1

PROCESSO DE DIMENSIONAMENTO BÁSICO DE UMA LINHA DE EVAPORAÇÃO E DESCONTAMINAÇÃO DA ÁGUA EVAPORADA DO

LICOR NEGRO NA INDÚSTRIA DE CELULOSE

DOS ANJOS, Matheus Fernandes 1

MORAES, Francisco de Assis Bertini2

RESUMO: Na produção do processo Kraft muitos produtos químicos são utilizados e resíduos são produzidos. Os resíduos devem ser tratados antes de serem descartados para o meio ambiente ou até mesmo reutilizados no processo. O licor negro é um dos resíduos gerados nesse processo. Este deve ser lavado e separado da polpa para que seu conteúdo químico seja recuperado, formando o licor negro fraco. Para utilizar esse resíduo no processo é necessário concentrar o mesmo, ou seja, deve haver a evaporação da água do licor negro fraco. Durante o processo de evaporação há a formação de condensado contaminado com impurezas do licor. Este condensado deve ser submetido ao processo stripping, permitindo a remoção de até 90% dos contaminantes. Os gases volatizados nesse processo são incinerados em sistemas específicos com lavagem de gás ou incinerados no forno de cal, enquanto a parte menos contaminada dos condensados é utilizada em outras partes do processo. A empresa fictícia BSPC Papel e Celulose está trabalhando com a capacidade máxima e isso está causando problemas na qualidade do efluente, já que seu sistema de evaporação e stripping não estão sendo eficientes. Devido a isso foi apresentado duas propostas que foram comparadas de acordo com a análise econômica, definindo os custos de investimentos, reduções de custos e os impactos ambientais para ambas. A proposta 1 foi a mais viável sendo que seu custo de investimento é menor, a partir da escolha foi elaborado um projeto de redimensionamento de um conjunto de evaporadores e uma coluna stripper. PALAVRAS-CHAVE: Licor negro. Evaporação. Stripping.

ABSTRACT: In the production of the Kraft process many chemicals are used and waste is produced. The waste must be treated before being disposed of in the environment or even reused in the process. Black liquor is one of the waste generated in this process. This must be washed and separated from the pulp so that its chemical content is recovered, forming the weak black liquor. In order to use this residue in the process it is necessary to concentrate it, that is, there must be the evaporation of water from the weak black liquor. During the evaporation process, condensate contaminated with liquor impurities is formed. This condensate must be subjected to the stripping process, allowing the removal of up to 90% of the contaminants. The gases volatized in this process are either incinerated in specific systems with gas washing or incinerated in the lime kiln, while the less contaminated part of the condensate is used in other parts of the process. The fictional company BSPC Papel e Celulose is working at maximum capacity and this is causing problems in the quality of the effluent, since its evaporation and stripping system are not being efficient. Because of this, two proposals were presented that were compared according to the economic analysis, defining investment costs, cost reductions and environmental impacts for both. Proposition 1 was the most viable, since its investment cost is lower, based on the choice, a project was developed to resize a set of evaporators and a stripper column.KEYWORDS: Black liquor. Evaporation. Stripping.

1. INTRODUÇÃO1 Graduando em Engenharia Química, pela faculdade Municipal Professor Franco Motoro – FMPFM, de Mogi-Guaçu – SP. E-mail: matheus_fernandes95@outlook.com

2Graduado em Engenharia Química, pela Universidade Estadual de Campinas. Mestrado em Engenharia da produção pelo Centro Universitário de Araraquara. Professor da Faculdade Municipal Professor Franco Montoro – FMPFM, de Mogi-Guaçu – SP. E-mail: franciscobertini25@gmail.com

123

123

456789

10111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546

4

5

2

O processo Kraft de produção de celulose trata a madeira em forma de

cavacos em vasos de pressão (digestores) com soda caustica e sulfeto de sódio. O

objetivo deste processo é a dissolução da lignina para obtenção de uma pasta forte

(Kraft significa forte em alemão), preservando a resistência das fibras. (AMARAL,

2008, p.48). Este processo é subdivido nas seguintes etapas: descascamento,

picagem, cozimento, depuração, branqueamento e recuperação do licor.

Durante todo o processo, muitos produtos químicos são utilizados e resíduos

são produzidos, havendo, então, uma necessidade de tratá-los antes de serem

descartados para o meio ambiente ou até mesmo reutilizados no processo. Já que

para a produção da polpa de celulose é necessário que a madeira descascada e

picada seja cozida em um digestor com substâncias químicas, havendo a dissolução

e remoção da lignina; separando as fibras e tornam-se polpa.

Um dos resíduos oriundo do cozimento da madeira é o licor negro. E este deve

ser lavado e separado da polpa para que seu conteúdo químico seja recuperado.

O licor negro pode ser definido como uma solução aquosa constituída de

compostos orgânicos (lignina, polissacarídeos, compostos resinosos e de baixo peso

molecular) e inorgânicos (alguns sais). Esta composição é alterada de acordo com o

tipo da madeira e as condições de tratamento do mesmo. (CARDOSO, 1998, p.10).

