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DIMENSIONAMENTO DE UMA COLUNA STRIPPER PARA DESCONTAMINAÇÃO DE TRS DO CONDENSADO DE UM PROCESSO DE EVAPORAÇÃO NA INDÚSTRIA DE CELULOSE
GODOI, Thales Rangel Franco de1
MORAES, Francisco de Assis Bertini2
RESUMO: A crescente necessidade na redução de resíduos e consumo de água na indústria da celulose, leva ao investimento em melhorias para seus processos de fabricação. Para obtenção da fibra de celulose, a lignina sofre processos de dissolução no licor de cozimento, gerando o licor preto que, antes de ser aproveitado na queima da caldeira, precisa passar por processo de concentração passando de 15 para 75% de sólidos. Esse processo gera um evaporado que, quando condensado, torna-se toxico, não podendo ser tratado juntamente aos efluentes da fábrica devido a sua concentração de compostos voláteis como: metanol (CH3OH), metil mercaptana (CH3SH), sulfeto dimetila (CH3SCH3), dissulfeto dimetila (CH3S2CH3) e sulfeto de hidrogênio (H2S). Esses compostos voláteis chamados de “gases não condensáveis” com compostos de enxofre (ou TRS – compostos reduzidos de enxofre) precisam ser removidos do condensado, sendo, posteriormente, encaminhados para desumidificação e queimados nos fornos de cal na indústria de celulose. Deste modo o trabalho tem como objetivo a validação de metodologia para o dimensionamento de uma coluna Stripper utilizada no processo de separação de compostos voláteis de TRS da água evaporada no processo de concentração do licor preto, utilizando valores de dimensões calculados, comparando-os a uma coluna pré-existente já em operação na indústria International Paper do Brasil situada em Mogi Guaçu – SP.
PALAVRAS-CHAVE: Dimensionamento Stripper, Stripping, GNC, Celulose, Lignina
ABSTRACT: The growing need to reduce waste and water consumption in the pulp industry leads it to invest in improvements to its manufacturing processes. To obtain the cellulose fiber, the lignin undergoes dissolution processes in the cooking liquor, generating the black liquor, which before being used in the boiler burning needs to go through a concentration process going from 15 to 75% solids. This process generates an evaporate which, when condensed, is toxic and cannot be treated together with the factory effluents due to its concentration of volatile compounds such as: methanol (CH3OH),
1 Thales Rangel Franco de Godoi é discente de graduação em Engenharia Química (2020) pela Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, Mogi Guaçu, São Paulo. E-mail: [email protected] 2 Francisco de Assis Bertini Moraes possui graduação em Engenharia Química pela Universidade Estadual de Campinas (1983) e mestrado em Engenharia de Produção pelo Centro Universitário de Araraquara (2011). Professor da Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, Mogi Guaçu, São Paulo. E-mail: [email protected]
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methyl mercaptan (CH3SH), dimethyl sulfide (CH3SCH3), dimethyl disulfide (CH3S2CH3) and hydrogen sulfide (H2S). These volatile compounds called "non-condensable gases" with sulfur compounds (or TRS - reduced sulfur compounds) need to be removed from the condensate and subsequently sent to dehumidification and burned in the lime kilns in the cellulose industry. In this way the work aims to validate the methodology for the dimensioning of a Stripper column used in the process of separating volatile compounds from TRS from evaporated water in the black liquor concentration process, using calculated dimension values, comparing them to a pre-existing column already in operation in the International Paper do Brasil industry located in Mogi Guaçu - SP.
KEYWORDS: Stripper Dimensioning, Stripping, CNG, Cellulose, Lignin
1. INTRODUÇÃO
Nas últimas décadas a necessidade de reduzir a geração de resíduos e
o consumo de água vem incentivando as indústrias a buscar melhorias de
procedimentos e tecnologias, como pesquisas realizadas por Oliveira et al.
(2008) com redução do uso da água em plantas industriais.
A crescente utilização do conceito de tecnologias mais limpas nas
instituições de pesquisas em empresas privadas, em seus trabalhos, mostra a
importância da redução dos contaminantes na fonte de forma prioritária à
redução do volume de efluentes gerados. Nos diversos projetos em unidades
industriais, estas têm adotado práticas preventivas, com vistas à minimização
de resíduos em todas as etapas do processo produtivo (LIN, 2007).
Apesar da atuação na fonte ser a forma mais recomendada em termos
ambientais, alguns equipamentos com tecnologia fim de tubo têm importância
fundamental para adequação dos efluentes orgânicos em operações
industriais.
