JOSÉ LUIZ RODRIGUES BRAVO
PAULO FERNANDO DA COSTA E SILVA
ESTUDOS PARA ATENDIMENTO DAS CONDIÇÕES PARA OPERAÇÃO
DO REFINO ELETROLÍTICO COM AS CUBAS COBERTAS POR TECIDO
SINTÉTICO
Caso de uma refinaria metalúrgica de cobre
Monografia apresentada ao Curso de
Especialização em Gerenciamento e
Tecnologias Ambientais na Indústria Ênfase em Produção Limpa - da Escola
Politécnica da Universidade Federal da
Bahia, como requisito para conclusão
do referido curso.
Orientador: Prof. Msc. George de Souza
Mustafa
Salvador
2002
Às nossas famílias, pela compreensão e paciência por suportarem os momentos
de ausências no convívio, isolamentos esses tão necessários ao estudo desta
especialização.
Neste século, a sustentabilidade do planeta Terra será diretamente
proporcional ao nível de conscientização ambiental que possamos alcançar.
Paulo Fernando & José Luiz
AGRADECIMENTOS
São tantos, e tão especiais entre os principais:
A empresa Caraíba Metais S. A., objeto deste estudo de caso deste trabalho,
na pessoa do seu Diretor Superintendente, Otacílio Pinto de Morais, pela
oportunidade a nós dada de ampliarmos nossos conhecimentos e por viabilizar
a realização desta pós-graduação.
Ao Péricles Junior, nosso pró-ativo ambientalista, pelo convite e incentivo para
realizarmos esta pós-graduação.
À Isa Pedro, nossa Analista de Laboratório, pelo apoio incansável nos
trabalhos de campo.
À Ana Izabela, Técnica de Operação, pelas valiosas informações sobre as
utilidades da empresa, que muito contribuíram para a realização desta
monografia.
Ao José Carlos, Técnico de Manutenção, pelas suas ações de manutenção, as
quais possibilitaram a realização dos testes previstos neste trabalho.
Ao Joaquim Neto, Técnico de Operação, pelo seu apoio no acompanhamento
dos testes na área de tratamento de lama anódica.
Ao George de Souza Mustafa, nosso Mestre orientador, por suas valiosas
críticas na formatação deste trabalho de conclusão de curso.
Enfim, a todos que de alguma maneira ou de outra, às vezes até sem
pressentir, foram de ajuda inestimável para a realização deste trabalho.
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS.........................................................................7
LISTA DE FIGURAS.....................................................................................8
LISTA DE TABELAS....................................................................................9
RESUMO.....................................................................................................10
ABSTRACT.................................................................................................11
1
INTRODUÇÃO...........................................................................................12
1.1 O PROCESSO PRODUTIVO....................................................................13
1.2 HISTÓRICO DO PROBLEMA....................................................................20
1.3 JUSTIFICATIVA.........................................................................................21
1.4 OBJETIVOS...............................................................................................21
2
REVISÃO DE LITERATURA.....................................................................23
3
METODOLOGIA DO TRABALHO............................................................26
4
BALANÇO HÍDRICO DA ELETRÓLISE...................................................28
4.1 INFORMAÇÕES PRELIMINARES............................................................28
4.2 EVAPORAÇÃO DE ÁGUA NA ELETRÓLISE...........................................31
4.3 CONSUMO DE VAPOR DE 6,00kg/cm2....................................................32
4.4 CONSUMO DE ÁGUA NA ELETRÓLISE – MEDIÇÕES...........................33
4.4.1 Distribuição do condensado impuro....................................................36
4.4.2 Distribuição do condensado puro........................................................36
4.4.3 Fechamento do balanço de água na eletrólise....................................38
5
ESTUDOS PARA REDUZIR O CONSUMO DE ÁGUA...........................39
5.1
CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES.......................................................39
5.2
REDUÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA DESMINERALIZADA..................40
5.3
UTILIZAÇÃO DO CONDENSADO DO CCP COMO ÁGUA DE LAVAGEM
NA MÁQUINA DE ESTRIPAGEM..............................................................41
5.4
UTILIZAÇÃO DO CONDENSADO DO CCIII COMO ÁGUA DE LAVAGEM
NA MÁQUINA DE CÁTODOS...................................................................42
5.5
RECUPERAÇÃO DOS CONDENSADOS DA ÁREA DE TRATAMENTO
DE LAMA ANÓDICA.................................................................................43
5.6
REUSO DA ÁGUA DE LAVAGEM NA FILTRAÇÃO DA LAMA
ANÓDICA............................................................ .....................................43
5.7
REDUÇÃO DA UTILIZAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM NOS CIRCUITOS
DE CUBAS COMERCIAIS E CHAPAS DE PARTIDA............................. 44
5.8
COMPORTAMENTO DA COLA COM AS CUBAS COBERTAS..............47
6
VALORES PRELIMINARES DE INVESTIMENTOS................................54
6.1
VALORES PARA OS PROJETOS DOS ITENS 5.3. A 5.5.......................54
6.2
VALORES PARA O ITEM 5.7...................................................................55
6.3
RESUMO DOS INVESTIMENTOS...........................................................55
7
AVALIAÇÃO DA ECONOMIA COM A COBERTURA DAS CUBAS......57
7.1
REDUÇÃO DA TAXA DE EVAPORAÇÃO & ECONOMIA ESPERADA...57
7.2
ECONOMIA
COM
A
REDUÇÃO
DO
CONSUMO
DE
ÁGUA
DESMINERALIZADA................................................................................57
7.3
OUTRAS ECONOMIAS............................................................................57
7.4
VALOR TOTAL DA ECONOMIA...............................................................58
7.5
TEMPO DE RETORNO DO INVESTIMENTO..........................................58
8
CONSIDERAÇÕES FINAIS......................................................................59
9
CONCLUSÃO...........................................................................................61
10
RECOMENDAÇÕES................................................................................63
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS........................................................64
APÊNDICE...............................................................................................66
LISTA DE ABREVIATURAS
CIT
– Circuito Interno de Testes
CCC
– Circuito de Cubas comerciais
CCCI
– Circuito de Cubas Comerciais I
CCCII – Circuito de Cubas Comerciais II
CCCIII – Circuito de Cubas Comerciais III
CCP
– Circuito de Cubas de Chapas de Partidas
DA
– Cubas de Desarseniagem
DE
– Cubas de Decoperização Externa
DI
– Cubas de Decoperização Interna
QTD
– Quantidade
UM
– Unidade de Medida
UTE
– Unidade de Tratamento de Efluentes
UAS
– Unidade de Produção de Ácido Sulfúrico
LISTA DE FIGURAS
p.
Figura 1 – Diagrama do macro fluxo de processo de metalurgia................18
Figura 2 – Diagrama do fluxo de processo da eletrólise..............................19
Figura 3 – Diagrama do balanço hídrico da eletrólise.................................29
Figura 4 – Gráfico da concentração de cola no eletrólito no COLLAMAT –
cubas cobertas – temperaturas alteradas..................................52
Figura 5 – Detalhe da zona 1 da Figura 4......................................................53
LISTA DE TABELAS
p.
Tabela 1
– Água evaporada nas unidades de processo..........................32
Tabela 2
– Vapor consumido nas unidades de processo........................33
Tabela 3
– Medições dos consumos de água e vapor na eletrólise... ...35
Tabela 4
– Distribuição de condensado impuro na eletrólise........ ........36
Tabela 5
– Avaliação da geração do condensado puro...........................37
Tabela 6
– Balanço de água na eletrólise. ................................................38
Tabela 7
– Valores projetados de reposição de água no sistema com a
redução do consumo ................................................................39
Tabela 8
– Avaliação da concentração de ácido sulfúrico na água de
lavagem nos filtros-prensa........................................................44
Tabela 9 – Necessidades para as modificações de projeto......................54
Tabela 10 – Levantamento das necessidades do item 5.7 .........................55
Tabela 11 – Demonstrativo dos custos dos projetos..................................56
Tabela 12 – Economia com a redução da utilização da caldeira................57
RESUMO
BRAVO, José Luiz Rodrigues; SILVA, Paulo Fernando da Costa e. Estudos
para atendimento das condições para operação do refino eletrolítico com
as cubas cobertas por tecido sintético. 2001. 50 f. Monografia de conclusão
de curso (Especialização em Gerenciamento e Tecnologias Ambientais no
Processo Produtivo – Ênfase em Produção Limpa) – Escola Politécnica,
Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2001.
Esta monografia tem por objetivo apresentar o resultado dos estudos das
condições necessárias que permitam a operação de uma refinaria de cobre
eletrolítico, situada no Estado da Bahia – Brasil, com as cubas eletrolíticas
cobertas por um tecido sintético. O que se espera, após a implementação dos
vários projetos resultantes deste estudo, é a redução do consumo de energia,
redução do consumo de água, assim como redução da descarga de efluentes
líquidos e melhoria do conforto do ambiente de operação, porque a emanação
do vapor d’água, devido à evaporação do eletrólito, aumenta a umidade e o
calor da sala de eletrólise. A importância deste estudo está diretamente
relacionada com a redução do impacto ambiental da atividade, dado que
mantém a produção e reduz a utilização de vapor, que é gerado através da
queima de combustível fóssil, portanto um recurso natural não renovável,
reduz o consumo de água, contribuindo para melhor gerenciamento dos
recursos hídricos local, e reduz a poluição atmosférica no local de trabalho. O
benefício econômico também é apontado e os projetos recomendados para
redução do consumo de água deverão amortecer o aumento de custo que
deverá advir com a cobrança por captação da água e destinação de efluentes
das unidades industriais que está sendo implantada pelo governo do Brasil.
Palavras-chave: Água; Efluentes; Eletrólise; Minimização; Recursos Hídricos;
Vapor.
ABSTRACT
BRAVO, José Luiz Rodrigues; SILVA, Paulo Fernando da Costa e. Estudos
para atendimento das condições para operação do refino eletrolítico com
as cubas cobertas por tecido sintético. 2001. 50 f. Monografia de conclusão
de curso (Especialização em Gerenciamento e Tecnologias Ambientais no
Processo Produtivo – Ênfase em Produção Limpa) – Escola Politécnica,
Universidade Federal da Bahia, Salvador, 2001.
The aim of this monograph is to show the results of the studies performed in a
brazilian copper refinery located in the State of Bahia, which will allow operation
of the electrolytic cells covered with synthetic cloth. After implementation of the
projects that might be created, it’s expected reduction of energy and water
consumption as well as reduction of effluent discharge and improvement of the
workplace environment, as the water vapor liberation from the cells, due to
electrolyte evaporation, increases room temperature and humidity. The
importance of this work is directly related with the reduction of the activity’s
environmental impact, as it keeps the production level and reduces the vapor
consumption, which is generated by mean of fossil fuel burning (a non
renewable natural resource), reduce water consumption, improving the
management of local hydrological resources, and minimize the atmospheric
pollution at the workplace. The economic benefit is also indicated and the
recommended projects can allow cost minimization that will rise with charging of
water caption and water discharge from industrial unities, which is being
implemented by the Brazilian government.
Key words: Water; Effluents; Electrolysis; Minimization, Hydrological
Resources; Vapor.
12
1 INTRODUÇÃO
Uma refinaria metalúrgica do cobre é uma unidade industrial com
utilização intensiva de energia. O processo de transformação dos concentrados
dos minérios sulfetados de cobre, com predominância da calcopirita, requer a
utilização da energia principalmente nas suas formas térmica e elétrica, tanto
nos processos principais quanto nos processos secundários de produção de
utilidades, tratamento de efluentes e recuperação de subprodutos. Um dos
fatores fortemente competitivos nesse ramo de negócio é o custo baixo de
produção, visto que o cobre tem-se caracterizado cada vez mais como uma
commodity, em função da demanda não acompanhar o ritmo sempre crescente
da oferta, resultando na contínua queda do seu preço no mercado. O esforço
nesse sentido recai principalmente na negociação da matéria-prima e no custo
da energia utilizada. Neste contexto, a empresa, objeto de estudo desta
monografia, vem procurando as formas de redução do consumo de energia,
passando pela substituição de combustíveis utilizados nos seus fornos até as
alterações de práticas operacionais, implementação de programas de
conscientização, melhoria da qualidade e otimização de seus processos.
A empresa, alvo deste estudo de caso, é a única metalúrgica de
cobre primário no Brasil e está situada numa área industrial que compreende
40 hectares do Complexo Petroquímico de Camaçari - COPEC. É uma
empresa que se caracteriza basicamente pelo uso de tecnologia e aplicação de
capital intensivos, que já produziu, desde o início de seu funcionamento, em
1982, mais de dois milhões de toneladas de cobre.
O principal objetivo desta empresa é a produção e comercialização
de cobre eletrolítico sob a forma de cátodo e vergalhões de 8,0 mm de
diâmetro. Sua capacidade é atualmente de 220.000 toneladas/ano de cobre
eletrolítico. Além do cobre, são gerados subprodutos, tais como : sulfato de
níquel, ácido sulfúrico, trióxido de enxofre (SO3) líquido, óleum (ácido sulfúrico
com concentração excedente de 22% em SO2), lama anódica (que contém
metais preciosos) e escória
granulada. Atende ao mercado interno (55%),
MERCOSUL e mantém um volume de vendas no mercado externo.
