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FUNDAÇÃO ARMANDO ALVARES PENTEADO
FACULDADE DE ENGENHARIA
Engenharia Química
ESTUDO DA VIABILIDADE DE COMERCIALIZAÇÃO DE UM EFLUENTE
CÁUSTICO INDUSTRIAL
Daniela Flores Teruya Astudillo
Orientador: Profª MSc. Paula Maria Nogueira Ambrogi
São Paulo
2013
1
DANIELA FLORES TERUYA ASTUDILLO
Estudo da viabilidade de comercialização de um efluente cáustico
industrial
Trabalho de Conclusão de Curso, apresentado ao curso de graduação em Engenharia, da Fundação Armando Alvares Penteado como parte dos requisitos para a aprovação.
Orientador: Profª MSc. Paula Maria Nogueira Ambrogi
São Paulo 2013
2
Daniela Flores Teruya Astudillo
Estudo da viabilidade de comercialização de um efluente cáustico industrial
Data de Aprovação: ___/___/___
Nota Final: ________
Banca Examinadora:
______________________________________ Profª MSc. Paula Maria Nogueira Ambrogi Orientador FEFAAP ______________________________________ Profª Drª Ana Maria Ayrosa FEFAAP ______________________________________ Prof. Umberto Caldeira Cinque FEFAAP
São Paulo Dezembro, 2013
3
Dedico este trabalho a todos os professores - do maternal a graduação - que de
alguma maneira contribuíram para minha formação pessoal e profissional.
4
AGRADECIMENTOS
Primeiramente a minha mãe, por sempre me incentivar, apoiar e acreditar em mim.
À FAAP por ter me dado à oportunidade de cursar uma graduação, me concedendo
uma bolsa de estudos durante estes cinco anos de Engenharia Química.
À Braskem pela oportunidade de estagiar na organização, pelo incentivo de realizar
este trabalho e pela autorização da divulgação dos dados. Em especial a Sérgio
Manssour e Matheus Carvalho por terem me escolhido em meio a tantos candidatos,
Flávio Jardim por ter me acolhido na nova formação da equipe, Saulo Carvalho e
Rodrigo Rocatto pela convivência e consideração, Fernanda Bueno e Jaqueline
Masuchette por terem sido minhas queridas líderes. Sou grata por ter trabalhado
com vocês e pela amizade que construímos ao longo deste caminho.
A Professora Paula Ambrogi, por ter sido minha orientadora neste trabalho e grande
referência profissional.
A todos aqueles que, de alguma forma, contribuíram para que este trabalho fosse
concluído.
6
RESUMO
Com foco na sustentabilidade e no desafio que as empresas enfrentam para atingi-
la, o presente trabalho relaciona dois dos três pilares da sustentabilidade, o
econômico e o ambiental, visando a eco eficiência.
A proposta foi determinar se há viabilidade técnica e econômica em um efluente da
indústria petroquímica se tornar um insumo na indústria de celulose e papel de modo
a atingir a eco eficiência.
Este efluente é resultado da lavagem cáustica do gás de carga, que tem por objetivo
remover os gases ácidos gerados nos fornos de craqueamento de nafta e tem como
composição sulfeto de sódio e soda livre residual que podem ser reaproveitados
como licor de cozimento para indústrias de papel e celulose que utilizam o processo
kraft.
Para verificar a análise econômica calculou-se o balanço material da unidade de
tratamento do efluente e os custos atrelados a este tratamento. Para verificar a
viabilidade técnica solicitou-se a análise de composição deste efluente.
Foi possível assegurar a viabilidade técnica, ficando pendente apenas a validação
da composição através do resultado das análises das amostras do efluente cáustico.
Considerando que se arcaria com o custo de envio das carretas a viabilidade
econômica se dá com a doação do efluente cáustico para o cenário 2 – parada das
seções de oxidação e neutralização – enviando para o destino 1 – Suzano/SP –, em
caso de venda, é possível precificar o produto de tal maneira que não haja impacto
deste custo. Considerando que os compradores assumem os riscos e o custo do
envio é viável economicamente doar e vender. Sendo que, no caso de doação a
empresa teria uma economia de acordo com os cenários, e no caso de venda, além
desta economia, ainda obteria uma margem de lucro.
Palavras chave: Lavagem cáustica. Processo kraft. Eco eficiência.
7
ABSTRACT
Focusing on sustainability and the challenge that companies face to achieve it, this
essay relates two of the three pillars of sustainability, economic and environmental,
aimed at eco efficiency.
The purpose was to determine if there are technical and economic viability in an
effluent of petrochemical industry become an input in the pulp and paper industry to
achieve eco efficiency.
This effluent is the result of caustic scrubbing the gas load, which aims to remove
acid gases generated in the furnace of crackers and has the composition of sodium
sulphide and residual soda that can be reused as cooking liquor for industries paper
and pulp using the kraft process.
To verify economic analysis estimated the material balance of the effluent treatment
plant and the costs linked to this treatment. To verify the technical feasibility
requested the analysis of the composition of this effluent.
It was possible to ensure the technical feasibility, getting pending the validation of the
composition through the results of analyzes of samples of the caustic effluent.
Considering bear the cost of sending the carts, the economic viability occurs with the
donation of the caustic effluent for scenario 2 – deactivation of the oxidation and
neutralization sections – sending to the destination 1 – Suzano/SP – in case of sale it
is possible to price the product in such a way that there is no impact of cost.
Considering that buyers assume the risk and the cost of transportation is
economically feasible to donate and sell. Whereas in the case of a donation the
company would have an economy according to the scenarios, and in the case of
sale, besides this economy, still would get a profit.
Keywords: Caustic wash. Kraft process. Eco efficiency.
8
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Pontos fortes de cada um dos polos brasileiros ........................................ 19
Figura 2 - Esquema Simplificado da Cadeia Produtiva Petroquímica ....................... 20
Figura 3 - Esquema do processo produtivo de eteno ................................................ 22
Figura 4 - Esquema simplificado do processo de formação da Soda Gasta ............. 25
Figura 5 - Tanque FB-213 e coalescedores FA-273 e FA-274 .................................. 26
Figura 6 - Coalescedor FA-275, reatores DC-204A/B/C e tanque FB-214 ................ 28
Figura 7 - Evolução da Produção Brasileira de Celulose e Papel ............................. 30
Figura 8 - Esquema do processo produtivo de papel ................................................ 31
Figura 9 - Digestor Kraft contínuo com transportador de cavacos em construção .... 33
Figura 10 - Ciclo de Recuperação ............................................................................. 35
Figura 11 - Balanço Material Unidade de Tratamento da Soda Gasta ...................... 36
Figura 12 - Seção de tratamento de Yellow-oil.......................................................... 37
Figura 13 - Tanque de Estocagem FB-213 ............................................................... 39
Figura 14 - Seção de Pré-Tratamento ....................................................................... 41
Figura 15 - Seção de Oxidação ................................................................................. 42
Figura 16 - Seção de Neutralização .......................................................................... 44
Figura 17 - Amostras enviadas para análise na UNIB 2 RS ...................................... 53
Figura 18 - Saída e Destinos Logísticos .................................................................... 64
9
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Quantidades de consumo ........................................................................ 46
Tabela 2 - Selagem com Nitrogênio .......................................................................... 47
Tabela 3 - Consumo de Motores e Bombas .............................................................. 48
Tabela 4 - Custo Unitário – 08/2013 .......................................................................... 51
Tabela 5 - Custo Variável da Soda Gasta Tratada .................................................... 52
Tabela 6 - Resultado do custo total de produção/tratamento .................................... 53
Tabela 7 - Datas de coleta ........................................................................................ 54
Tabela 8 - Resultados da análise de densidade ........................................................ 56
Tabela 9 - Composição de Projeto ............................................................................ 56
Tabela 10 - Porcentagem mássica dos componentes ............................................... 57
Tabela 11 - Porcentagem mássica dos componentes inorgânicos - base seca ........ 57
Tabela 12 - Quantidades - cenário 1 ......................................................................... 59
Tabela 13 - Custo Variável - cenário 1 ...................................................................... 60
Tabela 14 - Quantidades - cenário 2 ......................................................................... 62
Tabela 15 - Custo Variável - cenário 2 ...................................................................... 63
Tabela 16 - Cenários – economia mensal e anual .................................................... 64
Tabela 17 - Orçamento Carretas ............................................................................... 65
Tabela 18 - Custo por carreta - cenário 1 .................................................................. 66
Tabela 19 - Custo por carreta - cenário 2 .................................................................. 66
Tabela 20 - Custo logístico mensal - cenário 1 ......................................................... 67
Tabela 21 - Custo logístico mensal - cenário 2 ......................................................... 67
10
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Processo Kraft ou sulfato (alcalino) ......................................................... 32
Quadro 2 - Facilidades de Suporte da Unidade de Tratamento de Soda Gasta ....... 45
Quadro 3 - Análises laboratoriais realizadas na UNIB 3 ABC ................................... 55
Quadro 4 - Endereços de Saída e Destinos .............................................................. 65
