processos industriais

Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Campinas – S.P.

2003

Processos Industriais

Processos Industriais SENAI-SP, 2002 Trabalho elaborado pela Escola Senai “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Coordenação Geral Magno Diaz Gomes Equipe responsável Coordenação Luíz Zambon Neto Elaboração Luís Rogério Gomes de Almeida Versão Preliminar SENAI - Serviço Nacional de Aprendizagem Industrial Escola SENAI “Prof. Dr. Euryclides de Jesus Zerbini” Avenida da Saudade, 125, Bairro Ponte Preta CEP 13041-670 - Campinas, SP [email protected]


SENAI

Sumário

Caldeiras Reator

Tratamento de Água Celulose e Papel Petróleo Siderurgia Alumínio Açúcar e Álcool Cimento Referências Bibliográficas

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Caldeiras Introdução Uma caldeira é composta de dois sistemas básicos separados. Um é o sistema vapor-água, também chamado de lado de água da caldeira e o outro é o sistema combustível-ar-gás da combustão, também chamado de lado de fogo da caldeira. A entrada do sistema vapor-água ou lado de água da caldeira é a água. Esta água que recebe o calor através de uma barreira de metal sólido é aquecida e convertida em vapor. As entradas do sistema são: combustível e o ar de combustão necessário à queima. Neste sistema, o combustível e o ar são misturados, sendo em seguida queimados na câmara de combustão. A combustão converte a energia química do combustível em energia térmica, ou seja, calor. Este calor é transferido para o sistema vapor-água, para geração de vapor. Classificação das Caldeiras Basicamente existem dois tipos de caldeiras: a fogotubular e a aquatubular.


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Vista externa típica das caldeiras aguatubular e fogotubular (na ordem descrita ). Mas podemos classificá-las de acordo com as seguintes características: • Tipos de tubos; • Forma e posição dos tubos; • Aquecimento; • Tipo de fornalha. A melhor classificação que podemos fazer é a seguinte: Caldeiras de Tubo de Fogo - Fogotubular Foi o primeiro e mais simples tipo de caldeira construído e mesmo com o aparecimento de caldeiras modernas, ainda continua em uso. Neste tipo de caldeira, os gases quentes da combustão passam por dentro e a água da caldeira passa por fora dos tubos, ou seja, o lado de fogo fica por dentro e o lado de água fica por fora dos tubos. O vapor gerado pelo calor dos gases quentes da combustão é transferido, através das paredes metálicas dos tubos, para a água que fica circulando nestes tubos. À medida que os gases da combustão fluem através dos tubos, são resfriados pela transferência de calor para a água, portanto quanto maior o resfriamento dos gases, maior quantidade transferida de calor. O resfriamento dos gases da combustão é função da condutividade dos tubos, da diferença de temperatura entre os gases e a água da caldeira, da área de transferência de calor, do tempo de contato entre os gases e a superfície dos tubos da caldeira.


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Esquema básico de funcionamento de uma caldeira fogotubular (três passes)

Caldeira fogotubular típica As caldeiras fogotubulares são simples e muito utilizadas, mas por problemas construtivos e de competividade econômica, suas aplicações são restritas às pequenas ou médias vazões de vapor (até 10 t/h), pressões de trabalho não superiores a 10 kgf/cm2 (150 psi) e somente vapor saturado. Caldeiras de Tubo de Fogo Horizontal É uma caldeira com tubos de fogo e de retorno no qual os gases desprendidos durante a combustão circulam por tubos que aquecem a água e saem pela chaminé.


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Uma caldeira na qual os tubos de fogo e de retorno são conjugados sendo que os gases quentes circulam pelos tubos diretos e voltam pelos tubos de retorno fazendo assim com que o vapor seja produzido.

Caldeiras Tubo de Fogo Vertical Nesse tipo de caldeira os tubos são colocados verticalmente dentro do cilindro e a fornalha interna fica no corpo do cilindro. É usada em local de pequeno espaço e baixa vazão de vapor. Os gases resultantes da queima na fornalha sobem pelos tubos e aquecem a água que os envolve.


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Vantagens da caldeira fogo tubular: • Construção bastante simples, exige pouca alvenaria; • Bastante reforçada; • Baixo custo; • Facilidade de manutenção. Desvantagens da caldeira fogo tubular: • Baixo rendimento; • Partida lenta devido a grande quantidade de água; • Pressão limitada, até aproximadamente 15,5 kgf/cm2; • Pequena taxa de vaporização (kg vapor/m2 x h); • Fogo e gases têm contato direto com a chaparia provocando maior desgaste; • Apresentam dificuldades para instalação de economizador, superaquecedor e pré-

aquecedores. Caldeiras de Tubos de Água - Aquatubulares A crescente industrialização e a criação de novos métodos industriais exigiram caldeiras de maior rendimento e menos consumo e rapidez na entrada em operação. Baseados nos princípios da termodinâmica e nas experiências com os tipos de caldeiras existentes, os fabricantes resolveram inverter o processo de passagem de fluido. Trocaram os tubos de fogo por tubos de água, aumentando em muito a superfície de aquecimento. Com isso a água passa por dentro e os gases quentes da combustão passam por fora dos tubos. Estes tubos são normalmente conectados entre dois ou mais tubulões cilíndricos.


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O tubulão superior (também chamado de tubulão de vapor) tem seu nível de água controlado em cerca de 50% e os inferiores trabalham totalmente cheios de água. Todo o conjunto (lado de fogo mais lado de água) é isolado por uma parede de refratários (câmara de combustão), de forma evitar perdas de calor para o ambiente.

O aquecimento dos tubos e da água existente dentro destes tubos é feito com o calor gerado pela queima do combustível com o ar de combustão nos queimadores; este calor é transferido pelos gases da combustão existentes fora dos tubos. Quando um líquido é aquecido, as primeiras partes aquecidas ficam mais leves e sobem, enquanto as partes frias que são mais pesadas descem. Recebendo calor, elas tornam a subir, formando assim, um movimento contínuo, até que a água entre em ebulição.


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Notamos que a água é vaporizada nos tubos que constituem a parede mais interna, recebendo-se calor; vaporiza-se e sobe até o tambor superior dando lugar à nova quantidade de água fria que será vaporizada e assim sucessivamente. Com o aquecimento a água circula resfriando os tubos, aquecendo-se e liberando vapor, adiciona-se água no tubulão superior através da válvula de nível, localizada na entrada do tubo distribuidor. A água fria adicionada no tubulão superior desce (através dos tubos de subida – risers) para o tubulão superior, devido à diferença de densidade (efeito termossifão).


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Caldeira aquatubular de tubo reto Consiste de um feixe de tubos retos e paralelos que se interligam com o tambor de vapor, através de camadas.

Observação: Essas foram as primeiras caldeiras aquatubulares de tubos retos projetadas com capacidade de 3 a 30 toneladas de vapor/hora com pressões de até 40 kgf/cm2. Caldeira aquatubular de tubo curvo e parede de água Esse tipo apresenta os tubos curvos que se unem aos tambores por solda ou mandrilagem, o que proporciona grande economia na fabricação e facilidade de manutenção.


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Caldeira aquatubular de tubo curvo. Caldeira aquatubular compacta Como o próprio nome diz, o equipamento é montado em um único conjunto e pode entrar em funcionamento imediato. Vantagens da caldeira aquatubular: • Os tubos retos são de fácil substituição; • A limpeza e inspeção são facilitadas. Desvantagens da caldeira aquatubular de tubo reto: • Precisa de dupla tampa para os tubos (espelho); • A taxa de vaporização é muito pequena. Vantagens da caldeira aquatubular de tubos curvos: • Economia na construção, conseqüentemente menor custo; • Fácil limpeza e manutenção; • Grande produção de vapor; • Dimensões reduzidas; • Redução de temperatura na câmara de combustão com maior aproveitamento do

calor;


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• Não necessita de refratários de alta qualidade; • Rápida entrada em funcionamento; • Fácil inspeção de todos os seus componentes.

Visão interna de uma caldeira aquatubular de tubo curvo. Vantagens da caldeira aquatubular compacta: por ser idêntica a caldeia aquatubular de tubos curvos, apresenta as mesmas vantagens, além de grande redução no tamanho. O vapor gerado no tubulão superior é saturado; caso se queira vapor com temperatura acima de sua temperatura de saturação, deve-se gerar vapor superaquecido. O vapor superaquecido é obtido com a instalação de superaquecedores. Os superaquecedores são constituídos por feixes de tubos em forma de serpentina, sendo classificados (quanto à transferência de calor) como de radiação ou de convecção.


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A utilização de vapor superaquecido aumenta a disponibilidade de energia e também permite aumentar o rendimento das turbinas em função do maior salto entálpico disponível. Caso a caldeira gere vapor superaquecido, deverá ser instalado um sistema de dessuperaquecimento, pois a relação pressão x temperatura só vale para vapor saturado. No caso de vapor superaquecido a temperatura final do vapor será em função da pressão do vapor, do excesso de ar, da temperatura e do volume dos gases aos quais o superaquecimento esta submetido. A maioria dos dessuperaquecedores industriais opera através de adição de água atomizada no vapor superaquecido, esta adição resfria o vapor superaquecido.

Caldeira aquatubular compacta típica com dois tubulões (caldeira tipo O) e superaquecedor tipo radiante. Como a transferência de calor do lado de fogo para o lado de água da caldeira depende da diferença de temperatura entre esses dois sistemas, em uma caldeira simples (sem acessórios de aproveitamento de calor), os gases da combustão somente poderão ser resfriados para uma temperatura pouco acima da temperatura do sistema vapor-água da caldeira. Se desejar reduzir as perdas de calor nos gases da combustão deve-se adicionar acessórios de aproveitamento de calor. O economizador e o pré-aquecedor de ar são formas usuais de aproveitamento de calor da caldeira.


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No economizador os gases da combustão têm contato com a superfície de transferência de calor na forma de tubos d’água, através dos quais flui a água de alimentação. Como os gases da combustão estão em temperaturas mais altas do que da água, o gás é resfriado e a água aquecida.

Os gases da combustão, após passarem pelo economizador, passam pelo pré-aquecedor de ar, visando pré-aquecer o ar de combustão. O calor flui através da superfície de transferência de calor do pré-aquecedor, aquecendo o ar e resfriando os gases da combustão. O pré-aquecedor de ar pode ser do tipo recuperativo ou regenerativo (dependendo do seu princípio de funcionamento). No pré-aquecedor recuperativo, o calor proveniente dos gases da combustão é transferido para o ar de combustão, através de uma superfície metálica (pré-aquecedor tubular). No pré-aquecedor regenerativo, o calor proveniente dos gases da combustão é transferido indiretamente para o ar de combustão, através de um elemento de armazenagem por onde passam o ar e os gases alternadamente. As caldeiras aquatubulares podem ser projetadas para trabalhar com tiragem forçada, induzida ou balanceada. As caldeiras que operam com tiragem forçada trabalham com pressão ligeiramente positiva na câmara de combustão.


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Neste tipo de caldeira a pressão na câmara de combustão será da vazão de ar que entra na caldeira.

Esta vazão é controlada pela malha de controle de pressão ligeiramente negativa na câmara de combustão.

Neste tipo de caldeira a pressão na câmara de combustão é controlada atuando-se no damper do ventilador de tiragem induzida. Generalidades


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Como as caldeiras fogotubulares têm utilização restrita na indústria, veremos então mais detalhes das caldeiras aquatubulares. Nas caldeiras aquatubulares, as duas variáveis mais importantes a serem controladas são: pressão de vapor e nível do tubulão. A pressão de vapor deve ser mantida numa faixa de variação estreita, pois este vapor é normalmente utilizado em equipamentos complexos e que devem operar com grande estabilidade, como é o caso das turbinas. Esta pressão é controlada, variando-se as vazões de combustível e de ar de combustão, injetados no(s) queimador(es). Quanto maior a vazão de combustível, maior a troca de calor, maior a vaporização. O nível também deve ser controlado numa faixa estreita, pois tanto o nível alto como o nível baixo são danosos à caldeira – o nível alto acarretará arraste de água no vapor e o nível baixo poderá deixar os tubos sem água, levando-os à fusão. O nível é controlado atuando-se na LV que regula a quantidade de água de alimentação adicionada ao tubulão superior. Combustão Os combustíveis podem ser, genericamente, classificados como gasosos, líquidos ou sólidos. Para que se tenha uma queima adequada, deverá haver um manuseio cuidadoso do combustível. A forma de manusear o combustível irá variar, principalmente, em função do estado físico deste combustível, ou seja, carbono e hidrogênio. Para efeito de controle de combustão, um combustível sólido finamente moído, que possa ser transportado através de uma corrente de ar, apresenta características de controle semelhante as de um combustível gasoso; um combustível líquido quando atomizado e jogado em forma de jato na câmara de combustão, também apresenta características de controle semelhantes as de um combustível gasoso. Combustível Gasoso Como os combustíveis gasosos são facilmente dispersos no ar, não há necessidade de preparação destes combustíveis para combustão. Os combustíveis gasosos são utilizados diretamente na caldeira, da mesma forma com que são recebidas do


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fornecedor, o único cuidado necessário é a redução da pressão do gás para adequá-las às características do queimador. Há dois tipos de combustores para combustível gasoso: com mistura no bocal e com mistura prévia do ar e do gás. Combustível Líquido Um combustível líquido para ser queimado deve ser vaporizado ou atomizado. Um combustor líquido vaporizado converte continuamente o combustível líquido em vapor, utilizando para isso, o calor da própria chama. Num combustor de líquido atomizado, o combustível é alimentado com pressões de 7 a 20 kgf/cm2. A nebulização pode ser feita com injeção de ar ou vapor juntamente com o combustível. A atomização com o vapor é a mais utilizada e para que esta atomização ocorra, o vapor é injetado com pressão superior a do combustível. Normalmente, utiliza-se uma válvula reguladora de pressão diferencial para manter a diferença de pressão entre o vapor e o combustível; nos casos de caldeiras de grande porte, é comum utilizar-se uma malha de controle completa, para manter este diferencial de pressão. Combustível Sólido Um combustível sólido pode ser queimado num leito de combustível, em suspensão. Há diversos tipos destes sistemas de queima, cada qual conveniente a uma situação particular. Na queima em leito de combustível, o combustível não precisa de preparação adicional, sendo alimentado diretamente por gravidade ou através de carregadores mecânicos. Os carregadores mecânicos são projetados para permitir o ar de combustão, a liberação dos produtos gasosos da combustão e a rejeição do resíduo não queimam. Os tipos mais comuns de leito de combustível são os com alimentação paralela, com alimentação cruzada e com alimentação antiparalela. Na queima em suspensão o combustível deve ser moído ou pulverizado. A pulverização pode ser por impacto, atrito ou esmagamento. Na queima em suspensão, o ar além de ser utilizado para secar, transportar e para classificar o combustível,


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também leva os finos ao queimador, onde este mesmo ar serve como parte do ar necessário à combustão. Elementos da Combustão Em todos os tipos de combustível, a combustão é feita pelo processo de oxidação do hidrogênio e carbono contidos no combustível, com o oxigênio existente no ar atmosférico. O ar atmosférico é composto, basicamente, de 23% de oxigênio e 77% de nitrogênio em peso ou, de 21% de oxigênio e 79% de nitrogênio em volume. O nitrogênio e qualquer outro elemento químico não combustível existente no ar atmosférico ou no combustível passam pelo processo de oxidação sem modificações essenciais.

Nos processos industriais, utiliza-se o queimador ou maçarico como dispositivos para a combustão. Estes dispositivos misturam o combustível e o ar de combustão em proporções dentro da faixa de inflamabilidade, possibilitando a ignição e a manutenção permanente da combustão, mantém turbulência da mistura e fornece combustível e ar de combustão em taxas que permitem a combustão completa sem retorno ou apagamento da chama. Os dois tipos básicos de queimador ou maçarico são o direto e o com mistura prévia.


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O processo de combustão produz calor. Em caldeiras, este calor que é transportado pelos gases gerados na combustão, é utilizado para gerar vapor. Para carvão, óleo ou gás combustível a relação kcal/kg de ar de combustão é aproximadamente a mesma, não importando se a relação kcal/kg de combustível é completamente diferente. O fato das necessidades de ar de combustão serem bastante próximas se baseada no poder calorífico dos combustíveis, é um importante conceito utilizado nas aplicações da lógica de controle da combustão. Ar para combustão Conhecendo-se a composição do combustível e com base na estequiometria da combustão, consegue-se calcular o ar teórico necessário à queima do combustível. Se for utilizar somente o ar teórico, parte do combustível não será queimado, a combustão será incompleta e o calor disponível no combustível não queimado será perdido através da chaminé. Para se garantir que a combustão seja completa, utiliza-se uma quantidade de ar superior ao teórico calculado; procura-se, assim, garantir que


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as moléculas do combustível possam encontrar o número apropriado de moléculas de oxigênio para completar a combustão. Este ar adicional é chamado de excesso de ar, sendo normalmente expresso como porcentagem do ar teórico. O excesso de ar mais o ar teórico é chamado de ar total. As perdas por excesso de ar aumentam em proporção muito menor que as perdas com combustível não queimado, por isto, sempre se trabalha com ar em excesso nos processos de combustão industrial.

Um outro fator importante a considerar é que o aumento da porcentagem de excesso de ar reduz a temperatura da chama e reduz a taxa de transferência de calor da caldeira. O resultado é o aumento da temperatura dos gases da combustão e diminuição do rendimento da caldeira.


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A redução do excesso de ar reduz a massa dos gases da combustão e aumenta a transferência de calor para geração de vapor. O valor ótimo de excesso de ar a ser utilizado depende, principalmente, do tipo de combustível, tipo de queimador, características e preparação do combustível, tipo de câmara de combustão, carga (como porcentagem de carga máxima), da malha de controle de combustão utilizada e de outros fatores. O excesso de ar adequado à instalação particular deverá ser determinado testando-se a instalação. Descrição dos componentes de uma caldeira Fornalha É o local da caldeira onde se realiza a gaseificação e a queima de vapor, sendo em sua construção observados os seguintes aspectos: o tipo de combustível, facilidade de limpeza, teor de cinzas e fuligem produzidas pelo combustível, volatilidade de combustível, temperatura na fornalha, regime de trabalho, admissão e regulagem de ar. Todos esses aspectos são considerados levando-se em conta a finalidade da caldeira. As fornalhas são construídas em função do combustível a ser queimado ficando, assim, classificadas: Fornalha para queima de combustível sólido É aquela que apresenta grelhas inclinadas e é destinada a queimar lenha, carvão ou outros combustíveis sólidos. Há vários tipos de grelhas, sendo as mais usadas: • Grelha plana com barrotes basculantes – apenas em caldeiras muito pequenas. • Grelha inclinada ou em escada, com ou sem movimento de degraus. Utilizadas em

caldeiras de médio porte. • Grelha rotativa ou de esteira. Utilizada em caldeiras de 60 a 80 t/h de vapor. Deve ser observado que o tipo de grelha a usar está ligado ao porte da caldeira, ao combustível e ao tipo de alimentação empregada.