A composição típica do licor negro pode ser demonstrada na tabela abaixo:

Tabela 1 - Composição do Licor Negro

Composto % Sólidos SecosLignina

Açucares29 - 40

0,1 - 1,5Ácidos orgânicos 1 - 14

Alcoóis < 1Compostos Orgânicos desconhecidos 10 - 30

Compostos Inorgânicos desconhecidos < 2Sais Inorgânicos 18 - 30

Orgânicos combinados com Sódio 8 - 10

Fonte - GUERADO 2012, P.21

A recuperação química é essencial para a fabricação de celulose, pois está

diretamente relacionada com a viabilidade econômica e ambiental do processo. Na

etapa de queima do licor negro concentrado são recuperados produtos químicos

678

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64

65

66

67

68

69

70

71

72

3

utilizados no processo do cozimento e geração de energia elétrica. (CASTRO, 2009,

p.13)

Uma característica física de muita importância do licor é a concentração de

sólidos sendo ideal entre 70 a 75%, pois quanto menos água, maior seu rendimento

energético. (MORAES, 2011)

A recuperação desse licor é realizada, basicamente, pelos evaporadores de

múltiplo efeito, responsáveis pela concentração do mesmo. Quando o licor negro

concentrado é queimado, este libera energia para a geração de vapor. Quanto maior

o teor de sólidos deste licor melhor é a operação da caldeira de recuperação, pois

além de resultar na elevação da temperatura de operação da caldeira, resulta,

também, em uma maior eficiência térmica na geração de vapor. (CARDOSO, 1998)

No processo estudado o licor negro sai dos evaporadores com cerca de 40 a

45% de sólidos após isso é enviado para outra etapa de concentração, podendo

chegar até 75% de sólidos. (MORAES, 2011)

1.1 JUSTIFICATIVA Nos últimos cinco anos, a empresa BSPC Papel e Celulose têm aumentado

consideravelmente sua produção de celulose em torno de 20 toneladas por ano,

trabalhando atualmente na sua capacidade máxima de 1.800 toneladas por dia.

Devido a isso o setor de evaporação e tratamento de condensado ficou

demasiadamente sobrecarregado em relação aos setores de fibras, caldeira de

recuperação, caustificação e forno de cal. Essa sobrecarga no processo tem

causado uma instabilidade no tratamento do condensado, consequentemente,

contaminando o processo de celulose e também causando uma instabilidade no

tratamento do efluente; apesar de ainda estar atendendo as exigências da

Resolução 357 de 17 de Março de 2005 do CONAMA que determina as condições e

padrões de lançamentos de efluentes em rio classe 2.

Outro motivo para o aumento da capacidade do setor de evaporação e

descontaminação de condensado é a necessidade do reaproveitamento de água,

pois durante os últimos dez anos houve uma queda de vazão do rio de

abastecimento da fábrica devido ao aumento populacional da região.

91011

73

74

75

76

77

78

79

80

81

82

83

84

85

86

87

88

89

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

100

101

102

103

104

105

106

4

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GERAL Este trabalho tem como objetivo simular uma licitação de redimensionamento

básico de um conjunto de evaporadores e uma coluna stripper, permitindo o

aumento da produção da fábrica, estabilidade do processo e do tratamento do

efluente.

2.2OBJETIVO ESPECÍFICO O objetivo específico desse trabalho foi desenvolver um projeto de

redimensionamento, e para isso foi necessário:

Propor duas alternativas de projeto de redimensionamento dos equipamentos;

Comparar as propostas considerando: custos de investimento, impactos

ambientais, reduções de custos, viabilidade econômica;

Realizar todos os balanços de massas e energias envolvidos no processo;

Elaborar fluxograma do processo;

Dimensionamento básico dos equipamentos.

3. REFERENCIAL TEÓRICO

3.1 EVAPORAÇÃO A evaporação é uma operação unitária cuja finalidade é concentrar uma

solução através da vaporização do solvente na ebulição.

Durante essa operação ocorrem vários processos diversos. Inicialmente ocorre

a transferência de calor do meio calefator (responsável pelo aquecimento) para a

solução. Seguido da transferência simultânea de calor e massa do líquido para a

fase de vapor.

Um evaporador é constituído basicamente por um trocador de calor,

responsável pela fervura da solução, e um dispositivo responsável pela separação

da fase vapor do líquido em ebulição. (FOUST; WENZEL; CLUMP; MAUS; &

ANDERSEN; 1982, p.436).

Existem vários tipos der evaporadores, como:

Evaporador de tubos horizontais;

Evaporador de tubos verticais;

121314

107

108

109

110

111

112

113

114

115

116

117

118

119

120

121

122

123

124

125

126

127

128

129

130

131

132

133

134

135

136

137

138

139

140

5

Evaporadores de circulação forçada;

Evaporador vertical de tubos longos;

Evaporador de película turbulenta;

Evaporador com combustão submersa.