Quadro 5 - Distância Braskem-Destinos ................................................................... 65
12
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
A Área
AGR Água de Resfriamento
CD Custo de Depreciação
CF Custo Fixo
CIF Cost, Insurance and Freight
CL Custo Logístico
Consumo de energia do agitador do vaso tratador
de polímero em batelada
CT Custo Total
CV Custo Variável
d Diâmetro
DA Torres de lavagem e coluna de destilação
DC Reator
Desmi Água Desmineralizada
EA Trocador de calor
EE Energia Elétrica
Equip. Equipamento
FA Vaso de degasagem, vaso pulmão e coalescedor
FB Tanque
FD Filtro
FOB Free On Board
GA Bomba
GD Agitador
h Altura
HA Pote
HLR Hidrocarbonetos Leves de Refinaria (Gás de
Refinaria)
m Massa
Vazão mássica
13
Vazão mássica de água de processo
Vazão mássica de água do vaso tratador de
polímero em batelada
Vazão mássica de água do tanque de estocagem
de soda gasta
Vazão mássica de ar de planta
Vazão mássica enviada para atmosfera
Vazão mássica de dióxido de carbono
Vazão mássica da torre de lavagem cáustica
Vazão mássica da torre de lavagem cáustica da
UPGR
Vazão mássica de água desmineralizada da seção
do Pré-Tratamento
Vazão mássica de água desmineralizada da seção
de Tratamento de yellow-oil
Vazão mássica do vaso de degasagem
Vazão mássica do vaso pulmão de água
Vazão mássica do tanque de estocagem de soda
gasta
Vazão mássica de gasolina de processo
Vazão mássica de gasolina para o vaso de
decantação de água de quench
Vazão mássica de gasolina do vaso tratador de
polímero em batelada
Vazão mássica de gasolina para o tambor de óleo
Vazão mássica de nitrogênio
Vazão mássica da seção de Oxidação
Vazão mássica de polímero do vaso tratador de
polímero em batelada
Vazão mássica da seção de Pré-Tratamento
Vazão mássica de soda gasta torre de lavagem
cáustica da UPGR
Vazão mássica de soda gasta tratada
14
Vazão mássica da seção de Tratamento de
Yellow-oil
Vazão mássica de vapor
PA Misturador estático
UNIB Unidade de insumos básicos
UPGR Unidade de Processamento de Gás de Refinaria
V Volume
Volume do vaso tratador de polímero em batelada
Porcentagem volumétrica
∑ Somatória
Massa específica
15
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO ......................................................................................16
1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA .........................................................18
1.1 Indústria Petroquímica .................................................................................. 18
1.1.1 Descrição do processo produtivo de eteno....................................................................................... 20 1.1.2 Lavagem Cáustica............................................................................................................................ 23 1.1.3 Unidade de Tratamento de Soda Gasta ............................................................................................ 24
1.2 Indústria de Celulose e Papel ....................................................................... 29
1.2.1 Descrição do processo produtivo de papel....................................................................................... 30 1.2.2 Processo Kraft ou Sulfato ................................................................................................................ 31 1.2.3 Sistema de recuperação de reagentes ............................................................................................... 33
2 MATERIAL E MÉTODOS ...................................................................36
2.1 Balanço Material da Unidade de Tratamento de Soda Gasta ..................... 36
2.1.1 Bloco 1 – Sistema de Tratamento de Yellow-Oil ............................................................................ 36
2.1.2 Bloco 2 – Tanque de Estocagem FB-213 ........................................................................................ 39
2.1.3 Bloco 3 – Seção de Pré-Tratamento ................................................................................................ 40
2.1.4 Bloco 4 – Seção de Oxidação .......................................................................................................... 42
2.1.5 Bloco 5 – Seção de Neutralização ................................................................................................... 44
2.2 Determinação do custo total associado à produção .................................. 45
2.2.1 Custo Variável ................................................................................................................................. 46
2.2.2 Custo Fixo, Custo de Depreciação e Custo Logístico ...................................................................... 52
2.3 Procedimentos Experimentais ...................................................................... 53
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO .........................................................58
3.1 Cenário 1 ......................................................................................................... 58
3.1 Cenário 2 ......................................................................................................... 61
3.3 Economia dos cenários ................................................................................. 63
3.4 Rota Logística ................................................................................................ 64
CONCLUSÃO .......................................................................................68
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .....................................................70
16
INTRODUÇÃO
Atualmente a sustentabilidade vem sendo um grande desafio para a
indústria mundial, de modo que as organizações devem assegurar que seus
processos cumpram as leis e normas de qualidade, saúde, segurança e meio
ambiente.
Com este objetivo as organizações comumente reavaliam seus processos
de produtos e/ou serviços e realizam mudanças que estejam relacionadas a
sustentabilidade e seus pilares.
Com foco nesse desafio, o presente trabalho relaciona dois pilares da
sustentabilidade, o econômico e o ambiental, visando a eco eficiência. Ser eco
eficiente é comprometer-se com uma performance econômica e ambientalmente
corretas.
A proposta deste trabalho é determinar se há viabilidade técnica e
econômica em um efluente da indústria petroquímica se tornar um insumo na
indústria de celulose e papel de modo a atingir a eco eficiência.
Este efluente – soda gasta – é resultado da lavagem cáustica do gás de
carga, que tem por objetivo remover os gases ácidos gerados nos fornos de
craqueamento de nafta e tem como composição sulfeto de sódio e soda livre
residual que podem ser reaproveitados como licor de cozimento para indústrias de
papel e celulose que utilizam o processo kraft.
No primeiro capítulo apresenta-se a fundamentação teórica que contém o
histórico da indústria petroquímica, processo de obtenção de eteno e da soda gasta
na indústria petroquímica e histórico da indústria de celulose e papel, processo kraft
de obtenção de celulose e sistema de regeneração do licor de cozimento da
indústria de celulose e papel.
17
No segundo capítulo apresentam-se os cálculos para verificar a análise
econômica, estes são o balanço material da unidade de tratamento de soda gasta e
os custos atrelados ao tratamento deste efluente. E também os procedimentos
experimentais da análise do efluente, de modo a verificar a viabilidade técnica.
A partir do conhecimento obtido através da fundamentação teórica e dos
cálculos de balanço material e custo foi possível eleger dois diferentes cenários
técnicos e econômicos, cujos resultados serão apresentados no terceiro capítulo.
18
1 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
1.1 Indústria Petroquímica
Em 1931, Monteiro Lobato (escritor) criou a Companhia Petróleos do Brasil e
apenas em 1936 obteve o primeiro jato de petróleo no poço São João do Riacho
Doce localizado em Alagoas. Devido a seu valor estratégico e potencial de
independência econômica a sociedade exigia a criação de uma empresa estatal
para a exploração de petróleo e seu refino. Então em 1953 sob intensa pressão
nacionalista, o Congresso aprovou e Getúlio Vargas promulgou a lei que criava a
Petrobras (O CASO ...2013).
Com criação da Petrobras, várias refinarias foram construídas, o que pôde
estimular a instalação de unidades fabris de produtos derivados do petróleo. A
criação do Grupo Executivo da Indústria Química (Geiquim), aconteceu em 1965,
com o intuito de impulsionar a indústria brasileira. Em 1967 houve a criação da
Petroquisa (Petrobras Química S.A.) que visava o crescimento e estabilização da
indústria petroquímica nacional.
Entre as décadas de 1970 e 1980, em virtude do programa de substituição de importações, pesados investimentos resultaram na criação dos três principais polos petroquímicos: em Mauá e Santo André (São Paulo), Camaçari (Bahia) e Triunfo (Rio Grande do Sul). As empresas e os polos petroquímicos foram baseados em um modelo societário engenhoso, denominado tripartite (o mesmo das famosas joint-ventures). O controle era compartilhado, em proporções iguais, pela Petroquisa (subsidiária da Petrobras), por um ou mais sócios privados nacionais e por capital privado estrangeiro (que, normalmente, aportava a tecnologia). Desta forma, garantia-se, simultaneamente, o controle nacional e privado e o suporte tecnológico indispensável aos novos empreendimentos (KLEIN, 2011).
O primeiro complexo industrial gás-químico integrado foi estabelecido no
estado do Rio de Janeiro em 2005. Atualmente o Complexo Petroquímico do Rio de
Janeiro (Comperj) está em construção e tem previsão de conclusão em 2014.
19
Figura 1 - Pontos fortes de cada um dos polos brasileiros Fonte: KLEIN, 2001, p. 15.
A indústria petroquímica está organizada em complexos industriais, os
chamados polos petroquímicos, para aproveitar sinergias, assim minimizando os
custos. Os polos brasileiros e seus pontos fortes estão apresentados na Figura 1.
Um polo petroquímico consiste basicamente em uma única unidade fabril
geradora de produtos de primeira geração (petroquímicos básicos), indústrias de
segunda geração (resinas) e indústrias de terceira geração (transformação), que
podem ou não estar situadas nos polos. É possível verificar esta cadeia produtiva na
Figura 2.