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Fornalha para queima de combustível em suspensão Esta fornalha é utilizada quando se queima óleo, sólidos pulverizados ou gás. O elemento responsável pela queima do combustível é o queimador ou maçarico. Na seleção da fornalha, devem ser considerados os seguintes fatores: • tipo de combustível; • volume do combustível; • teor das cinzas; • método de injeção do ar; • comprimento da chama e • temperatura da fornalha. Tubos e tambores Tubos geradores de vapor São os tubos que recebem maior quantidade de calor na fornalha. Esses tubos têm a finalidade de transformar a água em vapor saturado que vai até o tambor onde se separam. Tubos de fogo Empregados nas caldeiras tipo tubo de fumaça. Tem a finalidade de aumentar a superfície de aquecimento da água. É através deles que circulam os gases quentes resultantes da combustão. Tambor de vapor É um cilindro fechado, colocado na parte mais alta da caldeira, onde se faz a separação da água e do vapor. São conectados a esse tambor os tubos geradores de vapor, o visor de nível da água e o manômetro. O nível de água nesse tambor nunca deve ser superior a ¾ de sua capacidade do mesmo e nunca inferior a 1/2 tambor. A fim de impedir que o vapor arraste água e partículas sólidas, são colocadas dentro do tambor algumas placas defletoras ou chicanas. Tambor de lama Localiza-se na parte mais baixa da caldeira; trabalha sempre cheio de água e sua finalidade é acumular as impurezas da água de alimentação, tais como: lama, ferrugem


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e outros materiais. A esse tambor estão conectados os tubos geradores de vapor para saída de água a ser vaporizada e também válvulas para a descarga das impurezas. Economizador Sua função é pré aquecer a água de alimentação da caldeira. Está localizado na parte alta da caldeira entre o tambor de vapor e os tubos geradores de vapor. Os gases quentes são obrigados a circular através do economizador antes de saírem pelas chaminés.

Desaerador Os desaeradores tem duas finalidades. A principal é fazer com que os gases contidos na água, tais como, o oxigênio e o gás carbônico se desprendam, e em decorrência aqueçam a água de alimentação. O funcionamento do desaerador consiste na introdução de vapor diretamente na água.


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Esquema de funcionamento de um desaerador Superaquecedor Antes de explicarmos os superaquecedores, vamos estudar o que vem a ser vapor superaquecido. Vapor superaquecido Se aquecermos a água em um recipiente fechado, quando a água atingir uma certa temperatura ela se transforma em vapor (temperatura 100 oC à pressão atmosférica). Enquanto existir água dentro do recipiente, o vapor será saturado, e a temperatura não aumentará. A partir do momento em que não houver mais líquido, o vapor restante irá se aquecendo, podendo atingir qualquer temperatura que se desejar (mantida à pressão constante). Esse processo de superaquecimento do vapor seria impossível nas caldeiras, pois se, a água evaporasse, os tubos queimariam e também não haveria alimentação suficiente da rede de vapor. Utilizam-se, pois, os superaquecedores para elevação de temperatura de vapor sem danificar a caldeira. O vapor saturado arrasta grande parte das impurezas contidas na água, o que não acontece com o vapor superaquecido. Processo de superaquecimento do vapor Para superaquecer o vapor empregam-se dispositivos denominados superaquecedores. Esses elementos normalmente aproveitam os gases da combustão


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para dar o devido aquecimento ao vapor saturado, transformando-o em vapor superaquecido. Os superaquecedores são construídos de tubos de aço em forma de serpentina cujo diâmetro varia de acordo com a capacidade da caldeira. Quando instalados dentro das caldeiras podem estar localizados atrás do último feixe de tubos, entre dois feixes de tubos, sobre os feixes de tubos ou ainda na fornalha. Aplicações do vapor para processo A finalidade da geração de vapor depende do tipo de indústria. A maioria das indústrias depende do vapor para seus processos. Indústrias metalúrgica e cerâmica Utilizam o vapor para o aquecimento dos dutos de óleo combustível de alimentação dos queimadores dos fornos e para nebulização do combustível. O vapor pode ser tanto de baixa pressão como de média pressão. Indústria de produtos alimentícios Utiliza vapor saturado de média pressão para cozimento de alimentos. Este tipo de indústria usa o vapor indiretamente para aplicações de cozimento. Nas indústrias onde o vapor entra diretamente no processo de fabricação, tem que ser muito bem tratado a fim de não prejudicar o produto. Existem nos processos químicos controladores da qualidade do vapor para que atenda às especificações de utilização, neste tipo de indústria. Indústria Têxtil Utiliza vapor saturado de média pressão em grande quantidade para aquecimento dos tanques de tingimento, alvejamento e secagem. Indústria de celulose e papel Utiliza o vapor saturado de baixa e média pressão, sendo a maior parte empregada nos digestores, nos tanques de branqueamento, nos cilindros de lavagem, nas calandras e secadoras de papel.


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Questionário 1. Qual a principal função de uma caldeira? 2. O que entra no sistema de vapor – água? 3. O que entra no sistema de combustível – ar – gás? 4. Quais são os tipos básicos de caldeiras? 5. Descreva como é o funcionamento da caldeira de fogotubular. 6. Quais são as desvantagens da caldeira de fogotubular? 7. Qual a vazão e a pressão de trabalho da caldeira fogotubular? 8. Descreva o funcionamento da caldeira aquatubular. 9. Em que valor deve ser mantido o nível do tubulão superior? 10. Com relação à água, como trabalha o tubulão inferior? 11. Como são isoladas as paredes das caldeiras? 12. Como é aquecida a água que está dentro dos tubos da caldeira? 13. Aonde é a entrada de água da caldeira? 14. Por que a água circula entre o tubulão superior e inferior? 15. Qual o tipo de vapor gerado na saída do tubulão superior? 16. Defina o que é vapor saturado. 17. Defina o que é vapor superaquecido. 18. Como são constituídos os superaquecedores.


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19. Qual a função do dessuperaquecedor? 20. Qual a função do economizador? 21. Qual a função do pré-aquecedor? 22. Como deve ser mantida a pressão do vapor na saída da caldeira? 23. Como deve ser controlado o nível no tubulão superior? 24. Genericamente, como podem ser os tipos de combustíveis? 25. Como devem ser os combustíveis sólidos e líquidos para que tenham

características semelhantes ao combustível gasoso? 26. Por que não há necessidade de preparação do combustível gasoso? 27. Qual o único cuidado que devemos tomar com o combustível gasoso? 28. Como deve ser o combustível líquido para ser queimado? 29. Como pode ser feita a neutralização do combustível líquido? 30. Como deve ser o leito para a queima do combustível sólido? 31. Como deve ser o preparo do combustível sólido para a sua queima? 32. Quais são os dispositivos utilizados em processos industriais para a combustão? 33. Qual a função dos queimadores ou maçaricos? 34. O que acontece quando trabalhamos com a quantidade de ar teórica? 35. Qual deve ser a quantidade de ar para que haja a combustão completa? 36. O que acontece com a temperatura da chama quando há excesso de ar? 37. Do que depende o valor ótimo do excesso de ar?


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38. Como deve ser determinado o excesso de ar em uma caldeira


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Reator O Reator no processo químico industrial Reatores na indústria química Entende-se por reator, como sendo um equipamento capaz de gerar uma reação de caráter químico em um processo industrial Nesta unidade veremos alguns tipos de reatores mais freqüentes, que são classificados de acordo com as fases dos produtos ou sistema de trabalho. Segundo as fases dos produtos os reatores podem trabalhar com fases: • Homogênea: gases → todos os produtos Líquidos → todos os produtos • Heterogênea: gás-líquido, gás sólido, líquido-líquido, gás-líquido-sólido. Segundo a forma de trabalho dos reatores serão de: • Marcha descontínua • Marcha contínua Formas de esfriamento e aquecimento As reações químicas podem ser exotérmicas ou endotérmicas. Por isso o reator terá que absorver parte do calor produzido ou fornecer calor. Considerando um reator de operação exotérmica, é necessário fornecer calor para alcançar e manter a temperatura de reação. O aquecimento é, em geral, conseguido por troca de calor com vapor de água que circula por serpentinas interiores e exteriores ao reator ou por combustão de um


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combustível gasoso ou líquido. Um exemplo deste último caso se tem no cracking térmico. Neste caso o reator é usado, entre outros fins, para a desidrogenação de álcool secundário e obtenção de cetonas.

Se o que se pretende é retirar parte do calor produzido, existem diversos procedimentos. Em geral produz-se vapor através de tubos por onde circula água e saem para o exterior na forma de vapor, ou seja (se o reator é tubular) o calor de reação evapora a água que recobre os tubos parcialmente mantendo constante o nível por meio de uma injeção de água. Regulando a pressão de saída do vapor, assegura-se uma reação à temperatura constante. Outras vezes não é a água que circunda os tubos, e sim outro produto, como por exemplo um derivado de petróleo. Este,ao vaporizar-se, troca posteriormente calor com água, vaporizando-a. Algumas vezes só se refrigera o reator e então se faz circular água por serpentinas. Em seguida a água é empregada para produzir vapor. Outras vezes só necessita de um dispositivo para produzir o calor inicial de reação. Para isso utiliza-se um aquecedor elétrico, como no caso da obtenção de amoníaco.


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Na figura é esquematizado uma forma de absorção de calor de um sistema de reação. Trata-se de uma reação exotérmica em um reator tubular, com catalisador no interior dos tubos. Reator descontínuo Parte dos processos industriais se efetuam atualmente em forma descontínua, isto é, o reator, que geralmente é do tipo caldeira, possui forma cônica no fundo, serpentinas de calefação, agitadores mecânicos, fechamento hermético, entradas de produtos etc. Passado o tempo de reação faz-se análise do produto e, se este cumpre as especificações previstas, procede-se o seu esvaziamento. Muitas vezes se empregam catalisadores no processo. Algumas vezes interessa separá-los, ou é feito seja por diluição do produto final, ou por precipitação, outras vezes o catalisador acompanha o produto. Este sistema descrito é denominado batch e como se pode deduzir, as produções sempre serão pequenas se comparadas com os processos da grande indústria química. Pode-se dizer que, o reator descontínuo é um equipamento básico de fabricação, tendo como vantagem a possibilidade de produção de diferentes produtos, mudando para tanto a formulação dos produtos e as condições de operação.


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Por outra parte, tem como inconveniente, uma maior vigilância na sua operação e, se empregado para distintas fabricações, deve ser limpo para evitar as contaminações de distintos produtos. Reator tipo tanque agitado contínuo Neste reator os produtos reagentes e os produtos formados pela reação entram e saem do reator continuamente. Se os produtos formados são retirados em forma líquida, ocorre a separação do catalisador, pois ao abaixar a concentração do mesmo no reator, decrescerá a formação dos produtos finais.

A figura representa um exemplo deste tipo de reator. Nele se observa os produtos regentes Ra e Rb que entram de forma contínua no reator (que já tem alojado em seu interior o catalisador), a agitação e o aquecimento. Na saída observa-se os produtos segundo a reação: Ra+ Rb → Pc, a separação dos produtos Ra e Rb com retorno ao reator e finalmente a condensação do produto final Pc, assumindo-se que os pontos de ebulição de Ra e Rb são mais altos que os de Pc. Reator tubular O reator tubular é aplicado, em geral, em reações que se desenvolvem a alta pressão. Isto porque seria necessário uma espessura muito grande das paredes de um reator de maior volume, o que seria inviável devido ao custo da instalação. Assim em lugar de utilizar um grande reator, se substitui por muitos tubos de reação.


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O desenho de um reator dependerá do total conhecimento das reações que se desenvolvem, assim como das velocidades na medida em que as massas dos reagentes e dos produtos avançam (quase sempre através do catalisador), determinando assim o tempo que as substâncias estarão no reator e sua velocidade de passo. Com todos dados é possível dimensionar-se um reator. Reator de leito fluidizado Os reatores de leito fluidizado são aqueles em que a reação catalítica se efetua por fluidização dos sólidos. Este processo se desenrola em aparelhos de corpo cilíndrico com cones esféricos no fundo. A entrada, ou entradas do agente fluidizante (ar, hidrogênio, cloro, etc.), é pela parte inferior. Possui também, uma ou mais saídas de produtos, para drenar ou esvaziar o reator, além dos elementos auxiliares tais como: serpentinas de aquecimento ou esfriamento, controle de fluxo, de pressão, etc. Nos reatores de eixo fluidizado, o catalisador é geralmente um sólido que está perfeitamente misturado com produtos reagentes e os que resultam da reação. Os produtos saem do reator em fase líquida ou vapor e o catalisador poderá ser removido ou substituído quando sua eficácia estiver baixa ou quando sua quantidade na mistura estiver abaixo do valor mínimo. Questionário

1. O que é um reator e qual sua função?

2. Quais são os tipos de reatores?

3. O que significa marcha contínua e marcha descontínua?

4. O que são reações endotérmicas e exotérmicas?

5. Como o reator mantém sua temperatura de trabalho constante?

6. O que significa catalisador?


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7. O que significa PRC e LRCA?

8. Indique a vantagem e desvantagem do reator semicontínuo?

9. Como se evita contaminação num processo BATH?

10. Qual é o problema encontrado no reator com processo contínuo?

11. O que é um reator tubular?

12. Qual o uso de um reator tubular?

13. Como se dimensiona o tamanho de um reator?

14. O que é um serpentina?

15. Num reator podemos utilizar vários produtos, inclusive cloro, hidrogênio e amônia. Quais os riscos de se trabalhar com estes produtos?


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Tratamento de Água Processos de tratamento de água As águas residuais resultantes das várias atividades humanas, domésticas, industriais ou agrícolas, não podem continuar a ser utilizadas sem tratamento prévio. As estações de tratamento consistem de uma série de processos físicos, químicos e biológicos. Os objetivos destes processos são proporcionar o tratamento e melhorar a qualidade da água para usá-la novamente, no consumo humano ou sendo reutilizada com conseqüências mínimas ao ambiente. Os processos de tratamento de água se dividem em dois grupos: • Processos Convencionais. • Processos Avançados. A utilização de um ou de outro processo não corresponde a um melhor ou pior tratamento de água por uma estação de tratamento de água e sim, está diretamente ligado aos componentes residuais do manancial a ser tratado, atendendo as necessidades para tornar a água potável. Processos convencionais Remoção de compostos orgânicos É a remoção de compostos orgânicos residuais que em combinação com produtos desinfetantes (cloro) formam compostos clorados que são causadores de sabor e cheiro desagradáveis na água tratada. Para remoção de compostos orgânicos é usado carvão ativado e um tempo de contato mínimo de 15 (quinze) minutos. Carvão ativado • Aplicação: remoção de compostos orgânicos.


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• Obtenção: queima em altas temperaturas e baixo teor de oxigênio de casca de coco, nó de pinho e celulose.

• Aspecto físico: pó finamente pulverizado. • Custo em U$: 0,73/kg Coagulação É a introdução de reagentes fortemente catiônicos (cloreto férrico) para que em contato com a água bruta, carregada anionicamente, forme coágulos. O tempo de ocorrência da coagulação é extremamente curto e a intensidade de agitação deve ser tal que permita, dentro do tempo exigido, assegurar a difusão completa do coagulante na água. Cloreto férrico (FeCl3) • Aplicação: coagulante. • Obtenção: reação do ataque de minério de ferro com ácido clorídrico (HCl). • Aspecto físico: solução a 40%. • Custo em U$: 0,22/kg Floculação A floculação é a aglomeração e compactação de partículas de coagulante e de matéria em suspensão na água, formando conjuntos maiores e mais adensados, denominados “flocos”.

Ela é efetuada por meio de um processo mecânico (ETA 11, III, IV e Capivari) ou hidráulico (ETA 1), que produz agitação na água com o objetivo de se criar gradientes


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de velocidade que cause turbulência capaz de provocar choques ou colisões entre as partículas coaguladas. Estes gradientes produzem tensão cisalhante nos flocos existentes e são limitados para não ultrapassarem a capacidade de resistência do cisalhamento destas partículas. Os contatos provocados permitem que os flocos aumentem de tamanho e densidade, tornando-se mais fáceis de se sedimentarem. O tempo para ocorrência da floculação normalmente excede a 20 minutos, em alguns tipos de água (água barrenta) até 60 minutos ou mais. Como auxiliar deste processo são usados polieletrólitos que são compostos de alto poder molecular e não iônicos que proporcionam maior densidade aos flocos formados. Polieletrólitos • Aplicação: auxiliar de decantação. • Obtenção: reação de polimerização de monômeros acrilamida (C3H5NO). • Aspecto físico: suspensão em solvente orgânico (querosene desodorizado). • Custo em U$: 2,90/kg Decantação A decantação ou sedimentação se resume no efeito da gravidade sobre partículas suspensas num líquido de densidade inferior. Sob a influência da gravidade qualquer partícula que tiver uma densidade maior que a da água irá sedimentar-se, com isso a água sai do decantador com baixos valores de cor e turbidez. Este processo consiste em diminuir a velocidade do fluxo de água, fazendo com que o tempo de escoamento seja maior que o tempo necessário para que os flocos se sedimentem. Normalmente este tempo pode variar de 30 minutos a 2 horas. A remoção do lado formado no fundo dos decantadores deve ser feita periodicamente, e pode ser de forma automática (ETA 11, III, IV e Capivari) ou manual (ETA 1). Filtração A filtração da água é o processo onde ela é separada da matéria em suspensão. Remanescente do decantador, pela passagem através de uma substância porosa. Na prática este material poroso é usualmente uma camada de areia. A remoção de


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matéria sólida se efetua pela filtração através dos poros na superfície da camada de areia e pela aderência das partículas sólidas aos grãos de areia. O tipo de filtração aplicada na ETAs da Sanasa são filtros rápidos abertos onde a água passa por gravidade de cima para baixo, através da areia com alta velocidade, geralmente a taxa de filtração varia de 120 a 180 m3/m2/dia. A composição das camadas filtrantes pode ser só de areia e pedras de várias granulometrias (ETA I e II), e compostas de areia e antracito (ETA III, IV e Capivari). Após um período que varia de 16 a 60 horas (na Sanasa), os poros passam a ficar vedados pelos flocos remanescentes do decantador diminuindo a capacidade de filtração, o que provoca sensível redução da taxa de filtração. Esta redução da taxa de filtração é o parâmetro indicativo da necessidade de limpeza do filtro, que é feita por uma corrente reversa de água de lavagem (convenientemente pré-tratada), que expande e agita a areia e remove para o esgoto os sólidos acumulados. Desinfecção Para melhor compreensão da desinfecção, recorremos a definição do termo esterilizar que é destruir todos os microorganismos existentes em algum material. A desinfecção é caso particular da esterilização que se refere especificamente a eliminação dos germes patogênicos, sem que haja necessariamente a destruição de todos os organismos, uma vez que os patogênicos são geralmente menos resistentes que os não patogênicos. Na Sanasa o processo de desinfecção é feito com a aplicação de cloro e amônia, produzindo um composto de ação mais lento (cloraminas), porém com o poder de prolongar a ação bactericida do cloro. Este processo é considerado eficiente para controle do desenvolvimento bacteriológico em sistemas de distribuição relativamente longos. A quantidade de cloro residual combinado (nome dado ao composto na água) deve estar na faixa de 1 a 4 mg/l, e o tempo de contato mínimo para garantir a desinfecção é de 1 (uma) hora, daí a importância das caixas de contato. Para formação das cloraminas, na Sanasa utiliza-se uma parte de amônia para cinco partes de cloro. Hipoclorito de sódio (NaOCl) • Aplicação: desinfecção de águas, em sistemas de pequeno porte.


