evaporadores; • efluente do lavador da borra; • água de lavagem do pó do forno de cal; • Efluente do filtro da lama de cal. • Normalmente, até a chegada dos filtros de pré-camada eram utilizados lavadores de dois estágios, dois engrossadores unitários ligados em série ou um engrossador do tipo múltiplos compartimentos. Os lavadores de estágio simples combinados com armazenamento foram adotados no final dos anos 60. Os lavadores unitários consistem basicamente em um engrossador no qual os lodos de saída do clarificador são diluídos com água de lavagem, para em seguida ser sedimentados com objetivo de produzir licor fraco clarificado e um fluxo de lodo lavado +/- 3% de soda (Na2O). Estas unidades são dimensionadas para uma razão de 0,74 m2 /t dia de lodo, com um conteúdo em sólidos na saída de 40-50%. O licor fraco de saída tem, em geral, menos de 100 ppm de sólidos suspensos. Se for feita a reciclagem dos sólidos do lavador de gases (scrubber) da caldeira de recuperação ao tanque de mistura do lavador de lodos, o fluxo de saída pode ter uma maior turbidez. Os clarificadores-engrossadores de compartimentos tem pouca eficiência e são difíceis de equilibrar. Produzem um licor fraco com um conteúdo em sólidos relativamente alto. Um esquema de lavagem em dois estágios é mostrado na figura 33. Lodos procedentes do clarificador Ao armazenador de licor fraco 1ª etapa de lavagem
gua de lavagem
2ª etapa de lavagem
Ao Filtro Figura 33 : Esquema da lavagem em estágios da lama de cal.
Tem sido usado ultimamente sistemas de lavagens constituídos por lavadores unitários semelhantes aos clarificadores de licor branco. Estes sistemas podem incorporar um armazenamento de licor fraco, com o qual se economiza espaço. É importante que a densidade dos lodos de saída seja constante. Os controles baseados na velocidade das bombas de extração não são muito seguros. Se obtém um melhor controle da densidade sobre o mecanismo de acionamento do raspador.
38
1.10.1 Filtro de lama de cal Depois de um estágio ou dois de lavagem num lavador do tipo sedimentador, os lodos de cal passam por um filtro de vácuo que os submete a uma nova lavagem e extração de água antes de seguirem para o forno de cal, onde o carbonato de cálcio é convertido em óxido de cálcio. Um alto teor de sólidos na torta obtida é desejável, tendo em vista a economia de combustível no forno de cal. Do tanque de armazenamento, o lodo é diluído para 25-30% antes de alimentar o filtro. Para manter a lama em suspensão é necessária agitação mecânica ou através de ar comprimido. Um medidor de densidade radioativo controla a água de diluição. Também se controla a quantidade total de lodos através de um controlador de fluxo magnético ligado a uma bomba de velocidade variável. Os filtros de lodos de cal do tipo pré-camada operam com um vácuo de 380 a 510 mm de Hg e toda a superfície do filtro está sob vácuo. O filtro está coberto por uma tela de aço inoxidável ou polipropileno. O raspador para eliminar os lodos que se depositam sobre a tela é fixo a uma distância de 9,5 a 16 mm da superfície do filtro, de tal modo que só uma camada de 3,2 a 6,4 mm é eliminada, caindo uma parte dos lodos sobre a superfície do filtro que atua como pré-camada no próximo ciclo de filtração. O objetivo de retirar água da camada é reduzir a quantidade de soda e umidade que entra no forno de cal. A umidade tem um grande efeito no consumo de energia no forno de cal. Hoje atinge-se teor seco acima de 80% e álcali residual menor que 0,1 % como Na2O em relação a lama seca. A carga especifica na filtração é de aproximadamente 5 – 7 t/m².dia.