Os produtos de primeira geração são resultantes das unidades indústrias
denominadas crackers que fracionam as correntes derivadas do petróleo. Os
principais produtos básicos são as olefinas (eteno, propeno e butadieno) e os
aromáticos (benzeno, tolueno e xileno). Também são produzidos solventes e
combustíveis. Atualmente a empresa que fabrica todos os produtos de primeira
geração é a Braskem.
As indústrias de segunda geração obtêm seus produtos a partir do
processamento dos produtos da indústria de primeira geração. Os principais
20
produtos são os polietilenos, polipropilenos, óxido de eteno, fenóis e estireno.
Braskem, Rhodia, Solvay e Oxiteno, são algumas empresas que fabricam produtos
de segunda geração.
As indústrias de terceira geração são conhecidas como as indústrias de
transformação, pois transformam os produtos de segunda geração em produtos
finais. Os principais produtos são embalagens, peças e utensílios que estão
presentes em diversos outros segmentos industriais.
Figura 2 - Esquema Simplificado da Cadeia Produtiva Petroquímica Fonte: GOMES; DVORSAK; HEIL, 2005, p.81. (modificado)
1.1.1 Descrição do processo produtivo de eteno
A Nafta é a principal matéria-prima da indústria Petroquímica de primeira
geração. Esta nafta é proveniente da refinaria e é fracionada em cortes: leve, média
21
e pesada. A nafta leve é rica em olefinas, portanto é utilizada para a obtenção de
eteno e propeno, já a nafta média contém compostos aromáticos e é utilizada para a
produção de solventes e a nafta pesada pode ser craqueada juntamente com a leve
e/ ou comercializada de volta para a refinaria.
A Unidade de Produção de Eteno é construída em quatro seções:
1. Área Quente - Primeira seção da produção de eteno, onde ocorre o
craqueamento da nafta leve, nafta pesada e etano de reciclo em fornos
de pirólise, formando o gás de carga;
2. Efluentes - Após craqueado o gás de carga entra nesta seção para sofrer
a separação das frações leve e pesada. A fração leve continua no
processo e a fração pesada constituída de dois produtos, a Gasolina de
Pirólise (matéria-prima das Resinas Hidrocarbônicas de Petróleo) e o
Resíduo Aromático (matéria-prima para o Negro de Fumo) é
comercializada.
3. Área de Compressão - Nesta seção ocorrem tratamentos químicos do
gás craqueado leve proveniente da seção de Efluentes que em seguida é
comprimido para alcançar o nível de pressão requerido para a obtenção
dos produtos principais;
4. Área Fria - Etapa final do processo produtivo de eteno, onde o gás
craqueado leve pressurizado é resfriado até a temperatura de
alimentação do trem de destilação onde são obtidos os seguintes
produtos: Eteno, Propeno, GLP C3, Corrente C4 e Gasolina de Pirólise
(fração leve).
Em 2010 entrou em operação a Unidade de Processamento de Gás de
Refinaria (UPGR) na UNIB 3 ABC, empresa da Braskem, localizada no Polo
Petroquímico de Capuava.
O HLR – Hidrocarbonetos Leves de Refinaria ou Gás de Refinaria é uma
corrente que é normalmente utilizada como gás combustível na própria refinaria
produtora, mas por sua composição rica em leves, possui alto valor agregado para a
produção de Eteno.
22
A composição típica do HLR é hidrogênio (de 10 a 30%v), etano (de 10 a
25%v), eteno (de 10 a 20%v), e pequenas quantidades de propano, propeno,
butanos, butenos e contaminantes (PEREIRA, 2010).
Portanto, o HLR, por ser um gás leve, necessita apenas passar pelas duas
seções finais da Unidade de Produção de Eteno, a Área de Compressão e a Área
Fria. Houve a necessidade de construir uma área de compressão apenas para a
UPGR, pois esta unidade foi implantada posteriormente o projeto original da planta.
O gás de carga proveniente do HLR então se junta com o gás de carga proveniente
da nafta apenas na Área Fria.
A Figura 3 demonstra em um diagrama de blocos o processo produtivo de
eteno simplificado da UNIB 3 ABC.
Figura 3 - Esquema do processo produtivo de eteno
23
1.1.2 Lavagem Cáustica
A soda cáustica é utilizada para lavar o gás de carga com a finalidade de
remover os gases ácidos (H2S e CO2) existentes nas matérias-primas (Nafta e HLR).
A completa remoção desses gases é necessária, pois o gás sulfídrico (H2S)
é um veneno para os catalisadores utilizados a jusante do processo e o gás
carbônico (CO2) solidifica quando submetido a baixas temperaturas, ocasionando o
bloqueio dos equipamentos além de ser um dos requisitos de qualidade na
especificação comercial do eteno (PQU, Manual de Operação, Olefinas, 2008).
A Reações 1 e Reação 2 são envolvidas no processo:
Reação 1
Gás sulfídrico + Oxigênio Sulfato de Sódio
Reação 2
Dióxido de carbono + Hidróxido de Sódio Carbonato de Sódio + Água
A lavagem cáustica ocorre nas torres de lavagem DA-207 e DA-1202. Sendo
a DA-207 do projeto original e a DA-1202 construída para a partida da UPGR. O gás
de carga proveniente do 3º estágio da compressão entra na seção do fundo da torre,
reage com a soda, é lavado com água e sai pelo topo retornando para o vaso de
sucção do 4º estágio do Compressor.
Os efluentes dessa lavagem são: Yellow-oil e Soda gasta, conhecida
também como Solução Sulfocáustica. A soda gasta é constituída por sulfeto de
sódio (Na2S), carbonato de sódio (Na2CO3), água (H2O) e soda cáustica (NaOH)
que é injetada em excesso para garantir a reação.
24
O yellow-oil é um polímero oleoso com alta característica incrustante que
tende a cristalizar com o tempo em contato com ar. O yellow-oil é formado apenas
na DA-207, pois na DA-1202 o gás de carga é proveniente do HLR, não há
compostos com hidrocarbonilas, portanto não há formação de polímero.
A soda de reposição é injetada continuamente, na tubulação de recirculação
da soda já injetada anteriormente, este ciclo é denominado de soda forte. No ciclo
de soda fraca, onde não há injeção de soda, acontece apenas à recirculação da
soda já presente na torre. A recirculação das sodas fraca e forte é necessária para
promover uma maior área de contato com o gás de carga, assim garantindo a
completa remoção dos gases ácidos. Na seção de topo das torres, há uma lavagem
do gás com água, para reter qualquer cáustico arrastado.
O yellow-oil é retirado pela lateral da torre (DA-207) a cada 8 horas, sendo
assim um processo batelada. A soda gasta sai pelo fundo da torre e é direcionada
para o vaso de degasagem FA-232 e segue para o tanque FB-213.
1.1.3 Unidade de Tratamento de Soda Gasta
Esta unidade tem como objetivo adequar o efluente sulfocáustico gerado nas
Torres de Lavagem Cáustica (DA-207 e DA-1202) da Planta de Eteno aos padrões
internacionais e regulamentações governamentais de descarte de correntes líquidas
no sistema público. (PQU, Manual de Operação, SEL-II, 2008).
A presença de uma variedade de compostos, tanto inorgânicos como orgânicos, como sulfetos e soda livre residual, torna o efluente um poluente aquoso. Isto requer que as soluções de soda gasta sejam tratadas antes de seu descarte no sistema de efluentes da planta. O teor de sulfeto é limitado a 1,0 mg/L pela CETESB, artigo 19-A, pois estes compostos químicos são oxidáveis, e quando lançados em rios ou lagos, consomem parte do oxigênio dissolvido na água. A legislação também determina a ausência de óleo e limita o pH entre 6 e 10 das correntes descartadas nos rios (PQU, Manual de Operação, SEL-II, 2008).
A Soda Gasta é tratada em quatro etapas descritas a seguir e demonstrado
na Figura 4.
1. Sistema de Tratamento de Yellow-oil: Retirada e tratamento do polímero
yellow-oil;
25
2. Seção de Pré-tratamento: Compostos orgânicos são removidos tais como
precursores de polímeros e materiais poliméricos com características
oleosas;
3. Seção de Oxidação: Processo para oxidar sulfetos em tiossulfatos e
sulfatos;
4. Seção de Neutralização: Neutralização do efluente para reduzir o alto pH
devido a presença de NaOH livre.
Figura 4 - Esquema simplificado do processo de formação da Soda Gasta
Descrição das etapas:
1. Sistema de Tratamento de Yellow-Oil
O yellow-oil formado na DA-207 retirado pela lateral da torre é enviado para
o vaso FA-295, que por sua vez faz uma primeira separação da fase aquosa
cáustica da fase orgânica por decantação.
A fase aquosa acumulada no FA-295 é enviada para o FB-213. A fase
orgânica do FA-295 é enviada para o vaso FA-296, onde será feito o tratamento do
yellow-oil.
