Aumento da Produtividade de Cubas Eletrolíticas para ... ?· Aumento da Produtividade de Cubas Eletrolíticas…

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  • Universidade Federal de Campina Grande

    Centro de Cincias e Tecnologia

    Unidade Acadmica de Engenharia Qumica

    Programa de Ps-Graduao

    Aumento da Produtividade de Cubas

    Eletrolticas para Produo de Alumnio

    Atravs da Anlise Trmo-Eltrica do Conjunto

    Bloco Catdico e Barra Coletora

    Mestrando: Paulo Zaidan Drumond

    Orientadores: Prof. Dr. Shiva Prasad

    Prof. Dr. Romildo Pereira Brito

    Campina Grande - PB

    Abril/2007

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  • Aumento da Produtividade de Cubas Eletrolticas para Produo de Alumnio Atravs

    da Anlise Trmo-Eltrica do Conjunto Bloco Catdico e Barra Coletora

    Paulo Zaidan Drumond

    DISSERTAO APRESENTADA

    UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA

    GRANDE COMO PARTE DOS REQUISITOS

    EXIGIDOS PARA OBTENO DO TTULO

    DE MESTRE EM ENGENHARIA QUMICA

    rea de Concentrao: Operaes e Processos

    Orientadores: Prof. Dr. Shiva Prasad

    Prof. Dr. Romildo Pereira Brito

    Campina Grande Paraba

    Abril/2007

  • Aumento da Produtividade de Cubas Eletrolticas para Produo

    de Alumnio Atravs da Anlise Trmo-Eltrica do Conjunto

    Bloco Catdico e Barra Coletora

    Paulo Zaidan Drumond

    Dissertao Aprovada em: 27 de Abril de 2007

    Banca Examinadora:

    ______________________________________

    Prof. Dr. Shiva Prasad (UFCG)

    Orientador

    ______________________________________

    Prof. Dr. Romildo Pereira Brito (UFCG)

    Orientador

    ______________________________________

    Prof. Dr. Jos Jalson Niccio Alves (UFCG)

    Examinador

    ______________________________________

    Prof. Dr. Renato Alexandre Costa de Santana (UEPB)

    Examinador

  • I

    DEDICATRIA

    Dedico este trabalho a meus pais, irmos, a minha esposa e filhos que sempre me

    apoiaram e incentivaram a abraar os estudos e as oportunidades da vida.

  • II

    AGRADECIMENTOS

    Deus que guia e orienta minha vida e meus passos.

    Alumar - Consrcio de Alumnio do Maranho, em especial os superintendentes de

    Tecnologia, Qualidade e ABS da Reduo, Hlio Trucci e posteriormente Ciro Kato, que

    acreditaram no potencial de todos os escolhidos para compor esta turma e criaram esta

    oportunidade em parceria com a Universidade Federal de Campina Grande UFPG.

    Ao excelente corpo docente do curso de Engenharia Qumica.

    Aos professores doutores Shiva Prasad, Romildo Brito e Jos Jailson Alves, pela

    participao e orientao nesse trabalho.

    toda equipe de engenharia de processo da Alumar que me apoiou e incentivou neste

    desafio.

    Aos Tcnicos de processo Carlos Melo e Ronald Maciel que foram incansveis na

    realizao das medies de campo e acompanhamento dos testes.

    A parceria entre Alumar e Alcoa-Month Holly- Soulth Caroline-USA que por sua

    similaridade de projeto, viabilizou estudos de campo preliminares e pr-teste em 5 fornos

    durante o ano de 2005 com acompanhamento de profissionais da Alumar e Month Holly:

    Elsio Bessa (atual Superintendente de Tecnologia e Processo), Elieser Batista (Supervisor de

    Processo da Sala de Cubas), Ari Silva, Jos Ewerton Neto, Nilton Nagem, Felippe Navarro,

    Cris Ritter (Engenheiros de Processo), entre outros que contriburam com o sucesso deste

    projeto.