Na indústria de celulose, a madeira passa por um processo de
cozimento para dissolver a lignina no licor de cozimento e liberar as fibras de
celulose para posterior tratamento. A lignina dissolvida pelo licor de cozimento
gera o licor preto que, antes de ser aproveitado para queima em caldeira de
recuperação química, é concentrado de 15% para 75% de sólidos em
evaporadores múltiplo-efeitos. Neste processo de evaporação é gerado um
evaporado na forma de um condensado contaminado e muito tóxico para o
tratamento de efluentes (MORAES, 2011).
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Este condensado, sendo a maior parte com concentração de compostos
voláteis como metanol (CH3OH4), metil mercaptana (CH3SH), sulfeto dimetila
(CH3SCH3), dissulfeto dimetila (CH3S2CH3) e sulfeto de hidrogênio (H2S), é
enviado para a coluna Stripper que tem como objetivo produzir um condensado
de alto grau de pureza e propiciar sua reutilização, como água limpa no
processo de fabricação de celulose. Os compostos voláteis removidos do
condensado chamados de “gases não condensáveis” com compostos de
enxofre (ou TRS – compostos reduzidos de enxofre), são encaminhados para
remoção de umidade e posterior queima nos fornos de cal na indústria de
celulose (VILARROEL, 2005).
Dentro desse contexto, este trabalho propõe o dimensionamento de uma
coluna de stripping do condensado da evaporação do licor negro na indústria
de celulose visando obter a máxima eficiência com o menor custo de consumo
de vapor na operação de uma coluna stripper. Esta utilizada no processo de
produção de celulose para separar compostos voláteis de enxofre (TRS) no
condensado oriundo da água evaporada na concentração do licor negro em
evaporadores de múltiplo-efeito.
Desta forma, como se determinou na prática industrial o melhor valor
operacional da relação molar (V/L) e consequentemente o melhor valor de fator
de dessorção de fundo (Si), será possível averiguar se o método de Krenser-
Brown e O’Connell para determinação do número real de bandejas é adequado
para projeto, comparando o resultado do número de bandejas dimensionado,
assim como as dimensões da coluna com as existentes em colunas já
instaladas na indústria.
2. PRINCÍPIOS DE FUNCIONAMENTO DE UMA COLUNA “STRIPPER”
Coluna Stripper, onde ocorre o arrastamento por vapor, pode ser usada
para a remoção de compostos orgânicos voláteis e difere da remoção com ar
em dois importantes aspectos: o vapor é condensável, e a temperatura de
operação é alta, o que reduz a solubilidade do soluto no líquido de alimentação.
Invariavelmente, a alimentação é uma solução aquosa, e a pressão de
operação pode variar ao longo de uma vasta gama de valores. Um balanço
geral de calor mostra que, há uma mínima taxa de vapor de água para evitar a
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condensação completa (e, portanto, não dessorção) na unidade. O vapor pode
ser direto (vapor vivo) ou gerado num reboiler de reaproveitamento
(BRADBURY, 2008).
Nas colunas de pratos de extração, o condensado contaminado que
contém componentes voláteis é inserido no topo do separador, sobre os pratos
em cascata ao longo da coluna, até atingir a parte inferior. O vapor de stripping
é introduzido abaixo do prato inferior e flui para cima através das bandejas. O
vapor e as fases líquidas são intimamente misturados em cada prato, gerando
uma mistura que tende ao equilíbrio de transferência de calor e massa, quando
a fase líquida libera os componentes voláteis para o vapor, resultando em uma
abordagem para o equilíbrio de transferência de calor e de massa durante a
qual o componente volátil é preferencialmente transferido do líquido para a fase
de vapor, conforme ilustrado na Figura 1 (SANTOS, 2010). No passado, alguns
estudos de transferência de massa em colunas de enchimento não mostraram
adequado contato do vapor de água com o soluto (BRADBURY, 2005).
O número de “bandejas” ou “pratos” exigidos num sistema particular é
determinado pela volatilidade relativa dos componentes voláteis em
comparação com o líquido de transporte. Esta volatilidade relativa determina a
extensão da transferência do componente volátil em cada estágio de equilíbrio
ou estágios "teóricos". Em geral, quanto maior for a volatilidade relativa dos
componentes voláteis, menos estágios teóricos ou pratos será
necessário. Assim, é possível calcular o número de pratos teóricos necessários
para conseguir a remoção desejada, e atingir a concentração de fundo
desejada no condensado limpo.
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Figura 1 - Escoamento de líquido e vapor numa coluna de stripping Fonte: Santos, 2010.