No FA-296 o yellow-oil é misturado com água e gasolina, essa mistura é
então aquecida com vapor que escoa na serpentina externa ao FA-296 e submetida
à agitação através do agitador GD-296 e depois ficará em repouso para que haja a
separação das fases. Nesta etapa a emulsão já estará quebrada.
A fase superior do FA-296, constituída de yellow-oil e gasolina é enviada
para o vaso FA-298, e depois bombeada para a Fracionadora de Gasolina (DA-201).
26
A fase inferior do FA-296, constituída de água e inorgânicos (soda cáustica) é
enviada para o FB-213.
2. Seção de Pré-Tratamento
A soda gasta vinda da DA-207, estocada no FB-213 é misturada com
gasolina de lavagem resfriada na linha de alimentação para o coalescedor FA-273. A
mistura passa pelo misturador estático PA-210 para promover uma homogeneização
da mistura que entra no FA-273.
A gasolina gasta é bombeada do FA-273 e é misturada com água de
lavagem na linha de alimentação para o coalescedor FA-274. A mistura passa pelo
misturador estático PA-211 a caminho do FA-274. A Água de Lavagem é utilizada
para promover de forma eficaz a remoção da soda emulsionada da gasolina gasta.
A gasolina gasta é enviada para o vaso FA-220. A água de lavagem do FA-
274 é drenada, misturada com a soda gasta drenada do FA-273 e enviada para o
vaso pulmão FA-275, que também recebe a soda gasta da DA-1202.
É possível identificar o tanque FB-213 e os coalescedores FA-273 e FA-274
na Figura 5.
Figura 5 - Tanque FB-213 e coalescedores FA-273 e FA-274
27
3. Seção de Oxidação de Soda Gasta
A Soda Gasta do FA-275 é bombeada para uma série de três reatores de
oxidação (DC-204A/B/C) contínuos tipo tanque com agitação onde o sulfeto contido
é oxidado a tiossulfato e sulfato com o oxigênio presente no ar comprimido.
Os gases dos reatores são direcionados para o vaso FA-277 e
descarregados para a atmosfera em local seguro, sob controle de pressão. Os
reatores são equipados com agitadores (GD-204A/B/C) para melhorar a dispersão
do ar, injetado através de um distribuidor localizado no fundo do reator. Vapor
também é injetado através desse distribuidor para complementar o calor de reação.
A Reação 3 e a Reação 4 ocorrem:
Reação 3
Sulfeto de sódio + Oxigênio Tiossulfato de sódio + Hidróxido de sódio
Reação 4
Tiossulfato de sódio + Oxigênio + Hidróxido de sódio Sulfato de Sódio + Água
O efluente oxidado do último reator é enviado para o Separador de Soda
Gasta Oxidada (FA-277).
4. Seção de Neutralização de Soda Gasta
No FA-277 o efluente líquido passa através do filtro (FD-218A/B) para
remoção de partículas formadas durante a reação, devido à corrosão e incrustação
nos reatores. A seguir a corrente é enviada ao resfriador (EA-2013). A soda gasta
oxidada, filtrada e resfriada é coletada no tanque de neutralização FB-214.
28
A neutralização é efetuada através de recirculação de uma grande vazão de
soda cáustica através de ejetores (EE-210 AX/BX) onde o CO2 é injetado.
A Reação 5 e a Reação 6 ocorrem nesta seção:
Reação 5
Hidróxido de Sódio + Água + Dióxido de carbono Carbonato de Sódio + Água
Reação 6
Carbonato de sódio + Água + Dióxido de carbono Bicarbonato de Sódio
A soda gasta neutralizada no FB-214 transborda para o pote de água
neutralizada, HA-259 e é bombeada para montante da calha Parshall na saída do
Sistema de Efluentes Líquidos SEL I. Na Figura 6 é possível identificar o
coalescedor FA-275, reatores DC-204 A/B/C da seção de oxidação e o tanque FB-
214 da seção de neutralização.
Figura 6 - Coalescedor FA-275, reatores DC-204A/B/C e tanque FB-214
29
1.2 Indústria de Celulose e Papel
“A cultura cafeeira foi um fator de progresso em vários sentidos: além de
impulsionar o surgimento da indústria e incentivar a expansão das cidades, por
consequência, criou uma grande demanda por transportes e redes de comunicação”
(ABTCP, 2004).
“As primeiras fábricas de papel montadas no Brasil com estrutura necessária
para manter-se em funcionamento por muitos anos nasceram graças à subvenção
fixada por D. Pedro II, em 1886” (ABTCP, 2004).
A primeira indústria de papel do Brasil, a Companhia Melhoramentos de São
Paulo, foi fundada em 1887 no município de Caieiras localizado no estado de São
Paulo, porém começou a operar somente três anos depois (ABTCP, 2004).
O segmento papeleiro evoluiu muito rápido no Brasil, em 1907 já havia 17
registros de estabelecimentos produtores de papel e papelão. São Paulo e Rio de
Janeiro, em conjunto possuíam 80% do valor bruto de produção. Isso se deve ao
emprego de capitais provenientes do segmento cafeeiro (ABTCP, 2004).
O número de empresas foi crescendo à medida que aumentavam o mercado consumidor e a demanda. Os primeiros investimentos significativos no setor surgiram com o Plano de Metas do Governo Kubitschek (1956-1960), seguindo o modelo clássico de substituição das importações (INDUSTRIA ...2013).
Atualmente existem 220 empresas com atividades em 540 municípios,
localizados em 18 estados. O segmento papeleiro gera 128 mil empregos diretos e
640 mil indiretos e tem um saldo comercial de US$ 4,7 bilhões. O Brasil está em 4º
lugar na produção mundial de celulose com a produção de 14 milhões de toneladas
por ano, responsável por 7,6% da produção mundial e em 9º lugar na produção
mundial de papel com a produção de 10 milhões de toneladas por ano, responsável
por 2,5% da produção mundial (BRACELPA, 2013). Na Figura 7 é possível
identificar a evolução da produção brasileira de celulose e papel.
30
Figura 7 - Evolução da Produção Brasileira de Celulose e Papel Fonte: BRACELPA, 2013, slide 15.
1.2.1 Descrição do processo produtivo de papel
“A madeira é a principal fonte de celulose para a fabricação de papel. As
fábricas usam também algodão, trapos e papel velho, além de várias fibras cuja
principal fonte são as cordoarias e os rejeitos grossos das indústrias têxteis”
(SHREVE, 1997).
“No Brasil, a madeira utilizada como matéria-prima para a produção da pasta
celulósica provém, principalmente de várias espécies arbóreas de eucalipto
(Eucaliptus spp) e pinus (Pinus spp)” (D'ALMEIDA, 1988).
O processo produtivo do papel pode ser definido nas etapas a seguir, e
demonstrado na Figura 8.
1. Captação da Madeira: A retirada da matéria-prima - corte da árvore -
pode ser efetuada com motosserra ou machado. Em seguida ocorre o
traçamento que é a segmentação da árvore em toras, essas toras então
são descascadas e reduzidas em menores pedaços, os cavacos;
2. Cozimento (Polpação Química): Esta etapa tem por objetivo solubilizar a
lignina que une as fibras de celulose presentes na madeira. Através de
31
um digestor os cavacos são cozidos juntamente com licor de cozimento
ou licor branco, formando a pasta celulósica;
3. Lavagem da Pasta Celulósica: A pasta que sai dos digestores é
transferida para filtros lavadores para retirar resquícios de licor de
cozimento e lignina residual;
4. Branqueamento da Pasta Celulósica: Após a lavagem, a pasta celulósica
passa por peneiras com objetivo de retirar cavacos mal cozidos que
ainda possam estar presentes em sua composição e então é alvejada
com produtos químicos para promover o branqueamento da pasta;
“Pode-se considerar o branqueamento como sendo uma continuação da
deslignificação iniciada no cozimento, utilizando-se para isso o cloro e seus
compostos (hipoclorito e dióxido de cloro) e, ainda, a soda cáustica” (PIOTTO,
2003).
5. Secagem: A pasta alvejada é lavada novamente e em seguida se formam
as folhas através de rolos de secagem e prensagem.
Figura 8 - Esquema do processo produtivo de papel
1.2.2 Processo Kraft ou Sulfato
É o processo mais usado no Brasil e se presta muito bem para a obtenção de pastas químicas com eucalipto, ou outras hardwood. Isso porque preserva a resistência das fibras e dissolve bem a lignina, formando uma pasta branqueável e com boas propriedades físico-mecânicas (PIOTTO, 2003).
“A denominação de processo sulfato não é conveniente, pois se faz pensar
que o agente ativo de cozimento seja o sulfato, quando, na realidade, são o
hidróxido de sódio e o sulfeto de sódio” (D'ALMEIDA, 1988).
Embora problemas ambientais têm trazido algum interesse na polpação alcalina livre de enxofre, a superior qualidade da polpa e outras vantagens do método sulfato tornam improvável o cozimento com apenas o hidróxido
32
de sódio, ser amplamente utilizada comercialmente no futuro (CASEY, 1980).