    PCE Projetos e Consultoria em Engenharia Ltda., que em parceria com a Alumar,

    desenvolveu os modelos matemticos que possibilitaram simular o comportamento

    operacional e assim auxiliar a determinar as mudanas que suportaram as necessidades do

    projeto.

  • III

    RESUMO

    A utilizao de estudos de simulao numrica, alm da utilizao de materiais

    alternativos que permitem a elevao da corrente das cubas (fornos) de produo de alumnio,

    tem sido o caminho escolhido por empresas que buscam por melhorias na produtividade e na

    eficincia de corrente, sem a necessidade de grandes investimentos. A Alumar, h mais de 10

    anos iniciou o processo de aumento de produtividade atravs da elevao gradual da corrente,

    de 180 kA at 225 kA, sem necessidade de modificaes significativas no projeto das cubas

    eletrolticas. A nova etapa atingir 240 kA como novo patamar de corrente que ir permitir

    aumentar a produo de alumnio em torno de 6%. Para isso foram utilizados estudos de

    simulao numrica e testes em planta para 10 cubas operando a 240 kA, que demonstraram a

    necessidade de modificaes no projeto atual das cubas para se manter o equilbrio trmico e

    eltrico. Das 10 clulas em teste, 5 sofreram modificaes no tipo de bloco catdico (de semi-

    graftico para grafitizado) e aumento nas dimenses da barra catdica, baseados nos

    resultados dos estudos de simulao (modelos trmico e eltrico). Medies de campo e de

    parmetros de processo foram realizadas nas clulas que sofreram modificaes e nos que

    permaneceram com o projeto atual com o objetivo de avaliar o desempenho dos dois grupos

    comparativos e validar o modelo numrico utilizando a perda de tenso catdica (CVD) como

    principal resultado de comparao. As cubas com o projeto modificado, assim como previsto

    na simulao, tm apresentado melhores desempenhos trmicos e eltricos.

  • IV

    ABSTRACT

    Studies of numerical simulation beyond the use of alternative materials that allow the

    electrical current rise in the aluminum production pot line, has been the way pursued for the

    majority of the aluminum companies that are searching for productivity improvements beyond

    the improvement of the current efficiency without of great investments should be necessary.

    More than the 10 years the Alumar Company initiated this process of productivity

    improvement through the gradual rise of the electrical current from 180 kA up to 225 kA

    without necessity of significant modifications in the pot design. The new stage is to reach 240

    kA as new electrical current platform that will make possible increase around 6% in the

    current aluminum production. For these studies of numerical simulation in set with a real test

    in 10 pots operating with 240 kA had been used and it has demonstrated the necessity of

    modifications in the current design of the pots to remain the current thermal and electric

    balance. From the ten pots in test, five had suffered modifications in the type of cathode

    blocks (from semi-graphitic to graphitized) and increase in the cathode bar dimensions based

    in the thermal and electric studies of numerical simulations. Measurements of field and in the

    process parameters had been carried through in the pots that had suffered modifications and in

    the pots that had remained with the current design. The objective of it is to evaluate the

    performance of its two comparative groups and also to validate the numerical simulation

    model using the Cathode Voltage Drop (CVD) as mainly comparison. The pots with the

    modified design, as well as foreseen in the numerical simulation, have presented better

    thermal and electric performances.

  • SUMRIO

    1. INTRODUO .............................................................................................................. 1

    2. DESCRIO DO PROBLEMA ................................................................................... 2 2.1. BREVE DESCRITIVO DO PROCESSO HALL-HEROULT ................................................................................ 2 2.2. AUMENTO DA PRODUTIVIDADE VIA ELEVAO DA CORRENTE ELTRICA ............................................... 4 2.3. BLOCOS CATDICOS BREVE DESCRIO .............................................................................................. 5

    3. OBJETIVOS E METAS ................................................................................................ 7 3.1. GERAL ..................................................................................................................................................... 7 3.2. ESPECFICO .............................................................................................................................................. 7