13
1.1 O PROCESSO PRODUTIVO
A rota básica do seu processo produtivo é constituída por três
unidades principais de processo, conforme diagrama apresentado na Figura 1
e sumariamente descritos adiante.
1-UNIDADE DE PROCESSO DE FUNDIÇÃO - Nessa área são realizados os
processos pirometalúrgicos a altas temperaturas para extrair o cobre a partir
dos concentrados. O objetivo dessa unidade é a obtenção do ânodo de cobre
com a concentração (pureza) de 99,50 %, gerando em conseqüência, escória
granulada e o gás SO2 (dióxido de enxofre), que, após sua limpeza e
resfriamento, é convertido em ácido sulfúrico em reação catalítica com
pentóxido de vanádio. Para alcançar este objetivo a Unidade é subdividida nas
seguintes etapas:
Recepção e Estocagem de Matérias-Primas – Nessa etapa é realizado o
manuseio das matérias-primas: concentrado e sílica. Os concentrados,
nacionais e importados, são descarregados a granel por caminhões
basculhantes e vagões ferroviários na área de recepção. Sistemas de
alimentadores e transportadores de correia levam os materiais para a
estocagem. Com relação à sílica, essa é transportada e descarregada também
por caminhões basculhantes. A estocagem desses materiais é feita em baias,
alimentada através de uma correia móvel.
Mistura e Secagem de Matérias-Primas – Essa etapa consiste de um sistema
composto de seis silos de concentrados de cobre e um para sílica, que suprem
a mistura (bledagem) de concentrado e sílica em proporções adequadas,
contendo aproximadamente 10% de umidade, para a etapa de secagem. A
secagem dos concentrados e sílica é realizada em um forno rotativo cilíndrico,
montado horizontalmente, onde a umidade da mistura é reduzida para 0,2%.
Fusão – Aqui, a mistura seca (concentrado + sílica), proveniente do forno de
secagem, é recebida no forno flash smelting, onde é feito o controle de nível
máximo para evitar transbordamento. O forno flash tem como objetivo a
produção de matte (com aproximadamente 60% de cobre - em estado líquido),
através da fusão do concentrado e sílica previamente misturados e secos.
Além do matte, o forno flash gera escória (que é destinada ao forno elétrico),
14
gases (inicialmente são destinados à caldeira para limpeza e resfriamento e, na
seqüência, são enviados para a planta de ácido sulfúrico) e o reverts (matte
solidificado) que é britado para reuso no forno de conversão. O destino
seguinte do matte é a conversão, que é um processo que consiste em
converter o matte em cobre blister, através de um processo de oxidação
seletiva em estado líquido, para eliminar a maior parte do ferro e do enxofre
contidos no matte, utilizando sílica. A conversão é realizada em conversores
tipo sifão, que é um cilindro de chapa de aço revestido com refratário, tendo em
um extremo o sifão que permite a evacuação dos gases de processo. O cobre
blister então obtido alcança uma pureza de 98%. Outros resíduos gerados nos
conversores são a escória (que segue para o forno elétrico), gases e pó (vai
para o sistema de gases dos conversores) e as crostas de panela (que é sofre
britagem para a recuperação do cobre).
Refino a Fogo e Moldagem – Finalmente nessa etapa, o cobre blister
proveniente dos conversores é refinado e convertido em ânodos. O refino a
fogo é um processo de bateladas de oxidação-redução, cuja função é purificar
o cobre blister retirando o enxofre e metais. O cobre então refinado a fogo é
moldado em uma máquina (roda de moldagem) obtendo-se no final do
processo ânodos de cobre , com pureza 99,4% de cobre contido.
2-UNIDADE DE PROCESSO DE REFINO ELETROLÍTICO - Essa unidade,
conforme apresentada no diagrama de bloco da Figura 2, visa purificar o cobre
anódico, elevando o teor de cobre de 99,4% para 99,99%, eliminando
impurezas nocivas às propriedades eletromecânicas do cobre. O produto desta
unidade de processo é o cátodo de cobre eletrolítico, sendo que uma parte da
produção é disponibilizada para o mercado, em forma de placas, e a outra para
a unidade de laminação.
A purificação é feita por processo eletroquímico, onde em cubas com eletrólito,
composto basicamente por solução de sulfato de cobre e ácido sulfúrico, pelo
efeito da aplicação de uma corrente elétrica contínua, ocorre a dissolução do
ânodo, migrando os íons de cobre para o cátodo, ficando as impurezas ou
solúveis no eletrólito ou decantadas no fundo das cubas. A unidade de
processo, como um todo, é composta das seguintes subunidades: Circuito de
15
Cubas de Chapas de Partida; Circuito de Cubas Comerciais; Purificação
do eletrólito; Tratamento da lama anódica. Das quatro etapas, as duas
primeiras constituem-se em etapas de produção, enquanto as duas últimas são
etapas de apoio às duas primeiras. No CCP, ocorre a produção das lâminas de
cobre que farão a função de cátodo no par eletroquímico nas cubas do CCC,
para receber a deposição do cobre proveniente do ânodo continuamente
durante 11 dias, 24 horas por dia. A produção de chapas de partida se dá em
um circuito separado, onde chapas de titânio recebem a deposição do cobre
por cerca de 23 horas. Ao final deste tempo, as chapas de cobre formadas em
ambos os lados da chapa de titânio são retiradas mecanicamente, em um
processo chamado de estripagem. O processo eletroquímico se dá
basicamente nas mesmas condições de produção do CCC. As chapas são
preparadas em uma máquina, onde são cortadas em seus quatro lados e
recebem uma barra de cobre para suporte e contato na cubas de produção. No
CCC, ocorre a produção do cobre eletrolítico propriamente dito. Por se tratar de
um sistema de produção em batelada, para facilitar a organização da produção
no projeto original, as cubas foram agrupadas em grupos de 40 e os grupos
foram organizados em circuitos, possuindo cada circuito o seu próprio sistema
de circulação de eletrólito e os serviços de filtração, aquecimento e dosagem
de aditivos. Cada cuba abriga 42 ânodos (que têm formato de camisa com
mangas curtas e massa de 360kg) e 43 cátodos (inicialmente chapas de
partida com cerca de 1m2 de área e massa de 6kg). Os principais parâmetros
de controle do processo são a composição do eletrólito, a temperatura do
eletrólito, a vazão do eletrólito que passa pelas cubas, a concentração dos
aditivos, além da composição do ânodo, que deve respeitar determinadas
condições. Os aditivos utilizados são a cola animal, tiouréia, ácido clorídrico e
um floculante típico para o processo de eletrólise do cobre, que tem a função
de auxiliar a decantação da lama anódica gerada. Estes são agentes auxiliares
que possibilitam um bom nivelamento do depósito de cobre e a manutenção de
certas características desejáveis para um bom rendimento. A cola animal é um
pó de cor âmbar, resultante da hidrólise de peles de bovinos, que possui em
sua constituição proteínas de pesos moleculares variados. A tiouréia é a
espécie química em si, com 99% de pureza. A função destes dois aditivos é a
de obtenção de um depósito bem nivelado, ou seja, que esteja livre de
16
protuberâncias e dendritos (chamados de nódulos) que possam originar curtoscircuitos pelo contato desses com o eletrodo do lado oposto, que é o ânodo. A
proporção da dosagem destes dois aditivos e a manutenção de suas
concentrações no eletrólito é a chave para a obtenção de um bom depósito no
cátodo. O ácido clorídrico tem a função principal de precipitar a prata que vem
como impureza no ânodo de cobre. O AVITONE (nome comercial da DUPONT)
é um produto a base de petróleo sulfonado que atua como floculante dos
sólidos suspensos no eletrólito.
3-UNIDADE DE PROCESSO DE LAMINAÇÃO - Esse processo consiste em
transformar os cátodos de cobre, proveniente da unidade de eletrólise, em
vergalhões de 8,0 mm sob a forma de bobina de 4,0 toneladas. É constituído
das seguintes etapas:
Fusão – A fusão dos cátodos é realizada em um forno cilíndrico vertical,
dotado de queimadores a gás na sua parte inferior. Esse forno vertical tem a
função única de fundir os cátodos, não podendo reter ou armazenar o metal
líquido em seu interior. Imediatamente após a fusão, o cobre líquido escorre
para um forno intermediário denominado de espera/retenção, o qual tem a
função de armazenar o metal líquido, manter a sua temperatura e controlar o
seu teor de oxigênio.
Lingotamento – Nessa etapa o metal é vazado do forno de espera/retenção
para a máquina de lingotamento, que por sua vez produzirá uma barra de
forma retangular contínua que segue para uma fresadora rotativa (para fresar
os quatro cantos) e logo em seguida alimentar o laminador.
Laminação – Aqui a etapa de laminação tem a função de produzir o vergalhão
de cobre diâmetro 8,0mm, através de sucessivas revisões da barra, passando
por 15 gaiolas horizontais/verticais, acionadas por motores com regulagem de
velocidade. O grupo do laminador é composto de trem de desbaste (03
gaiolas), trem intermediário (12 gaiolas) e trem de acabamento (02 gaiolas).
Após passar pela última gaiola, o vergalhão entra em uma zona de
resfriamento e em seguida passa por um formador de espira para finalmente
entrar na decapagem.
17
Decapagem – A decapagem consiste na retirada da camada de óxidos da
superfície do vergalhão, através de um banho em solução diluída de ácido
sulfúrico em um tanque. Após a decapagem, as espiras são conduzidas para
as instalações de lavagem à frio para em seguida entrar na zona de lavagem à
quente, com a finalidade de retirar os resíduos de ácido ainda existentes no
vergalhão. Na seqüência, as espiras mergulham em uma emulsão com sabão,
que serve para neutralizar quaisquer restos de ácido, porventura existente, e,
principalmente, aplicar uma película protetora no vergalhão.
Embalagem – Finalmente nessa etapa é formada a bobina, através do
acúmulo de espiras sobre um pallet de madeira. A bobina de vergalhão é
então pesada, cintada, identificada, embalada e manuseada para a área de
estocagem. O vergalhão então produzido é comercializado no mercado interno
e uma parte menor no mercado externo. Esse produto destina-se a fabricação
de condutores elétricos metálicos, sendo aplicado em larga escala na produção
de eletroeletrônico, telefonia, telecomunicações, na construção civil, na
indústria automobilística e no segmento de informática.
18
Figura 1 – Diagrama do macro fluxo de processo da metalurgia
R EC EP Ç ÃO E
E STOC AGEM
D E M A T É R IA S -P R IM A S
M IS T U R A E S E C A G E M
D E M A T É R IA S -P R IM A S
FU SÃO
(F O R N O F L A S H )
Á C ID O S U L FÚ R IC O
98%
U AS
FO R N O E L É T R IC O
C ON VER SÃO
P LAN TA D E ÓLEU M
Ó L EU M 2 2 %
P LAN TA D E SO3
L ÍQ U ID O
S O 3 L ÍQ U ID O
P U R IF IC A Ç Ã O D O
E L E T R Ó L IT O
S UCATAS P ARA
FU N D IÇ Ã O
U TE
R E F IN O A F O G O E
M OLD AGEM
R E F IN O E L E T R O L ÍT IC O
L A M IN A Ç Ã O
E S C Ó R IA
GR A N U L A D A
LAM A
A N Ó D IC A
V ER GA L H Ã O
CÁTODO
L A M A D E GES S O
E FL U E N T E
L ÍQ U ID O
S U L FA T O D E
N ÍQ U E L
LAM A DE COBRE
19
Figura 2 – Diagrama do fluxo de processo da eletrólise
VAPOR
DE ÁGUA
P/A ATMOSFERA
ÂNODOS
ÁGUA
VAPOR
UNIDADES DE PROCESSO
PRODUÇÃO DE
CHAPAS DE
PARTIDA
ENERGIA
ELÉTRICA
CHAPAS
CÁTODOS
DE COBRE
PRODUÇÃO DE
CÁTODO
ELETRÓLITO
ELETRÓLITO
ELETRÓLITO
+
LAMA
CÁTODOS
DI
SEGUNDA
RETIRADA DE
COBRE
CÁTODOS
DE
ELETRÓLITO
SEPARAÇÃO
ELETRÓLITO
DA LAMA
ELETRÓLITO
PRIMEIRA
RETIRADA DE
COBRE
LAMA ANÓDICA
RETIRADA DE
ARSENIO
CÁTODOS
DA
LIXIVIAÇÃO E
FILTRAÇÃO
ELETRÓLITO
CEMENTAÇÃO
DO TELÚRIO E
FILTRAÇÃO
TELURETO
DE
COBRE
SECAGEM
ÁCIDO NEGRO
LAMA
ANÓDICA
ÁCIDO
NEGRO
LAMA
CÚPRICA
PRODUÇÃO
DE
SULFATO DE
NÍQUEL
LAMA DE
GÊSSO
PURIFICAÇÃO
DE
SULFATO DE
NÍQUEL
NiSO 4.6H 20
CONDENSADO
P/A
CALDEIRA
E UTE
20
1.2 HISTÓRICO DO PROBLEMA
No processo de refino eletrolítico adotado nessa empresa (Figura 2),
utiliza-se vapor para aquecer o eletrólito que circula em suas 1.117 cubas de
produção para elevar a temperatura de 61oC a 65oC, conforme o padrão de
operação estabelecido, sendo que a perda de calor ocorre durante o percurso
do eletrólito pelas cubas eletrolíticas e no sistema de circulação. Algumas
refinarias de cobre, com o mesmo tipo de processo, operam com as cubas
cobertas por um tecido de poliéster, com o objetivo de reduzir a perda de calor
para a atmosfera devido à evaporação da água contida no eletrólito e,
conseqüentemente, reduzir o consumo de vapor e água. Há alguns anos atrás
nessa empresa, ao se tentar cobrir as cubas eletrolíticas houve grande perda
na eficiência de corrente do processo, tendo sido apontada como causa
provável, após análise das variáveis envolvidas no processo, a aceleração da
degradação da cola utilizada como aditivo no eletrólito. Naquela oportunidade,
não se dispunha na empresa de mecanismo para aferir, em linha, a
degradação do aditivo no eletrólito e a metodologia de análise no laboratório
era demorada e com precisão duvidosa. Além disso, a proteína animal tem um
tempo de meia vida muito curto em um eletrólito a 65oC e concentração de
ácido sulfúrico de 200g/l, falseando-se o resultado de qualquer análise que se
queira fazer quando se tem que transportar uma amostra do eletrólito com o
aditivo de um lugar para outro. Um outro dado importante é que essas
proteínas, que resultam da hidrólise das proteínas de peles de animais, mudam
de características em função do fabricante e do grau de hidrólise a que são
submetidas, aumentando o grau de risco ao se estabelecer um padrão de
operação sem a devida consistência técnica para o controle do processo.