No Quadro 1, está discriminado o Processo Kraft.
Quadro 1 - Processo Kraft ou sulfato (alcalino)
Matéria-prima
celulósica Quase qualquer espécie de madeira, mole ou dura.
Reação principal
no digestor
Hidrólise das ligninas a álcoois e ácidos. Formam-se alguns
mercaptans.
Composição do
licor de
cozimento
Solução a 12,5% de NaOH, Na2S e Na2CO3. Análise típica dos sólidos:
58,6% de NaOH, 27,1% de Na2S, 14,3% de Na2CO3. A ação
dissolvente é devida ao NaOH e a Na2S. O Na2CO3 é inerte e constitui
o resíduo de equilíbrio entre a cal e o Na2CO3, na formação de NaOH.
Condições de
Cozimento
Duração, 2-5h;
Temperatura, 170-177°C;
Pressão, 6,8-9,2 atm.
Recuperação
Química
A maior parte do processo é dedicada à recuperação dos reagentes de
cozimento, com a recuperação incidental do calor mediante a queima
da matéria orgânica dissolvida no licor de madeira. As perdas químicas
do sistema são compensadas pelo Na2SO4.
Materiais de
Construção
Digestores, tubulações, bombas e tanques feitos de aço doce ou, de
preferência, em aço inoxidável
Características
da polpa
Coloração parda;
Difícil de alvejar;
Fibras fortes;
Resistente à refinação mecânica.
Produtos típicos
de papel
Sacos e papel forte e pardo;
Sacos multifolhados, papel gomado, papel de construção;
Papéis brancos resistentes da polpa alvejada;
Papelões usados em caixas; vasilhas, caixa de leite e chapas
onduladas.
Fonte: SHREVE,1997, p.499. (modificado)
No processo contínuo, o digestor é alimentado pelo topo com cavacos e licor
branco e descarrega pelo fundo a pasta celulósica de coloração marrom. No meio do
33
digestor, é retirado o licor negro, constituído de madeira dissolvida que não se
transformou em celulose e licor de cozimento já utilizado.
Para que ocorra o cozimento, os cavacos e o licor branco são alimentados
continuamente no digestor e percorrem seu interior pelo período de 3 a 4 horas
atravessando zonas de temperaturas crescentes, até atingir a temperatura de 170
°C. A pressão de operação é de 7,5 atm. Pode-se verificar um digestor Kraft na
Figura 9.
Figura 9 - Digestor Kraft contínuo com transportador de cavacos em construção Fonte: ENCICLOPEDIA ...2013, p.72.7.
1.2.3 Sistema de recuperação de reagentes
O sistema de recuperação tem como objetivo retornar os reagentes ao
digestor com um mínimo de perda, produzir vapor, eliminar parte dos efluentes e
produzir o licor de cozimento com a composição necessária (D'ALMEIDA, 1988).
34
O licor negro diluído com parte da água usada na lavagem é concentrado
em evaporadores, porém a massa negra resultante não apresenta todos os
componentes originais do licor branco, por isso sulfato de sódio é adicionado em
quantidade equivalente à perdida. Essa mistura vai para a fornalha para promover a
conversão dos compostos orgânicos de sódio em carbonato de sódio e a redução do
sulfato a sulfeto. O fundido da fornalha então é dissolvido em um licor branco fraco.
Esta solução é denominada de licor verde, e contém sulfetos de sódio e de ferro. O
licor verde é tratado com hidróxido de cálcio para caustificar o carbonato de sódio
em hidróxido de sódio, produzindo o licor branco, conforme a Reação 7 a seguir.
Reação 7
Hidróxido de cálcio + Carbonato de Sódio Carbonato de cálcio + Hidróxido de
Sódio
O Carbonato de cálcio precipitado é queimado em um forno para regenerar
óxido de cálcio, conforme a Reação 8 a seguir.
Reação 8
Carbonato de cálcio Óxido de cálcio + Dióxido de carbono
O óxido de cálcio é apagado com água, fornecendo o hidróxido de cálcio
usado na caustificação do licor verde, conforme a Reação 9 a seguir.
Reação 9
Óxido de cálcio + Água Hidróxido de cálcio
O hidróxido de cálcio perdido no processo pode ser compensado, tanto por
reposição de óxido de cálcio, como de carbonato de cálcio (D'ALMEIDA, 1988).
36
2 MATERIAL E MÉTODOS
Para a realização do estudo da viabilidade de comercialização da soda gasta
houve a necessidade de obter os seguintes dados: vazão média de produção,
composição desta vazão e os custos associados à produção, sendo estes fixos e
variáveis.
2.1 Balanço Material da Unidade de Tratamento de Soda Gasta
Para a determinação da vazão de produto realizou-se o balanço material da
Unidade de Tratamento de Soda Gasta. Considerou-se o mês de agosto de 2013
como base de cálculo. A unidade utilizada é t/mês. Este balanço material,
representado na Figura 11, considera entradas = saídas, zero de perdas, portanto é
ideal.
Figura 11 - Balanço Material Unidade de Tratamento da Soda Gasta
2.1.1 Bloco 1 – Sistema de Tratamento de Yellow-Oil
O balanço material do bloco 1 – sistema de tratamento de yellow-oil está
representado na Figura 12, a seguir.
37
Figura 12 - Seção de tratamento de Yellow-oil
Entradas: A saída lateral da torre DA-207 é a retirada do polímero yellow-oil
a cada 8 horas. A água proveniente da torre DA-205 e a Gasolina proveniente da
torre DA-204 são utilizadas no vaso FA-296 com o objetivo de quebrar a emulsão.
Como não há medição, todas as entradas foram calculadas através do
volume do vaso FA-296. O FA-296 tem 1,4 m de diâmetro interno e 3 m de altura,
dados obtidos através do P&I (Process and Instrumentation) da planta.
(1)
Utilizando a Equação 1 pôde-se calcular a área do vaso.
A = π x (1,4)² ÷ 4 = 1,54m²
(2)
E a partir do resultado da área calculou-se o volume do vaso com base na
Equação 2.
V = 1,54 x 3 = 4,62 m³
O vaso FA-296 a cada batelada opera com 40%v de água, 40%v de gasolina
e 20%v de polímero, dados obtidos do manual de operação do SEL-II. Com a
Equação 3, abaixo pôde-se calcular a quantidade utilizada de cada produto. Adotou-
se como premissa 0,12 m³ de margem de segurança, então o volume útil do vaso é
igual 4,5 m³. Portanto:
38
(3)
Volume de Água/batelada = 4,5 x 0,4 = 1,8 m³
Volume de Gasolina/batelada = 4,5 x 0,4 = 1,8 m³
Volume de Polímero/batelada = 4,5 x 0,2 = 0,9 m³
Com base em dados extraídos da literatura, adotou-se a massa específica
da água equivalente a 1000 kg/m³ e a massa específica da gasolina equivalente a
750 kg/m³. A análise da massa específica do polímero não é realizada, portanto
adotou-se como premissa a equivalência com a massa específica da gasolina.
Utilizando a massa específica, pode-se transformar o volume em massa, conforme a
Equação 4.
(4)
Massa de Água/batelada = 1,8 x 1000 = 1800 kg
Massa de Gasolina/batelada = 1,8 x 750 = 1350 kg
Massa de Polímero/batelada = 0,9 x 750 = 675 kg
A retirada do polímero da torre DA-207 é efetuada a cada 8 horas.
Acumulam-se estas retiradas de modo a obter o volume necessário – 20% do vaso
FA-296 – para realizar uma batelada por dia, com duração de 8 horas.
Uma vez que o mês de agosto possui 31 dias e 1 tonelada corresponde a
1000 kg, têm-se a Equação 5, abaixo.
(5)
Vazão de Água = 1800 x 31 ÷ 1000 = 55,80 t/mês
Vazão de Gasolina= 1350 x 31 ÷ 1000 = 41,85 t/mês
39
Vazão de Polímero = 675 x 31 ÷ 1000 = 20,93 t/mês
Saídas: A Gasolina que segue para o vaso FA-298 e posteriormente para a
torre DA-201 é igual à somatória da Gasolina e do Polímero de entrada, conforme
Equação 6.
(6)
Vazão de Gasolina para FA-298= 41,85 + 20,93 = 62,78 t/mês
Pela Equação 7 temos que a vazão que segue para o tanque FB-213 é
equivalente à vazão de água de entrada utilizada no processo.
(7)
Vazão de Água para FB-213 = 55,80 t/mês
2.1.2 Bloco 2 – Tanque de Estocagem FB-213
O balanço material do bloco 2 – tanque de estocagem FB-213 está
representado na Figura 13, a seguir.
Figura 13 - Tanque de Estocagem FB-213
Entradas: Vazão proveniente do tratamento de yellow-oil, resultado da
Equação 7 equivalente a 55,80 t/mês
Calculou-se a vazão proveniente do vaso FA-232 através da diferença entre
a saída e as entradas, pois não há medição dessa variável, a partir da Equação 8.