Além disso, todos esses evaporadores podem operar de diversas maneiras,

como:

Simples efeito;

Múltiplo efeito: Concorrente (ou alimentação direta);

Mista;

Contracorrente (ou alimentação inversa);

Compressão: Mecânica eTérmica;

Múltiplos Efeitos de Expansão;

Bomba de calor.

De acordo com o seguinte trecho do livro “Chemical Recovery in Alkaline

Pulping Processes” escrito pelos autores Robert P. Green e Gerald Hough, pode-se

afirmar que o evaporador ideal para o processo estudado é o com tubos verticais

longos e operando por múltiplos efeitos: Com o objetivo de reduzir a necessidade de vapor gerado externamente, a concentração de licor negro é quase sempre realizada com um sistema de evaporação de múltiplos efeitos. Em tal sistema que consiste em vários evaporadores ou efeitos, o vapor é fornecido apenas para o primeiro efeito na pressão mais alta, e o vapor evoluído de um efeito de alta pressão é utilizado para fornecer calor para o próximo efeito a uma pressão mais baixa, o vapor de o último efeito sendo evacuado e condensado. Os evaporadores são geralmente de tamanho igual e construção semelhante, a fim de reduzir o custo de capital [...]. O moderno evaporador de licor negro do tipo vertical de tubo longo (LTV) foi desenvolvido após um período de testes e modificações. Ele substituiu completamente o tipo anterior de tubo horizontal. (1968, p.25)

3.1.1. EVAPORADOR DE TUBOS VERTICAIS LONGOS COM CIRCULAÇÃO NATURAL

Os evaporadores de tubos verticais longos com circulação natural não utilizam

bombas de circulação. Neste tipo de evaporador a alimentação do fluido a ser

evaporado é feita pelo topo dos tubos longos verticais, escorrendo pelas paredes

dos tubos abaixo, no mesmo sentido que o gás de evaporação. Devido a isso o

tempo de contato é curto, resultando em uma maior fração de evaporação. (FOUST,

WENZEL, CLUMP, MAUS, & ANDERSEN, 1982, p.439)

151617

141

142

143

144

145

146

147

148

149

150

151

152

153

154

155

156

157

158159160161162163164165166167168169170171172173

174

175

176

177

178

6

Figura 1- Evaporador de tubos verticais longos com circulação natural.Fonte: FOUST, WENZEL, CLUMP, MAUS, & ANDERSEN 1982, p.439.

3.1.2. MÚLTIPLO EFEITO CONCORRENTE O processo de evaporação de múltiplo efeito é a associação de vários

evaporadores. Neste método o vapor gerado no primeiro evaporador é utilizado

como o fluido de aquecimento de um seguinte evaporador. Isso só é possível se o

segundo evaporador possuir pressão menor que o primeiro, possibilitando que a

solução entre em ebulição em temperaturas cada vez menores. Essa diferença de

pressão permite que a variação da temperatura na superfície da caixa de vapor do

181920

179

180181

182

183

184

185

186

187

188

189

7

segundo evaporador seja sempre positiva. Dessa maneira há a redução do vapor

consumido.

No caso estudado os evaporadores operam em um sistema de alimentação

direta (concorrente), isto é, os fluidos do processo e o vapor de água seguem o

mesmo sentido. A vantagem dessa operação é que não são necessárias bombas

para o deslocamento da solução de um efeito para o outro. A desvantagem é que

todo o aquecimento da carga ocorre no primeiro efeito, gerando menor quantidade

de vapor pelo aquecimento de água, o que diminui a economia.

Figura 2 - Esquema de evaporador de múltiplo efeito com alimentação direta.Fonte: FOUST; WENZEL; CLUMP; MAUS & ANDERSEN 1982, p.445.

3.2. PROCESSO DE DESSORÇÃO (STRIPPING)

No processo de dessorção o gás solúvel é transferido do líquido para a fase

gasosa, já que a concentração no líquido é maior do que a concentração de

equilíbrio com o gás. Ou seja, este processo é responsável pela remoção de um

componente de um líquido pelo contato com uma fase gasosa. (FOUST; WENZEL;

CLUMP; MAUS & ANDERSEN, 1982, p.12)

A alimentação da coluna de stripping, por um líquido volátil, é feita pelo topo

descendo em níveis de cascata através dos pratos até atingir o fim do equipamento.

Já o vapor é introduzido no fundo da coluna, seguindo ao topo do equipamento.

Dessa maneira o líquido e o vapor são misturados, ocorrendo uma

transferência de massa e energia até que atinjam uma condição de equilíbrio;

durante esse processo de aquecimento do líquido de alimentação o componente

volátil presente no mesmo passa de fase líquida para gasosa, sendo separado da

solução.

212223

190

191

192

193

194

195

196

197

198

199200

201

202203204

205

206

207

208

209

210

211

212

213

214

215

216

8

O número de pratos necessários é determinado pela volatilidade relativa do

componente que se deseja separar e as características físico químicas do líquido de

alimentação. Ou seja, quanto maior a volatilidade do componente, menor será o

número de pratos necessário.