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• Obtenção: eletrólise do cloreto de sódio (NaCl) com borbulhamento em solução de cloreto de sódio.

• Aspecto físico: solução em 12% de cloro ativo. • Custo em U$: 0,25/kg Cloro (Cl2) • Aplicação: desinfecção. • Obtenção: eletrólise do cloreto de sódio. • Aspecto físico: gás liquefeito. • Custo em U$: 0,16/kg Amônia (NH3) • Aplicação: estabilizante do cloro, removedor de gosto e odores. • Obtenção: síntese do ar atmosférico à alta pressão e temperaturas em presença de

catalisadores mistos de pó de ferro com dióxido de potássio (K2O). • Aspecto físico: gás liquefeito. • Custo em U$: 0,90/kg Correção do pH A correção do pH é feita com a finalidade de diminuir e/ou evitar a corrosividade da água, a cal é utilizada. Durante o processo de clarificação o pH é levemente ácido (pH = 6,0) devido a ação do sulfato de alumínio (sal de ácido forte). A água nestas condições, apesar de atender às especificações sanitárias, provocaria a longo prazo corrosão das tubulações de distribuição, principalmente nas ligações de ferro galvanizado.


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Tanque de neutralização (correntes ácidas) Com a correção, o pH sai das unidades de tratamento na faixa de 7,6 a 8,2 (levemente alcalino), suficiente para evitar a corrosão. Os sais de carbonatos no interior da tubulação formam ao longo do tempo um filme entre água e canalização. Cal virgem CaO • Aplicação: correção do pH. • Obtenção: queima em altas temperaturas de rochas calcárias (calsita, dolomitica,

mármore). • Aspecto físico: sólido granulado. • Custo em U$: 0,17/kg. Cal hidratada Ca(OH2) • Aplicação: correção do pH. • Obtenção: reação de óxido de cálcio (CaO) com água. • Aspecto físico: pó • Custo em U$: 0,14/kg Fluoretação A fluoretação reduz o índice de dentes cariados, perdidos e/ou obturados (CPO), que na cidade de Campinas, conforme estudos da PUCC, através da Faculdade de


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Odontologia, já reduziu em 65% estas incidências (CPO), sendo que em classes menos favorecidas chega a 71%, enquanto nas classes mais elevadas é de 25%. Ácido fluossilícico (H2SiF6) • Aplicação: medicação sistêmica, combate à cárie. • Obtenção: reação da sílica com ácido fluorídrico borbulhamento em água. • Aspecto físico: solução à 20%. • Custo em U$: 0,06/kg Fluorsolicato de sódio (Na2SiF6) • Aplicação: medicação sistêmica, combate à cárie. • Obtenção: reação do silicato de sódio (NaSiO3) com ácido fluorídrico (HF). • Aspecto físico: pó finamente pulverizado. • Custo em U$: 1,34/kg Processos avançados Oxidação extensiva A oxidação extensiva visa a destruição da matéria orgânica excessiva vinda do manancial. Este processo na Sanasa só é aplicado na ETA Capivari por ser o rio que abastece de água bruta de qualidade inferior e mais suscetível a grandes variações, por ser de baixa vazão. No processo é adicionado permanganato de potássio (oxidante), é aplicado uma aeração vigorosa por aproximadamente 15 minutos. Com isso, além da destruição da matéria orgânica, conseguimos a redução de substâncias que produzem gosto e odores com sulfeto de hidrogênio (HS) e alguns compostos orgânicos voláteis, além de propiciar a oxidação de ferro e manganês solúveis para a forma insolúvel, tornando-os apropriados para a reação nas fases da clarificação. O equipamento de aeração usado consiste em unidades de difusão de ar, em sistemas de turbinas de arejamento em que o ar é liberado abaixo das pás rotativas, e arejamento de superfície no qual a transferência de oxigênio é garantida pela alta turbulência de superfície.


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Equipamento para arejamento Permanganato de potássio (KmnO4) • Aplicação: oxidação de matéria orgânica. • Obtenção: oxidação de soluções de manganatos (MnO4) com gás cloro. • Aspecto físico: cristais. • Custo em U$: 2,80/kg Intercloração A intercloração, utilizada na ETA IV, é uma cloração da água decantada, antes da filtração, para oxidação de ferro e manganês solúvel, tornando-os insolúveis. Este processo traz outros benefícios, tais como: controlar o desenvolvimento das algas, reduzir as acumulações nos filtros, fatores que contribuem para a melhoria da eficiência, assim como para aumentar o tempo de funcionamento dos filtros. Na pós cloração (cloração final) é apenas complementado os teores de cloro residual já adicionados na intercloração, para que a água saia do sistema com concentração padronizado (de 1 a 4 mg/l). Pré-sedimentação A pré-sedimentação, utilizada nas ETAs III e IV, foi concebida para remoção de resíduos sedimentáveis. Seu funcionamento se assemelha ao decantador, e a eficiência na remoção de cor, turbidez, sólidos sedimentáveis e matéria orgânica chega às vezes a 60%. O tempo de detenção da água no pré-sedimentador é de uma hora, trazendo como benefício, além dos já citados, o de funcionar como um tanque de homogeneização, pois, absorve as bruscas mudanças na qualidade da água do rio no caso principalmente de fortes chuvas.


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Tipos de precipitação utilizados Números da empresa Para captar, tratar, distribuir água e tratar e afastar o esgoto, a empresa gasta 1 milhão de quilos de produtos químicos e consome 4,9 milhões de KW/h de energia elétrica mensalmente. A composição físico-química provável, determinada por amostragem, da água distribuída para a população da cidade é a seguinte: Água potável fluoretada • Aspecto: limpo • Odor: inobjetável • Turbidez: 0,5 NTU • pH: 7,1 • Acidez: 5,0 mg/l • Alcalinidades: ----- • Bicarbonatos:30 mg/l • Cloretos: 30 mg/l • Dureza total: 52 mg/l


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• Ferro total: 0,02 mg/l • CO2: 2 mg/l • Resíduos totais: 125 mg/l • Sulfatos: 14 mg/l O Sistema de esgotamento sanitário no seu início O município de Campinas possui cinco bacias de esgotamento sanitário, a saber: Bacia do Córrego Proença-Anhumas, Bacia do Córrego Piçarrão, Bacia do Rio Capivari, Bacia do Córrego Samambaia e Bacia do Quilombo. A Sanasa atende com a rede coletora de esgotos 87% da população urbana do município através de 2.141.265m de redes coletoras com 138.427 ligações (Junho/91), num total de 216.812 economias atendidas. A Sanasa praticamente não vêm realizando nenhum tipo de tratamento destes esgotos. No entanto, está sendo viabilizado o tratamento dos esgotos das bacias Ahumas e Piçarrão. Com este projeto será possível tratar de 75% dos esgotos lançados no município de Campinas. A Sanasa está atualizando o Plano Diretor de Esgotos do Município pretendendo com isso definir as obras prioritárias a executar convocando para tal todas as entidades representativas e a população a participarem. Após a priorização das obras do Plano Diretor e elaboração dos projetos executivos, a Sanasa pretende elevar os índices atuais de tratamento, executando as obras previstas, despoluindo grande parte de nossos cursos d’água. O Esgoto de campinas hoje Campinas hoje possui uma rede com 2,6 milhões e metros e 44 estações elevatórias que atende a quase 90% da população com recolhimento e afastamento de esgoto. Atualmente 8 estações de tratamento se incubem de impedir que cerca de 4% do esgoto seja despejado nos córregos “in natura”.


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Campinas, como a maioria das grandes cidades brasileiras, tem um desafio pela frente: em pouco tempo construir estações de tratamento de esgoto em número suficiente para eliminar ao máximo a descarga de poluentes nos córregos da região. O plano para construção de 24 estações de tratamento de esgoto já está em andamento: nos últimos 2 anos a Sanasa inaugurou três estações – a Ciatec, a Icaraí e a Santa Rosa – e implantou vários interceptores que estão levando o esgoto para pontos de futuras estações. Um deles foi implantado juntamente com a reurbanização da Avenida José de Souza Campos, a Norte-Sul. Além disso, já está em vigor a lei que determina que os novos empreendimentos tenham a sua própria estação de tratamento de esgoto. Ao mesmo tempo, em parceria com a Prefeitura Municipal, a Sanasa implantou o interceptor da Lagoa do Taquaral, cujos resultados em relação à despoluição já são visíveis. Antes do fim do ano de 1997 já será novamente possível a pesca no local sem qualquer risco para a população. Em fase de licitação, está a estação de tratamento de esgotos do Córrego Samabaia. Ela terá capacidade, em sua fase final, de tratar 200 l/s de esgotos. O início das obras está previsto para o final do ano de 1997. A meta da Sanasa é tratar 70% do esgoto gerado por Campinas até o ano 2000 e atender 100% da população com sistema de coleta e afastamento. Sanasa em números População atendida com afastamento de esgoto: 798.000 Estações de Tratamento de Esgotos (Primárias – 50% de limpeza) Capacidade ETE Costa e Silva 15,1 l/s ETE Paineiras 3,5 l/s ETE Nóbrega 4,1 l/s ETE IAPI 1,5 l/s ETE Vila Itália 1,3 l/s


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Secundárias – 96% de limpeza ETE Ciatec 13,5 l/s ETE Icaraí 0,99 l/s ETE Santa Rosa 7,79 l/s Características dos sistemas analisados para o tratamento da fase líquida Os níveis de tratamento de esgotos considerados no trabalho para o tratamento da fase líquida (esgotos) são os níveis preliminar, primário e secundário. A principal ênfase é dada ao nível secundário, único capaz de cumprir a legislação relativa aos padrões de lançamento. Os principais sistemas de tratamento de esgotos domésticos em nível secundário são: • Sistemas de lagoas de estabilização; • Sistemas de lodos ativados; • Sistemas de filtros biológicos; • Sistemas anaeróbicos; • Sistemas de disposição no solo. Níveis de tratamento dos esgotos • Preliminar: sólidos em suspensão grosseiros (materiais de maiores dimensões e

áreas). • Primário: sólidos em suspensão sedimentáveis; DBO em suspensão (matéria

orgânica componentes dos sólidos em suspensão sedimentáveis). • Secundário: DBO em suspensão remanescente (matéria orgânica em suspensão

fina não removida no tratamento primário); DBO solúvel (matéria orgânica na forma de sólidos dissolvidos).

Classificação/finalidade dos tratamentos de esgotos Preliminares • Finalidade: remoção de sólidos grosseiros, detritos minerais, areia, óleos e graxas. • Unidades: grade. • Comuns: caixa de retenção de areia, tanques de remoção de óleos e graxas. Primários • Finalidade: remoção de sólidos em suspensão, dissolvidos e em estado coloidal.


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• Unidades: tratamento primário. • Comuns: tratamento biológico (oxidação), decantação secundária. Secundário • Finalidade: Remoção de sólidos em suspensão, dissolvidos e em estado coloidal. • Unidades: Tratamento primário. • Comuns: Tratamento biológico (oxidação), decantação secundária.

Estação de tratamento de água Tratamento de H2O para caldeira (desmineralização) Água dura e água mole Água dura: água que custa a formar espuma com sabão, contém sais de cálcio e magnésio dissolvidos. Uma dureza temporária é causada por bicarbonatos dissolvidos, formados quando a H2O da chuva, com monóxido de carbono dissolvido (gás carbônico, CO2) se infiltra no calcário ou rochas calcáreas. CaCO2 + H2CO3 → Ca(HCO3)2 → Hidroteno carbonato de cálcio É chamada temporária porque o carbonato de cálcio (Giz), CaCO3, se precipita ao ferver aderindo, como uma camada dura, no interior dos canos e vasilhas. A dureza permanente é formada pelos sulfatos e cloretos de cálcio e magnésio. Estes sais reagem com sabão (estearato de sódio) formando uma espuma insolúvel (estearato de cálcio). A dureza temporária é removida através de fervura ou pela adição de cal extinta.


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O acréscimo de bicarbonato de cálcio ou calgon (ou fosfato complexo) remove tanto a dureza temporária quanto a permanente precipitando tanto o cálcio quanto o magnésio como sais insolúveis. Os amolecedores de H2O com permuta de íons, contêm um minério natural, como a permutita ou uma resina sintética, que têm a propriedade de substituir os íons de cálcio e magnésio por íons inofensivos de sódio. A maioria dos agentes desionizantes com uma forte solução salina repõem os íons de sódio deslocando os de Ca e Mg. Água A qualidade da água que abastece o gerador de vapor tem papel fundamental no desemprego do equipamento. O vapor gerado a partir de água que contenha impurezas em suspensão e minerais de qualquer espécie poderá ser prejudicial aos diversos processos e equipamentos envolvidos. No gerador de vapor, as impurezas em suspensão se depositam no lado de água entupindo ou dificultando a troca de calor assim como os minerais liberados na geração do vapor se incrustam nas paredes da câmara e internos dos tubos (dependendo da caldeira aqua ou fogo tubular) e resistências e eletrôdos de nível (caldeira elétrica), comprometendo seu funcionamento e originando, na melhor das hipóteses, uma maior freqüência de operação de limpeza. Portanto, a água que abastece o conjunto deverá ser desmineralizada ou destilada com pH 7 +/- 1 e com dureza máxima ao redor de 60 ppm.

Fluxograma de reposição de H2O para caldeira


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Desmineralização Tipo de tratamento para água de alimentação O tipo de tratamento de água de alimentação depende: • da qualidade da água bruta; • da pressão de operação da caldeira; • do fluxo de calor na superfície de vapor da caldeira. Obs: a maioria das dificuldades operacionais das caldeiras é ocasionada por problemas no tratamento da água de alimentação. Monitoração da qualidade da água tratada A característica da H2O de alimentação é monitorada por medidores de pH (quanto mais H, melhor é o tratamento) e condutividade elétrica (quanto maior for condutividade, pior a água). Desmineralização ou desmi A medida que a H2O evapora, os cristais tendem a encrustar-se nas paredes dos tubulões (cálcio, sílica, cloro e magnésio) e nas tubulações, formando uma camada que diminui a vazão de H2O e dificulta a troca de calor entre o lado de fogo e o lado de água, reduzindo o rendimento da caldeira. Obs: O cloro ataca o aço inóx. O aço inóx ANSI 304 não resiste ao cloro. Já o aço ANSI 316 não é atacado pelo cloro, porém a mistura de cloro + sódio (NaCl) ataca quase todos os tipos de aço, com exceção do aço inox ANSI 316L, que é muito caro. Desaeração Serve para eliminar os gases arrastados ou dissolvidos na H2O (o próprio ar atmosférico, CO2 e O2). Quando estes gases estão à alta temperatura, tornam-se corrosivos, atacando os tubos e os tubulões, atacando também os trocadores de calor e as linhas de condensado. Os remanescentes da desaeração são eliminados pela adição de produtos químicos.


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Purga (Blow Down) Purga descontínua: é um sistema conectado na parte mais baixa do tubulão de água. Mediante aberturas periódicas da válvula de purga, a lama química é removida do fundo do tubulão inferior. Purga contínua: é conectada à tubulação de vapor e remove a água contendo sólidos dissolvidos um pouco abaixo da superfície da água existente no tubulão superior. Controle automático da concentração dos produtos químicos Este controle é feito por instrumentos que medem a condutividade da água e atuam na vazão de purga contínua da caldeira, mantendo a concentração média dos produtos químicos próxima ao limite máximo aceitável. Com isso, pode-se ter a menor vazão de purga contínua com maior economia de água desmi. Quanto melhor é o tratamento de H2O, menor a purga da caldeira.


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Fluxograma de processo de desmineralização A coluna forte ou fraca depende do diâmetro das bolinhas. Quanto maior o diâmetro, menor a área de contato por isso mais fraca a coluna. Resina Catiônica É composta de hidrogênio. Na passagem da água, a resina segura o cálcio e o magnésio, liberando hidrogênio na forma de H2.


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Regenerador H2SO4 H2O+Ca+Mg+Cl + metasilicato H2O+H2+Cl + metasilicato CaSO4 + MgSO4

Obs: O H2SO4 provoca aquecimento na resina podendo queimar. Na regeneração da resina catiônica, é utilizado o H2SO4 (ácido sulfúrico). A resina segura o H2 do H2SO4, e com a lavagem da resina, volta para o esgoto o CaSO4 e o MgSO4 (enquanto uma torre está em regeneração, a outra está em operação e vice-versa). Resina Aniônica Fraca (bolinhas grandes) Forte (bolinhas pequenas) A resina aniônica é composta de hidroxilas. Na passagem da água, segura o cloro e o metasilicato e solta hidroxilas OH-. Regenerador NaOH (soda) H2O+H2+Cl + metasilicato H2O + (H + OH) = 2 H2O (água desmi) NaCl + Metasilicato de Na Na regeneração com soda, a resina segura a hidroxila da soda e solta o cloro e o metasilicato. Na lavagem da resina, vai para o esgoto NaCl e o metasilicato de Na.

Resina Catiônica

Resina Aniônica


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Questionário 1. O que significa águas residuais? 2. O que significa águas tratadas? 3. O que são estações de tratamento de água? 4. O que significa ETA? 5. Dentro de um processo convencional temos a remoção dos compostos orgânicos. a) O que é um composto orgânico? b) Por que o composto orgânico precisa ser eliminado? c) Como se dá a eliminação do composto orgânico? 6. O que é carvão ativado? 7. O que é coagulação e para que serve? 8. O que significa solução a 40%? 9. O que é floculação e como ela acontece? 10. O que é sedimentação? 11. O que é decantação? 12. O que é solução coloidal? 13. O que é lodo? 14. O que é um filtro de areia e como ele funciona? 15. Como se compõe um filtro de areia? 16. Como se regenera um filtro de areia? 17. Qual é a diferença entre esterilizar e desinfectar?