    4. REVISO BIBLIOGRFICA ...................................................................................... 8

    5. MODELAGEM MATEMTICA ............................................................................... 11 5.1. BREVE DESCRITIVO SOBRE O MTODO DOS ELEMENTOS FINITOS ......................................................... 14 5.2. CONSIDERAES UTILIZADAS PELO PROGRAMA ALGOR PARA UTILIZAO DO MTODO DOS ELEMENTOS FINITOS. ......................................................................................................................................... 15

    Anlise de Transferncia de Calor em Estado Estacionrio Linear: ........................................................... 15 Anlise de Transferncia de Calor em Estado Estacionrio No-Linear:.................................................... 17

    6. METODOLOGIA ........................................................................................................ 22 6.1. EXPERIMENTAO PRTICA .................................................................................................................. 23 6.2. EXPERIMENTAO NUMRICA ............................................................................................................... 24

    7. ESTIMATIVA DE PARMETROS DO MODELO MATEMTICO .................. 26

    8. USO DO MODELO NA ANLISE TERMO-ELTRICA ...................................... 30 8.1. ANLISE ELTRICA ................................................................................................................................ 30 8.2. ANLISE TRMICA ................................................................................................................................. 30

    9. RESULTADOS OBTIDOS A PARTIR DOS FORNOS DE TESTE ...................... 38 9.1. INTENSIDADE DE CORRENTE (AMPERE) ................................................................................................. 38 9.2. RUDO (SPPN) ......................................................................................................................................... 39 9.3. MODIFICADOR DE RUDO ....................................................................................................................... 39 9.4. RESISTNCIA BASE (MICRO-OHMS) ........................................................................................................ 40 9.5. TENSO MDIA DOS FORNOS (V) .......................................................................................................... 41 9.6. TEMPERATURA DO BANHO ..................................................................................................................... 42 9.7. RATIO DO BANHO .................................................................................................................................. 43 9.8. CVD - CATODIC VOLTAGE DROP (MV) PERDA DE TENSO CATDICA .......................................... 44

    10. CONCLUSO .............................................................................................................. 46

    11. SUGESTES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................... 46

    12. ANEXOS ....................................................................................................................... 47 12.1. CONCEITO DO BALANO DE ENERGIA - FORNO DE PRODUO DE ALUMNIO ................................... 47 12.2. RELAO DE ENERGIA E CALOR NA PRODUO DE ALUMNIO. ........................................................ 48 12.3. FONTES DE ENERGIA DO FORNO ........................................................................................................ 49 12.4. PERDAS DE ENERGIA NO FORNO. ....................................................................................................... 50 12.5. DISTRIBUIO PERCENTUAL DA PERDA DE CALOR TPICA EM UM FORNO DE PRODUO DE ALUMNIO. ......................................................................................................................................................... 51