40
Esse vaso é utilizado para diminuir pressão da soda gasta – saída do fundo da DA-
207 – antes de seguir para o tanque FB-213.
(8)
Vazão proveniente do vaso FA-232 = 3.061,38 - 55,80 - 1.634,02 = 1.371,57
t/mês
A vazão proveniente do vaso FA-269 é a soma das vazões de água que
entram na seção de topo das torres de lavagem cáustica DA-207 e DA-1202, essa
água tem como objetivo lavar o gás de carga para assegurar que soda cáustica não
retorne para o processo, dados obtidos através do PI (Process Book – software que
compila as informações em tempo real dos instrumentos de medição da planta), a
partir da Equação 9.
(9)
Vazão proveniente do vaso FA-269 = 1.567,75 + 66,27= 1.634,02 t/mês
Saídas: Vazão de envio para a seção de Pré-tratamento. Essa vazão é a
somatória de todas as correntes de entrada, dados utilizados obtidos através do PI.
Vazão de envio para o Pré-tratamento = 3.061,38 t/mês
2.1.3 Bloco 3 – Seção de Pré-Tratamento
O balanço material do bloco 3 – seção de pré-tratamento está representado
na Figura 14, a seguir.
41
Figura 14 - Seção de Pré-Tratamento
Entradas: Vazão proveniente do tanque FB-213 equivalente a 3.061,38
t/mês.
Vazão de gasolina proveniente da torre DA-204 utilizada para lavagem da
soda gasta no coalescedor FA-273, dado obtido através do PI.
Vazão de Gasolina proveniente da torre DA-204 = 1.293,86 t/mês
Vazão de água proveniente da torre DA-205 utilizada para lavagem da
gasolina no coalescedor FA-274, dado obtido através do PI.
Vazão de Água proveniente da torre DA-205 = 678,40 t/mês
Vazão de soda gasta proveniente da torre DA-1202, lembrando que essa
corrente entra direto no Pré-tratamento, pois não há formação de yellow-oil nesta
torre, dado obtido através do PI.
Vazão de Soda Gasta da torre DA-1202 = 282, 68 t/mês
Saídas: A vazão de Gasolina para o vaso FA-220 é equivalente a somatória
da vazão de Gasolina de entrada e 1500 ppm de óleo da carga de entrada
proveniente do tanque FB-213, dado extraído do manual de operação do SEL-II, a
partir da Equação 10, abaixo.
(10)
42
Vazão de Gasolina para o vaso FA-220 = 1.293,86 t/mês t/mês + (0,15%1 x
3.061,38 t/mês) = 1.298,46 t/mês
Calculou-se a vazão para seção de Oxidação através da diferença entradas
e saídas, por não existir medição dessa variável, a partir da Equação 11, abaixo.
(11)
Vazão para a seção de oxidação = 3.061,38 + 678,40 + 1.293,86 + 282, 68 -
1.298,46 = 4.017,87 t/mês
2.1.4 Bloco 4 – Seção de Oxidação
O balanço material do bloco 4 – seção de oxidação está representado na
Figura 15.
Figura 15 - Seção de Oxidação
Entradas: Vazão proveniente da seção de pré-tratamento = 4.017,87 t/mês
A vazão de vapor MS (21 kgf/cm²) é utilizada para complementar o calor de
reação, dado obtido através do PI.
Vazão de Vapor MS = 587,96 t/mês
1 1.000.000 equivale a 100%, portando 1500 ppm equivale a 0,15%
43
A vazão de ar proveniente do vaso FA-276 é utilizada para promover a
reação de sulfeto em sulfato, esse dado foi calculado a partir da estequiometria da
reação global feita a partir da Reação 4, resultando na Reação 10.
Reação 10
Sulfeto de sódio + Oxigênio Sulfato de sódio
O dado de projeto da composição de Na2S na carga proveniente da seção
de pré-tratamento é de 3,2%. Pela estequiometria é necessário o dobro de O2,
equivalente a 6,4% para reagir com 1 de Na2S, a partir desses dados têm-se a
vazão de oxigênio utilizada. O O2 utilizado na reação é proveniente do ar. A
composição do ar adotada é equivalente a 79% de N2 e 21% de O2, a partir dessa
premissa pode-se calcular a vazão de ar utilizada na reação, a partir da Equação 12,
abaixo.
(12)
Vazão de Ar proveniente do FA-276 = (4.017,87 x 6,4%) x (1 + 0,79 ÷ 0,21)
= 1.224,49 t/mês
Saídas: A vazão de saída para a atmosfera é a somatória do Nitrogênio que
não reagiu e a fração de vapor2 que não se condensou, conforme a Equação 13,
abaixo.
( ) (13)
Vazão para a atmosfera = ((4.017,87 x 3,2%) x 2) x 0,79 ÷ 0,21 + (4,65% x
587,96) = 994,95 t/mês
A vazão de envio para seção de neutralização é calculada na próxima
seção, pois não há medição dessa variável.
2 Adotou-se o valor da fração de vapor que não condensou conforme a diferença entre a somatória
das entradas e somatória das saídas no balanço material global da unidade.
44
2.1.5 Bloco 5 – Seção de Neutralização
O balanço material do bloco 5 – seção de neutralização está representada
na Figura 16, a seguir.
Figura 16 - Seção de Neutralização
Entradas: A vazão proveniente da seção de oxidação é calculada por
diferença, entre a saída e a vazão de CO2. A vazão de CO2 é necessária para
neutralizar a soda cáustica livre, dado obtido através das entradas de notas fiscais
no SAP ERP (software utilizado para gestão empresarial), uma vez que não há
medição dessa variável.
Vazão de CO2 = 97,39 t/mês
Saídas: A vazão de soda gasta neutralizada para o Sistema de Tratamento
de Efluentes SEL I é obtida através do PI.
Vazão de Soda Gasta Tratada = 4.932,75 t/mês
A partir dos dados acima pôde-se calcular a vazão proveniente da seção de
oxidação conforme a Equação 14:
(14)
Vazão proveniente da seção de oxidação = 4.835,36 t/mês
45
2.2 Determinação do custo total associado à produção
Obteve-se o custo total (CT) associado à produção através da somatória dos
custos fixos (CF), custos logísticos (CL), custos variáveis (CV) e custos de
depreciação (CD) da Unidade de Tratamento de Soda Gasta, representado na
Equação 15.
O custo fixo abrange o custo de manutenção e mão-de-obra (interna e
externa). O custo logístico contempla o custo de frete e seguro do produto enviado,
estes custos podem ser CIF ou FOB. CIF (Cost, Insurance and Freight), o produtor
que arca com o custo de envio do produto e FOB (Free On Board) são os
compradores que assumem os riscos e o custo do envio. O custo variável abrange
as facilidades de suporte utilizadas na unidade conforme o
Quadro 2.
O custo de depreciação é o custo atrelado ao desgaste e o tempo de uso
dos equipamentos da empresa.
(15)
Quadro 2 - Facilidades de Suporte da Unidade de Tratamento de Soda Gasta
46
2.2.1 Custo Variável
Pôde-se calcular o Custo Varável através da vazão total de produção de
soda gasta tratada ou soda gasta neutralizada, e valores de consumo de cada
facilidade de suporte, conforme a Tabela 1.
Tabela 1 - Quantidades de consumo
A quantidade soda gasta tratada é equivalente a 4.932.755 kg/mês, dado
obtido através do balanço material da unidade.
Matérias-Primas Total: Na UNIB 3 ABC, a Soda Cáustica 50% é utilizada
nas áreas de Olefinas e Utilidades. Em Olefinas para a lavagem cáustica nas torres
DA-207 e DA-1202. Em Utilidades para a correção de pH da Água de Resfriamento
e para a regeneração do leito aniônico no processo de obtenção de Água
Desmineralizada. Apenas o consumo de Soda Cáustica 50% na área de Utilidades
47
possui medição, portanto o consumo de Soda Cáustica 50% na área de Olefinas é
calculado através da diferença da entrada de notas ficais de Soda Cáustica a 50% e
o consumo como suporte na produção das águas citadas acima, dado extraído do
SAP ERP. A quantidade de água desmineralizada considerada como matéria-prima
é a diferença entre a somatória das correntes de provenientes do vaso FA-232, vaso
FA-269, vazão de soda gasta proveniente da torre DA-1202 e a quantidade de soda
cáustica 50% consumida.
Consumo de Soda Cáustica 50% = 247.724 kg/mês
Consumo de Água Desmineralizada = 3.040,54 m³/mês
Químicos Total: A quantidade descrita nesta categoria é a somatória do
consumo de Nitrogênio e de Dióxido de Carbono. O Nitrogênio utilizado é para a
selagem dos coalescedores FA-273 e FA-274, vasos FA-275 e FA-299 e tanque FB-
213. Os dados utilizados são provenientes das folhas de dados dos equipamentos e
para o cálculo do consumo adotou-se a vazão normal de selagem, conforme a
Tabela 2.