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18. O que são caixas de contato? 19. O que é pH? 20. Para que se manipula o pH da água? 21. Como se manipula o pH? 22. Para que serve o flúor? 23. Num processo avançado, se usa a oxidação extensiva? 24. O que significa oxidante e redutor? 25. Qual é o objetivo da oxidação extensiva? 26. O que é um aerador e para que serve? 27. O que se faz para aumentar a eficiência dos filtros? 28. Qual é o objetivo da cloração final? 29. Para que serve a pré-sedimentação e qual a vantagem de sua aplicação? 30. O que é turbidez (NTU)? 31. O que significa esgotamento sanitário? 32. O que é estação elevatória? 33. O que é esgoto “in natura”? 34. O que é um interceptor? 35. Sobre os produtos utilizados no tratamento de água: a) Quais são? b) Para que servem?


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c) Como são obtidos? 36. As empresas de reciclagem de plástico, vidro, precisam ter um tratamento

particular de esgoto. Caso lancem seu esgoto diretamente na rede coletora, se flagrados, são duramente punidos. No entanto, as empresas de saneamento descarregam grande parte do esgoto “in natura” porque as empresas de reciclagem não podem despejar também?

37. Por que falta água no calor e na estiagem? 38. Faça um fluxograma simplificado do tratamento de H2O? 39. Como se classifica os processos de tratamento de esgoto? 40. Qual é a finalidade de cada um?


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Celulose e Papel Obtenção da celulose A matéria-prima para a obtenção da celulose é principalmente a madeira, pois mais de 80% da celulose se obtém a partir da madeira. O método mais moderno de obtenção da celulose é denominado procedimento ao sulfato. Anteriormente se efetuava o chamado procedimento ao sulfito. A diferença essencial consiste em que a madeira, uma vez preparada, e tratada para seu cozimento; no primeiro método é adicionado sulfato de sódio à lixívia, (material usado no cozimento), enquanto no segundo, se adiciona SO2, que dá lugar à aparição de sulfito na solução. O processo descrito a seguir é o procedimento ao sulfato. Este consiste de quatro fases, a saber: • Preparação da madeira (descascamento e corte); • Processo de cozimento; • Diversos tratamentos; • Regeneração e caustificação da lixívia. Preparação da madeira A madeira deve chegar o tratamento prévio o mais seca possível. Para tanto, as fábricas de celulose dispõem de grandes armazéns que recebem a madeira, permanecendo ali nove meses, pelo menos. Uma vez seca a madeira, passa a ser descascada. E não precisa ser total, já que a casca que não é eliminada será dissolvida na fase de cozimento.


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Geralmente os troncos são cortados longitudinalmente, se bem que tudo depende das dimensões da máquina de corte. Esta máquina é composta por três partes iguais. Em sua parte baixa existe um eixo com uma excêntrica, a qual imprime um movimento de rotação aos troncos e os desloca para cima. Dessa forma os troncos vão passando de um conjunto descascador para outro, até sair da máquina praticamente sem casca. Cada conjunto é aberto em cima e tem um chuveiro que fornece água sob pressão para ajudar a desprender as cascas. A água e a casca que flutuam no fundo, são retirados pela parte de baixo e se separam para que a água seja usada novamente. Os troncos são retirados da máquina por meio de correias transportadoras e são conduzidos para proceder ao esmigalhamento. O moinho ou desintegrador envia a madeira moída a um ciclone para separar os nós e pedaços grossos de madeira e, em seguida, é levada para um depósito. A etapa seguinte consiste em levar a madeira selecionada para a unidade de cozimento.

Máquina de corte


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Cozimento Uma vez que a madeira já está moída, é cozida com lixívia, que tem como composição: 8% de NaOH, 2% de Na2S, 1% de Na2CO3 e o restante de água. O cozimento se efetua em autoclaves de 50 a 100 m3 de capacidade. Uma vez carregado, se elevam a pressão e a temperatura o mais rápido possível até alcançar 8 kgf/cm2 e 175 oC, respectivamente. O aquecimento pode ser feito por meio de vapor direto, porém é mais utilizado o aquecimento com vapor exterior. Quando em uma operação, a massa é bombeada em circuito fechado para se conseguir uma distribuição mais regular da lixívia sobre a madeira. Passadas as primeiras horas, se reduzem a pressão e a temperatura, pois se o cozimento continuar com os valores assinalados, a celulose se dissolveria parcialmente na lixívia. Terminado o cozimento, o produto do autoclave é levado para tanques onde a massa é lavada com água e separada da lixívia.


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Tratamento dado à celulose A madeira é contida principalmente por 40/50 % de celulose, 10/30 % de hemicelulose e 20/30 % de lignita. Também contém, baixas porcentagens de proteínas, saia inorgânicos, resinas e gomas. Depois do tratamento dado com lixívia, a maior parte de produtos que não são celulose, são separados, estabelecendo assim um grau maior ou menor de pureza da massa. A massa de celulose é conduzida agora a uma desfibradora, onde é agitado permanecendo as fibras soltas. Em seguida é submetida à lavagem com água e passada por telas, para separar os materiais grossos (geralmente constituem os nós das madeiras) do resto das fibras de celulose, que estão em suspensão na água. A seguir, a massa passa pelo interceptor para que as substâncias de densidade alta (como a areia) se decantem. Efetuadas estas separações por meios rudimentares, se recorre uma classificação seletiva para separar os resíduos mais finos. Para isso, a suspensão passa sucessivamente através de um classificador a diafragma onde se elimina parte da água. Segundo o destino da celulose, se elimina a água ou não. Se, por exemplo, a celulose é destinada a fábrica de papel, ela é enviada na forma de creme, se é expedida na forma de rolos, deixa-se com 60% de água. Uso da celulose A celulose tem sua maior aplicação na fabricação de papel e de rayon viscoso. Também é utilizada na obtenção de revestimentos sintéticos para embutidos, plásticos, recobrimentos, nitrocelulose, explosivos, etc. O vernis e os esmaltes derivados da nitrocelulose são usados em pinturas de eletrodomésticos, automóveis, etc. Processo de fabricação do papel As matérias-primas empregadas, no processo de fabricação do papel podem ser classificadas em:


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• Matérias fibrosas • Material de recheio (substância inorgânica) • Material para aglutinar (substâncias orgânicas) Materiais fibrosos A qualidade da pasta de celulose que se emprega nesse processo, depende do tipo de papel que deseja fabricar. Assim, ela pode secar ou continuar na forma de creme. Outra procedência da pasta é o papel usado. Nesse caso, a pasta é preparada, conforme etapas a seguir: a) Seleção manual de papel, com separação de partes que não sejam de papel, como

plásticos, cordas, etc. b) Eliminação possível, das gravuras, impressões, colorações, etc. Mediante ao

emprego de dissolventes adequados. c) Desfibração que há com máquinas adequadas, principalmente a chamada

desfibradora holandesa, e também com trituradoras, desintegradoras, etc. Material de recheio Com o fim de dotar o papel de certas qualidades, são adicionadas substâncias que se denominam recheio ou carga de papel. Estes produtos rebaixam a resistência do papel, porém lhe dão propriedades que lhes são necessárias, tais como aumento de sua brancura, melhor superfície e maior opacidade. Os produtos mais empregados são: Argila; principalmente em caolim, que tem por missão de ser um agente de recheio. Pigmentos brancos; dá ao papel opacidade e brilho. O melhor de todos eles é o dióxido de titânio, seguindo-lhes o sulfato de zinco. Outros produtos empregados são o carbonato de cálcio como agente de carga. Pedra-ume, argamassa e cal, como branqueadores, silicato de sódio como adesivo compactado.


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Material de aglutinação A substância mais empregada para a aglutinação do papel, é uma resina denominada de colofónia. Esta tem por objetivo, evitar que os papéis fiquem porosos e a tinta escorra. Outras substâncias inorgânicas que se empregam na fabricação do papel são: colorantes, parafina (como impermeabilizante de papel) e glicerina (para suavizar o papel), como mais importante. Processo de fabricação Todas as substâncias que vem a alimentar a máquina de fabricação de papel devem chegar a esta em forma de uma polpa clara. Para isso, primeiramente, o material fibroso, se submete a um tratamento para a sua desintegração, sem que as fibras da celulose sofram alterações; isto ocorre por batimento e com injeção de água. As máquinas mais usadas são as batedeiras holandesas, que se pode considerar como o protótipo, é de lá que tem surgido outras, modificando-a e melhorando-a.

Na batedora é adicionado a pasta, o resto dos componentes para formar uma mistura homogênea. Depois de batido, ocorre o refino, sendo a refinadora cônica de Jordan e a Bauer são as mais utilizadas.

A maior parte das batedoras e refinadoras, são máquinas em cujo interior são alojados discos ou cutelos, que são as encarregadas por um movimento de giro, para preparar a pasta de tamanho e fluidez desejadas.

A obtenção passa por três fases distintas de eliminação de água, as quais são: • Depósito da parte sólida da suspensão, com eliminação parcial de água; • Eliminação da água que ficou retida nas fibras, por meio de compressão; • Eliminação de água não necessária da lâmina de papel, por aquecimento.


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A primeira fase consiste em passar a suspensão de fibras por peneiras, para que sejam retidas as substâncias mais pesadas, como areia e partículas de fibras excessivamente grandes, levando-a finalmente ao depósito de alimentação. Desse depósito sairá a suspensão diluída, que cai em uma tela metálica, acionada por roletes, de onde parte da água escorrerá através dela. Outra parte da água é eliminada na lâmina de papel que vai se formando, por meio de vácuo gerado nas caixas de sucção. Na primeira parte da máquina, forma-se uma lâmina de papel contínuo. Regulando a velocidade da tela metálica, se conseguirá a espessura do papel que se deseja.

A segunda parte do processo de é a prensagem, onde mais água será eliminada. Com estas etapas, a água se reduzirá desta forma:

• Suspensão de fibra inicial: mais de 99 % de água; • Lâmina depois da primeira fase: 80 % de água; • Lâmina depois de ser submetida à compressão: 65 % de água. Uma vez submetida à compressão, passa a lâmina a ser secada por calor. Para isso, a lâmina que já tem consistência suficiente para sustentar-se por si mesma, circula por roletes secadores. Estes são aquecidos interiormente com vapor e acionados por meio de um conjunto de engrenagens. Ao final, a folha de papel sai com um conteúdo de água de aproximadamente 5 %. Finalmente, a folha de papel circula por entre um série de roletes (calandra), para alisar e amaciar mais sua superfície, e após é enrolada formando bobinas.


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Questionário 1. O que é balanço de matéria? 2. Como se calcula o balanço de matéria em processos onde ocorre ou não reação? 3. O que é balanço de energia? 4. O que é entalpia? 5. O que é entropia? 6. O que é um processo contínuo? Dê exemplo. 7. O que é um processo descontínuo? Dê exemplo. 8. O que significa BATCH? 9. O que é um reator? 10. O que é celulose? 11. O que é lixívia? 12. Qual é o método moderno de obtenção de celulose? 13. Quais são as fases do processo ao sulfato? 14. Explique a preparação da madeira?

15. Na preparação da madeira para que serve a água?

16. O que é esmigalhamento?

17. O que significa NaOH, Na2SO4, Na2CO3 ? 18. O que é autoclave?


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19. O que é vapor direto e indireto ou exterior?

20. Descreva o processo de cozimento da madeira.

21. Para que serve a água no processo de cozimento?

22. Qual é o destino da lixívia?

23. Para que serve o cozimento da madeira?

24. Após o cozimento quais são os tratamentos que a massa de celulose recebe?

25. Qual é o destino da celulose?

26. O que é rayon viscoso?

27. Quais são as matérias primas na fabricação de papel?

28. O que são matérias-fibrosas?

29. Como é usado o papel reciclado? 30. Quais são os materiais de recheio? 31. O que é recheio? 32. O que é opacidade? 33. O que é agente de carga? 34. O que é adesivo de compactado? 35. O que é material de aglutinação? 36. Explique o processo de fabricação de papel e como é eliminada a água nesse

processo? 37. No final do processo qual será a quantidade de água presente na folha?


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38. Analise uma fábrica de papel em relação: a situação geográfica; água e madeira

utilizadas e o impacto ambiental da sua utilização. O que a fábrica faz a respeito? Analise também a energia consumida e os equipamentos e os combustíveis necessários à sua geração?

39. Após o estudo do processo de fabricação de papel, comente: a) Qual é a utilidade da reciclagem de papel? b) Para que economizar papel branco?


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Petróleo Convém esclarecer primeiramente o petróleo como o tal, isto é, da forma em que sai da terra, é praticamente um líquido sem aplicação. O petróleo é uma mistura de hidrocarbonetos, principalmente, por conter também quantidades variáveis de enxofre na forma de sulfetos e mercaptanos e de oxigênio, geralmente unido ao enxofre. Também acompanha o petróleo água do mar, procedente da própria jazida petrolífera e dos compartimentos dos petroleiros (barcos que se destinam unicamente ao transporte de petróleo) e alguns sólidos em suspensão. A composição do petróleo é muito variada e depende da procedência conforme relacionado a seguir: • Pensilvânia – Hidrocarboneto leve (até 6 átomos de C, e de cadeia linear). • Texas – Hidrocarbonetos cíclicos não saturados e asfálticos. • Venezuela, Iraque e Kuwait – Tipo misto, isto é, não há predomínio de uns

hidrocarbonetos sobre outros. • Rússia – Hidrocarbonetos cíclicos saturados, do tipo de ciclohexano. Esta é a razão pela qual a indústria dedicada ao tratamento de petróleo, é denominada refinaria de petróleo, ou simplesmente refinaria. Destilação do petróleo Praticamente é impossível dividir o petróleo em todos seus componentes e tampouco seria de interesse. O que se faz na realidade, é a decomposição do óleo cru em frações que tenham utilidade prática. Tal processo se descreve a seguir:


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Separação eletrostática O óleo cru do petróleo leva consigo água salgada e areia, que devem ser eliminados antes de seu subtratamento, principalmente por razões econômicas, já que é inferior em custo a instalação de separação, frente aos gastos com avarias produzidas pelas substâncias que acompanham o óleo cru, caso elas passassem através das instalações de refinação. A separação eletrostática consiste em enviar o óleo cru a um aquecedor para dar-lhe a fluidez necessária, adicionar água desmineralizada para diluir os sais que leva consigo, e passá-lo através do emulsionador, para emulsionar a mistura. Esta emulsão passa a um recipiente decantador que possui um potencial elétrico suficientemente alto para eletrizar as partículas da emulsão e agrupa-las. Sendo imissíveis e de diferente densidade, a água e os sais vão para o fundo enquanto o óleo cru separado, sai pela parte superior.

Depósito de Óleo Cru

Aquecedor

Emulsificador

Corrente Elétrica

Óleo CruSeparado

Água Sal

LIC

ÁguaTratada

Esquema de uma planta de separação eletrostática Destilação atmosférica do óleo cru Uma vez eliminada as impurezas do óleo cru, este passa por uma coluna que trabalha a pressão atmosférica.


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As frações que se obtém dependem principalmente da qualidade do óleo cru de alimentação, ou seja, os produtos obtidos não apresentam uma composição específica, necessitando de ensaios físicos para a determinação da composição. O processo de destilação atmosférica é o seguinte: O óleo cru troca calor com os produtos de outras instalações (reaproveitamento de energia). Uma vez aproveitado o máximo de calor, o óleo cru passa a ser aquecido em um forno no qual irá adquirir a temperatura adequada (aproximadamente 400oC) para alimentar a torre principal denominada de flash, situada na parte média inferior da coluna. O forno de aquecimento do óleo cru pode ter forma circular, retangular ou de caixa. Para favorecer o fracionamento do óleo cru, injeta-se vapor no fundo da coluna. Pela cabeça da coluna se obtém propano, butano, gasolinas e gases mais leves que o propano junto com o vapor de água. Todos estes passam por uma série de condensadores onde a maior parte desses produtos condensam. Ambas partes (gás-líquido) passam por um depósito separador, os gases são conduzidos para compressão, tratados e enviados como combustível. A água é separada do resto dos hidrocarbonetos por decantação, e drenada. A parte orgânica, formada principalmente por butano e a fração de gasolina é enviada em parte para a coluna com refluxo e o resto a outras colunas para sua estabilização. A coluna principal tem várias saídas laterais por onde saem frações de nafta, querosene e gás-óleo. Cada uma destas frações alimenta a outra coluna de arraste, com objetivo de melhorar o ponto inicial das frações por meio de vapor direto, que se injeta na coluna pelo fundo. Este valor junto com a fração leve separada, retorna para a coluna principal passando por um prato que está em cima daquele, onde se extrai a alimentação correspondente a coluna de arraste. Do fundo da coluna principal é extraída a lama de óleo cru reduzido; resíduo parafinoso que contém óleos minerais, parafinas, óleo combustível e asfalto. Este resíduo é enviado aos tanques de armazenamento para ser destilado na coluna de vácuo.


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A

E E

B

C

D

D

D

D

E

G

F

F

F

VV

V

V

refluxo

a estabilização

nafta

querosene

gás-óleo

asfaltoasfalto

óleo cru separado

óleo-com bustível

óleo cru reduzido

a) Fornob) Coluna Destilação Atmosféricac) Coluna Stripper Atmosféricad) Bombas Centrífugase) Trocadores de Calorf) Resfriadoresg) Condensadorh) Depósito Separador

Estabilização da gasolina Os gases que saem do depósito de refluxo da destilação atmosférica passam a um depósito onde se separa a parte líquida. Os gases são comprimidos à pressão necessária para serem fracionadas posteriormente. Uma vez comprimidos, se unem a gasolina que não volta para a coluna de destilação como refluxo. Esta mistura é condensada parcialmente e refrigerada, passando a um depósito separador. A fração gasosa alimenta a primeira coluna (absorvedora), de onde é separado o metano e etano do propano. Para absorção de propano, é utilizada nafta ou gasolina pesada. Os gases saem pela cabeça da coluna, enquanto a solução propano-nafta retorna a coluna principal de destilação atmosférica. A pressão de trabalho é de 10 atmosferas. O líquido separado do gás, alimenta uma segunda coluna de destilação que funciona a 8 atmosferas. Nela é separada por destilação denominada gasolina estabilizada, a qual sai pelo fundo, e pela cabeça propano e butano principalmente. Estes dois gases são condensados em partes como refluxo na coluna e o resto é enviado a coluna de separação que dispõe de calefação.