3. PROJETO DE UMA COLUNA “STRIPPER”
Existem vários métodos para o cálculo do número teórico de bandejas
(N) que são bem descritos na maioria dos livros de transferência de massa.
Utiliza-se o método de Mc-Thielle e mais comumente o de Krenser-Brown para
soluções diluídas, conforme equação abaixo:
N=ln( Esi−S i
Esi−1 )−1Si=K i∗(VL )
Onde:
E si : eficiência da coluna na remoção do soluto da fase líquida pelo
vapor;
Si : fator de dessorção de fundo para o soluto i;
K i : constante de equilíbrio de fases nas condições de temperatura e
pressão de trabalho da coluna;
(VL ): relação de vazão total de vapor por vazão total de líquido na
coluna.
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Como Ki é a relação das frações de soluto em equilíbrio nas fases
líquida e vapor (yi/xi), quando multiplicado pela relação (V/L), o fator de
dessorção de fundo (Si) representa a relação molar de soluto na fase vapor de
saída e o soluto na fase líquida na entrada da coluna, nas condições de
equilíbrio. Portanto, o fator de dessorção de fundo representa a condição
operacional na coluna, onde ocorre a máxima eficiência de remoção de soluto
numa determinada vazão de vapor, adicionado no fundo da coluna, em relação
a vazão de líquido adicionado no topo, ou seja, V/L máximo. Acima deste valor,
a eficiência de remoção de soluto não mais se altera.
A eficiência média das bandejas para a coluna geral (Eoc) é obtida a
partir da Figura 2, elaborada por O”Connell para calcular o número de pratos
real em relação ao teórico, ou seja:
N R=N
( Eoc
100 )A qual, tem como objetivo, promover a máxima aproximação da
concentração de equilíbrio na fase gasosa na saída de torre. Normalmente a
resistência na fase líquida domina, assim, há a necessidade de um número
razoável de pratos (FAIR, 2006).
Figura 2 – Eficiência Média das Bandejas para a coluna geral
Fonte: Fair, 2006
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Os gases de saída encontram-se bastante úmidos e a condensação da
água se faz necessária através de condensadores e/ou demister´s.
Normalmente, utiliza-se água desmineralizada neste condensador, como forma
de reaproveitamento de calor. Um fluxograma típico de uma dessorção a vapor
é mostrado na Figura 4.
Na indústria de celulose, com produção de 1000 a 4000t/dia de celulose,
utilizam-se colunas que variam de 20 a 60 pratos com fluxo de 90 a 400m3/h de
condensado contaminado, sendo o gás obtido seco em condensadores e
demister´s e encaminhado para a queima em forno de cal ou caldeira auxiliar.
Muitas instalações possuem duas colunas em série, sendo a 2ª coluna
destinada à remoção de metanol, que é condensado em temperaturas
inferiores a 50°C e desta forma separado do GNC (gases não condensáveis)
(VILARROEL, 2005).
O controle da eficiência de remoção de compostos orgânicos voláteis é
feito através da relação de fluxo de vapor em relação ao fluxo de condensado
contaminado alimentado. A retirada de condensado limpo é realizada através
do controle de nível no fundo de coluna e a dos gases pelo controle de uma
determinada pressão negativa na saída do condensador. A Figuras 3 mostra
uma foto da coluna e bandeja e a Figura 4 ilustra o controle operacional.
Figura 3. Fotos de uma coluna e bandeja stripping
Fonte: Autor, 2020.
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Figura 4 - Controle operacional do processo numa coluna de stripping
Fonte: Autor, 2020.
4. METODOLOGIA E RESULTADOS OBTIDOS
A coluna stripper industrial utilizada para comparação com metodologia
de projeto, possui um diâmetro de 2,0m, 30 estágios de pratos espaçados a
cada 0,6m, altura de 18,0m, fundo de 2,5m e topo de 1,0m, com altura total de
21,5m, fazendo parte das instalações industriais da International Paper do
Brasil situada em Mogi Guaçu - SP.
O vapor utilizado é saturado a 5 bar de pressão e a temperatura de
entrada do condensado no stripper é de 90°C, sendo de 60°C antes do
aquecimento com o condensado tratado. Os valores de projeto do condensado
a ser tratado no stripper são 270m³/h a 90°C e uma pressão interna de
operação em 3,0 bar. A Figura 5 ilustra o fluxograma P&I utilizado para o
estudo.