Tabela 2 - Selagem com Nitrogênio
O consumo de Nitrogênio para selagem de equipamentos é a somatória da
vazão normal de operação, conforme a Equação 16. O Nitrogênio consumido é
medido em m³, para converter a unidade da vazão utilizou-se a massa específica do
N2, retirado da literatura, equivalente a 1,153 kg/m³. A vazão normal tem como
unidade kg/h, para calcular o consumo mensal é necessário converter horas para
mês, para isso multiplicou-se 24 equivalente a quantidade de horas em um dia e 31
equivalente a quantidade de dias no mês de agosto.
48
∑ (16)
Consumo de N2 = (1,2 + 58 + 31 + 24,5 + 4,4) x 24 x 31 ÷ 1,153 = 76.852,04
m³/mês
O dióxido de carbono utilizado para neutralizar a soda gasta é equivalente
ao consumo total de toda a planta de insumos básicos. Esse dado é proveniente do
balanço matéria da unidade de tratamento da soda gasta, listado acima.
Consumo de CO2 = 97.390 kg/mês
Energia Total: A energia total descrita nesta categoria é a somatória de
consumo da energia elétrica e vapor utilizado. A energia elétrica é consumida em
motores de agitadores e bombas desta unidade. Os dados de consumo são
provenientes da folha de dados de cada bomba e de cada motor conforme a Tabela
3 abaixo. As bombas são discriminadas como GA e os Motores de agitadores como
GD.
Tabela 3 - Consumo de Motores e Bombas
Na seção de Tratamento de Yellow-oil o motor GD-296 é utilizado para a
agitação no vaso FA-296, este vaso opera somente 8 horas por dia. Todos os outros
49
motores e bombas operam ininterruptamente o dia inteiro. A unidade de consumo de
energia extraída da folha de dados dos equipamentos é equivalente em kWh, para
calcular o consumo mensal de energia é necessário converter horas para mês, para
isso multiplicou-se 24 equivalente a quantidade de horas em um dia e 31 equivalente
a quantidade de dias no mês de agosto. A fórmula utilizada para o cálculo do
consumo de energia está representação na Equação 17 abaixo.
∑
(17)
Consumo de EE = (22,2 x 8 + (1,5 + 11,1 + 1,1 + 2,2 + 5,6 + 92,5 + 92,5 +
92,5 + 1,1 + 18,4 + 3,7) x 24) x 31 = 237.303,00 kWh/mês
O vapor é utilizado exclusivamente para complementar o calor de reação,
esse dado é obtido através do balanço material.
Consumo de vapor = 587,96 t/mês
Utilidades Total: É a somatória do consumos das águas de resfriamento e
desmineralizada.
A Água de Resfriamento (AGR) é utilizada em trocadores de calor, estes
dados foram extraídos do manual de operação do SEL-II que contempla o projeto
original da planta. O consumo de AGR tem como unidade m³/h, para calcular o
consumo mensal é necessário converter horas para mês, para isso multiplicou-se 24
equivalente a quantidade de horas em um dia e 31 equivalente a quantidade de dias
no mês de agosto, conforme a Equação 18, abaixo.
(18)
Consumo de AGR = 85 x 24 x 31 = 63.240 m³/mês
O consumo de Água Desmineralizada, em utilidades se dá através da
somatória da água utilizada no tratamento de yellow-oil e a água utilizada no pré-
50
tratamento, representado na Equação 19, dados retirados do balanço material. Este
consumo contempla também a água utilizada na selagem das bombas da unidade,
porém este valor não é somado, pois esta água entra no processo, portanto então já
está sendo considerada no balanço material. A Água Desmineralizada de utilidades
não difere da Água Desmineralizada utilizada como matéria-prima, à separação teve
como objetivo diferir o que entra como diluição e lavagem das torres, no caso de
matéria-prima com o que é utilizada efetivamente no processo da unidade de
tratamento da soda gasta. O consumo de Água Desmineralizada (Desmi) tem como
unidade t, porém o custo unitário está em R$/m³, portanto é necessário converter t
em m³, para isso utilizou-se a massa específica da água retirado da literatura
equivalente a 1000 kg/m³. Sabendo que 1 t é equivalente a 1000 kg, têm-se que 1 t
de água desmineralizada é equivalente a 1 m³ de água desmineralizada.
(19)
Consumo de Desmi = 678,40 + 55,80 = 734,20 t/mês = 734,20 m³/mês
Utilizou-se a Equação 20, abaixo para verificar se o CV está de acordo como
Balanço Material, a somatória de todos os consumos discriminados no CV deve ser
equivalente a vazão de soda gasta tratada. O resultado é expresso em kg, portanto
deve-se considerar as unidades.
(20)
4.932.755 kg = 247.724 + (3.041,54 x 1000) + 97.390 + (588 x 1000 x
0,9531) + (63.240 x 1000) + (734,20 x 1000)
4.932.755 kg ≠ 4.680.206 kg
51
Diferença de 252.549 kg equivalente a 257.143 kg de O2 utilizado na seção
de oxidação como ar de processo que não é quantificado nem valorado em nenhum
custo variável da planta de insumos básicos e 4,59 kg de hidrocarbonetos que saem
juntamente com a gasolina na seção de pré-tratamento.
Através da Equação 21 é possível valorar os consumos das facilidades de
suporte.
(21)
O CV é equivalente a multiplicação do custo unitário (CU), extraído do SAP
ERP, conforme a Tabela 4 e as quantidades de consumo (Q) da Tabela 1. Como
resultado tem-se a Tabela 5.
Tabela 4 - Custo Unitário – 08/2013
52
Tabela 5 - Custo Variável da Soda Gasta Tratada
2.2.2 Custo Fixo, Custo de Depreciação e Custo Logístico
Em uma Petroquímica o custo variável representa cerca de 90% do custo
total. Isso se deve ao alto custo da matéria-prima proveniente do refino do petróleo -
nafta.
Para o cálculo do custo total, disponível na Tabela 6, a adotou-se como
premissa que o Custo Variável equivale 89,3% do Custo Total, o Custo de
Depreciação equivale 5,6% e o Custo Fixo 5%. O Custo logístico é considerado
como zero, pois não há gastos com o envio deste produto.
53
Tabela 6 - Resultado do custo total de produção/tratamento
2.3 Procedimentos Experimentais
Houve a necessidade de enviar amostras, representadas na Figura 17 para
a UNIB 2 RS, onde há estrutura e equipamentos necessários para realizar a análise
de composição.
Figura 17 - Amostras enviadas para análise na UNIB 2 RS
Na Tabela 7 está listada a relação de dias em que as amostras foram
coletadas em seus relativos pontos de amostragem. O ponto S-2770 fica localizado
na tubulação de corrente de entrada do Pré-Tratamento, o S-2764 na saída do Pré-
Tratamento, o S-2767 na saída da Oxidação e o S-2768 na Saída da Neutralização.
O número de amostras coletadas é equivalente a 20 e foram devidamente dispostas
em frascos de vidro de 500 mL com septo e tampa.
54
Tabela 7 - Datas de coleta
Na UNIB 2 RS a composição da vazão é realizada através de três métodos
de análise laboratoriais:
1. Determinação Potenciométrica de Álcali efetivo, Ativo, Total, Sulfidade,
NaOH, Na2S, NaSH e Na2CO3 conforme a norma SCAN 30:85;
2. Determinação de Orgânicos Voláteis em Amostras Aquosas e Sólidas por
Headspace e Cromatografia Gasosa, através das normas EPA 5021-96 e
EPA 8021-B-96;
3. Determinação de Ânions por Cromatografia Iônica através na norma SM
4110-B-00.
Realizar análises para determinar a composição da vazão de produção da
soda gasta na UNIB 3 ABC – local do estudo de caso – é inviável, pois as únicas
análises que são realizadas contemplam apenas as variáveis de especificação do
efluente. As análises realizadas estão descritas no Quadro 3.
55
Quadro 3 - Análises laboratoriais realizadas na UNIB 3 ABC
A análise de determinação de densidade segue a norma ASTM D 4052 -
Método de ensaio para a densidade e da densidade relativa de líquidos por Metro
Density Digital como referência. Realizou-se a análise em 01 de outubro de 2013 na
UNIB 3 ABC. Esta análise de determinação de densidade é necessária para calcular
a quantidade em massa que poderá ser transportada em cada carreta. O resultado
desta análise está disponível na Tabela 8.
Na determinação da massa específica pela ASTM D4092, cerca de 0,7 mL de amostra é introduzida em um tubo limpo e seco com o auxílio de uma seringa. Liga-se a iluminação do equipamento e examina-se a amostra no tubo cuidadosamente, assegurando-se que não há bolhas aprisionadas dentro do tubo e que este esteja cheio até um pouco além do ponto de suspensão no lado direito. Desliga-se a iluminação do equipamento após a introdução da amostra, pois este calor gerado pode afetar a medida da temperatura. Quando o equilíbrio de temperatura estiver estabelecido anotam-se a massa especifica e o valor da temperatura. O valor da massa específica pode ser expresso em kg -³ou g mL-1 (ALEME, 2008).