Alguns dispositivos para a determinação e monitoramento da concentração da
cola ativa no eletrólito foram desenvolvidos e aquele que vinha sendo descrito
como o mais confiável foi adquirido pela empresa. Embora algumas outras
empresas estejam utilizando o mesmo equipamento, não se tem acesso fácil
aos dados de operação destas para se referenciar, por serem concorrentes,
por estarem situadas no exterior e por apresentarem diferenças peculiares em
seus processos, obrigando a um estudo particular de caso para possibilitar a
operação com as cubas cobertas.
21
1.3 JUSTIFICATIVA
Fundamentalmente, o conhecimento do comportamento do aditivo
cola no processo de deposição do cobre com as cubas cobertas e o controle do
balanço hídrico da unidade operacional para a nova condição da taxa de
evaporação representa a oportunidade de se obter ganho relevante no aspecto
de economia de energia, traduzida pela redução do consumo de vapor, e na
redução do consumo de água e geração de efluente líquido. A avaliação da
economia anual com relação à energia, em função da redução da queima de
óleo combustível na caldeira auxiliar, aponta para cerca de R$300.000,00
(trezentos mil reais), considerando a redução de 40% na taxa de evaporação
nas cubas. A economia com relação à redução da geração de efluentes não foi
avaliada integralmente neste estudo, mas considera-se valiosa e reveste-se de
grande importância, visto que o cenário atual aponta para uma elevação do
custo da água. Além disso, como não se dispõe de instrumentos efetivos de
controle, o balanço de água não é bom, dificultando muito a estabilidade das
operações, resultando eventualmente em perdas de eficiência, devido às
contramedidas que se tem que adotar para contornar o problema. Um outro
aspecto relevante, que em uma ordem de prioridades pode até ser considerado
como o mais importante, é a obtenção da melhoria do conforto térmico do
ambiente operacional, pois a evaporação da água na superfície das cubas
aumenta bastante a umidade do ar e eleva a temperatura na sala das cubas,
onde se é bastante requisitado o labor do homem.
1.4 OBJETIVOS
A cobertura das cubas nesta empresa dependerá de uma
reavaliação do caso ocorrido anteriormente e de um estudo do comportamento
deste aditivo em uma planta piloto, com o objetivo de propor condições
operacionais para a operação das cubas cobertas, considerando-se que não se
deve realizar testes diretamente na planta industrial, pois uma redução da
eficiência de corrente em um ponto percentual representaria a perda de
milhares de reais em um dia de operação. Além disso, para consolidar o estudo
em seu todo, será realizada uma avaliação do balanço de água no sistema
22
para subsidiar um projeto conceitual que definirá os investimentos necessários
que permitam a efetiva operação com as cubas cobertas, considerando uma
análise econômica preliminar.
23
2 REVISÃO DE LITERATURA
Nos trabalhos revisados até o presente momento, os interesses
principais têm sido o de se discutir o mecanismo da atuação dos aditivos no
processo eletrolítico de refino do cobre, o porque da efetividade dos aditivos
em controlar o crescimento dos cristais na superfície do cátodo, os seus efeitos
relacionados com os outros aditivos, o aditivo mais relevante no controle e o
estudo de métodos de suas determinações no eletrólito. O mecanismo de
atuação da cola no processo de deposição do cobre é reportado nos papers (1,
2), através de citações de outros trabalhos, como um inibidor da transferência e
difusão de cargas através da camada limite, que reduz a rugosidade do cátodo
e endurece o depósito, tudo relacionado a sua tendência de polarizar o
potencial catódico, através da sua adsorção na superfície do cátodo, que
aumenta o sobrepotencial catódico. O mecanismo de atuação da tiouréia no
processo (1, 2, 3, 5), é relacionado com sua reação com o Cu+ e Cu++ do
processo eletrolítico do cobre, formando complexos que atuam com efeito
despolarizante, aumentando a velocidade de deposição, favorecendo a
formação de núcleos na superfície catódica e, conseqüentemente, a diminuição
dos grãos dos cristais, a depender da quantidade do aditivo dosado. As
alterações das estruturas cristalinas com a variação da concentração de cola e
tiouréia no eletrólito foi investigada na empresa objeto deste estudo, através de
estudos metalográficos, comprovando-se, de certa forma, os fenômenos
relatados. O mecanismo de atuação do cloreto no processo não é bem
compreendido. Na prática, tem a finalidade de precipitar a prata dissolvida a
partir do ânodo. Segundo os trabalhos relacionados na bibliografia, este altera
o comportamento despolarizante da tiouréia e polarizante da cola, podendo
provocar nódulos tipo agulha, em concentrações acima do padrão normal
encontrado nas refinarias (20-40mg/l). Porém, em condições normais provocam
um certo polimento dos cristais no depósito (1, 2, 3, 5, 6). O floculante
adicionado ao eletrólito tem a função de aglomerar partículas coloidais e
facilitar a decantação, não sendo mencionado como modificador dos
mecanismos de atuação dos outros aditivos.
24
É interessante ressaltar que as pesquisas tanto diferem no
procedimento quanto no tipo de aparelhagem utilizada e nos parâmetros
adotados, sendo estes, na maioria dos casos, muitos diferentes das condições
normais de operação de uma eletrólise industrial, dificultando a comparação
dos resultados dos estudos com a prática operacional, principalmente nos
trabalhos com combinações de aditivos.
A discussão sobre a maior importância de um ou outro aditivo no
controle da deposição do cobre parece estar relacionada aos interesses dos
detentores das patentes dos métodos de monitoramento de cola e tiouréia no
eletrólito. Há um certo ceticismo quanto à efetividade das medições,
principalmente no dispositivo que mede a concentração ativa da cola do
eletrólito patenteada pela empresa alemã Norddeutsche Affinerie (4,6).
De prático, e como ponto de partida para o estudo da problemática
apontada na introdução deste texto, tem-se que dos aditivos relacionados, a
cola é a que apresenta maior sensibilidade à variação da temperatura e à
concentração do ácido no eletrólito, que provocam mudanças das cadeias das
proteínas que as constituem, alterando seu comportamento quanto à
polarização. Tem sido verificado na prática que o excesso ou falta deste aditivo
no eletrólito causa má deposição e conseqüentemente perda da eficiência de
corrente, existindo uma faixa de concentração ótima para que o desempenho
não seja afetado. Para um controle mais efetivo do processo de produção,
algumas medidas têm sido tomadas nesta unidade de produção para contornar
o delicado equilíbrio necessário para a ação dos referidos aditivos. Verificou-se
que a prática de se aumentar a temperatura do eletrólito em 1 ou 2oC, para
aumentar a taxa de evaporação nas cubas e corrigir o excesso de volume de
eletrólito inventariado nos tanques-pulmão, resultava a curto e médio prazo na
perda da eficiência de corrente. Uma vez que se passou a contornar o
problema com outras medidas, como restrição na utilização de água de
processo, o processo ficou menos susceptível a variações de performances.
Na questão do balanço hídrico, condição em si para permitir a
operação do processo com as cubas cobertas, há inúmeras referências que
apresentam soluções utilizando os princípios de Reduzir, Reutilizar e Reciclar,
chamado coloquialmente de 3 R. A redução do consumo de água em plantas
25
industriais implica normalmente em corrigir as perdas por falta e/ou deficiência
de manutenção ou na revisão dos projetos e processos para uso mais eficiente
deste recurso. A reutilização da água consiste em se encontrar utilização após
a mesma já ter exercido a sua função primária, sem, no entanto, ter-se que
fazer adequações em sua composição para a nova utilização. A reciclagem da
água consiste em sua reutilização, porém com a readequação da qualidade
através de tratamento.
26
3 METODOLOGIA DO TRABALHO
Conforme está relatado no item 1.2 (Histórico do problema) desta
monografia, na primeira tentativa de coberturas das cubas eletrolíticas
verificou-se uma queda generalizada da eficiência de corrente. Naquela
oportunidade, com todo acerto, não se poderia arriscar a produtividade
alcançada sem se ter o domínio do controle do processo, visto que o plano de
produção poderia ser tremendamente afetado, sem possibilidades de
recuperação, retornando então a operar com as cubas descobertas. Além
disso, verificou-se posteriormente que o balanço hídrico da unidade não ficaria
equilibrado para permitir uma taxa de retenção de calor satisfatória, que
trouxesse bom retorno econômico ao projeto.
Recentemente, afinado com o interesse de se ter melhores
condições operacionais e com os grandes desafios atuais no campo da
conservação de energia e preservação dos recursos hídricos, a Caraíba Metais
decidiu voltar à tona com o projeto de cobertura das cubas. Para garantir os
parâmetros operacionais adequados para a manutenção da eficiência de
corrente e a adequação do balanço hídrico, o trabalho foi planejado da seguinte
forma:
a) Determinação do balanço hídrico das unidades de processo da Eletrólise,
selecionando todas as entradas e saídas de água que contribuam para o
equilíbrio do inventário de eletrólito, considerando as informações práticas
disponíveis e os balanços teóricos necessários. A partir daí, procurou-se
aplicar os princípios da redução, reuso e reciclagem da água;
b) Avaliação do perfil da temperatura do eletrólito com as cubas eletrolíticas
cobertas e não cobertas, objetivando-se conhecer melhor a distribuição do
calor ao longo da passagem do eletrólito, para verificar sua relação com o
objeto do estudo;
c) Estudo do comportamento da aditivação no CIT, considerando as
influências das variáveis de processo nas condições de as cubas estarem
ou não cobertas e determinação das condições operacionais que
satisfaçam o controle de processo e rendimento desejado;
27
d) Avaliação das modificações e implementações necessárias para o
atendimento do objetivo geral deste trabalho;
e) Estudo da viabilidade econômica, para verificar se o novo conceito de
operação do processo se aplica ao contexto de retorno de investimento
admitido.
28
4 BALANÇO HÍDRICO DA ELETRÓLISE
4.1 INFORMAÇÕES PRELIMINARES
Os dados foram coletados de janeiro de 2.000 a abril de 2.001. A
água é utilizada em diversas operações na unidade de processo de eletrólise
da empresa com diferentes finalidades, tais como:
•
Transporte do calor na forma de vapor para promover aquecimento de
outros fluidos;
•
Promoção de limpeza nas lavagens de cátodos, chapas de partida, contatos
dos eletrodos, filtros, lavagem de cubas, pisos, etc;
•
Selagem e resfriamento de bombas;
•
Resfriamento de vapores ácidos para formação de condensados que não
podem ser liberados para a atmosfera;
•
Adequação de concentração do eletrólito;
•
Lavagem de tortas de sulfato de níquel e lama anódica.
Além disso, a água pode se apresentar com diferentes qualidades
para o tipo de finalidade que se prestar, como por exemplo: água
desmineralizada – utilizada para selagem de bombas, dessuperaquecimento de
vapor, etc; condensado puro – utilizado para lavagem de cátodos; água da
torre de resfriamento – utilizada no resfriamento do Transformador/Retificador,
nas bombas de vácuo dos separadores; condensado impuro – utilizado para
diversas operações de lavagem.
A unidade de eletrólise, como um todo, assemelha-se a um grande
reservatório, onde ocorre a evaporação e a reposição de água para manter o
seu nível constante. A Figura 3 adiante apresenta um resumo do balanço
hídrico da unidade de eletrólise, considerando apenas os fluxos que contribuem
para a variação do inventário de líquidos no sistema.