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Figura 5. Fluxograma de processo e instrumentação utilizado no trabalho
Fonte: Autor, 2020
A alimentação de condensado contaminado contém 9.200mg/l de
compostos de TRS e é alimentada para uma coluna de pratos, onde o TRS é
dessorvido com um fluxo em contracorrente de vapor saturado a 5 bar de
pressão. Este projeto tem como objetivo atingir uma eficiência de remoção de
90,0% de TRS e atingir no condensado de saída a concentração de 920mg/l.
Os cálculos determinarão para comparação:
Número de estágios reais;
Altura para a coluna de pratos, topo e fundo;
Diâmetro da coluna de pratos, topo e fundo.
4.1. BALANÇO DE MASSA NO SISTEMA DE STRIPPING
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3334
A Figura 6 abaixo, ilustra o balanço de massa no sistema de stripping do
condensado contaminado de TRS, oriundo dos 4 primeiros efeitos da
evaporação de múltiplo efeito do licor preto. O condensado limpo é utilizado no
processo de caustificação em substituição a água tratada e o gás de TRS é
queimado na caldeira de biomassa.
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COLUNA
STRIPPER
EVAPORAÇÃO
6 EFEITOS
Figura 6. Fluxograma com Balanço de Massa no Sistema de Stripping
Fonte: Autor, 2020
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4.2. CONSTANTE DE EQUILÍBRIO E RELAÇÃO IDEAL DE FATOR DE DESSORÇÃO
A constante de equilíbrio de fases média na temperatura de trabalho de
130°C na coluna é: K = 8,5, ou seja, para uma determinada fração molar na
fase liquida, a fração molar na fase gasosa é 8,5 vezes maior.
A Figura 7 abaixo, elaborada com base em dados reais, ou seja, em
colunas de stripping já instaladas, mostra que a relação ideal de fluxo de vapor
por fluxo de condensado (V/L) está por volta de 0,12, sendo assim, uma das
principais informações de projeto.
Figura 7. Eficiência de coluna stripper
Fonte: Moraes, 2018
Desta forma, o fator de dessorção é:
S=K∗(VL )=(8,5)∗(0,12)=1,02
4.3. NÚMERO DE ESTÁGIOS IDEAIS PARA OPERAÇÃO
Devido à alimentação muito diluída, o fator de dessorção altera-se pouco
em toda a coluna, possibilitando a utilização da equação de Krenser para o
cálculo do número de estágios ideais:
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E si=XN+1−X1XN+1−X 0
¿ =SiN+1−S i
SiN+!−1
N=
ln (E si−Si
E si−1 )ln Si
−1
Onde,
Esi = eficiência de dessorção do componente i;
XN+1 = moles-i/mol-líquido livre de solutos, entrando no topo;
X1 = moles i por mol de líquido livre de solutos, saindo condição (em
baixo);
X 0¿ = moles i por mol de líquido livre de solutos, determinado como em
equilíbrio com i na entrada de gás dessorvido;
N = estágios ideais;
Si = fator de dessorção para o componente i;
Si=(V∗K i )
L= 1A i '
;
VL = razão molar vapor/líquido.
Substituindo os valores, obtemos:
N=ln( 0,90−1,020,90−1,00 )
ln (0,2 )=9,40
4.4. NÚMERO DOS ESTÁGIOS REAIS DE OPERAÇÃO
Para determinar o número de estágios reais, necessitamos determinar a
eficiência da coluna, obtida pelo gráfico de O'Connell (Figura 8), podendo ser
usado para projetos preliminares e projetos finais.
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Figura 8. Curva de Eficiência da Coluna
Fonte: Fair, 2009
Sabe-se que:
K = 8,5
μL = 0,5%
ρLM = 3,47mol/ft³
Substitundo valores, obtemos:
K∗μLρLM
=8,5∗0,53,47
=1,22→Eoc=30% (obtido pelo gráfico)
Para a determinação do número de estágios reais (NR) utiliza-se a
fórmula:
N R=N
( Eoc
100 )
Substituindo os valores, obtemos:
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N R=9,40
( 30100 )=32
4.5. DETERMINAÇÃO DO DIÂMETRO DA COLUNA
Para determinar o diâmetro da coluna de recheio, é necessário encontrar
a velocidade superficial do gás para um determinado espaçamento de pratos
na coluna, através do gráfico abaixo (Figura 9),
Figura 9. Curva de Csb
Fonte: Fair, 2009
No eixo x, temos:
Parâmetros de Fluxo (PF )= LV
∗( ρGρL )0,5
Onde:
LV
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(VL )→ L
V= 10,12
→ LV
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Substituindo valores, obtemos:
PF=8,33∗( 1,65141000 )0,5
=0,30
Assim, para PF de 0,30 e espaçamento de pratos de 0,60m, obtemos o
valor de Csb no eixo y:
C sb=0,07
A partir disso é possível determinar a velocidade superficial do gás (Us), para 85% do ponto de inundação, através da equação:
U s=0,85C sb f
A r
AN∗√ ρG
ρL−ρG∗[ 20σ ]
0,2
Substituindo os valores, temos:
U s=0,85∗0,07
{1,10∗[ 1,6514(1000−1,6514 ) ]
0,5
∗(2060 )0,2}
=1,66m /s
Considerando o princípio da continuidade para o gás, temos:
V(m3
s )=A (m2 )∗U s(ms )
→A (m2 )=V (m3 )
U s(ms )
Sendo a área transversal representada pela seguinte expressão:
A=π∗D2
4→ V
U s= π∗D2
4→D=√( 4∗Vπ∗U s )
Sabe-se que a vazão de gás é 32.426,00kg/h, porém é necessário transforma-la para m³/s antes de substituir na equação da área transversal.