Figura 3 – Esquema de funcionamento de uma coluna de dessorção.Fonte: MORAES & SILVA 2014, p. 3

3.3. EVAPORAÇÃO DO LICOR NEGRO, GERAÇÃO E TRATAMENTO DO CONDENSADO DO CONTAMINADO

A evaporação do licor negro é o processo de transferência do calor fornecido

pela condensação do vapor em contato com a superfície de aquecimento das placas

do evaporador de múltiplos efeitos com seis efeitos. Após esse processo, o licor

negro atinge a concentração de sólidos entre 40 a 45 %, como descrito

anteriormente.

Os condensados gerados durante essa etapa podem ser classificados em três

grupos, conforme sua composição:

Condensado A ou Primário: Originário dos primeiros efeitos pode ser

classificado como vapor condensado puro, pois não contém nenhum tipo de

impureza. É retirado dos cilindros secadores das máquinas e dos

concentradores do licor negro. Esse tipo de condensado não passa por um

242526

217

218

219

220

221

222223

224

225

226

227

228

229

230

231

232

233

234

235

236

237

9

tratamento específico antes de alimentar as caldeiras, ele somente passa por

um processo de filtragem para a remoção das fibras antes de ser

armazenado. (AMARAL,2008, p.58)

Condensado B ou Secundário: Originário dos outros efeitos do processo de

evaporação; o vapor utilizado nesse processo da origem a um condensado

contaminado, este pode ser enviado para a lavagem da polpa e a

caustificação, para lavagem de lama e limpeza dos filtros. A condutividade

deste deve estar entre 450 μS/cm a 600 μS/cm. Caso haja excesso deste

condensado este será direcionado para o ETE (Estação de Tratamento de

Efluente). (AMARAL,2008, p.58)

Condensado C: Este condensado é contaminado com o licor negro. Possui

condutividade na faixa de 1000 μS/cm a 1300 μS/cm, antes de serem

armazenados são tratados na torre de stripping. Na torre há a separação dos

compostos reduzidos de enxofre (TRS), metanol e mercaptanas. O metanol é

reutilizado durante a queima do forno de cal e os outros gases seguem para o

incinerador de gases. O condensado tratado deve ter condutividade igual à do

condensado B, caso o contrário deve retornar para a evaporação.

(AMARAL,2008, p.59)

Conforme descrito acima os condensados mais contaminados são submetidos

ao processo stripping, permitindo a remoção de até 90% dos contaminantes, de

acordo com o pH. Os gases volatizados nesse processo são incinerados em

sistemas específicos com lavagem de gás ou incinerados no forno de cal. Enquanto

a parte menos contaminada dos condensados é utilizada na lavagem de polpa,

lavadores de gases e reposição de água para a preparação do licor negro. Dessa

maneira pode haver a redução de 50% da demanda química de oxigênio (DQO),

quando comparado ao tratamento dos condensados mais contaminados. (PIOTTO,

2003, p.178).

4. MATERIAIS E MÉTODOS Para elaborar o projeto de redimensionamento dos equipamentos seguiu-se a

apostila fornecida e elaborada pelo professor orientador Me. Francisco de Assis

Bertini Moraes. A partir dessa apostila foi possível organizar de maneira técnica,

seguindo todas as etapas necessárias como:

272829

238

239

240

241

242

243

244

245

246

247

248

249

250

251

252

253

254

255

256

257

258

259

260

261

262

263

264

265

266

267

268

269

270

10

Apresentação: Esse tópico apresenta os principais motivos pelo qual o

redimensionamento foi licitado, de maneira clara e resumido.

Definição da capacidade de produção: Nesse tópico consta a apresentação

detalhada dos problemas atuais, a produção atual do processo e a produção

esperada após o redimensionamento.

Análise das propostas: Nessa etapa há a apresentação das propostas e a

comparação das mesmas considerando os custos dos investimentos, as

reduções de custos para o processo e os impactos ambientais.

Estudo da viabilidade econômica: Apresenta o estudo e comparação da

viabilidade econômica de todas as propostas de redimensionamento.

Organização de projeto: Consiste na apresentação e definição das licenças

de instalação e operação, organogramas de pessoas e interfaces, método

para a coleta dos dados; padronização dos documentos e normas; sistema de

unidades utilizados no projeto e os padrões de segurança.

Fluxogramas de processos: Elaboração do fluxograma simples do processo.

Balanço de massa e energia.

Fluxograma de processo P&I.

Utilidades: Elaboração de um fluxograma de blocos com todos as interações

do processo com o restante da fábrica, indicando os principais consumos,

fluxos e concentrações.

Projeto das operações unitárias: Cálculos de dimensionamento dos

equipamentos e elaboração da ficha de especificação e desenho técnico.

Estratégia de Intertravamento: Definição de qual sistema de controle será

utilizado, para garantir a estabilidade e segurança do processo. Além da

exemplificação desse sistema.

Recomendações de segurança e operação (HAZOP): Definição e explicação

do HAZOP.

Recomendações de comissionamento e “Start – UP”: Definição das ações

necessárias durante o “Start - Up” do processo e elaboração de um checklist

de comissionamento.

Considerações finais.

Referências bibliográficas.