29
Figura 3 – Diagrama do balanço hídrico da eletrólise
6
1
2
UNIDADES DE
PROCESSO DA
ELETRÓLISE
3
4
5
1 – Água desmineralizada : 72t/d
2 – Vapor: 339t/d
3 – Água industrial (potável): 58t/d
4 – Condensado puro para caldeira auxiliar: 107t/d
5 – Condensado puro para efluentes: 58t/d
6 – Taxa de evaporação: 306t/d
Os desequilíbrios no inventário de líquidos no sistema estão
geralmente mais associados ao nível alto do que ao nível baixo, isto é, há
geralmente mais entrada de água do que saída por evaporação. As causas
principais para este problema são de naturezas especiais e podem ser:
•
Intermitência do processo de produção de sulfato de níquel impuro na área
de purificação de eletrólito. Neste processo, a remoção do níquel é feita
através da concentração do eletrólito até o ponto de saturação do sulfato de
níquel. A concentração da solução corresponde à evaporação de cerca de
4/5 do volume de eletrólito alimentado no evaporador. Quando este
processo não está operando, a taxa de evaporação do sistema como um
todo sofre uma perda e por não se contar com um mecanismo eficiente de
30
contenção da entrada de água para manter o inventário global de eletrólito
constante, acabam ocorrendo dificuldades nas transferências operacionais
necessárias do mesmo;
•
Entrada de água no sistema por vazamentos de linhas furadas, devido a
natureza corrosiva do processo que utiliza ácido sulfúrico como constituinte
do eletrólito;
•
Entrada excessiva de água desmineralizada, principalmente aquela que é
utilizada nas selagens de bombas, por descontrole da vazão de água
admitida;
•
Um outro fato que de uma forma ou outra contribui para o desequilíbrio do
inventário é o acúmulo de eletrólito no porão da Eletrólise, devido a
problemas com as bombas dos poços de dreno. Isto faz com que a
avaliação do inventário de eletrólito fique prejudicada, dificultando o seu
gerenciamento;
Como apresentado logo adiante em mais detalhes, a entrada de
água na Eletrólise dá-se de duas formas: a entrada mensurada, isto é, aquela
que pode ser medida por totalizadores; e a entrada não computada, constituída
basicamente de condensado de vapor, que não retorna para os tanques de
condensado, por deficiência de pressão. Essa água passa então a ser
incorporada na composição do eletrólito, servindo como reposição da água
perdida por evaporação.
A evaporação nos processos da unidade de eletrólise ocorre em
sistemas abertos, como cubas e tanques de processo, onde o condensado vai
para a atmosfera e em sistemas fechados, como evaporadores e trocadores de
calor, onde o condensado formado pode ser coletado e armazenado.
31
4.2 EVAPORAÇÃO DE ÁGUA NA ELETRÓLISE
A Tabela 1 apresenta as quantidades de água evaporada em
sistemas abertos e fechados das unidades de produção da eletrólise. Entendese aqui por sistemas abertos aqueles em que o vapor liberado no processo de
evaporação não é condensado por equipamentos; segue para a atmosfera. Por
outro lado, o sistema fechado utiliza o equipamento para condensação do
vapor liberado, com a conseqüente possibilidade de recuperação.
A evaporação em sistemas abertos foi determinada, de forma
aproximada, a partir da equação que relaciona as pressões de vapor d’água à
temperatura do líquido que se evapora e do ar ambiente, considerando ar
estacionário para os circuitos CCCI, CCCII, CCCIII, CCP, DI e Paliteiro. Os
cálculos foram verificados através do cálculo da divisão da quantidade de calor
fornecido ao eletrólito pelo calor de vaporização da água na temperatura de
trabalho. O cálculo da evaporação para o conjunto de cubas DE/DA considerou
a relação das pressões de vapor d’água na temperatura do líquido que se
evapora e no ar externo, em regime de movimento, a uma velocidade de
5,5m/s, numa corrente paralela à superfície do líquido, devido o sistema utilizar
exaustão de ar. Os cálculos de evaporação da água nos equipamentos
denominados de LA-565-01 e MU-565-06 consideraram a quantidade de calor
para manter a água de circulação aquecida na temperatura de trabalho com
perda de 10 oC dividida pelo calor de vaporização na temperatura da água de
processo. Vale ressaltar que nesses sistemas há perda de calor por aeração e
transferência pelas paredes metálicas, além de se ter o reservatório de água
aberto, com a injeção direta de vapor vivo. O fato que ratifica o cálculo é a
baixa taxa de reposição de água durante a jornada de operação, demonstrando
o equilíbrio do balanço. Na chamada área 564 – tratamento da lama anódica –
a evaporação da água ocorre em dois processos que consideram os mesmos
princípios de cálculos descritos anteriormente. O processo de cementação do
telúrio ocorre com ausência de ar e o de lixiviação da lama anódica com a
injeção de ar, que foi considerado para efeitos da avaliação do calor para seu
aquecimento até a temperatura do vapor liberado.
Os
equipamentos
SEP-563-01/02
são
evaporadores
do
tipo
circulação forçada, onde ocorre a concentração do eletrólito para a separação
32
do sulfato de níquel, que se constitui em uma das operações para a purificação
do eletrólito que circula nas cubas eletrolíticas. O sistema utiliza controle
automático das variáveis de processo e todos os dados são processados e
armazenados em computador. Os balanços de massa e energia foram
efetuados da forma convencional, considerando os dados para de entalpia
para o ácido sulfúrico, uma vez que não se dispunha de cartas de entalpiaconcentração para a solução em questão e não era objetivo deste trabalho
criar uma, apenas o que se desejava era ter uma idéia razoável da quantidade
de água evaporada.
Tabela 1 – Água evaporada nas unidades de processo
LOCAL
t/d
CCCI
CCCII
CCCIII
CCP
DI
Paliteiro (1)
LOCAL
87,60
87,50
11,10
12,40
5,60
1,50
LA-565-01
MU-565-06
DE/DA
Área 564
SEP-563-01/02
--
Total avaliação
t/d
9,40
7,20
16,30
15,20
51,90
-305,70
(1) – Dispositivo de armazenagem de barras de contatos de cobre.
Observações:
1. As taxas de evaporação são médias e consideram as taxas de utilização
das instalações / equipamentos;
2. Como será visto mais adiante, o confronto da massa de água evaporada
com a massa computada na entrada fornece pouca diferença, denotando
razoável acerto dos cálculos;
4.3 CONSUMO DE VAPOR DE 6,00kg/cm2
O consumo de vapor foi calculado por balanços térmicos e os
resultados estão na Tabela 2. Os cálculos consideraram a equação clássica de
avaliação da quantidade de calor, considerando as informações disponíveis
das temperaturas, da vazão mássica envolvida, das capacidades caloríficas
33
dos fluidos e as entalpias dos vapores utilizados nas suas respectivas pressões
do vapor. Como há diferenças nas pressões do vapor utilizados nas
subunidades do processo da eletrólise, decidiu-se transformar os consumos em
vapor de 6,00kg/cm2 para facilitar a comparação com a informação prática do
totalizador no limite de bateria da unidade.
Tabela 2 – Vapor consumido nas unidades de processo
LOCAL
t/d
CCCI
CCCII
CCCIII
CCP
DI
Paliteiro
LA-565-01
MU-565-06
Área trat. lama - Lixiviação
Área trat. lama - Cementação
Área trat. lama – Trocadores 01/02
SEP-563-01
SEP-563-02
103,00
103,00
13,00
15,00
7,00
1,00
11,00
3,00
15,00
4,00
8,00
24,00
34,00
Total avaliação
Total no totalizador de vapor
341,00
339,00
OBSERVAÇÕES
--Condensado não retorna
Condensado não retorna
-Condensado não retorna
Condensado não retorna
Condensado não retorna
Condensado não retorna
Condensado não retorna
Estimado - cond. não retorna
---
Observação:
Condensados que não retornam para os tanques de condensados totalizam
cerca de 68 toneladas por dia;
4.4 CONSUMO DE ÁGUA NA ELETRÓLISE – MEDIÇÕES
Os consumos de vapor e água estão listados na Tabela 3. Os registros são
efetuados por medidores que são aferidos regularmente e possuem boa
manutenção. O consumo de água desmineralizada apresentou-se muito alto no
período de dez/00 a mar/01, porque houve problemas com o controle de vazão
da água para a selagem das bombas de circulação do eletrólito. Os valores não
foram expurgados da média, pois representam situações que já tinham
34
acontecido anteriormente, significando uma situação que ainda não tinha sido
resolvida.
A avaliação das diferenças entre os consumos nas épocas quente e fria do ano
para a região serviu apenas para verificar se os registros não apresentavam
algum tipo de problema. Conforme se vê, as diferenças apresentam o
comportamento esperado, na época quente consome-se menos vapor e no
geral mais água de reposição é utilizada, devido, evidentemente, a maior taxa
de evaporação.
Total de água de reposição é a soma da água desmineralizada (B),
condensado impuro (C) e condensado puro que vai para a máquina de
processar cátodos (LA-565-05) e posteriormente para a máquina de lavar
sucatas e não sai da unidade, indo constituir o eletrólito. Esse total representa
a maior parte da reposição de água, sendo que a outra parte é complementada
pelos condensados que não retornam, ou porque o vapor é injetado
diretamente no processo ou porque a pressão não é suficiente para vencer a
altura manométrica para seu descarregamento nos tanques de condensado.
Desse total, 6,86t/d de água desmineralizada são utilizadas na selagem das
bombas de circulação dos evaporadores (B-563-14/21) e saem para o efluente
da Eletrólise e 2,03t/d são utilizadas para dessuperaquecimento do vapor para
os aquecedores (AQ-563-02/03) dos separadores (SEP-563-01/02), ficando,
então, contabilizada como água de reposição efetivamente medida cerca de
221,00t/d. Para equilibrar o balanço, junta-se a essas 221,00t/d as 68,00t/d
apuradas por balanço e outras fontes que podem ser identificadas, porém não
podem ser quantificadas.
35
Tabela 3 – Medições dos consumos de água e vapor na eletrólise
TIPOS
MÊS/ANO
A
B
C
D
E
F
Jan-00
Fev-00
Mar-00
Abr-00
Mai-00
Jun-00
Jul-00
Ago-00
Set-00
Out-00
Nov-00
Dez-00
Jan-01
Fev-01
Mar-01
350
338
321
342
385
423
325
301
318
284
280
299
338
376
406
49
48
56
66
53
49
55
55
51
35
57
90
107
136
164
137
150
164
119
108
77
83
97
155
174
181
163
133
152
98
110
114
99
129
157
183
157
69
73
121
121
64
94
49
66
27
36
28
25
26
21
15
33
32
21
21
48
39
7
14
213
234
248
209
187
147
153
185
238
230
259
301
279
294
276
MÉDIA
QUENTE
339
332
72
83
133
150
107
93
26
27
231
259
FRIO
349
55
106
128
25
186
Diferença entre as estações quente e fria (%)
-5
-10
41
-27
6
39
Legenda:
Estação quente:
Estação fria:
TIPO A: Vapor de 6,00kg/cm2 para a área;
TIPO B: Água desmineralizada para as bombas;
TIPO C: Condensado impuro para a área;
TIPO D: Condensado puro para a caldeira auxiliar;
TIPO E: Condensado puro para a máquina de processar cátodos (LA-565-05);
TIPO F: Água de reposição.
36
4.4.1 Distribuição do condensado impuro
O condensado impuro é gerado principalmente no evaporador para a
concentração do eletrólito na separação de níquel, no processo de purificação.
A geração do condensado contaminado ocorre devido ao arraste de ácido com
o vapor para o condensador, geralmente associado ao controle de nível da
solução no seio do evaporador. A outra fonte de condensado impuro são os
trocadores de calor do sistema de aquecimento do eletrólito, que às vezes
apresentam problemas e contaminam o condensado, sendo estes separados
automaticamente por sistemas constituídos de condutivímetros e válvulas de
três vias. A Tabela 4 foi calculada a partir de um total de reposição de
132,60t/d. Os valores de consumo para as aplicações apresentadas foram
apurados através de algumas medições nos locais e representam apenas
aproximações do consumo real. A apuração serviu para identificar os pontos
mais relevantes para as ações de redução de consumo, haja visto a alteração
do balanço hídrico que ocorrerá com a cobertura das cubas.
Tabela 4 – Distribuição de condensado impuro na eletrólise
LOCAL DE UTILIZAÇÃO
t/d
Disponibilidade média de condensado
Lavagem cubas CCC/CCP
Máquina de Estripagem
Lavagem de cubas DE/DA
Lavagem lama FI-564
Lavagens de contatos
Lavagem de pisos
83,50
7,70
13,30
14,10
7,00
7,00
132,60
49,10
41,50
28,10
14,00
7,00
0,00
4.4.2 Distribuição do condensado puro
A Tabela 5 apresenta a avaliação da vazão média de geração de condensado
puro no sistema. A medição pode ser considerada bem representativa das
condições operacionais. Abaixo, faz-se a demonstração da sua utilização e
aproveitamento.
37
Uso do condensado puro
Caldeira
LA-565-05
Total
107 t/d
26 t/d
133 t/d
Condensado puro alimentado no tanque
191 t/d
Condensado puro que transborda pra UTE
58 t/d
O condensado puro que transborda do tanque e que é enviado para a Unidade
de Tratamento de Efluentes deve ser mais bem estudado para a verificação do
possível aproveitamento. O que se apurou inicialmente é que este às vezes
não atende aos requisitos de qualidade solicitados pela caldeira ou não se faz
um casamento perfeito entre a demanda pela caldeira e as disponibilidades nos
tanques de condensados. A implicação econômica disso é que o condensado é
uma água de boa qualidade que pode está sendo descartada com todos os
custos inerentes ao tratamento e descarte.