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Nafta

PI

PIPI

Nafta Nafta

TRCTRC

TRCPI

TRC

Gasolina Estabilizada Butano

Propano

10 Atm 8 Atm15 Atm

Gás Estabilizado

Pela cabeça saem propano e gases que retornam ao absorvedor. O propano é enviado em parte como refluxo e o resto é armazenado. Pelo fundo flui o butano, que após esfriado é enviado ao armazenamento. Destilação à vácuo O resíduo da destilação atmosférica é aquecido em um forno e enviado para uma coluna de destilação. Nesta coluna o fracionamento se deve especialmente a viscosidade do óleo. A operação se efetua com uma pressão absoluta na cabeça da coluna, de 30 à 35 mmHg. O vácuo é obtido por meio de ejetores de vapor. Para favorecer a destilação na coluna, é injetado vapor direto pela parte inferior da coluna. A coluna tem dispostas várias saídas laterais que alimentam outras colunas de arraste, possibilitando melhorar o ponto de ebulição do óleo. Pela cabeça da coluna flui um gás-óleo parafinoso que é condensado e esfriado, enviando-se parte dele com refluxo da coluna. O resto é armazenado, sendo geralmente utilizado como combustível.


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Pelas saídas laterais saem os óleos parafinosos, estes denominados de cima para baixo: ligeiro, médio e pesado. Estes óleos passam as suas correspondentes colunas que recebem pela parte inferior vapor direto, que serve para corrigir e eliminar os componentes mais rápidos dos óleos, os quais, junto com o vapor retornam à coluna principal. A maior ou menor extração de cada um dos óleos se efetua em função da viscosidade que se deseja para ele mesmo. Finalmente pelo fundo da coluna se retira o asfalto.

Fuel-Oil

Óleo Cru Reduzido

Asfalto

Vapor

Água

Gas-Oil

Condensado

VaporÁgua

Gases

G

H

A

H

GÁgua

Óleo Pesado

ÁguaG

Óleo Médio

H

HGÁgua

Óleo LigeiroC

H

G

E

B

D

F

a) Coluna de Destilaçãob) Fornoc) Stripperd) Separadore) Condensador Barométricof) Ejetorg) Trocador de Calorh) Bomba

Produtos obtidos e suas aplicações Os principais produtos obtidos em uma refinaria são: • Propano, Butano, Solventes, Gasolina, Aromáticos, Parafinas, Produtos asfaltados,

Óleos não lubrificantes, Naftas, Gasóleo, Óleo Diesel e Querosene de avião. As principais aplicações dos produtos derivados do petróleo são: Hidrogeno: Combustível para a mesma refinaria e hidrogenação. • Metano: Combustível para a mesma refinaria. • Propano: Combustível em geral. • Butano: Combustível em geral (gás de cozinha).


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• Gasolina: Combustível para motores à explosão. • Nafta: Craking térmico e catalítico, sínteses químicas. • Querosene: Combustível para reatores de aviação. • Gasóleo: Combustível para os motores diesel. • Óleos: uma vez desparafinados, refinados e misturados nas proporções

adequadas, são usados como lubrificante e óleos para transformadores. • Fuel – oil: Combustível de motores marinhos, centrais eletrotérmicas e calefações

domésticas. • Asfaltos: Pavimentação. Questionário 1. O que é petróleo? 2. O que significa destilar petróleo? 3. Quais são os produtos resultantes do petróleo? 4. O que é separação eletrostática? Por que é necessária? 5. Como é feita a separação eletrostática? 6. Faça um fluxograma de uma planta de separação eletrostática. 7. O que é destilação atmosférica e quais os produtos resultantes? 8. Para que serve a destilação à vácuo, quais são os produtos originados? 9. O que é Coque? 10. O que são ejetores? 11. O que são retificadores? 12. O que é hidrocraqueamento? 13. O que significa craqueamento?


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14. O que é craqueamento - térmico?


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Siderurgia Introdução Metais são substâncias simples, dotadas de brilho próprio e, geralmente, são bons condutores de calor e corrente elétrica. Exemplos: • Ferro, manganês, zinco, alumínio, cobre, estanho, etc. Alguns metais são encontrados na natureza na forma livre: • Ouro, prata, platina, mercúrio, etc. Porém, na maioria das vezes, os metais são encontrados na forma combinada com outros elementos, constituindo os minerais. Minerais são substâncias que se encontram distribuídas na crosta terrestre. Jazidas e minérios Quando um mineral se concentra em determinada região do solo ou do subsolo ele forma uma jazida. Raramente uma jazida é constituída por um único mineral, mas sim, por uma combinação de minerais. Quando as jazidas apresentam minerais em quantidades suficientes que permitem a extração econômica, elas recebem o nome de jazidas de minérios. Minérios são todos os minerais dos quais se pode extrair economicamente um ou mais metais.


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Tipos de jazidas As jazidas podem ser a céu aberto ou subterrâneas. Extração do minério Os minérios são extraídos das jazidas por meio de explosões, escavações, jatos d’água, etc. Canga São minerais que vêm, como impureza, junto com o minério que está sendo explorado. Processos de separação da canga A canga que acompanha um minério pode ser separada através de vários processos. Dentre eles temos os seguintes: Catação A separação da canga é efetuada com o auxílio de uma pinça ou diretamente com as mãos. A catação é um processo restrito, porque exige que os fragmentos de minério e canga sejam bem distintos uns dos outros. Separação magnética Esse processo só é aplicável quando um dos componentes apresentar propriedades metálicas, isto é, puder ser extraído por imãs. Para efetuar-se separação magnética, geralmente são utilizados eletroímãs presos a guindastes. Levigação Esse processo aproveita a diferença de densidade entre minério e canga.


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A mistura é triturada em britadores e moinhos e colocada em calhas, por onde circula a água. O minério, sendo mais denso que a canga, fica retido no fundo da calha enquanto a canga é arrastada pela corrente de água.

Flotação Nesse processo o minério é triturado, juntamente com a canga, sendo a mistura colocada em tanques com óleo. Nos tanques, a mistura é submetida a uma forte agitação. As partículas do minério aglomeram-se encharcando-se de óleo, formando uma espuma na superfície do tanque enquanto as partículas de canga depositam-se no fundo do tanque. A espuma contendo o minério é então recolhida, para ser peneirada.

Alguns tipos de minérios No quadro a seguir são apresentados alguns metais conhecidos, o nome do minério de onde é extraído e a correspondente fórmula química. Metal Minério de onde é extraído Fórmula Química Ferro Hematita Fe2O3 (Óxido de ferro) Alumínio Bauxita Al2O3 (Óxido de alumínio) Chumbo Galena PbS (Sulfeto de chumbo) Cobre Cuprita Cu2O (Óxido de cobre)


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Estanho Cassiterita SnO2 (Óxido de estanho) Zinco Blenda ZnS (Sulfeto de zinco) Minérios de ferro No quadro abaixo, temos o nome dos principais minérios de ferro, a fórmula química e a percentagem de ferro que o minério apresenta. Minérios de ferro Fórmula Teor aproximado em ferro Hematita Fe2O3 72% Magnetita Fe2O4 70% Limonita 2Fe2O3. 3H2O 52% a 66% Siderita7 FeCO3 48% Notas: • O oxigênio combina-se com vários metais, formando óxidos. No caso do ferro,

temos, por exemplo, o óxido de ferro (Fe2O3); • A fórmula 2Fe2O3. 3H2O significa óxido de ferro hidratado, isto é, com água; • A fórmula FeCO3 significa carbonato de ferro. Processos de produção siderúrgica A partir deste momento, será estudado os minérios de ferro, juntamente com o carvão e o calcário, nos processos de produção siderúrgica. Contudo, antes de entrarmos nos detalhes desses processos. Tratamento dado aos minérios de ferro Vamos conhecer alguns processos de aglomeração do minério de ferro que são: sinterização e pelotização. Sinterização Consiste em aglomerar o minério de ferro em uma mistura com aproximadamente 5% de carvão finamente dividido. A mistura é colocada em grelhas, que se movem a uma velocidade constante, sendo aquecida ao redor de 1300 oC a 1500 oC. O material que está sob a grelha, vai então


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sendo queimado à medida em que a grelha se movimenta à frente do queimador, devido à sucção de ar abaixo da grelha. O material obtido nessa unidade recebe o nome de sínter.

Pelotização É um processo de aglomeração do minério que produz excelentes resultados. Inicialmente produzem-se bolas ou pelotas cruas de minério de alto teor de concentração. A seguir, adiciona-se cerca de 10% de água e um aglomerante. Finalmente as pelotas são queimadas. Na operação de pelotização, é possível acrescentar calcário, para aumentar a resistência das pelotas.


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Matérias Primas do Alto-Forno Carvão siderúrgico É o carvão utilizado na produção de coque siderúrgico. O coque é resistente, não se aglomera com facilidade e permite que se atinja elevadas temperaturas. As funções do coque são as seguintes: • Fornecer calor para a combustão; • Fornecer carbono para a redução do oxigênio nos minérios; • Fornecer carbono para formar a liga ferro-carbono. Fundente A principal função do fundente é combinar-se com as impurezas (canga) do minério e com as cinzas do carvão, formando a escória. O principal fundente é o calcário, sendo encontrado em todos os estados do Brasil. Alto-forno O minério de ferro sinterizado ou pelotizado, juntamente com o coque e o calcário, são as matérias-primas essenciais para a obtenção do ferro. Essas matérias-primas, sendo encaminhadas para o alto-forno, dão início ao processo siderúrgico propriamente dito. O alto forno é um forno vertical com cerca de 30 m de altura e de formato cilíndrico. Na parte inferior encontra-se um cadinho da qual se ergue uma parte cilíndrica crescente chamada rampa. A parte superior do alto-forno é formada pela cuba que estreita-se para cima. A cuba é munida de um sistema de comportas cônicas, sendo através delas que se carrega o alto-forno. Internamente o alto-forno é revestido com materiais refratários, isto é, materiais que suportam altas temperaturas. Esses materiais refratários são do tipo sílico-aluminoso, conhecidos por tijolos refratários de chamota. O cadinho é a região onde se acumula o material fundido e constitui o fundo do alto-forno, sendo revestido por tijolos de grafita.


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Produtos do alto-forno Os produtos do alto-forno são dois: o ferro gusa e a escória. • Ferro gusa: O ferro gusa, também chamado de ferro de primeira fusão, possui de 3% a 4,5% de carbono dissolvido e é descarregado do alto-forno através do furo de corrida a intervalos de 3 a 5 horas. Nesse estado, o gusa apresenta uma temperatura de 1250oC a 1450 oC.

• Escória: A escória fundida flutua no ferro gusa. Ela é descarregada através de um orifício (orifício de escória) para os moldes nos quais se solidifica, formando blocos. Os blocos de escória são utilizados como pedras de construção ou pavimentação e para a fabricação de cimento. Caminhos do ferro gusa O ferro gusa, saindo do alto-forno, pode seguir dois caminhos: ser transformado em aço ou em ferro fundido. Quando destinado à fabricação do aço, o ferro gusa, no estado líquido, é colocado em carros torpedos que são dirigidos para a aciaria. No estado sólido o ferro gusa será a matéria-prima das fundições que fabricam o ferro fundido.


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O aço Como vimos, o gusa líquido é colocado em carros torpedo que são levados para a aciaria. Mas, o que é aço? Aço é uma liga de ferro-carbono que contém 0,008% a 2% de carbono dissolvido em sua estrutura, além de certos elementos residuais resultantes dos processos de fabricação do ferro gusa. A fabricação do aço consiste na remoção, por combustão, do carbono existente no ferro gusa. Essa operação é chamada de descarbonetação. Além do carbono, outras substâncias, como o enxofre e o fósforo são removidas do ferro gusa através de oxidação. Para obter a oxidação, o ferro gusa é posto em contato com o ar ou oxigênio, o que provoca a queima das substâncias (consideradas impurezas) que são transformadas nos respectivos óxidos.

Processos de fabricação do aço Dependendo da composição do ferro gusa e do tipo de aço que se deseja obter, temos os seguintes processos para a obtenção do aço: Conversor Bessemer Sua carcaça é feita de aço, com formato de pêra e é suspensa por um eixo apoiado em dois munhões, internamente, o conversor Bessemer é revestido com material refratário silicoso.


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O ar é injetado pela parte inferior e a capacidade do conversor Bessemer é de 25 a 30 toneladas. Conversor Thomas É semelhante ao conversor Bessemer, diferindo apenas no revestimento interno de dolomita, com a vantagem de eliminar silício, manganês e fósforo.

Conversor L-D (Linz-Donawitz) Sua capacidade é de 100 toneladas, tendo revestimento interno de dolomita. Para obter a conversão, injeta-se oxigênio puro através de seu topo.


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Ferro fundido O ferro fundido é uma liga ternária, isto é, além de ferro e carbono, possui silício. O silício causa na estrutura do ferro fundido, o efeito grafitizante, isto é, auxilia na decomposição do carboneto de ferro. A quantidade de silício independente do teor de carbono faz o ferro fundido tender para o tipo cinzento ou branco. Questionário 1. O que são metais? 2. Como são encontrados os metais na natureza? 3. O que significa extração econômica? 4. O que é canga? 5. Explique os processos de separação da canga? 6. Qual a limitação de cada processo? 7. Na sua opinião, numa mineração, o que é feito com as impurezas restantes dos processos de separação da canga? Qual é o impacto ambiental deste ato?


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8. O que é um processo de produção? 9. Faça um fluxograma simplificado do processo de produção de trilhos de trem e

folha de flandres? 10. O que é sinter e explique o processo de produção? 11. O Brasil exporta muito minério de ferro na forma de bolinhas para vários países e

importa produtos acabados. Qual é o processo de fabricação das bolinhas? Como funciona? Qual é o impacto ambiental da atitude brasileira?

12. O que é um alto-forno? 13. Quais são as matérias-primas do alto-forno? 14. O que é carvão siderúrgico? 15. Qual é a função do coque? 16. O que é fundente? 17. O que é ferro gusa? 18. O que é escória? 19. Quais são os caminhos seguidos pelo ferro gusa? 20. O que é aciaria? 21. O que é descarbonetação? 22. Quais são os processos de fabricação do aço? 23. O que significa aço (1010, 1020, 1040); aço inox e FoFo (branco e sinterizado)? 24. O que é tratamento térmico?


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Alumínio Alumínio do minério ao lingote Mineração de bauxita O minério A bauxita é responsável pela quase totalidade da produção de alumínio primário. Seus principais componentes são hidratos de óxidos de Alumínio e vários outros óxidos, que são considerados impurezas a serem eliminadas. Segundo duas definições comumente usadas, mas imprecisas, a bauxita é um minério de alumínio abundante mais ou menos impuro, na forma de vários hidratos, ou então um agregado de minerais aluminosos mais ou menos impuros em que o alumínio está presente em óxidos hidratados. As bauxitas são classificadas em função dos hidratos de alumínio que contêm. A maioria das bauxitas americanas são tri-hidratadas predominando o mineral gibbsita. Os óxidos mais importantes que compõem a bauxita, sem umidades são: óxido de alumínio total (Al2O3 – alumina ), sílica total ( SiO2 ), óxido de titânio ( TiO2 ). São importantes ainda a sílica reativa, que se combina com soda cáustica no processo de aproveitamento da bauxita e a alumina aproveitável, que mede a parte da alumina existente no minério sendo esta recuperada no processo químico de tratamento.

Forma de ocorrência Um exemplo de jazida é o maciço alcalino de Poços de Caldas que ocupa uma área de 800 Km2, com forma aproximadamente circular com 30 Km de diâmetro. A espessura média da camada de bauxita pode variar de 2 a 10 m.


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Sistema de lavra Antes de começar a lavrar o minério lança-se a rede de drenagem de água superficial. Inicialmente efetua-se a limpeza da camada de material que cobre o minério, cuja espessura relativamente pequena (10 a 20 cm) é removida por um trator e estocada em local conveniente para ser usada na futura recuperação da superfície minerada. Um exemplo de produção está em torno de 50.000 t/mês de bauxita “in natura”, trabalhando-se em rumo de oito horas, cinco dias por semana.

Recuperação de superfície minerada Após a retirada do minério, as cicatrizes produzidas são reparadas com o restabelecimento da cobertura vegetal e estabilização das encostas proporcionando contornos mais suaves ao terreno, tudo isso com o objetivo de proteger as nascentes dágua e manter o equilíbrio paisagístico da região. Após uma escarificação profunda com o trator a aplicação de corretivo de acidez do solo, o terreno está preparado para receber os nutrientes necessários e sementes de gramíneas e leguminosas aplicadas manualmente ou por hidrossemeadura, e mudas de árvore.

Refinaria O alumínio metálico não ocorre naturalmente. Foi descoberto por Wohler/Berlin em 1827. A Alumina é um óxido de alumínio Al2O3. Ela ocorre naturalmente em quase todo punhado de terra, na forma Al2O3.3H2O. Ela é a matéria-prima da qual se extrai o alumínio, um dos metais leves mais importantes e também o metal mais abundante na crosta terrestre. Para que a produção do alumínio seja economicamente viável com os métodos em uso hoje, é preciso um minério que contenha no mínimo 30% de alumina. O minério mais comum usado é a bauxita. O nome bauxita deriva da cidade de Les Baux na França, onde ele foi descoberto pela primeira vez em 1821. Significantes depósitos existem na Jamaica, Austrália, Guiné, Guianas, Suriname, Estados Unidos, Rússia, Grécia, Hungria, França, Iugoslávia, Índia, Brasil e outros países.


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Bauxita é uma mistura de óxidos de alumínio hidratado com óxido de ferro, silício titânio e outros elementos, mais pequenas quantidades de argilas e outros silicatos. O primeiro estágio na produção do alumínio é a extração de alumina da bauxita. Este é um processo químico conhecido com Refinação e a técnica praticada hoje para a recuperação da alumina é o processo “Bayer”, patenteado em 1887 por Karl Joseph Bayer. A alumina é um pó branco, seco, com uma consistência igual a uma areia fina de praia. Mais de 90% da alumina produzida no mundo é usada na produção de alumínio. O restante é usado como abrasivo, material refratário ou absorvente e na indústria química, cerâmica e de vidros.