303132

271

272

273

274

275

276

277

278

279

280

281

282

283

284

285

286

287

288

289

290

291

292

293

294

295

296

297

298

299

300

301

302

303

11

Neste artigo foram detalhados a metodologia e os resultados principais para o

redimensionamento dos equipamentos.

O projeto de redimensionamento dos equipamentos foi desenvolvido a partir

do seguinte estudo de caso: A fábrica de celulose BSPC Papel e Celulose tem

operado em capacidade máxima, de 1.800 toneladas de celulose por dia. Essa

situação está exigindo que alguns equipamentos trabalhem acima da sua

capacidade máxima de projeto, tornando-os menos eficientes. A MFA Projetos LTDA

foi licitada para redimensionar os equipamentos relacionados ao processo de

tratamento do licor negro. Os equipamentos a serem redimensionados são:

Conjunto de Evaporadores de Múltiplos Efeitos;

Sistema de Descontaminação de Condensado (Coluna Stripping).

Para desenvolver esse projeto, inicialmente, foi necessário a apresentação de

duas propostas de projeto, sendo elas:

Proposta 1 - adicionar um efeito no evaporador do tipo LTDV, aumentar a

quantidade de pratos na coluna de Stripping já existente.

Proposta 2 – Adicionar um efeito no evaporador do tipo fallingfilm e substituir

a coluna de Stripping.

Para escolha da melhor proposta foi realizado a análise econômica, definindo

os custos de investimentos, reduções de custos e os impactos ambientais para

ambas.

A partir da comparação desses dados foi definida a proposta mais eficiente

para o processo.

Após a escolha da proposta foi necessário elaborar os fluxogramas com as

interações e dados do projeto, com o auxílio do programa Microsoft VISIO versão

2014.

Os dados do projeto foram obtidos a partir da realização de balanços de

massa e energia dos equipamentos.

A partir desses dados, foi possível realizar o dimensionamento do projeto e

elaborar o desenho técnico do equipamento, com o auxílio do programa AutoCAD

2015.

333435

304

305

306

307

308

309

310

311

312

313

314

315

316

317

318

319

320

321

322

323

324

325

326

327

328

329

330

331

332

333

334

335

336

337

12

5. RESULTADOS E DISCUSSÕES

Inicialmente foi feito o levantamento dos custos, impactos ambientais e

redução de custo para cada proposta.

A tabela 2 apresenta o orçamento de custos de investimento de cada proposta,

ou seja, foram determinados com o auxilio e experiência do professor orientador

deste projeto todos os gastos necessários para a efetuação do projeto, como:

Projetos, instrumentação, materiais, equipamentos, treinamentos, mão de obra para

montagem, entre outros.

Tabela 2 - Tabela comparativa das propostas em relação aos custos de investimentos

Descrição Proposta 1 Proposta 2

Projeto de dimensionamento BásicoProjeto de DetalhamentoProjeto Mecânico, Elétrico e InstrumentaçãoProjeto de utilidades (elétrica, ar comprimido, água, produtos químicos)Projeto CivilEquipamentos (1 ou 2 efeitos de evaporação condensadores , ejetores, pratos de coluna de Stripping, coluna de destilação, trocadores de calor, bombas, válvulas, medidores e instrumentação)Montagem Civil (Prédios e Base)Montagem Mecânica (equipamentos)Montagem tubulaçõesMontagem elétricaMontagem instrumentaçãoMontagem automaçãoContingênciasTestes de EquipamentoComissionamentoTreinamento e start – UpTotal

150.000,00300.000,00200.000,00100.000,00

50.000,00

4.500.000,00

400.000,002.500.000,00300.000,00250.000,00300.000,00100.000,00500.000,00100.000,0050.000,0050.000,00

9.850.000,00

180.000,00450.000,00250.000,00100.000,00

50.000,00

6.000.000,00

700.000,003.000.000,00700.000,00250.000,00700.000,00120.000,00750.000,00150.000,0050.000,0050.000,00

13.500.000,00

A tabela 3 compara as propostas conforme a redução de impactos ambientais.

O nosso processo influencia diretamente o tratamento de efluente, por isso para

comparação foram definidos os valores da Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO)

na entrada e saída do efluente e 200m acima e abaixo da descarga. Os dados foram

obtidos com auxilio do orientador do projeto junto a International Paper do Brasil.

363738

338

339

340

341

342

343

344

345

346

347

348349

350

351

352

353

354

355

356

13

Tabela 3 - Tabela comparativa das propostas em relação à redução de impactos ambientais

Descrição Condição Atual Proposta 1 Proposta 2

Vazão de efluente (m3/s)DBO Entrada ETE (mg/L)DBO Saída ETE (mg/L)

Vazão do rio (m3/s)DBO 200m acima do rio (mg/L)DBO 200m abaixo do rio (mg/L)

0,868164,496,8

60,004,405,80

0,69444,025,9

60,004,404,70

0,69414,78,6

60,004,404,50

A tabela 4 compara as propostas em relação a reduções de custos no

processo, ou seja, o quanto cada proposta impactará na economia de vapor, ganho

na geração de temperatura, eficiência na evaporação de água e concentração do

licor negro, aumento na produção e redução do custo da biomassa. Os dados foram

obtidos com auxilio do orientador do projeto junto a International Paper do Brasil.