Restrições ao aproveitamento do condensado puro
pH requisitado
Condutividade (umh/s)
Nível baixo no tanque de condensado impuro
7,5 a 9,0
< 15
Tabela 5 – Avaliação da geração do condensado puro
DATA
INÍCIO DA
AVALIAÇÃO
01/02/02
03/01/02
05/01/02
06/01/02
08/01/02
10/01/02
12/01/02
13/01/02
25/01/02
27/01/02
29/01/02
17:14
05:20
01:32
21:23
01:24
23:43
02:56
20:55
19:52
20:39
22:15
NÍVEL
INICIAL
(%)
63
63
38
38
50
88
50
38
25
38
38
FINAL DA
AVALIAÇÃO
20:26
08:40
05:04
00:43
04:40
01:40
06:04
03:39
02:09
06:29
01:34
NÍVEL
FINAL
(%)
75
75
50
50
63
75
63
63
50
75
50
MÉDIA
VAZÃO
(t/h)
7,5
7,2
6,8
7,2
8,0
8,8
8,3
7,4
8,0
11,3
7,2
8,0
38
4.4.3 Fechamento do balanço de água na eletrólise
A manutenção do nível do inventário de líquido na eletrólise dá-se
conforme demonstrado na Tabela 6.
Tabela 6 – Balanço de água na eletrólise
ENTRADA / SAÍDA
t/d
Saída por evaporação
305,70
Entrada de água (medição por totalizadores)
231,10
Entrada de água via condensado não reutilizado
Entrada total de água
Fechamento do balanço
68,30
299,40
6,30
Considera-se o fechamento bom, dado o valor baixo da diferença de
2,06%. Algumas outras saídas e entradas não foram consideradas, em função
do seu caráter eventual e dificuldade de contabilização, como: ENTRADA água de chuva, perdas por derramamentos causados por furos nas linhas,
água potável utilizada para lavagem das tortas na centrífuga que faz a
separação do sulfato de níquel impuro do ácido negro (como é chamada a
água-mãe do processo de evaporação), água potável de bebedouros,
lavadores de olhos, chuveiros de segurança, água do serviço de combate a
incêndio, etc; SAÍDA - retirada de ácido negro do sistema e outros efluentes.
No entanto, não alteram consideravelmente o balanço e a identificação é
suficiente para apontar as medidas necessárias para a redução do consumo
nos diversos pontos.
39
5 ESTUDOS PARA REDUZIR O CONSUMO DE ÁGUA
5.1 CONSIDERAÇÕES PRELIMINARES
Considerando a redução de 40% da taxa de evaporação nas cubas,
verificada através do acompanhamento da variação do nível no tanque pulmão
das cubas de testes, quando estas estavam cobertas, a reposição de água
deverá reduzir na mesma proporção para manter o sistema em equilíbrio. O
ideal é que a redução do volume da água de reposição seja até mais rigorosa,
com o objetivo de se ter o modo de controle/correção sempre através do
mecanismo de reposição de água e não com o mecanismo da evaporação,
conforme ocorria mais freqüentemente em prática operacional anterior, em que
a temperatura do eletrólito era aumentada em um ou dois graus para acelerar a
evaporação e reduzir o volume de eletrólito no sistema.
A cobertura das cubas também requer que a atividade da cola
dosada no eletrólito não seja afetada. Dessa forma, os resultados dos ensaios
realizados até o momento nas cubas do CIT, conforme será discutido mais
detalhadamente adiante, revelam possibilidades de controle. Abaixo, a Tabela
7 apresenta o quanto poderá ser reduzido em águas de reposição para se ter
um controle mais confortável do inventário de líquido na unidade.
Tabela 7- Valores projetados de reposição de água no sistema com a
redução do consumo
ITEM
Água desmineralizada
Condensado para a máquina de estripagem
Água utilizada na retirada de produção do CCC e CCP
Água utilizada na retirada de produção DE/DA
Condensados gerados na Cementação e nos TRC-01/02
Água para a lavagem de lama A-564
Água utilizada na máquina de lavar cátodos
Água utilizada na lavagem dos contatos
Total previsto para a reposição de água nas unidades de processo
t/d
39,50
7,70
75,10
12,00
11,60
7,00
7,90
3,50
164,30
40
Ao se cobrir as cubas, as 305,70t/d de água evaporada nas unidades
de processo da eletrólise será reduzida para 224,02t/d, pois o total de água
evaporada nas cubas passará de 204,20t/d para 122,52t/d, considerando a
retenção de 40% da água evaporada, ou seja, 81,68t/d. Com isso, um déficit de
reposição de cerca de 40,00t/d (204,20t/d – 164,30t/d) deverá ocorrer e deverá
representar a folga esperada para melhorar o controle do inventário. Para se
ter uma idéia desse benefício, observar que a taxa de evaporação dos dois
separadores da área de purificação do eletrólito é próxima deste valor. Mesmo
com a parada de um dos separadores, ainda assim seria necessário adicionar
água no sistema para equilibrar o inventário de líquido. Em situações de alto
descontrole, aumento considerável de inventário de líquido por exemplo,
circuitos menores de cubas (CCIII e CCP) poderiam operar descobertos para
aumentar a taxa de evaporação e re-equilibrar o volume de eletrólito
inventariado no sistema. A seguir, descreve-se como serão alcançadas as
taxas de uso de água nas diversas operações da unidade.
5.2 REDUÇÃO DO CONSUMO DE ÁGUA DESMINERALIZADA
Para avaliar a possibilidade de reduzir o uso de água nas selagens
das bombas, fez-se uma listagem completa dos tipos de equipamentos
utilizados e a análise da razão de se ter escolhido o tipo de selo aplicado.
Diante disso, cada equipamento ou processo foi analisado para se avaliar
possibilidades de mudanças.
O consumo de água desmineralizada é de cerca de 72,00t/d,
conforme apresentado no histórico de consumo. Verificou-se que parte dessa
água é consumida nas bombas de circulação dos separadores (B-563-14/21) e
no dessuperaquecimento do vapor da área de purificação de eletrólito. A água
utilizada nessas bombas é enviada para o sistema de coleta de efluentes da
eletrólise, não afetando o volume de líquidos inventariado no sistema, portanto
não foi computada para efeitos do equilíbrio do balanço hídrico, embora seja
situação para estudo de caso, já que representa oportunidade de economia. As
bombas que poderão ser contempladas com um projeto de selo mecânico
duplo e pote de água totalmente instrumentado são as seguintes:
B-563-02/10/11/11A/12;
B-564-12/1316/17/23/24/27 e B-565-01/02/07/08.
41
Outras bombas utilizam água desmineralizada, como as bombas dos poços de
dreno, com o objetivo de refrigerar mancais. De qualquer forma, serão
estudadas alternativas que reduzam ainda mais o consumo desse tipo de água.
5.3 UTILIZAÇÃO DO CONDENSADO DO CCP COMO ÁGUA DE LAVAGEM
NA MÁQUINA DE ESTRIPAGEM
A geração de condensado no CCP é de cerca de 14,60t/d, sem
cobertura das cubas. Por questão de pressão insuficiente, o condensado não
consegue ser transferido para os tanques de condensado puro e impuro da
área de circulação do eletrólito (TQ-562-05/06), tendo que ficar retido dentro do
processo, sem uma função primária que valorize sua utilização. Atualmente,
este tem sido direcionado para o tanque de circulação de eletrólito para
reposição da água evaporada ou composição do próprio eletrólito. Sendo o
consumo de água de processo na máquina de estripagem de cerca de 9,60t/d
e a geração de condensado no trocador de calor do CCP de cerca de 8,80t/d,
com as cubas cobertas, considera-se que a utilização desse condensado para
a máquina e, após sua utilização, seu direcionamento para os tanques de
circulação do eletrólito reduziria a demanda por água de processo nessa
operação.
A vantagem que se vislumbra é que a máquina de estripagem utiliza
atualmente o condensado contaminado e poderá contar com condensado puro.
Uma outra vantagem é que a temperatura do condensado proveniente
diretamente do trocador de calor é maior do que normalmente se encontra no
condensado impuro proveniente do tanque de condensado impuro, que sofre o
resfriamento devido ao tempo de permanência de estoque no tanque, que está
exposto ao tempo e não é isolado termicamente, o que deverá reduzir
acentuadamente a demanda por vapor na máquina ou até mesmo eliminar seu
uso. Será necessário instalar uma linha de pequeno comprimento, porque está
muito perto do ponto de utilização, que leve o condensado até a máquina de
estripagem de chapas de partida e o retorno da máquina para os tanques de
circulação de eletrólito.
42
5.4 UTILIZAÇÃO DO CONDENSADO DO CCIII COMO ÁGUA DE LAVAGEM
NA MÁQUINA DE CÁTODOS
A geração de condensado no CCCIII é de cerca de 13,10t/d. Por
questão de pressão insuficiente, o condensado não consegue ser transferido
para os tanques de condensados, tendo que ficar retido na área, sem uma
função primária que valorize sua utilização. Conforme avaliação da redução da
taxa de evaporação de 40% com a cobertura das cubas, a geração de
condensado também será reduzida na mesma proporção no CCCIII, passando
para cerca de 7,86t/d. O consumo da máquina de lavar cátodos é de cerca de
26m3/d, que poderá ser suprido em parte pelo condensado do CCCIII. Essa
utilização da água fará com que se deixe de jogar este condensado
diretamente para o piso ou para o tanque de circulação de eletrólito e reduzirá
a demanda por condensado puro do tanque de condensado puro (TQ-562-05)
e de vapor.
Será
necessário
instalar
uma
tubulação
para
direcionar
o
condensado até a máquina de lavagem de cátodo. Para tanto, deve ser
utilizada a linha existente do sistema de condensados, pois passa bem próximo
do referido tanque. Quando o condensado estiver contaminado, por problemas
com o trocador de calor, o condensado deverá ser, enquanto durar o problema,
redirecionado para o tanque de circulação de eletrólito do CCCIII. A reposição
de condensado pelo CCCIII deverá ser contínua, devido a sua característica de
continuidade de geração, o que deverá demandar um procedimento
operacional que preveja espaço no tanque da máquina de lavar cátodos para
receber essa água. A água descartada na máquina deverá ser então
direcionada para o tanque da máquina de lavar sucata de ânodo, como é feito
atualmente. A utilização desse condensado deverá reduzir o consumo de vapor
na máquina de lavar cátodos, devido a sua maior temperatura. Quando
misturar com o condensado residual do tanque haverá a tendência de
aquecimento e melhores condições para a lavagem dos cátodos.
43
5.5 RECUPERAÇÃO DOS CONDENSADOS DA ÁREA DE TRATAMENTO DE
LAMA ANÓDICA
Atualmente, os condensados são direcionados para o dique dos
espessadores, somando-se ao inventário de líquido da unidade de eletrólise.
Os condensados são liberados aparentemente com boa pressão, o que
significa boas possibilidades de redirecionamento para os tanques de
condensados. Se isto for possível, o condensado não mais ficará retido na
unidade e haverá redução de cerca de 11,60t/dia no inventário de líquidos. O
direcionamento do condensado para os tanques de condensado deverá
possibilitar melhor gerenciamento do inventário de líquidos da unidade de
eletrólise. Uma outra opção interessante seria a de armazenar este
condensado no tanque de preparação de carga de lama para a torre de
lixiviação (TQ-564-21) para oportunamente ser utilizado como água de lavagem
das tortas da lama anódica.
5.6 REUSO DA ÁGUA DE LAVAGEM NA FILTRAÇÃO DA LAMA ANÓDICA
Atualmente, em média, cerca de 14,00t/d de água de processo
(condensado contaminado) são utilizadas para a lavagem da lama anódica nos
filtros, sendo a água alimentada de forma contínua por um determinado tempo.
A idéia é de recircular um certo volume da água de lavagem, com o objetivo de
aumentar sua utilização e aumentar seu rendimento. Nesses processos,
normalmente um determinado volume do total utilizado possui a maior
concentração de contaminantes e o restante apresenta concentração de
contaminantes bem menor, conforme pode ser visualizado na Tabela 8, que
apresenta a coleta da água de lavagem em intervalos de 15 minutos. Dessa
forma, cerca de 50% do volume de água deverá ser descartado e o restante do
volume deverá ser armazenado e servirá para a fase inicial da lavagem da
batelada seguinte. Na área de tratamento de lama anódica, percebe-se boa
flexibilidade de equipamentos para adotar tal sistema de aproveitamento de
água, sem maiores investimentos.
44
Tabela 8 – Avaliação da concentração de ácido sulfúrico na água de
lavagem nos filtros-prensa
H2SO4 (g/l)
TEMPO
(min)
0
15
30
45
60
TESTE 1
TESTE 2
2,81
27,47
6,04
7,79
5,18
TESTE 3
1,85
6,8
4,93
3,57
3,57
0,65
12,59
10,81
8,75
4,88
TESTE 4
2,97
3,15
1,44
2,77
1,48
5.7 REDUÇÃO DA UTILIZAÇÃO DA ÁGUA DE LAVAGEM NOS CIRCUITOS
DE CUBAS COMERCIAIS E CHAPAS DE PARTIDA
Após cumprir o ciclo de produção de cerca de 11 dias, os cátodos de
todas as 40 cubas do grupo são removidos para lavagem, pesagem e
destinação para a produção de vergalhão ou para venda na forma de placas.