Processo de refinação para extração de alumina O Processo Bayer emprega uma solução de soda cáustica aquecida para reagir com a alumina e separá-la de outros componentes da bauxita. É um processo hidrometalúrgico no qual a parte desejável do minério é extraída pelo tratamento com uma solução aquosa. No processo Bayer a alumina moída é misturada com solução cáustica (hidróxido de sódio NaOH). O óxido de alumínio hidratado na bauxita combina quimicamente com a soda cáustica o que torna possível sua remoção da mistura e , subseqüentemente, recuperação como alumina pura Al2O3. A alumina ocorre na bauxita na forma de tri-hidrato Al2O3.3H2O (gibbsita), conhecido como hidrato, que reage com soda cáustica aquecida de acordo com a seguinte reação química: Al2O3.3H2O + 2 NaOH → 2NaAlO2 + 4H2O

Onde: NaAlO2 (aluminato de sódio), Al2O3.3H2O (hidrato), NaOH (soda cáustica) Esta reação acontece em grandes digestores sendo a reação básica do processo Bayer. A solubilidade do hidrato em soda cáustica aumenta com a temperatura, portanto a reação pode ser facilmente reversível pelo resfriamento da solução, liberando a alumina. Esta reação acontece nos precipitadores:


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2NaAlO2 + 4H2O → Al2O3.3H2O + 2NaOH

Isto dirige a reação no sentido da formação do hidrato, mas também para recuperar soda cáustica. Como para obtenção do alumínio metal necessita-se alumina e não hidrato, este é aquecido a 1.000 °C em calcinadores, a fim de retirar as três moléculas de água de cristalização. Isto é conhecido como calcinação e reação envolvida é: Al2O3.3H2O → Al2O3 + 3H2O Calor

Onde: Al2O3.3H2O (hidrato), Al2O3 (alumina) e água em forma de vapor. O processo Bayer para extração de alumina da bauxita é um processo de circuito fechado.

Primeira parte do processo bayer – digestão Na digestão, a primeira parte do processo de refinação, bauxita moída e solução de soda cáustica são misturadas juntas em grandes recipientes (vasos digestores) capazes de manter as temperaturas e pressões envolvidas. Nos digestores tem lugar a seguinte reação química: Al2O3.3H2O + 2NaOH → 2NaAIO2 + 4H2O Onde: Al2O3.3H2O (hidrato); NaOH (soda cáustica); NaAlO2 (aluminato se sódio) A mistura é mantida a uma temperatura de 143 °C durante 40 minutos, e uma pressão de 250 kPa nos digestores. A solução não pode entrar em ebulição. A esta combinação de temperatura, pressão e tempo, o hidrato (gibbsita) e soda cáustica reagem imediatamente produzindo o licor verde com a concentração certa de alumina para as etapas subseqüentes do processo. Os equipamentos usados na digestão são projetados para utilizar o calor desprendido para aquecer o licor que entra na digestão. Dos digestores a pasta aquecida passa através de uma série de tanques de expansão, onde a pressão é reduzida gradativamente. A medida em que ela entra em cada


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tanque o licor se expande desprendendo vapor. Este é mandado para condensadores tubulares e aquece o licor que entra na digestão. Esta regeneração de calor nunca é 100% eficiente, portanto uma quantidade extra de calor na forma de vapor deve ser suprida pela casa de força. A necessidade de aquecimento é aumentada pelo fato de que a reação entre alumina e soda cáustica é endotérmica (absorve calor). Uma pequena porção de sílica contida em argila na bauxita reage com soda cáustica. A sílica é a impureza mais indesejável na alumina e precisa ser removida. Mantendo-se certas condições de temperatura, concentração e tempo de residência nos digestores, a sílica é removida do licor pela formação de silicato de sódio e alumínio insolúvel, de acordo com a seguinte reação química: 5(Al2O3.2SiO2.2H2O) + Al2O3.3H2O + 12NaOH → 2(3Na2O.3Al2O3.5SiO2.5H2O) + 9H2O onde: Al2O3.2SiO2.2H2O silicato de alumina Al2O3.3H2O hidrato de alumínio NaOH soda cáustica 3Na2O.3Al2O3.5SiO2.5H2O silicato de sódio e alumínio H2O água Esta reação, chamada de dissilicação, elimina a sílica reativa. Cada tonelada de sílica reativa consome 0.8 toneladas de soda cáustica e quase uma tonelada de alumina, e esta não pode ser recuperada. A operação na mineração deve ser muito bem controlada para minimizar a sílica reativa contida na bauxita.

Segunda parte do processo bayer – clarificação Neste segundo estágio a solução contendo alumina, chamada licor verde, é separada dos resíduos (materiais insolúveis, óxido de ferro e sílica), os quais eram parte de bauxita original. Isto é feito em duas operações: • As partículas mais grossas do resíduo são separadas como areia nos

classificadores de areia e são continuamente removidas e lavadas para recuperar soda cáustica.


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• As partículas mais finas são removidas como lama através dos filtros. Para aumentar a eficiência da filtração, adiciona-se coagulante na forma de amido ou coagulante sintético antes da filtragem. O filtrado é um licor livre de impurezas sólidas.

Terceira parte do processo bayer – precipitação A precipitação é um processo químico, no qual a reação da digestão entre hidrato e soda cáustica é reversível e os cristais de hidrato removidos do licor. A reação é: 2NaAlO2 + 4H2O = Al2O3.3H2O + 2NaOH onde: NaAlO2 aluminato se sódio (solução) Al2O3.3H2O alumina hidratada (cristais) NaOH soda cáustica (solução) O licor verde que vem da clarificação é ainda muito quente para uma precipitação satisfatória, portanto ele é resfriado de 100°C para aproximadamente 80°C em trocadores de calor. O calor desprendido é usado para aquecer o licor que vai para a digestão. O licor resfriado, embora supersaturado com alumina, não irá precipitar o hidrato rapidamente, a menos que a ele sejam adicionadas partículas de hidrato como sementes. O licor é agitado em grandes precipitadores com alguma quantidade de hidrato fino. Esta agitação se faz através de ar comprimido fornecido pela casa de força. Temperatura, tamanho e quantidade de semente, concentração do licor e tempo de circulação são todos regulados para controlar o tamanho dos cristais de hidrato e o rendimento de hidrato do licor. O licor é bombeado para os precipitadores e o tempo normal requerido para um bom rendimento é de 30 horas. Devido ao grande volume de licor em circulação, são necessários muitos precipitadores, e eles têm um aspecto dominante numa refinaria de alumina. Dos precipitadores, os cristais de hidrato como pasta são bombeados para vasos (tanques) classificadores, onde eles são separados por tamanho de partículas de hidrato, originando daí o hidrato-produto e também o hidrato-semente.


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O hidrato-produto vai para a calcinação e o hidrato-semente volta para os tanques precipitadores. A classificação é obtida através de decantação por gravidade. Quando uma quantidade de hidrato economicamente viável é removida, o licor remanescente é conhecido como licor usado. Ele contém soda cáustica e alguma alumina em solução. O licor usado é reaquecido e retorna para os digestores, onde ele é misturado com nova bauxita, para começar o processo de refinação novamente. Mas primeiro o licor usado é concentrado pela remoção do excesso de água. Isto é feito passando o licor usado através de evaporadores. O vapor é condensado e usado para alimentar as caldeiras. Quarta parte do processo bayer – calcinação Inicialmente, a maior parte do licor é removida da pasta de hidrato num filtro a vácuo. Água pura é usada para lavar hidrato enquanto ele ainda esta no filtro, retirando o licor remanescente. O hidrato lavado e secado é aquecido a 1.000°C em calcinadores especialmente projetados, a fim de que haja maior conservação de energia possível. O calor calcina o hidrato. Ele retira as três moléculas de água de cristalização, restando a alumina, um material arenoso seco, branco, puro e fino. Al2O3.3H2O → Al2O3 + 3H2O Calor

Onde : Al2O3.3H2O alumina hidratada Al2O3 alumina A conservação de energia no estágio de calcinação é obtida usando o gás quente que vai do calcinador para secar o hidrato que vem dos filtros a vácuo e usando o calor liberado durante o resfriamento da alumina calcinada para pré aquecer o ar para os maçaricos dos calcinadores.


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Este sistema projetado pela Alcoa, usa um terço ( 1/3 ) a menos de energia calorífica que a maioria dos calcinadores eficientes, anteriormente empregados na indústria do alumínio. Proteção do meio ambiente O projeto da Refinaria proporciona medidas anti poluentes para a queima de combustível, manuseio e operação com materiais poeirentos ou corrosivos como alumina, cal e soda cáustica e dispõe de áreas para coletar os resíduos da refinação. O projeto da refinação também proporciona a supressão de ruídos. Como qualquer lugar, os gases provindos da queima de combustíveis são descarregados na atmosfera, mas altas chaminés asseguram que eles sejam dispersos numa atmosfera mais alta. Coletores de poeira de vários tipos eliminam qualquer pó de alumina. Precipitadores eletrostáticos extraem a alumina muito fina que sairia pelas chaminés dos calcinadores. A lama residual é bombeada para áreas previamente preparadas, onde é decantada e a água restante, contendo alguma quantidade de soda dissolvida, para fabricação de tijolos para pavimentação. Pessoal O pessoal de produção, que minera e refina a bauxita através de estágios complexos, obtendo a alumina, tem como suporte um forte time de manutenção, engenharia, pessoal administrativo e técnico. Redução Conceitos básicos do processo hall O processo de produção de alumina na Alcoa é baseado no processo Hall, do qual veremos a seguir os conceitos básicos. O banho é formado basicamente por criolita ( 3NaF.AlF3 ), onde a alumina (Al2O3 ) é dissolvida. A passagem de corrente elétrica através desta solução decompõe a alumina em Al e O, sem afetar a criolita. Al2O3 → 2Al+ + 3O-

Eletricidade


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O anodo e o catodo da célula eletrolítica (cuba) são compostos por carbono. O alumínio liberado na eletrólise reage com o carbono do anodo, saindo da cuba sob a forma de CO e CO2.

A tensão de decomposição da alumina é 2,65 V, mas devido a oxidação do carbono do anodo, que é uma reação com liberação de energia, a tensão necessária para decomposição da alumina será 1,6 V. Redução do alumínio A redução é o passo final na série de transformações feitas a partir da bauxita para obter alumínio. A redução é feita em células eletrolíticas (cubas), nas quais a alumina é dissolvida no banho fundido (eletrólito), que possui em sua composição: criolita, fluoreto de sódio, fluoreto de cálcio e fluoreto de alumínio. O catodo (-) da cuba é uma carcaça de aço revestida internamente com uma camada de material isolante e uma camada de blocos de carbono. Este revestimento de carbono age como catodo no circuito elétrico da cuba, conduzindo a corrente para as barras coletoras, e daí para a cuba seguinte. Serve também como recipiente para banho fundido e o alumínio produzido. Este revestimento do catodo da cuba tem uma vida média de 1.500 dias. O anodo (+) da cuba é um grande bloco de carbono imerso no banho. Como citamos anteriormente, no anodo verifica-se a queima do carbono que combina com o oxigênio, proveniente da eletrólise da alumina. Como o anodo é constantemente queimado, uma quantidade de briquete, que é uma mistura de coque de petróleo e piche (94°C) é adicionada no seu topo em intervalos regulares. Este briquete é cozido pelo calor vindo do banho da cuba e com a liberação do material volátil resta apenas o carbono. A corrente elétrica é conduzida para o anodo através de pinos de aço, que também suportam o anodo no banho. Efeito anódico Normalmente o banho eletrolítico da cuba possui de 4 a 5% de alumina. Quando a porcentagem de alumina cai para 1-2%, a tensão que normalmente fica em torno de 5V, alcança 20 a 40 V, o efeito anódico é um fator muito importante na célula eletrolítica, causado pelo aumento de resistência a passagem da corrente elétrica,


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devido a baixa porcentagem de alumina. O efeito anódico produz um filme de gases (CO e CO2) no anodo, aumentando a resistência do circuito. Como o alumínio é produzido e depositado no catodo continuamente enquanto a cuba está operando, torna-se necessário retirá-lo em intervalos regulares. Isto é feito através de um cadinho equipado com um sifão de ferro fundido que é introduzido na cuba no alumínio. Cada cuba produz uma média de 850 kg de alumínio. Para que esta produção seja contínua é necessário adicionar em cada cuba 1.700 kg de alumina. Como vimos anteriormente, são necessário 1,6 V para que a alumina se decomponha no banho. Necessita-se também de energia para vencer a resistência do circuito e para manter o banho fundido (950°C), o que leva a tensão de operação da cuba para 5 V. Na Alcoa, as linhas de produção trabalham com uma corrente de 120.000 A e 5 V por cuba e cada linha possui 96 cubas ligadas em série, com uma capacidade de 90.000 t/ano. Os gases provenientes das cubas, tais como CO, CO2, fluoretos e hidrocarbonetos são coletados através de um sistema se exaustão e levados a um reator. Neste reator os gases passam através de um leito de alumina, onde principalmente os fluoretos são absorvidos e reutilizados nas cubas. Os gases restantes são filtrados em filtros sacos de pano e o ar que retorna para a atmosfera é praticamente livre de gases poluentes. Matérias-primas básicas para produção de 1 kg de alumínio: Alumina............................................ 2 kg Energia Elétrica................................16 kwh Coque + Piche..................................0,5 kg Criolita..............................................0,03 kg Fluoreto de Alumínio........................0,03 kg


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Açúcar e álcool Esforço histórico mundial A região de origem presumível da cana é o norte da Índia, de onde se supõe que tenha sido levada para a China e o oriente próximo. Os árabes a transportaram para o norte da África e o sul da Europa e os chineses a introduziram em Java e nas Filipinas. Colombo trouxe a cana para a América em sua segunda viagem, começando o seu plantio no ano de 1494, em São Domingos. Daí foi a Cuba, Antilhas e o continente, iniciando-se o seu cultivo nos Estados Unidos, na Luisiana, em 1750. No Brasil a cultura principiou em 1522 na capitania de São Vicente com canas oriundas da ilha da Madeira. As mais antigas citações sobre essa gramínea são as encontradas em lendas budistas do quarto século antes de Cristo. No Alcorão e no Talmude não há referências a ela e são duvidosas as alusões que alguns autores lhe atribuem em certas passagens da Bíblia. Nos primórdios do seu cultivo a cana era usada para ser chupada ou ter seu caldo bebido. Somente no ano 500 da era Cristã, na Pérsia, é que se encontra a primeira referência ao açúcar. A palavra açúcar deriva do nome “Shekar” ou Shakar, usado nas Índias Orientais, sendo o nome primitivo do açúcar branco, “Kandi Sefid”, a origem do termo cândi. A fabricação do açúcar em escala comercial desenvolveu-se no Egito nos séculos IX e X e a sua exportação era parte importante do comércio desse país. O açúcar era usado quase exclusivamente para fins medicinais, considerado artigo de luxo e vendido a alto preço. Os cruzados trouxeram o açúcar para França nos séculos XI e XII e desde então se propagou seu comércio na Europa.


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O primeiro açúcar comercial de beterraba foi obtido em meados do século XVIII, e a produção aumentou no inicio do século seguinte. Durante o século XIX o progresso na obtenção do açúcar de beterraba foi muito grande, não só no setor agrícola, onde essa quenopodiácea foi selecionada para dar um maior rendimento sacarino, como no industrial, onde a extração da sacarose chegou a suplantar a obtida na cana. Sob o ponto de vista técnico consegue-se, hoje em ambas, uma extração de 98% de sacarose, mas o açúcar de beterraba é produzido a preço mais alto do que o da cana. Surge daí a necessidade de proteção alfandegária ao açúcar de beterraba, nos países que o produzem, para impedir a importação de seu concorrente. Uma vantagem da beterraba é que, sendo ela um vegetal de ciclo curto, permite uma correção mais rápida da produção, de acordo com a oferta e a procura no mercado, o que não acontece com a cana, de ciclo muito mais longo. Fato notável na história do açúcar verificou-se em meados do século XIX, quando ocorreu a substituição da indústria do tipo pequena e regional pela dos grandes estabelecimentos de produção em massa a menor custo unitário. Entretanto, comercialmente falando, a produção de açúcar continuou ligada ao consumo doméstico dos países que o produzem, e a tradicional existência de excedentes. O comércio mundial é estabelecido no Acordo Internacional do Açúcar, executado pelo Conselho Internacional do Açúcar e representa uma política de cooperação muito antiga (o primeiro acordo foi acertado em 1902) e eficiente entre as nações, controlando atualmente 96% das exportações e evitando, vez por outra, sérias crises no mercado. No último decênio. O crescimento da produção foi superior ao consumo. Os países da área da beterraba, geralmente mais evoluídos, procuram tornar-se auto suficientes, com isso diminuem suas importações e provocam a formação de excedentes, ou a queda dos preços. Isto prejudica as nações produtoras, comumente subdesenvolvida. Atualmente a procura no mercado mundial é superior a oferta, se bem que o comércio internacional tende a diminuir, não só em virtude da orientação de alguns países, no sentido de se tornarem auto-suficientes, como pela formação de blocos e mercados preferenciais.


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Processo de fabricação do açúcar Carregamento e transporte Na lavoura os caminhões são carregados mecanicamente. Os caminhões transportam aproximadamente de 15 a 75 toneladas de cana por viagem. Pesagem da cana O peso é obtido através da diferença entre o caminhão sem carga e com carga. O setor de pesagem também é responsável pela identificação e registro de qualidade da cana, área de plantio, carregadeira e tratorista, caminhão e motorista. A carregadeira, na área agrícola, possui acoplada uma antena de transmissão de dados e o caminhão um sensor de recepção de dados. Quando o caminhão chega na unidade de pesagem, no setor industrial, uma antena capta estes dados e envia aos transponders. Estes transponders são sistemas de identificação e registro eletrônico conectados em rede com computadores na sala do setor de pesagem. A pesagem de cana visa os seguintes objetivos: • Controle agrícola; • Controle de pagamento do transporte aos terceiros; • Controle de pagamento da cana aos terceiros; • Controle industrial. Depois de pesadas são retiradas amostras para pagamento da cana pelo teor de sacarose. Recepção da cana Para descarregar os caminhões é utilizado um sistema mecânico chamado hilo. Estes hilos colocam as canas nas mesas alimentadoras em suspensão ou tombando-as lateralmente. Condução e preparo da cana Nas mesas passa-se jatos de água com cal para lavagem da cana. Nesta água é adicionada cal para controlar seu pH, evitando água muito ácida que pode causar danos nos equipamentos mecânicos.