Tabela 4 – Tabela comparativa das propostas em relação as reduções de custo

Descrição Condição Atual

Proposta 1 Proposta 2

Produção – t/dEconomia Evaporação – ton.H2O. Evaporada/ton.VaporTemperatura da água morna gerada na Evaporadora (°C)Temperatura da Água desmineralizada gerada no Stripping (°C)%Sólidos no Licor Negro na Caldeira de recuperaçãoAumento de produção de vapor na Caldeira de Recuperação – ton/hRedução de Biomassa na Canldeira de Biomassa – ton /dRedução no custo de Biomassa – R$/ano

18004.30

38,00

55,00

65,00

0,00

0,00

0,00

20005,00

48,00

65,00

75,00

15,00

140,00

4.200.000,00

20005,10

48,00

68,00

75,00

15,00

140,00

4.200.000,00

De acordo com as tabelas acima, nota-se que as propostas apresentadas

possuem melhorias ambientais e reduções de custos muito similares, ambas

apresentam redução de 20% do consumo de água na fábrica e diminuição

considerável na carga de DBO do efluente, regularizando o tratamento do ETE.

Além disso, possuem cerca de 15% de economia na evaporação e uma redução do

custo de biomassa de R$ 4.200.000,00 por ano.

394041

357358

359

360

361

362

363

364

365

366

367

368

369

370

371

372

373

14

Dessa maneira a escolha da proposta deve ser definida apenas pela avaliação

dos custos de investimentos. Assim conclui-se que a proposta 1 é a mais viável, pois

possui um custo de R$3.650.000,00 menor em relação à proposta 2.

Além dessa comparação foi feito uma comparação da análise econômica de

ambas as propostas, afim de confirmar que a proposta 1 realmente é mais viável.

Obteve-se os seguintes resultados:

Tabela 5 – Resultados da análise econômica das propostas

Descrição Proposta 1 Proposta 2

VPL – R$TIR - %

Payback simples – anosPayback descontado – anos

ROI Simples - %Roi descontado - %

TMA - %

2.670.123,6322,96%

3,744,16

26,77%24,01%10,0%

2.145.024,8516,41%

4,525,28

22,11%18,93%10,0%

De acordo com a tabela 5 acima é possível reafirmar que a proposta 1 é mais

viável economicamente. Nota-se que além do valor do investimento da primeira

proposta ser inferior quando comparado ao da segunda (de 9.850.000,00 para

13.500.000,00 reais), possuindo a taxa interna de retorno (TIR) consideravelmente

maior (22,96% contra 16,41%). Além disso, tem como valor presente líquido (VPL)

maior que o da proposta 2, ou seja, a quantidade de dinheiro que irar sobrar após o

pagamento de todas as dívidas, incluindo as taxas e impostos, será maior do que a

da proposta 2.

Outro fator importante a ser considerado é que tanto o PAYBACK simples

como descontado são menores para a primeira opção, isso significa que o tempo

para o investimento começar a gerar lucro será menor que o da segunda opção (4,2

anos contra 5,3 anos). Consequentemente o Retorno Sobre o Investimento simples

e descontado (ROI) é superior ao valor da segunda opção, provando que o retorno

(lucro) sobre o valor investido é maior e a empresa terá um retorno financeiro mais

alto.

A partir da escolha da melhor opção de projeto, pode-se dar continuidade ao

processo de redimensionamento, inicialmente foi feito o fluxograma simples do

processo, facilitando o entendimento de todas as etapas do processo.

O próximo passo foi realizar os balanços de massa e energia para os

equipamentos, definindo os fluxos, vazões, concentrações, pressões e temperatura

424344

374

375

376

377

378

379

380

381

383

384

385

386

387

388

389

390

391

392

393

394

395

396

397

398

399

400

401

402

15

das entradas e saídas dos mesmos. Inicialmente foi realizado os cálculos para o

conjunto de evaporadores.

Tabela 6 – Resultados dos balanços de massa e energia para o conjunto de evaporador

Local Parâmetros 1°Efeito 2°Efeito 3°Efeito 4°Efeito 5°Efeito 6°EfeitoEntrad

aPressão do vapor (bar) 4,16 3,17 2,30 1,55 0,87 0,32

Temp. do vapor (°C) 151,84 143,23 133,26 121,83 108,49 89,62Fluxo de vapor (Kg/s) 32,77 29,35 24,66 21,00 18,36 16,53Fluxo de Licor (Kg/s) 188,08 158,73 134,07 113,07 94,71 78,18Temp. do Licor (°C) 90,0 145,06 135,45 124,64 112,45 95,91

Concentração do Licor (%)

15,0 16,88 19,29 22,50 27,00 33,75

Saída Vapor Produzido (Kg/s) 29,35 24,66 21,00 18,36 16,53 15,49Temp. do Vapor (°C) 145,06 135,45 124,64 112,45 95,91 70,35

Temp. do Saturado (°C) 151,84 143,23 133,26 121,83 108,49 89,62Fluxo do Licor (Kg/s) 158,73 134,06 113,07 94,71 78,18 62,69Temp. do Licor (°C) 145,06 135,45 124,64 112,45 95,91 70,35

Concentração do Licor (°C)

0,17 0,19 0,23 0,27 0,34 0,45

Após realizar os cálculos do evaporador foi possível calcular os balanços de

massa e energia do stripping.