Figura 34: Filtro de Lama A temperatura ideal da água dos chuveiros para lavagem de camada deve ser de 70 0C. Na prática a pré-camada acaba ficando impermeável, antigamente era realizada uma troca completa da camada a cada 8-24 h derrubando-se a camada antiga na vaso e enviando novamente à estocagem. Esta operação provocava grande distúrbio na alimentação do forno de cal. O mais recente método para renovação da pré-camada é o uso de chuveiro de alta pressão com jato localizado. Pode-se remover total mente ou parte da pré-camada ajustando-se a pressão. Uma pequena parte da pré-camada é trocada continuamente conforme o chuveiro passa sobre a extensão completa do filtro cada uma hora. A largura do tambor que é renovado completamente é menor que 0,5 m durante cada passe. Este procedimento assegura que a alimentação do forno de cal não sofra distúrbios durante a renovação da pré-camada.
39
Figura 35: Esquema do chuveiro de troca de pré-camada
1.11
Controle de processo
1.11.1 Controle Manual O controle de processo na área de caustificação é manual ainda na maioria das fábricas. Operadores acompanham o processo usando testes de laboratório. A determinação do álcali total (AT), ativo (AA) e efetivo (AE) é o método laboratorial mais comum. O tempo de processo entre a alimentação de cal e o produto final após o ultimo caustificador é de aproximadamente 2-3 h. Devido á este longo tempo de processo o controle manual é muito difícil é pode provocar excesso de cal (over liming). A dosagem excessiva de cal provoca entupimento dos elementos filtrantes e maior freqüência de lavagem com ácido ou água. A seguir apresentamos algumas técnicas disponíveis para controle de sistema.
1.11.2 Medição e controle de condutividade Eletrodos especiais com compensação automática para incrustação e contaminação estão disponíveis para este sistema. A medida da diferença de condutividade entre o primeiro e ultimo reator é transformada em ATT e usada como retorno para o controle na dosagem de cal.
1.11.3 Titulação automática e controle Em instalações típicas, o titulador automático retira amostras do licor verde e entrada, do apagador, do primeiro caustificador, ou de uma combinação destes. O sistema retira as amostras e realiza análise automaticamente. A análise é realizada por um processo modificado de titulação e para cada ponto os seguintes resultados são apresentados: - Álcali efetivo (AE); - Álcali ativo (AA); - Álcali total titulável (ATT); - Hidróxido de sódio (NaOH); - Sulfeto de sódio (Na2S); - Carbonato de sódio (Na2CO3) - Sulfididade (S%); - Eficiência de caustificação (EC%)
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1.11.4 Controle por diferença de temperatura O controle por diferença de temperatura é uma técnica mais recente de controla. È medido o aumento de temperatura do licor verde de entrada e do licor no apagador. Este controle não necessita nenhum investimento adicional em tituladores ou instrumentos de campo uma vez que estes instrumentos são os normalmente existentes. O aumento de temperatura é correlacionado diretamente com a extensão da reação de caustificação. A medição da eficiência de caustificação através de análise manual é utilizada para calibrar o algoritmo de controle o qual é baseado em lógica fuzzy e regras de controle. Este método pode ser implementado diretamente no SDCD, computador pessoal independente.
1.11.5 Controle por lógica Fuzzy Hoje a maioria dos controles mencionados acima utiliza lógica fuzzy o qual tem significantes melhorias quando comparado com o controle PID tradicional. Ele oferece a possibilidade de controlar o processo de modo semelhante ao que faria os melhores operadores. Fuzzy utiliza definições empíricas como “Se a temperatura do licor verde no primeiro caustificador é alta e está aumentando, então diminua a entrada de cal no apagador”. Utilizando poucas sentenças que são definidas em conjunto com os operadores, o controlador fuzzy pode ser programado para operar o sistema de modo continuo. O segundo maior benefício desta nova tecnologia é que a programação da função de controle pode ser não linear. Por exemplo, o ganho do controlador pode ser programado em diferentes valores dependendo do quão próximo da eficiência de caustificação de equilíbrio (curva de Goodwin). A eficiência de caustificação pode aproximar-se lentamente da curva, mas o ganho próximo da curva em situação reversa pode ser muito maior para prevenir excesso de cal em todas as condições de processo.
Figura 36 : Esquema do controle por condutividade.
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Figura 37 : Esquema do controle por titulação automática.
Figura 38 : Esquema do controle pode diferença de temperatura.
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