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As mesas conduzem as canas da parte baixa para mais alta, deixando assim a cana cair numa esteira metálica auxiliar. A esteira auxiliar conduz a cana ás unidades de preparo. Este preparo é realizado em aparelhos de alta velocidade e baixa pressão que não extraem o caldo, denominados facas rotativas e desfibradoras, que cortam e desfibram as canas. Todas as canas picadas e desfibradas são conduzidas por uma esteira de borracha. Sobre a esteira de borracha existe um eletroímã que retira partes metálicas que podem causa danos a moendas, estes metais podem vir com o carregamento ou mesmo algumas lâminas que podem se desprender das facas ou desfibradores. A esteira de borracha coloca as canas picadas e desfibradas na Calha Donnelly ou Chute Donnelly para alimentar as moendas. Quando se enche a calha, pelo próprio peso formado pela coluna de cana preparada, a densidade no fundo se eleva. Esta densidade torna a alimentação eficiente, possibilitando elevada moagem e extração. A calha ainda torna a pressão dos rolos sobre o colchão de cana mais constante durante todo o processo de moagem desde que a mantenha cheia. Extração do caldo As moendas extraem o caldo girando em baixa velocidade e alta pressão. É composta de seis ternos. O primeiro terno da moenda chega a extrair até 75% do caldo existente na cana. Os bagaços são enviados aos depósitos e caldeiras. Embebição Podemos definir como sendo o processo no qual água ou caldo são aplicados ao bagaço de um terno para aumentar a diluição do caldo, levando a um conseqüente aumento na extração do caldo no terno seguinte. O método de embebição utilizado na usina é composta, onde é adicionado água (40 a 60°C) no último terno da moenda esta água com o caldo arrastado do bagaço são


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enviados a um agitador e bombeado ao terno anterior, e assim sucessivamente até o terceiro terno. A umidade do bagaço é fortemente dependente da taxa de embebição e a fibra de cada bagaço indica basicamente a extração do caldo. Purificação do caldo O caldo que sai do primeiro e segundo terno da moenda é chamado de caldo primário e apresenta pequenas quantidades de água. O caldo que sai do terceiro ao sexto terno da moenda é denominado secundário ou misto e apresenta pequenas quantidades de água. Estes dois tipos de caldos irão para a caixa de caldo misto onde uma parte irá para a destilaria e outra para a fabricação de açúcar. O caldo peneirado entra na caixa de caldo misto. Da caixa de caldo misto uma parte vai para a destilaria e a outra para fabricação de açúcar. Para a fabricação de açúcar, o caldo deve-se apresentar claro e reluzente para que não venha sofrer interferência na cristalização do açúcar. Por isso é realizada a purificação deste caldo que consta de: Peneira do caldo Visa separar as impurezas grosseiras como bagacilho, metais, etc para que não haja danificação das bombas e diminua as incrustações dos aquecedores, evaporadores e cozedores. O peneiramento é feito em peneiras fixas e correntes raspadores de bagacilho que os devolvem a moenda através de uma rosca sem fim. Primeiro aquecimento O caldo que vai para a fábrica passa por um aquecimento de 65 a 75°C para uma melhor sulfitação, no processo seguinte.


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A clarificação de caldo consta de: • Sulfitação do caldo: evita reações químicas que provocam o escurecimento do

açúcar no decorrer do processo. Se o caldo não for sulfitado, teremos o açúcar mascavo, isto é, escuro.

O anidro sulfuroso é produzido na Usina em fornos rotativos que queimam o enxofre elementar (S). A sulfitação do caldo é feita em colunas de ferro fundido divididas em gomos os quais possuem em seu interior bandejas em forma de cascata. O caldo é bombeado para o alto da torre descendo em cascata pelas bandejas, no seu caminho encontra o SO2 em sentido contrário mediante aspiração. Deste encontro ocorre uma reação, baixando o pH do caldo de 5 a 5.5 para 3.8 a 4.2. • Dosagem do caldo: o caldo saindo dos sulfitadores é continuamente misturado

com sacarato e ácido fosfórico (H3PO4). Sacarato é uma mistura de cal 70% e xarope 30%, dosados em um tanque e agitados por dez minutos. Após agitados são descarregados em batelada num tanque (pulmão de nível quase constante). O sacarato é adicionado na caixa de dosagem. O sacarato eleva o pH do caldo para 6.8 a 7.2, evitando que ocorram perdas de açúcar por inversão de sacarose no decorrer do processo (sacarose, frutose e glicose, não cristalizada). Auxilia também na decantação, onde reage com o fósforo do caldo, formando o fósforo de cálcio, que sendo denso, decanta facilmente. O pH deve ser mantido menor que 8, se for maior que isso pode ocorrer a “queima” da sacarose, deixando o caldo opaco, interferindo na qualidade do açúcar final. • Segundo aquecimento: nesta fase o caldo vai ser aquecido de 105 a 110°C para

remover as albuminas e impurezas coloidais. A temperatura do caldo não deve exceder 110°C, pois do contrário as coras presentes no caldo podem se emulsificar, tornando difícil a sua separação.


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Esse processo é realizado em uma bateria de aquecedores verticais para que o aquecimento do caldo seja feito gradualmente. O caldo, ao passar pelos aquecedores, pode provocar incrustações (silicato, sulfitos, fosfatos, compostos de cal, fibra de cana), diminuindo a troca de calor. Já do lado de fora dos tubos no aquecedor, ou seja, na câmara de vapor, pode ocorrer também uma deficiência da troca de calor pela deposição de lubrificantes arrastados pelo vapor que sai das máquinas (vapor de escape). • Balão de flash: sua função é reduzir a velocidade do caldo que irá para os

decantadores. Se o caldo entrar no decantador com bastante turbulência a decantação levará mais tempo. O balão de flash auxilia também na retirada de bolhas de ar contidas no caldo, que também influenciará na decantação. • Decantação do caldo: a decantação é um processo continuo que visa a deposição

e remoção das impurezas floculadas nos tratamentos anteriores. Na decantação é adicionado polímero, um auxiliar de decantação que chega a aumentar em 80 vezes a velocidade de decantação. Nesta fase teremos dois produtos, o caldo clarificado ou decantado que seguirá para a fase de evaporação e o lodo que irá para a fase de filtração porque ainda possui açúcar economicamente recuperável. Filtração do lodo O lodo que sai dos decantadores é bombeado para a caixa de lodo onde é adicionado cal. Da caixa o lodo é bombeado para um misturador onde é adicionado bagacilho, formando uma pasta. Este bagacilho vem do bagaço das caldeiras onde são retirados por captadores. A finalidade do bagacilho é dar firmeza ao lodo para que haja condições de filtração, já


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que o lodo é gelatinoso. A pasta do misturador seguirá para os filtros, onde é adicionado água. Depois desta pasta filtrada vamos obter dois tipos de caldo: claro e turvo, que irão para a caixa de caldo filtrado. Da caixa filtrado, 50% do caldo vai para a dosagem e 50% para a caixa de caldo misto. A torta, resíduos da filtração, é enviada para lavoura para ser utilizada como adubos, por ser rica em fósforo. Peneira horizontal O caldo clarificado passa por uma peneira horizontal para peneiramento final. Posteriormente o caldo é enviado para a caixa de caldo clarificado. Aquecimento O caldo clarificado é bombeado da caixa para um terceiro aquecimento que beneficia posteriormente uma evaporação mais rápida da água nos pré evaporadores. Pré evaporadores e evaporadores O caldo clarificado que saiu da decantador segue para a fase de concentração em pré-evaporadores e evaporadores de múltiplos efeitos, continuamente. A admissão de vapor de escape das turbinas na calandra do pré-evaporador evapora uma parte da água. O vapor de água sai pelo topo do vaso e alimenta os evaporadores, aquecedores e cozedores. O caldo evaporado de cada corpo sai pela sua parte inferior e alimenta os corpos subseqüentes, até sair no último corpo na forma de xarope com aproximadamente 60°C Brix. Na evaporação consegue-se eliminar 75% da água contida no caldo. A água condensada que sai da câmara de vapor dos primeiros corpos e pré-evaporadores, irá alimentar as caldeiras e os demais corpos alimentarão a embebição nas moendas, os filtros rotativos e a lavagem das centrífugas. O xarope seguirá para o tanque de xarope bruto, onde é bombeado aos aquecedores de ±85°C para melhor flotação posterior. Balão de reação I e II Dos aquecedores o xarope seguirá para o balão de reação I e II.


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É adicionado ácido e sacarato que mudam a densidade do xarope auxiliando na flotação. Flotador A função do flotador é separar as impurezas leves contidas no xarope como bagacilho que não foi possível eliminar no decantador e peneira horizontal. As impurezas são retiradas por cima através de um raspador e o xarope indo para a caixa de xarope flotado. No flotador é adicionado polímero floculante e desclorante para acelerar a flotação. Vácuos Na caixa de xarope flotado a sacarose ainda está dissolvida. Este xarope é bombeado para os cozedores a vácuo para cristalizar esta sacarose. O produto da fase de cozimento é a massa cozida que é uma mistura de sacarose e licor-mãe (xarope ou mel que deu origem aos cristais). O desenvolvimento do cozimento é realizado em cozedores a vácuo de simples efeito. O cozedor é de simples efeito porque a consistência da massa cozida não permite a circulação por tubos de pequeno diâmetro e não esta ligado a outros corpos como no processo de evaporação. O cozimento é a fase principal e mais delicada do processo de recuperação industrial de sacarose na forma cristalizada, Cristalização complementar A massa cozida, quando pronta, sai dos cozedores com uma temperatura variando de 65 à 75°C, e por bicas se depositam em aparelhos denominados cristalizadores. Estes cristalizadores têm agitação mecânica e podem ou não terem tubulação, onde circula água, para resfriamento lento da massa cozida. Esse resfriamento tem que ser lento para que haja condições de a sacarose, contida no licor mãe, da massa cozida possa se depositar nos cristais, fazendo com que cresçam um pouco mais.


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Esta fase industrial é realizada em tanques metálicos, abertos em forma de “U”, com elemento de movimentação helicoidal ou radical fixados em um eixo central. Separação dos cristais A massa cozida é descarregada no malaxer e deste para as centrifugas. Localizadas logo abaixo. Esta operação é feita visando a separação do mel envolvente nos cristais de açúcar. A centrifuga é um cesto perfurado em toda sua periferia com abertura superior, lateral e inferior. Na abertura superior faz-se a alimentação automática da massa cozida. Pelas aberturas laterais sai o mel centrifugado, pela abertura inferior sai o açúcar. As centrifugas para açúcar de primeira são 14 descontinuas e para açúcar de segunda são 16 contínuas. O açúcar descarregado é levado ao secador resfriado. O mel é usado em outros cozimentos até uma cristalização econômica. O último mel economicamente extraído de uma massa cozida recebe o nome de melaço ou mel final e é enviado a destilaria. O açúcar de segunda não é comercializado, é apenas transformado em açúcar de primeira. Secagem do açúcar O açúcar precisa passar por uma fase de secagem para não empedrar a temperatura e umidade que sai das turbinas. Reduzir a umidade evita este problema e melhora a conservabilidade do produto. Ensaque pesagem e armazenamento do açúcar Do secador o açúcar é recolhido a uma moenda com fundo afunilado, que despeja de forma descontínua diretamente no saco localizado em cima de uma balança. Máquinas de costura industrial realizam o fechamento do saco, agora pronto para o armazenamento. O açúcar é armazenado em sacos de 50kg e em locais previamente determinados, facilitando o controle de qualidade.


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Processos de fabricação de álcool É a segunda maior atividade realizada pela Usina. O álcool é obtido após a fermentação do caldo ou de uma mistura de melaço e caldo. É um processo bioquímico. A obtenção do álcool por fermentação tem duas fases complexas que repercutem diretamente na quantidade e qualidade do álcool: • Fermentação; • Destilação. Obtenção do mosto O caldo de moagem passa por tratamento, aquecimento e decantação para depois se juntar com o mel final proveniente da turbinagem do açúcar. Esta mistura tem o nome de mosto, que deve possuir em média 18 Brix. A mistura é feita nos diluidores.


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Homogeneizador O melaço, a água e o caldo, de seus respectivos depósitos, são enviados a um homogeneizador, do qual sai o mosto, que é enviado a fermentação. Para que o mosto tenha características ideais, é necessário observar certas características em relação ao teor de açúcares, sólidos, sais minerais, pH, temperatura, etc. Preparo do fermento O processo de fermentação utilizado é o Melle Boinot cuja característica principal é a recuperação de leveduras (fermento) através da centrifugação do vinho. Esta levedura recuperada, antes de retornar ao processo fermentativo, recebe um tratamento severo, que consiste em diluição em água e adição de ácido sulfúrico até, normalmente, pH 2,5 ou mais baixo, pH 2 no caso de haver infecção bacteriana. Esta suspensão de fermentos diluído e acidificado, conhecido na prática com o nome “pé de cuba” permanece em agitação por uma a três horas antes de retornar a doma de fermentação. Fermentação É nesta fase que os açúcares (sacarose) são transformados em álcool. As reações ocorrem em tanques, denominados domas de fermentação onde se misturam o mosto e o “pé de cuba” na proporção de 2:1, respectivamente. Durante a reação ocorre intensa liberação de gás carbônico, calor e a formação de alguns produtos secundários como álcoois superiores, glicerol e aldeídos. O tempo de fermentação varia de 4 a 12 horas. Ao final deste período praticamente todo açúcar já foi consumido com a conseqüente redução da liberação de gás. Ao terminar a fermentação o teor médio de álcool nestas domas é de 7 a 10% e a mistura recebe o nome de vinho fermentado. Devido a grande quantidade de calor liberado durante o processo e a necessidade da temperatura ser mantida baixa (32°C), é preciso realizar o resfriamento do vinho,


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circulando água em serpentinas internas as domas, ou em trocadores de calor, por onde o vinho é bombeado continuamente com água em contra corrente. Atualmente, este processo de fermentação é realizado de forma descontínua. Centrifugação do vinho Após a fermentação o vinho é enviado às centrifugas para recuperação do fermento. O concentrado do fermento recuperado, denominado leite de levedura, retorna às cubas para tratamento. A fase leve da centrifugação, ou vinho “delevedurado”. É enviado para as colunas de destilação. Destilação O vinho que vem da fermentação tem a composição de 7 a 10°GL (% em volume) de álcool e outros componentes de natureza líquida, sólida e gasosa. O álcool presente neste vinho é recuperado por destilação. A destilação utiliza diferentes pontos de ebulição das diversas substâncias voláteis, separando-as. A operação é realizada com auxilio de 7 colunas distribuídas em 4 troncos: destilação, retificação, desidratação e debenzolagem. A destilação é processada em três colunas superpostas. Nestas o etanol é separado do vinho (inicialmente com 7 a 10°GL) e sai com flegma (vapores com 40 a 500 CL). O tronco de destilação elimina ainda elementos voláteis, como esteres e aldeídos. Os voláteis são concentrados no topo da coluna e condensados em condensadores. O vinho é alimentado no topo da coluna descendo pelas bandejas e sendo depurado. A flegma retirada no fundo da coluna é enviada a próxima coluna, com álcool de segunda, com graduação de aproximadamente 92° GL. A coluna de destilação esgota a maior quantidade possível de álcool do seu produto de fundo, que é denominado vinhaça. A vinhaça é retirada a uma proporção aproximada de 13 litros para cada litro de álcool produzido. É resíduo utilizado na lavoura como fertilizante.


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O aquecimento do tronco é realizado pela injeção de vapor de escape no fundo da coluna. De acordo com a regulagem dos aparelhos de destilação definem-se os tipos de álcool: • Álcool Carburante possui em média 93,6°, ou seja, 93,6% e 4,4% de água (álcool

usado como combustível); • Álcool Industrial possui em média 94°, ou seja, 94% de álcool e 6% de água (álcool

comercial que encontramos nos mercados, farmácias, etc.); • Álcool Anidro possui em média 99,8°, ou seja, 99,8% de álcool e 0,2% de água

(álcool pode ser misturado com gasolina). Retificação A finalidade deste tronco é concentrar a flegma a uma graduação de aproximadamente 96° GL e purifica-la retirando as impurezas que acompanham, como álcoois homólogos superiores, aldeídos, ésteres, aminas, ácidos e bases. A flegma á alimentada na coluna B onde é concentrada e purificada, sendo retirada, na forma de álcool hidratado duas bandejas abaixo do topo da coluna. Os voláteis retirados no topo da coluna passam por uma seqüência de condensadores, onde parte do calor é recuperado pelo vinho, uma fração de condensadores é reciclada numa solução aquosa chamada flegmaça, solução que é reciclada no processo ou eliminada. Os álcoois homólogos superiores, denominados óleos fusel e alto, são retirados de bandejas próximos à entrada da flegma. O óleo alto retorna à doma volante e o óleo fusel é resfriado, decantado e armazenado para posterior comercialização. O aquecimento da coluna é realizado apenas pela injeção de vapor como na epuração. Desidratação O produto da destilação e da retificação é sempre uma mistura que nunca excede a 97° GL, mesmo que sejam realizadas repetidas destilações. A explicação para este fenômeno é a formação de uma mistura binária álcool – água, de proporções definidas e não acionáveis pelos processos normais de destilação, denominada mistura azeotrópica.


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Para que se possa separar o álcool da água, desidratando-o, e transformando-o em álcool anidro, introduz-se no processo um artifício químico – físico. A riqueza alcoólica do álcool anidro varia de 99,5 a 99,9° GL. Os processos químicos são os que tratam os líquidos ou seus vapores com substâncias capazes de absorver água, como por exemplo, a glicerina. Os processos físicos são os que deslocam ou mesmo suprem o ponto de azeotropismo, por exemplo o processo Mell-Cuinot, que se utiliza o benzol. Debenzolagem Através de uma coluna o benzeno é recuperado no topo e reciclado a outra coluna, enquanto a mistura água – álcool é retirada pelo fundo e enviada a outra coluna. Desta forma o benzeno arrastado é recuperado, sendo necessário apenas uma pequena reposição. Armazenamento do álcool Os álcoois produzidos, hidratado e anidro, são quantificados através de medidores de vazão ou tanques calibrados e são enviados para armazenagem em tanques de grande volume, situados em parques, onde aguardam sua comercialização e posterior remoção por caminhões.


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Fluxograma do processo de fabricação do álcool.


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Processo de fabricação do açúcar refinado Com dissolução do açúcar cristal em água quente (85°C) inicia-se o processo de produção do açúcar refinado. Obtendo-se inicialmente a calda de 62°C Brix areométrico, esta é enviada ao setor de filtração por placas onde se utilizam filtrantes, como camadas sobre telas, para remoção de impurezas macroreticulares. Após esta etapa a calda é bombeada para filtros de carvão animal onde, por percolação são extraídos colóides, obtendo com isso uma redução sensível da cor. Em seguida a calda é bombeada para resinas de troca iônica. Primeiramente a troca ocorre na resmas abrandadoras onde são retiradas os sais minerais (Ca, Fe, Mg, Zn, etc.). Em seguida a calda de açúcar é enviada para resinas descoloradoras que tem como função retirada dos corantes, como ácidos graxos, etc; nesta etapa ocorre boa redução da cor da calda, e finalmente na descoloração final ou polimento é obtido uma calada límpida, pronta para o cozimento. As unidades de refino retiram da calda clarificada a água adicionada na inicio do processo através de equipamentos de pré concentração da calda como evaporadores e trocadores de calor. Retirada boa quantidade da água, a calda é enviada para tachos cozedores com objetivo de concentra-la ao máximo. Ao atingir o ponto ideal no tacho, a calda é descarregada por gravidade na batedeira que, com batimento constante, faz a transformação de líquido concentrado em sólido. Esta massa quente de açúcar é enviada para rolos secadores e resfriadores, onde serão separadas as pedras, permitindo o enquadramento correto da granulometria. Finalmente o açúcar com temperatura reduzida é distribuído, através de roscas sem fim, em máquinas empacotadeiras, para posterior enfardamento manual e paletizados, para em seguida serem armazenados, aguardando o momento para sua expedição.