    13. REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................................... 52

  • NDICE DE FIGURAS

    Figura 1 Cuba eletroltica para produo de alumnio........................................................... 4 Figura 2 Cuba Vista frontal do bloco catdico e da barra coletora........................................ 6 Figura 3 Geometria com indicao dos materiais..................................................................12 Figura 4 Soluo do Algor para Processo No Linear...........................................................18 Figura 5 Modelo de radiao entre corpos.............................................................................20 Figura 6(a) Barra coletora dos experimentos 1 e 2...............................................................22 Figura 6(b) Barra coletora do experimento 3........................................................................22 Figura 6(c) Bloco catdico dos experimentos 1 e 2...............................................................22 Figura 6(d) Bloco catdico do experimento 3.......................................................................22 Figura 7 Esquemtico do fluxo de corrente eltrica num forno de eletrlise de alumnio....24 Figura 8 Identificao dos coeficientes de troca trmica.......................................................25 Figura 9 Queda de potencial do catodo-CVD (mV x Idade).................................................27 Figura 10(a) Queda de potencial do forno com catodo CFK calibrado - catodo novo (sem resistncia de contato).............................................................................28 Figura 10(b) Queda de potencial do forno com catodo CFK calibrado - catodo velho (com resistncia de contato).............................................................................28 Figura 10(c) Queda de potencial do forno com catodo KS calibrado - catodo velho (sem resistncia de contato).............................................................................29 Figura 11 Exemplo da simulao da distribuio da tenso eltrica (V) do experimento 1 a 240 kA.........................................................................................31 Figura 12 Exemplo da distribuio da corrente eltrica Experimento 1, sem a barra coletor A/mm2.....................................................................................31 Figura 13 Comparativo de calor gerado internamente e do calor extrado do banho dos experimentos calculados..................................................................33 Figura 14 Comparativo da diferena entre os calores extrados e gerados nos experimentos 2 e 3 em relao ao experimento 1............................................33 Figura 15(a) Mapa de distribuio da temperatura do experimento 1...................................34 Figura 15(b) Mapa de distribuio da temperatura do experimento 2...................................34 Figura 15(c) Mapa de distribuio da temperatura do experimento 3...................................35 Figura 16(a) Distribuio do fluxo de calor - experimento 1.................................................35 Figura 16(b) Distribuio do fluxo de calor - experimento 2.................................................36 Figura 16(c) Distribuio do fluxo de calor - experimento 3.................................................36 Figura 17 Intensidade de corrente (I).....................................................................................38 Figura 18 Rudo (sppn)..........................................................................................................39 Figura 19 Modificador de Rudo............................................................................................40 Figura 20 Resistncia base (micro-ohms)..............................................................................41 Figura 21 Tenso mdia dos fornos (V).................................................................................42 Figura 22 Temperatura do Banho (C)...................................................................................43 Figura 23 Ratio do forno........................................................................................................44 Figura 24 CVD Cathode Voltage Drop (mV) Perda de Tenso Catdica....................45

  • NDICE DE TABELAS Tabela 1 Propriedade dos diferentes tipos de blocos catdicos..........................................6 Tabela 2 Propriedade eltricas e trmicas dos materiais do forno....................................13 Tabela 3 Coeficientes de conveco determinados....................... ...................................25 Tabela 4 Quedas de potencial para fornos operando a 226 kA.........................................26 Tabela 5 Resultados da anlise dos experimentos 240 kA/cuba....................................30 Tabela 6 Resultados trmicos Perda de calor e Calor gerado........................................32 Tabela 7 Balano trmico do forno...................................................................................32 Tabela 8 Balano trmico do forno atravs de vrios cenrios.........................................37

  • SIMBOLOGIA

    Cp = calor especfico ............................................................. J kg-1 k-1

    = potencial eltrico ............................................................. Volts

    V = velocidade ....................................................................... m s-1

    = condutividade trmica ...................................................... W m-1 k-1

    H = calor latente de fuso ....................................................... J kg-1

    fs = frao slida na interface lquida da aresta ...................... 1

    hea = fonte de calor devido as reaes qumicas .................... W m-3

    GLOSSRIO

    Grafite = forma alotrpica do elemento carbono constitudo de tomos arranjados de forma

    hexagonal num sistema de anis condensados planar. As camadas esto dispostas

    paralelas umas as outras. A palavra chave perfeio na estrutura;

    Graftico = inclui todas as variedades de substncias de elemento carbono na forma

    alotrpica de grafite contida nos defeitos da estrutura;

    Grafitizado = corresponde ao carbono graftico com estruturas cristalinas tridimensionais

    relativamente perfeitas, obtidas atravs do tratamento trmico a temperaturas que variam

    de 2226 a 3026 C;

    Amorfo = material sem uma forma cristalina de longo alcance. O desvio interatmico das

    distncias de ligao C-C relativa ao grafite, incluindo as que esto na base planar maior

    que 5%.

    Temperatura de Lquidus = o valor mais alto do intervalo de fuso do metal observado

    no diagrama de equilbrio de fases.

    Banho eletroltico = composto de sdio e fluoreto de alumnio (Na3AlF6), onde os anodos

    ficam mergulhados e onde ocorrem as reaes eletrolticas de transformao da alumina

    em alumnio. O alumnio produzido se deposita sobre o catodo e abaixo deste banho.

    Ratio = razo entre