Tabela 7 – Resultados dos balanços de massa e energia para o Stripping.

Local Parâmetros ValorEntrada Fluxo de condensado contaminado (kg/s) 75,01

Concentração de condensado contaminado (ppm) 9.200,00Temperatura do condensado contaminado (°C) 90,00

Volume de vapor saturado (Kg/s) 9,00Pressão de Vapor do Saturado (bar) 3,00

Saída Topo Fluxo de vapor + TRS (Kg/s) 12,75Concentração do vapor + TRS (ppm) 39.588,24

Temperatura do fluxo de vapor +TRS (°C) 95,00Saída Base Fluxo de condensado (Kg/s) 71,26

Concentração do condensado + TRS (ppm) 2.600,00

A partir desses cálculos foi possível elaborar o fluxograma com os dados dos

balanços de massa e energia do processo.

454647

403

404

405

406

407

408

409

410

411

412

413

414

Figura 4 – Processo de descontaminação da água evaporada.

17

Para concluir o projeto foram feitos os cálculos de todo dimensionamento de

cada equipamento, e dessa maneira pode-se elaborar os desenhos técnicos dos

mesmos.

A partir do método Kern para processos de transmissão de calor e com todos

os dados de processo determinado nas etapas anteriores foi possível dimensionar

todos os efeitos do evaporador.

Tabela 8 – Dimensões do conjunto de evaporador

LOCAL 1°Efeito 2°Efeito

3°Efeito 4°Efeito

5°Efeito 6°Efeito

Entrada tubulação de Licor (m) 0,3014 0,3014 0,3014 0,2257 0,2257 0,2257Entrada tubulação de vapor (m) 0,6781 0,6781 0,6781 0,5441 0,5441 0,5441

Entrada Tubulação de condensado (m)

- - - - - -

Saída Tubulação de Licor (m) 0,3175 0,3175 0,3175 0,2419 0,2419 0,2419Saída Tubulação de Vapor (m) 0,7995 0,7995 0,7995 0,9000 0,9000 0,9000

Saída Tubulação de condensado (m)

0,1108 0,1108 0,1108 0,0889 0,0889 0,0889

Diâmetro da carcaça (m) 1,097 1,049 0,977 0,914 0,867 0,836Número de tubos 838 761 649 561 499 459

Diâmetro externo (in) 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0Espessura Parede (in) 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065 0,065Diâmetro interno (in) 0,870 0,870 0,870 0,870 0,870 0,870

Comprimento tubo (in) 16,0 16,0 16,0 16,0 16,0 16,0

Durante todo projeto foi descrito que o nosso conjunto de evaporador possuía

6 efeitos, porém foi-se orientado fazer apenas dois desenhos, sendo que o primeiro

desenho do efeito do evaporador representa os efeitos 1, 2 e 3; e o segundo

desenho representa os efeitos 4; 5 e 6. Para isso foi feito a média das dimensões

dos efeitos 1, 2 e 3 e 4, 5 e 6. A partir desses dados foi elaborado o desenho técnico

do evaporador nos efeitos 4, 5 e 6.

515253

418

419

420

421

422

423

424

425

426

427

428

429

430

431

432

18

Figura 5 – Desenho técnico do evaporador.

Para calcular as dimensões da coluna stripper foi utilizado o método descrito

por James R. Fair. (GODOI, 2020)

Tabela abaixo contém todos os resultados.

Tabela 9 – Dimensões da coluna Stripper

Local Dimensão

Diâmetro (m)Espaçamento de pratos (m)

Altura total (m)Altura de pratos

Altura do topo (m)Altura do Fundo (m)Altura da Calota (m)

2,100,60

23,4019,201,203,000,30

545556

433

434435436

437

438

439

440

441

442

19

6. CONSIDERAÇÕES FINAIS

Iniciou-se o projeto a partir da necessidade de redimensionar o processo de

evaporação e stripping de uma fábrica de celulose. Foram apresentadas duas

propostas e a partir da avaliação das mesmas foi determinada a proposta mais

viável para o processo.

Após essa escolha foi possível realizar todos os estudos e cálculos para a

elaboração de fluxogramas, dimensionamento e desenho técnicos dos

equipamentos.

Esses estudos permitiram que o autor desse projeto utilizasse conhecimento

em cálculos, operações unitárias, termodinâmica, instrumentação, desenho técnico,

entre outros.