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Fluxograma do processo de fabricação do açúcar refinado.


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Questionário 1. Como se faz a pesagem da cana. Qual é a instrumentação que está ligada a isso? 2. Sob que critério é feito o pagamento da cana ao produtor? 3. Quais são os objetivos da pesagem? 4. Para que serve a cal? 5. Qual a função das facas rotativas e desfibradoras? 6. Para que serve a moenda e a calha? 7. Coma se faz para proteger a moenda de partes metálicas indesejáveis? 8. Qual é o destino do bagaço? 9. O que é embebição? 10. O que é caldo primário e secundário? 11. Qual é a característica desejável para o caldo que vai virar açúcar? 12. Para que serve a purificação do caldo? 13. Quais são as etapas de purificação do caldo? 14. O que é bagacilho? 15. O que é sulfitação e para que serve? 16. O que é açúcar mascavo? 17. O que é e para que serve o Sacarato? 18. O que é pH?


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19. Para que serve a decantação do caldo? 20. Para que serve o polímero? 21. De onde vem o lodo? 22. O que é torta? 23. Como se forma o xarope? 24. Para que serve o flotador? 25. Para que serve os cozedores? 26. Por que o cozimento é feito à vácuo? 27. Para que servem as centrífugas? 28. O que se faz com o mel que sai da centrífuga? 29. O que é melaço? 30. O que é açúcar de segunda e de primeira? 31. Para que serve a secagem? 32. Como se produz o álcool? 33. O que é mosto? 34. Para que serve o homogeneizador? 35. O que é levedura e para que serve? 36. O que é vinho? 37. Como se impede a infecção bacteriana do fermento?


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38. O que é leite de levedura? 39. O que é destilação? 40. O que é vinhaça? 41. Quais são os tipos de álcool? 42. Para que serve a retificação? 43. Por que a destilação máxima é de 97°GL? 44. O que é álcool hidratado? 45. O que é álcool anidro? 46. Como se produz álcool anidro?


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Cimento Extração do Calcário Os quatros principais elementos como Sílica, Alumínio, Cálcio e Ferro são os mais abundantes na crosta terrestre, além do oxigênio. Eles aparecem em muitos minerais. Para a fabricação do cimento deve-se selecionar os mais adequados. Há três possibilidades de se produzir uma mistura crua que contenha estes quatro elementos numa proporção adequada: • Pedra de Cimento natural onde os quatro elementos encontram-se em proporções

corretas na rocha natural. Este é o caso ideal, porém extremamente raro. • Misturam-se na proporção adequada quatro componentes da maior pureza

possível. A homogeneização e queima dos componentes puros consomem muita energia.

• Mistura de diferentes componentes de mesclas cruas. Existe uma grande

quantidade de variedades entre a pedra calcária e a argila. Estas rochas que contém Carbonatos de Cálcio e Silicatos que devem ser misturados na proporção correta. O conteúdo de Alumínio e Ferro são obtidos pela a adição de minerais ricos em Alumínio e Ferro. Esta é a forma mais comum de produzir uma mistura crua de cimento.


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Quadro: Composição e Rochas (Conteúdo e Carbonato e Argila) % Argila % Carbonato de Cálcio (Pedra Cimento Natural) (Cal) A cal (CaO) é proveniente do carbonato de cálcio (CaCO3), que por sua vez é o composto principal do calcário. A cal contribui com 80% na composição do cru e sua utilização é fundamental na fabricação do cimento Portland Eldorado Artificial. Podem ser utilizados dois tipos de calcários: um mais pobre consorciado com argila denominado argical, e outro de melhor qualidade chamado de calcário superior. A extração do calcário é feita pelo desmonte da rocha de modo que esta seja transportada até o britador primário em formas de blocos com dimensões em torno de 100cm, e separar os dois tipos de calcário existente na jazida: o calcário normal com até 2% de magnésio e o calcário dolomítico com até 20%. Quadro: análise química dos três componentes do calcário.

Denominação

Calcário Calcário de alto grau

Marga calcária CCI

Perda ao fogo 42,9 42,9 30,6 40,17 SiO2 5,2 0,7 13,8 5,25 Al2O3 0,81 0,68 7,0 1,47 Fe2O3 0,54 0,88 4,6 0,40 Cão 48,6 54,5 38,4 50,40 MgO 1,9 2,59 1,3 0,95 SO3 0,05 0,25 0,43 0,31 K2O 0,33 0,01 0,86 -

Na2O 0,05 0,16 2,6 - TiO2 0,06 0,01 0,21 -

Calcário de Alto Grau Calcário

Calcário Marganoso Marga Marga

Marga Argilosa Argila Marganosa

Argila

5 10 ideal 25 40 60 75 90 100

100 95 85 75 60 40 25 10


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Cr2O3 0,01 0,01 0,02 - MnO3 0,05 0,01 0,29 - P2O5 0,04 0,01 0,25 -

CI 0,02 0,01 0,04 - F 0,01 0,01 0,01 -

O exemplo que será utilizado é a jazida Serrinha situada no município de Apiaí à 10km do centro que possui os dois tipos de calcário, normal e dolomítico. A extração é feita através do uso de explosivos. A perfuração da rocha é feita através de perfuratrizes com produção média de 20m/h, operando em bancadas de 15 à 30cm de altura. Os blocos são recolhidos por pás mecânicas e transportadas por caminhões até prédio da britagem secundária. A britagem primária do calcário tem como objetivo, reduzir os blocos de calcário de dimensões entre 0 ~ 100cm extraídos na jazida para 0 ~ 8cm. Dessa maneira obtemos maior aproveitamento do material até a fábrica, pois uma tonelada de calcário ocupa 0,8m3 após a detonação e 0,7m3 após a britagem. Transporte do calcário – teleférico O calcário britado é transportado da jazida Serrinha até a estação de descarga junto ao pátio da fábrica de cimento, percorrendo uma distância de 10,3km e vencendo um desnível de 480m. Uma galeria de concreto armado está sob os estoques de calcário dolomítico. Nesta galeria estão cinco extratores vibratórios que recolhem o calcário, enviando-o ao transportador de correias que por sua vez alimenta a estação de carga do teleférico. O distribuidor rotativo alimenta as caçambas com capacidade de carga da 1,5 à 2 t cada uma. A produção do teleférico é de 325t/h, com granulometria de 0 ~ 8,0cm. O transporte é feito por 222 caçambas separadas entre si por distância de 92,8m, sendo sustentadas e movimentadas por 3 cabos; • Dois destes cabos são de sustentação, com diâmetros de 44 e 60mm para as

caçambas cheias e vazias respectivamente; • o terceiro cabo chamado de cabo de tração possui diâmetro de 36,2mm e é ele que

movimenta as caçambas.


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Situada na fase média da linha temos a estação angular, como o próprio nome diz, está localizada no ponto de convergência da linha teleférica, formando um ângulo de 21° em direção à fábrica de cimento. É nesta estação que fica a parte motriz do teleférico. A britagem secundária do calcário está situada entre a descarga do teleférico e os estoques de calcário. Sua finalidade é reduzir o calcário proveniente do moinho de bolas. Moinhos de cru Os materiais são enviados das tremonhas para os moinhos de cru com granulometria de 2,5cm, composição determinada e úmida máxima de 5%. Para obtermos um baixo custo de clínquer, é necessário secar, moer e homogeneizar a mistura, facilitando assim as reações que se processarão no forno rotativo. A fase de moagem e secagem é executada no moinho de cru, que além de secar o material aproveitando os gases quentes do forno, tritura o mesmo até a formação da farinha crua. Descrição de processo de moagem de cru A matéria-prima proveniente dos silos de estocagem é enviada a quatro tremonhas que armazenam o material que será utilizado no moinho de bolas. Sob as tremonhas temos balanças dosadoras Hasler que retiram os materiais, enviando-os na composição determinada, através de 3 transportadoras de correias e eclusa à entrada do moinho. A eclusa permite a entrada de material e dos gases provenientes do forno sem que haja aspiração de ar frio do ambiente. O moinho é composto de duas câmaras de moagem: A primeira parte câmara se divide em duas partes: • câmara de secagem, onde a matéria prima com umidade de 5% entra em contato

com os gases quentes do forno; • câmara de preparação, onde o material é moído com bolas de maior diâmetro. A segunda câmara faz com que o material seja triturado até a granulometria desejada, devido aos choques com bolas de menor diâmetro e blindagem.


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Homogeneização e estocagem de farinha O processo de homogeneização e estocagem da farinha tem dois objetivos principais: • homogeneizar a farinha crua obtida na moagem da matéria-prima; • estocar a farinha, garantindo a alimentação do forno por 100hs à 2000t/dia. O processo é obtido através da circulação da farinha insuflando ar sob pressão contido nos silos. O ar é injetado na parte inferior dos silos de homogeneização A e B, com capacidade de 1900 toneladas cada um. Torre humboldt Situada na entrada do forno rotativo, sua função é receber os gases quentes do mesmo e a farinha homogeneizada que vem do alimentador, promovendo a troca de calor entre os gases e a farinha. Deste modo, ao entrar no forno a farinha estará a uma temperatura aproximada de 800°C. Enviada ao alto da torre Humboldt, a farinha homogeneizada desce por gravidade até a entrada do forno e, no trajeto, choca-se com uma forte corrente de ar em sentido ascendente que vem do forno rotativo, aspirada por dois ventiladores. A torre Humboldt é formada por dois conjuntos de cinco ciclones cada um, com o objetivo de produzir um contato maior entre os gases e a farinha. Forno rotativo O forno rotativo pode usar dois tipos de combustível, óleo ou carvão moído. O forno rotativo recebe a farinha crua do pré-aquecedor. A função do forno rotativo é provocar reações químicas na matéria pela elevação da temperatura. A farinha descarbonatada entra no forno com temperatura aproximada de 800°C devido a sua passagem pela torre Humboldt. Recebendo o material a montante, através de dois orifícios, o forno com o seu movimento de rotação e inclinação de 3,5°, faz com que o material se desloque ao longo de seu comprimento, aproximando-se do capuz, onde se encontra o maçarico alimentado 100% por carvão mineral. Ao passar pela região das chamas o material se clinqueriza a 1450°C, caindo no resfriador a 1200°C aproximadamente. Essa transformação química da matéria-prima em clínquer chama-se sinterização ou clinquerização.


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Para evitar a abrasão e fusão das chapas do forno, devido a passagem do material a temperatura elevada, as paredes do forno são revestidas com tijolos refratários que se dividem em três: • aluminosos, com isolação térmica; • silicosos, com grande resistência a abrasão; • magnesianos e cromo-magnesianos, com grande resistência a abrasão e a altas

temperaturas. Os anexos 01, 02 e 03 apresentam alguns processos de fabricação do cimento com fornos rotativos. Resfriador O resfriador tem a função de receber o clínquer, cuja fabricação envolve a conversão, a altas temperaturas, de uma mistura de minerais de origem natural em uma nova mistura de minerais com propriedades hidráulicas. A velocidade das reações químicas depende de vários parâmetros, sendo principalmente favorecido pelas seguintes condições: • Presença de minerais reativos. • Ampla superfície do material (partículas bastantes finas). • Contato íntimo entre as diferentes partículas. • Composição apropriada da mistura. • Temperatura correta. O processo de formação de clínquer pode ser dividido em 4 partes: • Secar, calcinar e clinquerizar em um forno longo (processo seco). • Secar em um trocador de calor (pré-aquecedor), calcinar e clinquerizar em um

forno curto. • Secar, pré-calcinar em um trocador de calor, calcinar e clinquerizar em um forno

curto. • Esfriar em resfriadores especiais. O clínquer que sai do forno rotativo a uma temperatura aproximada de 900°C é resfriado a uma temperatura entre 60 ~ 80°C.


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Ao sair à montante do resfriador o clínquer cai na primeira grelha que envia o material a segunda e terceira grelhas. Em sua passagem o material recebe ar insuflado por ventiladores provocando assim o resfriamento do clínquer. O resfriador também é revestido com tijolos refratários e a grelha é construída com aço especial para resistir a altas temperaturas e a abrasão. Através da moagem de clínquer e gesso é obtido o cimento Eldorado Portland Artificial. A qualidade depende do grau de moagem, da composição química do clínquer e gesso, bem como da proporção dessa mistura. O gesso é usado como material de ligamento. O Sulfato de Cálcio, componente básico do gesso, existe sob diferente modificações. O Dihidrato, por exemplo, é uma forma estável, que existe como mineral. A água de cristalização é uma parte integrante da molécula e não é igual a água livre. Quando aquecido o gesso perde água e inicialmente, forma o Hemidrato metal estável e mais tarde a Anidrita. Dos silos de estoque, o clínquer, o gesso e o calcário dolomítico, são transportados para os moinhos de bolas que estão dentro dos mesmos padrões do moinho cru. O material é submetido a ação de bolas de ferro com cerca de 10cm de diâmetro. Com seu movimento giratório o moinho reduz todo o material a pó. Quadro: explicação do processo de fabricação do gesso Designação

Fórmula Faixa de Estabilidade

%SO3 %CaO %H2O Peso Molecular

(Sulfato de Cálcio) Dihidrato

CaSO4.2H2O <42 °C 46,51 32,57 20,92 172,17

(Sulfato de Cálcio) Hemidrato

CaSO4.1/2H2O Meta-estável 55,17 38,63 6,21 145,15

Anidrita CaSO4 40 - 1118°C 58,81 41,19 0 146,14 Pega Um endurecimento prematuro da pasta de cimento pode ocorrer devido a uma pega instantânea ou falsa pega. A pega instantânea é ocasionada por um conteúdo de gesso demasiadamente baixa e é irreversível.


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Uma falsa pega é ocasionada por uma pedra de água do gesso durante a moagem com temperatura demasiadamente elevada. Este produto endurece na pasta de cimento, criando um ilusão de que o cimento esta endurecendo. Este efeito de endurecimento pode ser anulado por meio de movimentação da pasta. Estocagem e ensacamento do cimento A estocagem do cimento nos silos é feita para resfriá-lo e para garantir o ensacamento em caso de paralisação no moinho de clínquer. Para facilitar o transporte e a venda, o cimento é embalado em sacos de 50kg com impressão na folha externa indicando o tipo de cimento no saco e o nome da fábrica. O cimento é enviado ao alto dos silos através de pressão positiva. Um conjunto de válvulas dirige o material ao silo desejado. Dos silos o cimento cai sobre uma correia vibratória, sendo recolhido em roscas transportadoras que enviam o produto a tremonha tampão. Entretanto na tremonha tampão, o cimento vai para o distribuidor rotativo que alimenta a ensacadeira. Todo o processo é controlado por um comando central que mantém contato com os principais pontos de operação. No comando central, através de contadores, controladores, indicadores, transmissores, registradores, etc. digital ou analógico, além de alarmes de segurança, podemos verificar cada etapa do processo. Além disso, na parte superior do painel de comando, temos um fluxograma luminoso que indica a situação de cada equipamento. Qualidade e aplicação Com o propósito de determinar a qualidade do cimento, necessitam-se ensaios físicos, além das análises químicas. Executam-se ensaios com pó de cimento, pasta de cimento e se possível, concreto. Os resultados da análise química não dependem dos métodos utilizados e são comparáveis em todo o mundo. No entanto, os resultados dos ensaios físicos variam com os métodos (equipamentos de ensaios, tamanho dos grãos e procedimentos de


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ensaios) e portanto indicam-se métodos standard a fim de se obter resultados compatíveis. Para aplicação e adensamento o concreto fresco é colocado em moldes, por meio de embudos, tolvas, carretilhas, esqueletos, transportadores ou bombas. Os moldes devem estar limpos e bem vedados. Podem ser de madeira, aço, elementos plásticos e pré-moldados. Para adensar o concreto, este deve ser mecanicamente vibrado ou movimentado simultaneamente ao enchimento dos moldes. Por outro lado, não se deve trabalhar em excesso o concreto, já que isto pode causar segregação e sangria. Veja anexo 04.

anexo 01


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Anexo 02

Anexo 03


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Anexo 04


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Reação química de hidratação do cimento, Anexo 05.


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Anexo 06 Questionário 1. Quais os elementos necessários para a produção de cimento?


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2. Como podemos obter a mistura adequada de minérios para a produção de cimento?

3. O que é calcário superior? 4. O que é desmonte e como é feito? 5. Quais são os tipos de calcário? 6. O que significa as denominações do quadro de análise química dos três

componentes do calcário? 7. O que é britagem primária e britagem secundária? 8. O que é clínquer? 9. Para que serve um moinho de bolas? 10. Quais são os objetivos da homogeneização e da estocagem da farinha? 11. Para que serve o forno rotativo? 12. Quais são as temperaturas envolvidas no processamento do cimento? 13. Quais são os combustíveis utilizados pela indústria de cimento? 14. Como os equipamentos ficam protegidos de temperaturas altas? 15. O que é abrasão e como ela ocorre neste processo? 16. Para que serve o resfriador? 17. O que significa montante e jusante? 18. Para que serve o gesso e do que ele é feito? 19. Quais são as transformações que o gesso sofre?


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20. O que é cimento Portland? 21. O que é pega? Qual é o problema que ela apresenta? 22. O que é pega falsa? 23. O que é um método standard? 24. Quais são os matérias que compõem o concreto? Para que serve cada material? 25. O que é concreto armado? 26. Comente o termo “tempo de cura”. 27. O que é segregação ou sangria? 28. Comente a variação da temperatura ambiente sobre o concreto com ferro.


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Referências Bibliográficas Relatórios de Estágio das Indústrias: • Alcoa • Cargil • Cimento Cauê • Citrosuco Paulista • Champion Papel e Celulose • Inpacel • Petrobrás S.A. • Serrana Mineração • Usina Catanduva • Usina Costa Pinto • Usina da Barra S/A • Usina Dedini Apostilas Senai Análise e Controle de Processos Donald R. Coughanowr Editora Guanabara Lowell B. Koppel Geradores de Vapor Editora Libris Raul Peragallo Torreira

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