V=32.426( kgh )
∗( 1h3600 s )∗( 1m3
1,6514 )=5,45m3
s
A partir disso é possível determinar o diâmetro e a área transversal:
D=√( 4∗5,45π∗1,66 )=2,04m
A=π∗( 2,044 )=3,46m2
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4.6. DETERMINAÇÃO DA ALTURA DA COLUNA
A altura da coluna (H) pode ser determinada a partir da seguinte
expressão:
H=N R∗espaçamento+Alturado topo+Alturado Fundo
Altura do topo=2∗espaçamento entre pratos
Alturado fundo=5∗espaçamento entre pratos
.
Assim:
H= (32∗0,60 )+(2∗0,60 )+(5∗0,60 )=23,40m
Ou seja: 23,40m entre a tangente das calotas superior e inferior
4.7. COMPARAÇÃO DAS DIMENSÕES DA COLUNA REAL VERSUS PROJETADA
A comparação das dimensões da coluna “Stripper” real e projetada estão
contidas na Tabela 1, que leva em consideração vazão de 270m³/h de
condensado contaminado com 9.200mg/l de TRS e eficiência de remoção de
TRS de 90%.
Tabela 1. Comparação entre coluna “Stripper” real e projetada.
Parâmetro Real Projetada
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Espaçamento de Pratos (m) 0,6 0,6
Altura de Pratos (m) 18 19,2
Altura do Topo (m) 1,0 1,2
Altura do Fundo (m) 2,5 3,0
Altura Total (m) 21,5 23,4
Diâmetro 2,0 2,1
Como podemos observar, não houve diferença significativa entre as
dimensões reais da coluna instalada na International Paper em Mogi Guaçu-SP
e a projetada conforme metodologia demonstrada.
4.8. FICHAS 1 e 2 DE ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DA COLUNA
Abaixo temos as representações das fichas de especificação do
processo de cálculo de coluna de stripper com todos os dados operacionais,
dimensões e material utilizado, sendo a folha de especificação (1) a Figura 10 e
a folha de especificação (2) a Figura 11.
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402
403
404
405
406
6061
Figura 10. Folha de Especificação (1)
Fonte: Autor, 2020
19
62
407408409
410
6364
Figura 11. Folha de especificação (2)
Fonte: Autor, 2020
4.9. DESENHO TÉCNICO DA COLUNA STRIPPER
A partir da determinação das dimensões da coluna e com o auxílio do
programa AutoCad 2015 foi possível a elaboração do desenho técnico da
coluna stripper projetada (Figura 12).
20
65
411412413
414
415416
417
418
419
6667
Figura 12. Desenho técnico da coluna stripper projetada
Fonte: Autor, 2020
21
68
420421422
423
424
6970
5. CONSIFERAÇÕES FINAIS
De acordo com os dados obtidos nesse trabalho, podemos confirmar
que, o uso de metodologia de engenharia para dimensionar uma coluna
Stripper para descontaminação de TRS do condensado de um processo de
evaporação na indústria de celulose é viável.
Como demonstrado, os resultados obtidos são totalmente semelhantes
aos valores dimensionais de uma coluna Stripper que se encontra em
funcionamento na International Paper de Mogi Guaçu.
As medidas calculadas, possuem correlação numérica, aproximando-se
do modelo real, assim, podemos tomar como confiável a adoção desse método
para um projeto de dimensionamento de uma coluna Stripper, considerando os
valores de substâncias a serem separadas por esse método.
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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22
71
425426
427
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457458459
460461462
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23
74
463464465
466467468
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