Os ânodos que cumpriram cerca de 22 dias de operação, que devido ao plano
de operação ocupam um semigrupo de 20 cubas, também são removidos para
lavagem e pesagem, constituindo-se na sucata de ânodo que volta para a
fundição para constituir a carga fria do processo de conversão, como forma de
recuperação do cobre. A lavagem das cubas na retirada de produção tem
como objetivo retirar a lama anódica (rica em metais preciosos), gerada
durante o processo de eletrorefino, para se fazer o pré-tratamento e a sua
comercialização. Além disso, retiram-se os nódulos de cobre caídos no fundo
das cubas, que são resultados dos trabalhos de inspeção e eliminação dos
curtos-circuitos entre os eletrodos.
A lavagem é efetuada com água de
processo, que tem como características principais pH 1,0 e temperatura em
torno de 60oC, pois é proveniente do vaso de pressão, que é alimentado com o
condensado do tanque de coleta de condensados contaminados (TQ-562-06).
Alguns acompanhamentos de retirada de produção indicaram a utilização de
aproximadamente 2,00t de água de processo por cuba. Portanto, é preciso
verificar formas de se empurrar a lama para o dreno da cuba para reduzir a
quantidade de água utilizada atualmente, de cerca de 40,00t por grupo. Para
45
tanto, foram consideradas as seguintes premissas a serem obedecidas na
análise da situação:
•
Não se deve demandar maior esforço para o operador do que se demanda
atualmente. Se for possível reduzi-lo, será melhor;
•
Não se deve demandar maior custo do que se demanda atualmente;
•
Não se deve criar riscos de acidentes;
•
Não se deve criar efeitos colaterais para o processo;
•
Não se deve aumentar o tempo de retirada da produção;
•
Deve-se ter praticidade operacional.
Foram concebidas as seguintes recomendações e idéias:
•
Utilizar uma espécie de esfregão que seria manuseado pelo auxiliar de
produção para ajudar a empurrar a lama para o dreno da cubas, a partir do
início da drenagem do eletrólito e, após isto, ser utilizado também
juntamente com o jato de água de processo, para tentar diminuir o tempo de
esgotamento da cuba e, conseqüentemente, o consumo de água;
•
Colocar uma tela no fundo da cubas, de modo que possa ser suspensa no
final do ciclo e a lama ser facilmente escoada com o auxílio de menor
quantidade de água;
•
Utilizar um agitador que promova a suspensão dos sólidos e facilite o
escoamento pelo dreno da cubas. A água seria utilizada apenas para
completar a remoção do material persistente, diminuindo, dessa forma, o
seu consumo;
•
Utilizar uma bomba submergível portátil para promover a suspensão dos
sólidos no eletrólito durante a operação de drenagem da cuba, através da
recirculação do eletrólito dentro da própria cuba, de forma que facilitasse o
escoamento de líquido e sólidos pelo dreno. As linhas de sucção e de
recalque da bomba deveriam ter uma lança de aço inoxidável para que o
operador pudesse movimentá-las no fundo das cubas e criar a condição de
turbulência necessária, enquanto estivesse mergulhada no eletrólito. A
vazão de drenagem do eletrólito deverá ser regulada para permitir o
máximo desempenho de remoção de sólidos e segurança da operação. A
água seria utilizada apenas para remover os sólidos persistentes ao final de
46
todo o escoamento do eletrólito da cubas, o que reduziria bastante o seu
consumo;
•
Considerar o conceito apresentado na idéia anterior e utilizar a própria água
de processo para promover a turbulência no fundo da cubas. A mangueira
de 3/4” utilizada atualmente deverá ser dotada de um tubo de aço inoxidável
de cerca de 1m em sua ponta, para facilitar o direcionamento do fluxo de
água por toda a extensão da cuba. A concentração de telúrio no eletrólito
deve ser acompanhada para ver se ocorre alguma solubilização.
•
Utilizar eletrólito diluído dos tanques pulmão (TQ-562-07/08) de eletrólito da
área de circulação de eletrólito para ajudar a empurrar a lama para os
drenos das cubas. Será necessário instalar um sistema de linhas
semelhante ao do condensado impuro, que possui pontos para engate
rápido das mangueiras perto dos grupos de cubas. Alguns cuidados de
segurança para manuseio do eletrólito deverão ser considerados a partir do
projeto. Dentre estes, pode-se citar os seguintes: utilizar dispositivos mais
seguros para permitir ou interromper o fluxo do fluído durante a operação,
como por exemplo instalar válvulas globo leves, de fechamento rápido, no
lugar do procedimento atual de dobrar a mangueira e prendê-la em um
pedaço de tubo; outra proposta seria a de se aumentar o número de pontos
para interligação das mangueiras, evitando-se, assim, o trabalho de arrastar
os mangotes por longos percursos; utilizar um tubo de aço inoxidável de
cerca de um metro, servindo como extensão do mangote, para que o jato
inicial de eletrólito seja direcionado para o fundo da cubas, reduzindo a
possibilidade de perda de direção, como ocorre atualmente. A água
continuaria a ser utilizada somente para a lavagem final dos contatos
elétricos das cubas.
Das idéias acima expostas, no processo de análise, algumas foram
descartadas de imediato por não atenderem as premissas estabelecidas. As
que foram testadas utilizando água de processo não resultaram em redução de
consumo de água e as que não puderam ser testadas, por indisponibilidade de
equipamentos e materiais e por apresentarem custos elevados, foram
descartadas. Como o jateamento com líquido apresenta bom resultado, optou-
47
se por considerar, por enquanto, a opção de se jatear com eletrólito diluído em
substituição a água, prevendo-se um sistema semelhante ao instalado para a
água de processo (condensado impuro). Vale ressaltar que o eletrólito diluído é
formado pela mistura do eletrólito de processo e as águas de lavagem
utilizadas em vários pontos da unidade de eletrólise, constituindo-se em líquido
circulante do processo, que passará a ter também a função de auxiliar na
remoção da lama anódica das cubas. Dessa forma, o orçamento contemplará
preliminarmente esta opção.
5.8 COMPORTAMENTO DA COLA COM AS CUBAS COBERTAS
Ao se avaliar as razões para a redução da eficiência de corrente na
tentativa anterior de se cobrir as cubas da eletrólise, verificou-se que todas as
condições de processo estavam sendo obedecidas. Todos os aditivos estavam
sendo dosados corretamente e a temperatura do eletrólito na alimentação das
cubas estava dois graus Celsius menor do que a prática normal. Chegou-se a
conclusão de que a temperatura do eletrólito, nos níveis apontados, não
poderia ocasionar alterações sobre tiouréia, cloreto e o floculante, em função
das propriedades desses produtos. O aditivo que reconhecidamente sofre
alterações imediata em sua estrutura e na função que exerce no processo de
eletrólise do cobre é uma proteína de origem animal, denominada de cola.
Algumas verificações foram realizadas nas cubas do CIT, com o objetivo de se
conhecer o efeito da variação da temperatura na concentração do residual da
cola no eletrólito. O resultado das observações pode ser resumido na
interpretação
do
gráfico
do
COLLAMAT
(aparelho
que
determina
a
concentração do aditivo no eletrólito, através da interpretação da curva de
sobrepotencial catódico), na Figura 3 adiante, quando o CIT operou com as
cubas cobertas, variando-se apenas as temperaturas do eletrólito de
alimentação. Para efeito de melhor compreensão, o gráfico foi dividido em três
zonas: a primeira vai de 13h 26min do dia 24/09/2001 até as 01h 04min do dia
25/09/2001, onde se observa a concentração da cola no eletrólito de
transbordo (saída) da cubas e quando se operou com a temperatura do
eletrólito de alimentação em 65,5oC; a segunda vai de 05h 00min do dia
48
25/09/2001 até às 09h 00min do mesmo dia, apresentando apenas a
concentração da cola no eletrólito de alimentação (imediatamente antes de
entrar na cubas), com a temperatura do eletrólito de alimentação ainda em
65,5oC; e a terceira vai de 11h00min do dia 25/09/2001 até às 21h 26min do
mesmo dia, quando a temperatura do eletrólito foi reduzida para 63,5oC. Vale
salientar que a observação foi feita em uma condição em que se
experimentava densidade de corrente de 291A/m2, 7A/m2acima da condição de
operação nas cubas comerciais, operando-se com uma dosagem de cola
acima do que normalmente deveria ser praticada (400g/d contra 350g/d). No
entanto, como os resultados objetivados eram apenas qualitativos, considerouse que seria até recomendável essa prática para permitir melhor visualização
dos efeitos. A composição do eletrólito foi mantida constante durante toda a
avaliação, considerando as faixas operacionais dos principais constituintes:
Cu = 40 a 45g/l; H2SO4 = 180 a 190g/l; Ni = 17 a 20g/l e As = 12 a 16g/l.
Conforme pode ser visto, a concentração de cola sofre realmente
degradação com o aumento da temperatura do eletrólito. A concentração
média
da
concentração
de
cola
no
eletrólito
de
transbordo
ficou
respectivamente em cerca de 0,20mg/l e 0,55mg/l para as temperaturas de
65,5oC e 63,5oC, para praticamente o mesmo tempo de residência do eletrólito
na cuba, denotando a influência da temperatura. Vale ressaltar que durante o
período referenciado como primeira zona, a temperatura do eletrólito de
alimentação chegou até a 68oC, devido a defeito no sistema de controle da
temperatura do eletrólito, provocando um vale no gráfico de acompanhamento,
com concentração mínima de cola de 0,13mg/l, conforme apresentado na
Figura 4.
Algumas observações preliminares foram feitas para as condições
operacionais atuais da unidade de eletrólise, buscando-se definir os
parâmetros de ajustes necessários para se operar com as cubas cobertas,
como apresentadas a seguir:
•
A redução da temperatura do eletrólito entre a alimentação e o transbordo
na situação normal de operação é de cerca de 3oC em média, enquanto que
com as cubas cobertas a variação é de cerca de 1oC;
49
•
A concentração de cola no eletrólito, no transbordo das cubas, para os
padrões atuais de operação (densidade de corrente = 285A/m2,
temperatura do eletrólito de alimentação de 65oC e cubas descobertas)
ficou na faixa de 0,40 - 0,50mg/l, enquanto que com as cubas cobertas esta
concentração caiu para 0,15mg/l, ao se manter a mesma temperatura.
Quando a temperatura do eletrólito de alimentação foi reduzida em 2oC, a
concentração de cola deverá ficar na faixa de 0,30 – 0,40mg/l. Reduzindo
em 3oC, a concentração tendeu a se estabelecer na faixa de 0,40 –
0,50mg/l.
Deve ser advertido que estas observações estão relacionadas com
características particulares de operação no CIT. Fatores como vazão do
eletrólito, vazão da dosagem dos aditivos, a própria qualidade da cola (teor de
proteína, solubilidade, etc.), concentração de ácido no eletrólito, etc são
diferentes em outros circuitos e podem não repetir fielmente as observações
descritas acima. Por isso, a cobertura das cubas deve merecer cuidados e
monitoramento. Evidentemente, algumas refinarias podem ter chegado a um
bom padrão operacional na base da tentativa e erro, que se quer evitar aqui. O
trabalho de observação no CIT deverá ter continuidade para se estabelecer o
controle em caráter de repetição para dar maior consistência ao estudo. De
forma conservadora, a adoção da prática no circuito de produção comercial
deverá ser precedida de operação em um circuito com um menor número de
cubas instaladas. Dessa forma, foi pleiteada a instalação de um dos aparelhos
do COLLAMAT no CCCIII, para se experimentar o controle efetivamente em
campo, sem maiores riscos de perdas de produção. Após a instalação do
aparelho, e estando o rendimento do circuito satisfatório sob o ponto de vista
de produção e qualidade, será feito o monitoramento da concentração da cola
no eletrólito do transbordo com as cubas descobertas, até se ter definido a
condição operacional, que deverá estar na faixa considerada normal de 0,40 a
0,50mg/l. A partir daí, sempre com o monitoramento contínuo, será feita a
redução da temperatura e o ajuste da dosagem da cola para restabelecer a
condição com as cubas descobertas.
Vale alertar que este estudo não visa necessariamente a redução do
consumo de cola na unidade de eletrólise e sim a redução do consumo de
50
água, vapor e melhoria do conforto ambiental. De qualquer forma, o
COLLAMAT instalado no CIT pode ser utilizado para a verificação da qualidade
de qualquer cola que se queira verificar, considerando até mesmo estudos para
redução do consumo. No trabalho atual, comparativamente com o que
normalmente acontece no circuito de cubas comerciais, verificou-se a utilização
de cola em excesso para atingir concentração média no eletrólito de
alimentação entre 1,3mg/l (limite superior da faixa recomendada pela empresa
alemã Norddeutsche Affinerie) e 2,0mg/l, pois para se atingir esta condição
praticou-se 174g/t de cátodo, enquanto no circuito comercial a quantidade de
cola dosada estava em torno de 150g/t de cátodo. A utilização de cola em
excesso pode estar relacionada a sua qualidade intrínseca, propriamente dita,
ou a forma de preparação.