Durante o desenvolvimento do projeto, foram encontradas algumas

dificuldades, como por exemplo, efetuar de maneira correta balanços de massa e

energia. Para sanar essas dificuldades o projeto teve apoio do orientador, Francisco

Bertini, que foi de grande importância devido a sua grande experiência profissional

em processo de papel e celulose e desenvolvimento de projetos, explicando como

executar os cálculos e também fornecendo materiais de consultas para facilitar o

entendimento e a execução do mesmo.

7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ALLBRIGHT, L. F. Albright’sChemicalEngineering Handbook. 3º Edition CNC

Press-Taylor and Francis Group.New York, 2008

ALMEIDA, Alexandre Marques de. Modelagem, Simulação e Controle de um Sistema de Evaporação Múltiplo Efeito de Licor Negro. 186 p. Monografia

(Trabalho deConclusão de Curso) – Departamento de Engenharia Química,

Faculdade de Telêmaco Borba, 2009.

AMARAL, Karen Juliana. Uso de água em indústria de papel e celulose sob a ótica da gestão de recursos hídricos. 196 p. Tese (Doutorado) – Departamento de

Engenharia Civil, Universidade Federal do Rio de Janeiro, 2008.

575859

443444

445

446

447

448

449

450

451

452

453

454

455

456

457

458

459

460

461

462

463

464

465

466

467

468

469

470

471

472

473

474

475

20

BRASIL, Resolução nº 357, de 17 de março de 2005. Dispõe sobre a classificação dos corpos de água e diretrizes ambientais para o seu enquadramento, bem como estabelece as condições e padrões de lançamento de efluentes, e dá outras providências. Diário Oficial da União nº 053: 18/03/2005.

CARDOSO, Marcelo. Análise da unidade de recuperação do licor negro de eucalipto ·no processo "Kraft", avaliando alternativas de processamento. 171

p. Tese (Doutorado) – Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual

de Campinas, 1998.

CARREIRO, Milton Roberto de Mattos. Análise Energética e Ambiental do Processamento do Licor Negro Gerado em Fábricas de Celulose e Papel. 157 p.

Tese (Mestrado) – Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de

Itajubá, 2009.

CASTRO, Heizir F. de Catro. Processos Químicos II: Papel e Celulose.

Disponível em:

<sistemas.eel.usp.br/docentes/arquivos/5840556/434/apostila4papelecelulose.pdf>

Acesso em: 26 agosto de 2020.

FELDER, Richard M.; ROUSSEAU, Ronald W. Princípios Elementares dos Processos Químicos. 3. Ed. Rio de Janeiro: LTC, 2014.

FOUST, Alan S. et al. Princípios das Operações Unitárias. 2. ed. Rio de Janeiro:

LTC, 2013.

GUERATO, Gabriel. Otimização dos evaporadores tipo fallingfilm de uma planta de evaporação do licor negro proveniente do processo de digestão da madeira – Kraft, através da modificação do processo de lavagem visando o aumento da capacidade da unidade. 167 p. Monografia (Trabalho de Conclusão de Curso) –

Departamento de Engenharia Química. Universidade de São Paulo, 2012.

GREEN, Robert P; HOUGH, Gerald.Chemical Recovery in AlkalinePulpingProcess.1 ed. New York, TAPPI Monograph series No. 32, 1968.

KERN, D. Processos de Transmissão de Calor. 1º Ed. Guanarana Dois, Rio de

Janeiro, 1983.

MENESES, Rodrigo Fontoura. Modelagem do Sistema de Recuperação do licor de cozimento na produção de celulose. 23 p. Monografia (Trabalho de Conclusão

de Curso) – Departamento de Engenharia Química, Universidade Federal do Rio

Grande do Sul, 2005.

606162

476

477

478

479

480

481

482

483

484

485

486

487

488

489

490

491

492

493

494

495

496

497

498

499

500

501

502

503

504

505

506

507

508

21

MILCENT, Paul Fernand; PEREIRA, Patrícia Carrano Moreira. Operações Unitárias II: Evaporação. Disponível em: <http://doczz.com.br/doc/691559/operações-

unitárias-ii> Acesso em: 26 de agosto de 2020.

MOLLENKANMP, Robert A. Controle automático de processo. 1 ed. São Paulo;

EBRAS, 1998.

MORAES, F. A. B. Introdução ao Projeto Químico na Indústria. Apostila, 2016.

SILVA, Delano Kelley da; MORAES, Francisco de Assis Bertini. Avaliação da eficiência de uma coluna stripper na remoção de compostos voláteis não condensáveis. Artigo. 9 p. Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, 2014.

PIOTTO, ZeilaChittolina. Eco-eficiência na Indústria de Celulose e Papel - Estudo de Caso. 379 p. Tese (Doutorado) – Departamento de Engenharia Hidráulica e

Sanitária, Universidade de São Paulo, 2003.

GODOI. Dimensionamento de uma coluna stripper para descontaminação de trs do condensado de um processo de evaporação na indústria de celulose. Monografia (trabalho de conclusão de curso) - Departamento de Engenharia

Química, Faculdade Municipal Professor Franco Montoro, 2020.

636465

509

510

511

512

513

514

515

516

517

518

519

520

521

522

523

524