A fim de se procurar entender o que pode ter causado a degradação
da cola na experiência passada, mesmo com a redução da temperatura do
eletrólito de alimentação em 2oC, estudou-se o perfil da temperatura do
eletrólito na cubas de produção, conforme apresentado no apêndice no final
deste trabalho, onde a cuba foi mapeada em 9 áreas, sendo 3 no sentido
longitudinal e 3 no sentido transversal. Na análise do perfil das temperaturas,
verifica-se que com as cubas descobertas, referentes aos grupos 07, 11, 08,
09, 06, 12, 15, há grandes variações de temperatura, sendo que a maior
amplitude de temperatura, de 3,3oC, dá-se entre o fundo (mais quente) e o topo
(mais frio) das cubas, como evidentemente esperado, praticamente em
qualquer região longitudinal escolhida, com média de 2,7oC. As maiores
temperaturas estão na região de entrada, no fundo da cubas, e a de menor
temperatura na região de saída, no topo da cubas. Isto se dá em função do
percurso que o eletrólito tem que fazer durante sua passagem pela cubas e a
perda de calor no topo pelo processo de evaporação. Nas cubas cobertas,
referentes aos grupos 04, 10, 05, 16, 14, as diferenças de temperatura entre as
regiões são menores, no máximo 1oC entre o fundo e o topo da cuba,
demonstrando, conforme esperado, a maior conservação de energia nessa
situação. O que se depreende destas observações é que a quantidade de calor
residente com as cubas cobertas é maior do que com as cubas descobertas,
mesmo com a redução de 2oC no eletrólito de alimentação. Durante a primeira
51
experiência de cobertura das cubas pode ter acontecido outros fatores, que
não puderam ser avaliados por indisponibilidade de informações, como
alteração da qualidade da cola dosada, má preparação do aditivo para a
dosagem e deficiência não percebida da vazão da bomba dosadora.
52
Figura 4 – Gráfico da concentração de cola no eletrólito no COLLAMAT –
cubas cobertas – temperaturas alteradas
53
Figura 5 – Detalhe da zona 1 da Figura 4.
Pode-se ver o efeito do aumento da temperatura do eletrólito de alimentação
na redução da concentração do residual da cola no eletrólito de transbordo da
cuba.
54
6 VALORES PRELIMINARES DE INVESTIMENTOS
Para se ter uma noção preliminar de custo e benefício dos projetos, levantouse as necessidades de investimentos e os respectivos valores dos materiais e
mão-de-obra necessários para a execução das modificações propostas. Não se
considerou
custo
com
detalhamento
de
engenharia,
porquanto
são
modificações simples e o próprio corpo técnico da empresa poderá
empreendê-las. As execuções das modificações ficariam a cargo de empresas
que têm contratos em vigor, que serve como referência para o custo da mãode-obra.
6.1 VALORES PARA AS MODIFICAÇÕES PROPOSTAS NOS ITENS
5.3 A 5.5
Conforme já descrito, as modificações são de natureza simples, requerendo-se
apenas a instalação de tubulações e acessórios aproveitando as estruturas
existentes. A Tabela 9 apresenta a lista de materiais e os respectivos valores
para as modificações propostas.
Tabela 9 – Necessidades para as modificações de projeto
NECESSIDADE
Materiais em aço inoxidável 316L
Tubo, diâmetro de 2"
Tubo, diâmetro de 1.1/2"
Curva 90º, diâmetro de 2"
Curva 90º, diâmetro de 1.1/2"
Válvula diafragma, diâmetro de 2"
Válvula retenção, diâmetro de 2"
Flange, diâmetro de 2"
Flange, diâmetro de 1.1/ 2"
Parafuso 5/8" x 3.1/2"
Porca sextavada 5/8"
Parafuso 1/2" x 2.1/4"
Porca sextavada 1/2"
Mão-de-obra
Caldeireiro
Soldador
UM QTD
m
m
VALOR
UNTÁRIO
VALOR
TOTAL
450
150
12
25
01
01
02
02
32
32
32
32
(R$)
54,32
89,35
23,56
24,41
560,31
513,92
113,36
74,47
3,66
1,98
4,59
1,58
(R$)
24.444,00
13.402,50
282,72
610,25
560,31
513,92
226,72
148,94
117,12
63,36
146,88
50,56
40.567,28
03
01
1.801,80
2.041,20
5.405,40
2.041,20
7.446,60
TOTAL GERAL
48.013,88
55
6.2 VALORES PARA O ITEM 5.7
A Tabela 10 apresenta o levantamento das necessidades de materiais e mãode-obra para a proposta de projeto para utilização do eletrólito diluído em
substituição à água (condensado impuro) na função de escoar a lama anódica
das cubas, conforme descrito no item 5.7 deste trabalho. O projeto é idêntico
ao existente do sistema que utiliza condensado impuro, contando-se já com
toda a documentação de engenharia necessária.
Tabela 10 – Levantamento das necessidades do item 5.7
NECESSIDADE
Materiais em aço inoxidável 316L
Tubo, diâmetro 3"
Tubo, diâmetro 2 1/2"
Tubo, diâmetro 3/4"
Vaso de pressão
Bombas com base
Válvulas diafragma 3/4“
UM QTD
m
m
m
VALOR
UNTÁRIO
VALOR
TOTAL
100
265
75
01
02
15
(R$)
166,97
115,48
36,35
20.000,00
24.000,00
106,85
(R$)
16.697,00
30.602,20
2.726,25
20.000,00
48.000,00
1.602,75
119.628,20
02
01
01
1.801,80
2.041,20
1.990,80
3.603,60
2.041,20
1.990,80
7.635,60
Mão-de-obra
Caldeireiro
Soldador
Mecânico
TOTAL GERAL 127.263,80
O item 5.6 deverá contar com a utilização de tanques e bombas da área 564,
sendo o investimento praticamente marginal.
6.3 RESUMO DOS INVESTIMENTOS
A Tabela 11 apresenta um resumo dos valores dos investimentos propostos,
considerando recurso para contingências na ordem de 10% do valor a ser
utilizado em cada tipo de projeto e, adicionalmente contingências gerais de
10% para dar maior segurança na avaliação econômica.
56
Tabela 11 – Demonstrativo dos custos dos projetos
PROJETOS
Selagem de bombas
Recuperação e reuso de condensados
Retirada de lama das cubas
Subtotal
Contingências gerais
VALOR (R$)
145.800,00
52.815,00
139.990,00
338.605,00
33.860,00
TOTAL
372.465,00
Observações:
•
Aqui já estão contemplados os custos com serviços necessários para a
execução das modificações;
•
Não foram computados custos com engenharia por se considerar as
modificações bastante simples e pela previsão se utilizar apenas um
projetista, que faz parte do quadro fixo da empresa, para projetar aquilo que
ainda não se tiver projeto;
•
Não se incluiu investimento em tecidos, pois quase todas as peças de
tecido compradas algum tempo atrás estão em condições de uso. Pode ser
necessário uma complementação e reposição posteriormente. No entanto,
não se tem ainda um tempo prático de reposição de estoque de tecidos
para ser levado a um fluxo de caixa na avaliação econômica do projeto.
57
7 AVALIAÇÃO DA ECONOMIA COM A COBERTURA DAS CUBAS
A avaliação da economia com a adoção da cobertura das cubas leva em
consideração apenas a utilização do vapor da caldeira auxiliar, que substitui a
caldeira de recuperação de calor do forno de fusão quando esta fica
impossibilitada de operar. Portanto, considera-se que somente há custo nesta
condição, pois o vapor produzido na caldeira recuperadora de calor é gerado
apenas com a finalidade de resfriar os gases da fundição, condição necessária
para serem convertidos em
ácido sulfúrico, evitando-se, assim, a poluição
atmosférica por dióxido de enxofre. Para efeito de simplificação dos cálculos,
considerou-se apenas o custo com óleo combustível consumido na caldeira
auxiliar, por ser mais relevante dentre os outros custos, como por exemplo:
custo com produtos químicos, custo de manutenção, etc.
7.1 REDUÇÃO DA TAXA DE EVAPORAÇÃO & ECONOMIA ESPERADA
Dados: Taxa de utilização da caldeira auxiliar = 52,00%
Consumo específico de óleo
= 72,00kg/t
Valor do óleo combustível
= 386,65R$/t
Tabela 12 – Economia com a redução da utilização da caldeira
REDUÇÃO ECONOMIA (R$/a) REDUÇÃO ECONOMIA (R$/a)
5%
10%
15%
20%
25%
30%
35%
40%
45%
50%
60.477,09
120.954,17
181.431,26
241.908,34
302.385,43
362.862,51
423.339,60
483.816,68
544.293,77
604.770,85
55%
60%
65%
70%
75%
80%
85%
90%
95%
100%
665.247,94
725.725,02
786.202,11
846.679,20
907.156,28
967.633,37
1.028.110,45
1.088.587,54
1.149.064,62
1.209.541,71
58
7.2
ECONOMIA
COM
A
REDUÇÃO
DO
CONSUMO
DE
ÁGUA
DESMINERALIZADA
A redução do consumo de água desmineralizada para a selagem das
bombas será de cerca de 40,00t/d. Com o custo interno da água
desmineralizada apurado em 1,31US$/t, temos um valor
projetado de
R$51.640,00/ano, para a taxa de câmbio de 2,70 R$/US$.
7.3 OUTRAS ECONOMIAS
Conforme
já
mencionado
anteriormente,
ainda
há
mais
oportunidades para redução do volume de água utilizada na eletrólise. Um
exemplo relevante é o consumo de água de selagem das bombas de vácuo
(B-563-20/23) dos separadores da unidade de purificação de eletrólito, que
consomem cerca de 110,00t/d de água da torre de resfriamento n0 03. Esta
água entra na selagem das bombas e vai para a UTE (Unidade de Tratamento
de Efluentes), para evitar a possibilidade de contaminação da torre que
também fornece água para a refrigeração dos transformadores/retificadores da
eletrólise. Se este descarte for maior do que o necessário para manter um ciclo
de concentração bom na torre de resfriamento, poderá haver economia
relevante. Para se ter uma idéia da ordem de grandeza de valores, o custo total
desta água é composto pelo seu custo de acondicionamento na torre
(0,22US$/m3), pelo seu custo de tratamento na unidade de tratamento de
efluentes (2,44R$/m3) e pelo custo do seu descarte para a CETREL de
0,32R$/m3. Uma avaliação do desempenho da torre de resfriamento deverá
indicar em que nível se encontra seu ciclo de concentração e as providências
necessárias para reduzir ou eliminar este custo. Outros desperdícios estão
relacionados
com
procedimento
operacional
inadequado,
conservação de válvulas e instrumentos deficientes, etc.
estado
de
59
7.4 VALOR TOTAL DA ECONOMIA
Considera-se que a operação com as cubas cobertas deverá trazer
uma economia de cerca de R$480.000,00 (economia com vapor) e de cerca de
R$50.000,00 (economia com água desmineralizada), perfazendo o total anual
de R$530.000,00. Este valor é o mínimo que se considerou neste trabalho,
uma vez que a quantidade de vapor que se deixará de utilizar nas máquinas de
lavar cátodos e de estripar chapas de partida não foi computada.
7.5 TEMPO DE RETORNO DO INVESTIMENTO
Baseado nos valores dos levantamentos efetuados até o momento e
nos benefícios esperados, tem-se que o tempo de retorno do investimento
deverá ser de R$373.000,00 / R$530.000,00/ano = 0,7 ano ou cerca de 8
meses.
8 CONSIDERAÇÕES FINAIS
O estudo considera a economia que poderá ser obtida a partir do
grau da retenção de 40% de vapor com as cubas cobertas, com o tipo de
tecido experimentado. Evidentemente, será muito difícil obter 100% de
retenção, mas provavelmente deverá haver formas de aumentar o grau de
conservação de energia, sem efeitos colaterais para o processo. Uma delas é a
utilização de cubas de resina polimérica, que apresentam menor condutividade
térmica do que as atuais de concreto, revestidas com folhas de chumbo. Há
inclusive refinarias que praticamente não fazem uso de vapor, pois as
características das instalações e dos processos permitem maior conservação
do calor. Na unidade de eletrólise desta empresa, outras medidas poderiam
resultar em redução do consumo de vapor, como por exemplo: manter tanques
de condicionamento de eletrólito sempre cobertos, revestir linhas de condução
de eletrólito com mantas isolantes.
60
Uma questão que vale a pena ser comentada é a da tarefa de cobrir
e descobrir cubas quando das atividades de retirar curtos e retirar produção.
Considera-se que possa ser desenvolvido um dispositivo motorizado de enrolar
e desenrolar o tecido que estiver cobrindo um grupo.
Conforme relatado, as propostas aqui apresentadas devem ser
avaliadas e melhoradas naquilo que puder simplificá-las e torná-las menos
onerosas. O planejamento de implantação do projeto pode começar pelas
modificações mais simples e aquilo que não tiver ainda o detalhamento
necessário, poderá ser trabalhado paralelamente.
Tem-se observado que a água de processo utilizada para lavagem
dos contatos não está adequada para tal tarefa. Os contatos vêm apresentando
sulfatização acentuada e desgaste aparente por corrosão ácida, o que aumenta
a resistência dos contatos, o consumo de energia e reduz o tempo médio de
vida dos barramentos de cobre. Esta é uma questão que também deve ser
trabalhada, ou com a troca do tipo de água para a tarefa ou a melhoria de sua
qualidade, etc. Em algumas ocasiões, pode-se ver o tanque de condensado
puro (TQ-562-05) transbordando para o dique, que vai dar no poço de efluentes
da Eletrólise. Talvez haja forma de se fazer um gerenciamento dessa água, de
forma que se faça o alinhamento deste condensado para o vaso de pressão
(VP-562-02) de condensado de processo quando o nível do tanque (TQ-56205) de condensado puro estiver alto, evitando-se que essa água limpa seja
enviada diretamente para a UTE (Unidade de Tratamento de Efluentes).
Uma questão que de uma forma ou outra contribui para o descontrole
do inventário é o problema operacional com as bombas dos poços de dreno
dos circuitos de cubas. Quando não se é possível bombear o eletrólito (mais
lama anódica) para os espessadores, este fica inventariado no porão,
falseando a determinação do inventário. Um diagnóstico preliminar apontou
que o fator responsável pelo desgaste freqüente das bombas é a grande
quantidade de baritina (desmoldante de ânodos) presente na lama anódica.
Este assunto estará sendo tratado desde a sua origem, isto é, a partir da
aplicação do desmoldante no ânodo, na roda de moldagem.
61
9 Conclusão
Este estudo verificou as condições para a operação com as cubas eletrolíticas
cobertas por tecido sintético, em um processo de obtenção de cobre. As
premissas para operação na nova situação são a adequação do balanço
hídrico da unidade de eletrólise e a preservação da atividade de um aditivo
(cola animal) utilizado no eletrólito no refino eletrolítico.
Atualmente, o balanço hídrico da unidade é regulado principalmente pela taxa
de evaporação do eletrólito nas cubas, representando a principal saída de água
do sistema, e pela entrada de água utilizada em diversas operações. Com a
pretendida redução de 40% na taxa de evaporação com a cobertura das cubas,
estudou-se a contrapartida para a redução de entrada de água no sistema.
Assim, identificaram-se formas de redução da utilização de água, considerando
principalmente o reaproveitamento de condensados, para operações de
lavagens, que durante geração nos trocadores de calor passam a constituir o
eletrólito circulante do sistema, através do seu encaminhamento para um poço
central de águas drenadas, sem
um aproveitamento primário da água. A
redução esperada do consumo de vapor será de 42,90%, sem considerar a
economia que deverá ocorrer com a redução do consumo de vapor nas
máquinas de estripar chapas de partida e lavar e pesar cátodos, em função da
substituição da água de processo, com temperatura média de 60oC, pelo
condensado, com temperatura média de 108oC. Os projetos considerados
deverão reduzir o consumo de água em cerca de 40% e são de fácil
exeqüibilidade, não devendo interferir na continuidade operacional das
unidades de processo.
Para avaliar o efeito da conservação do calor (ocasionada pela cobertura da
cuba) na atividade do aditivo cola animal, que é importante para a orientação
da cristalização do depósito e para a obtenção da eficiência de corrente
pretendida no refino eletrolítico do cobre, estudou-se o seu comportamento em
uma unidade piloto constituída de 4 cubas, utilizando-se um aparelho de
monitoramento em linha, patenteado pela empresa alemã Norddeutsche
Affinerie. Verificou-se que o aditivo apresentou redução da sua concentração
no eletrólito de cerca de 0,35mg/l com o aumento da temperatura do eletrólito
de 63,5 a 65,5oC. Diante disto, para a operação da eletrólise com as cubas
62
cobertas haverá a necessidade de redução da temperatura do eletrólito de
alimentação e um ajuste da dosagem do aditivo cola animal para manter sua
concentração residual em cerca de 0,55mg/l no eletrólito que sai da cuba, que
vem a ser a concentração atual aditivo na operação com as cubas descobertas.
Além dos benefícios econômicos, gerados com a economia anual de cerca de
R$530.000,00, com o retorno do investimento previsto para oito meses, haverá
o benefício ambiental com a redução do consumo de água em cerca de 42%,
preservando o lençol freático de onde a água é captada para ser utilizada nos
processos da empresa, e a redução do consumo de óleo combustível na
caldeira, com os efeitos imediatos da conservação de um recurso natural nãorenovável e a redução da poluição atmosférica no local.
10 Recomendações
Durante a apuração do balanço hídrico das unidades de processo da eletrólise,
verificou-se que alguns fluxos de água não afetavam o controle de inventário
de líquidos, portanto não foram considerados para fins de projeto de controle
ou redução. A função principal dessas águas é a de refrigeração de bombas de
vácuo, mancais de bombas verticais ou de selagem de bombas centrífugas.
Para tanto, utiliza-se água de torre de resfriamento, água industrial e água
desmineralizada. Por questão de peculiaridades dos processos, essas águas
não trabalham em circuito fechado e são enviadas para a UTE, representando
oportunidades de estudos para aplicação do conceito dos 3 R (Reduzir, Reusar
e Reciclar). Além disto, conforme citado neste trabalho, aponta-se como perda
o transbordo de cerca de 50m3/d de condensado puro que é enviado para a
UTE, portanto não é utilizado em operações na unidade de eletrólise e não é
enviado para aproveitamento na caldeira.
A razão principal de se considerar a cobertura das cubas por tecido sintético é
pela facilidade de movimentá-lo durante as operações de inspeção e remoção
de curtos-circuitos e retirada de produção com a troca de eletrodos. As
inspeções de curtos-circuitos com as cubas cobertas podem ser feitas por
câmera de infravermelho, pois o tecido não impede a exposição da zona
quente provocada pelo aquecimento da área afetada, o que também se
63
constitui em uma vantagem operacional, pois não obriga o operador descobrilas para executar essa tarefa.
Além disto,
a cobertura por tecido é um
investimento bem menor do que uma estrutura mais rígida e pesada. O que se
vê de oportunidade é o estudo para aumento da conservação de energia, além
do que é apresentado nesta monografia, avaliando-se outras rotas.
64
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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Electrocrystallization of Copper”. Proceedings of TMS 116th Annual Meeting,
DENVER, p. 129-143.
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Addition Agents, Glue and Chloride Ion”. Proceeding of TMS 116th Annual
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Spargins on Copper Deposition in the Presence of Additives”. Proceedings
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Reutilização
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Efluentes
Líquidos
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Indústria
Petroquímica. Dissertação da Tese de Mestrado. Universidade Federal da
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8. Young D. N. Mass Balance Approach to Water Conservation. The NACE
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65
10. Eble, S. K. and Feathers, J. Water Reuse Within a Refinery. National
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11. Azevedo, V. e Gonçalves, N. Programa de Minimização, Reuso e Reciclo de
Efluentes Líquidos na POLIBRASIl e POLICOM, Camaçari – Bahia, abril de
2000.
12. Mustafa, G. S. Apostila da Disciplina Gerenciamento de Emissões Efluentes Líquidos. Curso de Especialização em Gerenciamento e
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13. Furtado, Marcelo. Tratamento de Efluentes.Química e Derivados, abril 2001,
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LINE - no 09. Disponível em: <http://www.aguaonline.com.br> . Acesso em
04 de dez. 2001.
66
APÊNDICE – METODOLOGIA TÉCNICA
METODOLOGIA TÉCNICA
1 - OBJETIVO
Levantar os valores de temperaturas de eletrólito das cubas eletrolíticas
relacionadas com as suas correspondentes vazões.
2 - APARELHAGEM
1.1
01 calibrador eletrônico; marca Rochester; modelo Diamond; faixa de
trabalho de –200oC a 1370oC; precisão de ± 2oC; resolução do display
de ± 1 digit;
1.2
01 termoresistência tipo PT-100; comprimento de 1250mm;
1.3
01 cronômetro digital;
1.4
01 dispositivo tampão;
1.5
01 dispositivo de posição de madeira.
3.- PROCEDIMENTO
3.1 – Montar a aparelhagem conforme o croqui abaixo:
Termoresistência
calibrador
O
C
Dispositivo de
madeira para fixação
das posições superior,
meio e fundo da cuba
67
3.2 – Uma vez montada a aparelhagem, escolha aleatoriamente 12 cubas
para as medições de temperaturas e vazões.
3.3 – Calcule a vazão de cada cuba escolhida com o auxílio do dispositivo
tampão e do cronômetro. Para isso pressione o dispositivo tampão no
ralo da caixa de transbordo e com o cronômetro meça o tempo de
enchimento da caixa até a haste de referência. Calcule então a vazão
da cuba pela divisão do fator adimensional 456 pelo tempo
cronometrado e tem-se o resultado da vazão em l/min.. Abaixo temos
o modelo do dispositivo tampão:
Haste de referência
Tampão
3.4 – Realize 09 medições de temperaturas de eletrólito por cuba, em 03
locais (na entrada, no centro e na saída) e em 03 profundidades
(superior, centro e fundo) diferentes conforme esquemático adiante:
chapa de partida
ânodo de cobre
caixa de transbordo
1
1
1
2
2
2
3
3
3
cuba com eletrólito
Ralo
68
4 – RESULTADOS OBTIDOS
As medições realizadas, conforme o item 3, estão registradas adiante:
GRUPO N0: 07
Posição
CUBA NO: 20A
o
C na entrada
o
VAZÃO: 17,0l/min
C no centro
o
C na saída
1-Superior
61,4
60,4
61,9
2-Meio
64,1
63,9
63,9
3-Fundo
64,6
64,2
64,4
63,4
62,7
63,4
Média
GRUPO N0: 11
Posição
CUBA NO: 1B
o
C na entrada
VAZÃO: 22,8l/min
o
C no centro
o
C na saída
1-Superior
62,3
61,9
61,7
2-Meio
64,2
64,0
63,0
3-Fundo
64,0
64,2
64,1
63,5
63,4
62,9
Média
GRUPO N0: 08
Posição
CUBA NO: 20A
o
C na entrada
o
VAZÃO: 30,0l/min
C no centro
o
C na saída
1-Superior
63,4
60,7
61,5
2-Meio
63,7
63,5
63,5
3-Fundo
63,7
63,9
63,8
63,6
62,7
62,9
Média
GRUPO N0: 04
Posição
CUBA NO: 20A
o
C na entrada
o
VAZÃO: 13,5l/min
C no centro
o
C na saída
1-Superior
63,8
58,9
58,0
2-Meio
62,3
61,9
61,3
3-Fundo
61,7
61,8
61,8
62,6
60,9
60,4
Média
69
GRUPO N0: 10
Posição
CUBA NO: 20A
o
C na entrada
o
VAZÃO: 16,3l/min
C no centro
o
C na saída
1-Superior
63,4
57,9
60,0
2-Meio
62,3
62,3
61,5
3-Fundo
62,7
62,6
61,9
62,8
60,9
61,1
Média
GRUPO N0: 05
Posição
CUBA NO: 20A
o
C na entrada
o
VAZÃO: 15,1l/min
C no centro
o
C na saída
1-Superior
63,5
60,7
59,5
2-Meio
62,7
62,6
60,7
3-Fundo
62,5
62,3
61,7
62,9
61,9
60,6
Média
GRUPO N0: 09
Posição
CUBA NO: 1B
o
C na entrada
VAZÃO: 8,5l/min
o
C no centro
o
C na saída
1-Superior
63,7
57,9
60,8
2-Meio
64,6
64,3
64,8
3-Fundo
64,9
64,5
65,0
64,4
62,2
63,5
Média
GRUPO N0: 06
Posição
CUBA NO: 20A
o
C na entrada
o
VAZÃO: 22,5l/min
C no centro
o
C na saída
1-Superior
62,4
58,9
60,3
2-Meio
63,6
63,5
63,4
3-Fundo
63,8
64,0
63,7
63,3
62,1
62,5
Média
70
GRUPO N0: 16
Posição
CUBA NO: 1B
o
C na entrada
VAZÃO: 23,0l/min
o
C no centro
o
C na saída
1-Superior
64,8
61,7
62,3
2-Meio
63,8
63,5
62,3
3-Fundo
63,7
63,7
62,6
64,1
63,0
62,4
Média
GRUPO N0: 12
Posição
CUBA NO: 20A
o
C na entrada
o
VAZÃO: 26,0l/min
C no centro
o
C na saída
1-Superior
64,6
60,7
62,3
2-Meio
64,0
63,9
63,6
3-Fundo
64,2
64,1
64,1
64,3
62,9
63,3
Média
GRUPO N0: 15
Posição
CUBA NO: 2B
o
C na entrada
VAZÃO: 18,0l/min
o
C no centro
o
C na saída
1-Superior
61,2
62,8
62,5
2-Meio
63,8
64,5
63,7
3-Fundo
64,5
64,4
64,4
63,2
63,9
63,5
Média
GRUPO N0: 14
Posição
CUBA NO: 20B
o
C na entrada
o
VAZÃO: 21,0l/min
C no centro
o
C na saída
1-Superior
58,0
59,5
60,9
2-Meio
62,7
61,9
61,4
3-Fundo
63,0
62,1
62,2
61,2
61,2
61,5
Média