56
Tabela 8 - Resultados da análise de densidade
Até a data de entrega deste trabalho as amostras enviadas para a UNIB 2
RS, estavam em análise. Com este resultado seria possível comparar os dados reais
com os dados de projeto.
Os dados de projeto da composição da vazão e do pH das seções de Pré-
Tratamento, Oxidação e Neutralização estão apresentados na Tabela 9.
Tabela 9 - Composição de Projeto
A partir da Tabela 9 e da Equação 22, pode-se identificar a porcentagem
mássica de cada componente, representado na Tabela 10.
∑ (22)
57
Tabela 10 - Porcentagem mássica dos componentes
De modo a comparar a porcentagem utilizada na Indústria de Papel e
Celulose, disponível no Quadro 1 com a Soda Gasta, calculou-se através da
Equação 23 a porcentagem mássica na base seca das frações que contém sódio em
sua composição.
∑ (23)
Tabela 11 - Porcentagem mássica dos componentes inorgânicos - base seca
58
3 RESULTADOS E DISCUSSÃO
Com objetivo de analisar a viabilidade de doação da Soda Gasta, foram
considerados dois cenários, de acordo com a viabilidade técnica dos processos de
Lavagem Cáustica e Tratamento da Soda Gasta da Indústria Petroquímica e
Produção de Celulose e Ciclo de Recuperação de Licor de Cozimento da Indústria
de Papel e Celulose.
3.1 Cenário 1
Considerou-se como Cenário 1, a parada de operação da seção de
neutralização da Unidade de Tratamento da Soda Gasta. O objetivo é inutilizar a
esta seção de modo a conservar a soda livre presente na Soda Gasta, para a
utilização na seção de licor negro fraco, como reposição das perdas do ciclo de
recuperação do licor de cozimento.
Sem esta seção diminui-se o consumo de energia elétrica em 15.903
kWh/mês, referentes à inutilização de dois conjuntos de bombas conforme a Tabela
3.
Com a inutilização dessa seção zerou-se o consumo de dióxido de carbono,
que é utilizado justamente para neutralizar a soda livre presente na Soda Gasta.
Reduziu-se a vazão de produção de Soda Gasta tratada em 97.390 kg,
justamente a quantidade de consumo de CO2 que não será mais utilizado.
A Tabela 12, está contemplando todas as reduções citadas anteriormente e
foi utilizada para o cálculo do CV deste cenário.
59
Tabela 12 - Quantidades - cenário 1
A partir dos consumos calculados na Tabela 12 e os custos unitários
disponíveis na Tabela 4 pôde-se calcular o custo variável para o Cenário 1.
Como resultado tem-se que a economia mensal devido à redução do
consumo de energia elétrica é equivalente a R$ 1.984,42. A economia referente ao
não consumo de toda a vazão de CO2 é equivalente a R$ 45.886,76. Portanto a
economia mensal totaliza-se a R$ 47.871,18, conforme os cálculos efetuados na
Tabela 13, abaixo.
60
Tabela 13 - Custo Variável - cenário 1
O custo variável do Cenário 1 portanto é equivalente a R$ 1.050.344 e o
custo variável por tonelada produzida, para este mesmo cenário é equivalente a R$
217,22.
Considerando o cenário 1 a soda gasta é uma solução a 13,72% de NaOH,
Na2SO4, Na2S2O3 e Na2CO3, resultados da Tabela 10. Na Tabela 11 tem-se a
composição na base seca equivalente a 12,21% NaOH, 48,52% Na2CO3, 33,12%
Na2SO4 e 6,14% Na2S2O3.
61
3.1 Cenário 2
Considerou-se como Cenário 2, a parada de operação da seção de
neutralização e da seção de oxidação, ambas da Unidade de Tratamento da Soda
Gasta. O objetivo é inutilizar estas seções de modo a conservar a soda livre e o
sulfeto de sódio presentes na Soda Gasta, para a utilização na corrente de sulfato
de sódio de reposição no ciclo de recuperação do licor de cozimento.
Sem estas seções diminui-se o consumo de energia elétrica em 216.495
kWh/mês, referentes à inutilização de três conjuntos de bombas e três agitadores
conforme a Tabela 3.
Com a inutilização dessas seções zerou-se o consumo de dióxido de
carbono, que é utilizado justamente para neutralizar a soda livre presente na Soda
Gasta.
Zerou-se o consumo de vapor que é utilizado na seção de oxidação para
complementar o calor de reação que ocorre nos reatores DC-204A/B/C.
O consumo de ar também foi zerado, pois é utilizado na reação de oxidação
do sulfeto de sódio presente na soda gasta.
Reduziu-se a vazão de produção de Soda Gasta tratada em 914.888 kg,
justamente a somatória das quantidades de CO2, vapor e ar atmosférico, que não
serão mais utilizados.
A Tabela 14, está contemplando todas as reduções citadas acima e será
utilizada posteriormente para o cálculo do CV deste cenário.
62
Tabela 14 - Quantidades - cenário 2
A partir dos consumos calculados na Tabela 14 e os custos unitários
disponíveis na Tabela 4 pôde-se calcular o custo variável para o Cenário 2.
Como resultado tem-se que a economia mensal devido à redução do
consumo de energia elétrica é equivalente a R$ 27.014,90. A economia referente ao
não consumo de toda a vazão de CO2 é equivalente a R$ 45.886,76. A economia
referente ao não consumo de toda a vazão de vapor é equivalente a R$ 71.595,05.
Portanto a economia mensal totaliza-se a R$ 144.496,91, conforme os cálculos
efetuados na Tabela 15.
63
Tabela 15 - Custo Variável - cenário 2
O custo variável do Cenário 2 portanto é equivalente a R$ 953.718 e o custo
variavel por tonelada produzida, para este mesmo cenário é equivalente a R$
237,37.
Considerando o cenário 2 a soda gasta é uma solução a 10,80% de NaOH,
Na2S e Na2CO3, resultados da Tabela 10. Na Tabela 11 tem-se a composição na
base seca equivalente a 11,11% NaOH, 59,26% Na2CO3, 29,63% Na2S.
3.3 Economia dos cenários
Considerando que os custos fixos, logísticos e de depreciação em ambos os
cenários se mantem iguais, a única economia se dá, portanto no custo variável,
conforme Tabela 16 abaixo.
64
Tabela 16 - Cenários – economia mensal e anual
A economia mensal do Cenário 1 é equivalente a R$ 47.871,18 e do Cenário
2 é equivalente a R$ 144.496,71.
3.4 Rota Logística
Para realizar a análise da viabilidade de doação, solicitou-se um orçamento
para uma empresa logística com finalidade de obter os custos logísticos de envio
para quatro destinos. Estes destinos foram escolhidos de acordo com a receita das
empresas e sua localização no estado de São Paulo. Na Figura 18 pode-se
identificar as empresas envolvidas.
Figura 18 - Saída e Destinos Logísticos
Os endereços utilizados para solicitar os orçamentos estão discriminados no
Quadro 4 abaixo:
65
Quadro 4 - Endereços de Saída e Destinos
No Quadro 5, têm-se a distância entre a Saída (Braskem) e cada um dos
quatro destinos orçados.
Quadro 5 - Distância Braskem-Destinos
Na Tabela 17 a seguir estão os Custos Logísticos orçados referentes a cada
destino solicitado.
Tabela 17 - Orçamento Carretas
Com os resultados disponíveis na Tabela 8 pôde-se calcular através da
Equação 24 o valor em massa por carreta que é possível transportar, adotou-se
como premissa que volume de uma carreta é equivalente a 35.000 L.
(24)
Cenário 1: 35.000 x 1,059 x 1000 = 37065000 g = 37,065 t
Cenário 2: 35.000 x 1,073 x 1000 = 37555000 g = 37,555 t
66
Através da Equação 25, abaixo, pôde-se calcular a quantidade de carretas
que necessitam ser utilizadas para escorrer toda a produção mensal da soda gasta.
(25)
Cenário 1: 4.835,365 ÷ 37,065 = 131 carretas
Cenário 2: 4.017, 867 ÷ 37,555 = 107 carretas
(26)
Utilizou-se a Equação 26 para calcular o custo por carreta que é resultado
da multiplicação do CL, obtido través da Tabela 17 e a massa disponível por carreta
nos dois cenários de análise, resultados da Equação 24. Os resultados de cada
cenário estão dispostos através das Tabela 18 e Tabela 19 abaixo.
Tabela 18 - Custo por carreta - cenário 1
Tabela 19 - Custo por carreta - cenário 2
Calculou-se o custo mensal de carretas necessárias através da Equação 27,
multiplicando os resultados obtidos das Equações 25 e 26. Tal custo está disposto
na Tabela 20 e Tabela 21.
67
(27)
Tabela 20 - Custo logístico mensal - cenário 1
Tabela 21 - Custo logístico mensal - cenário 2
Através da Tabela 16 - Cenários – economia mensal e anual, temos que a
economia mensal para o Cenário 1 é equivalente a R$ 47.871,18 e para o Cenário 2
equivalente a R$ 144.496,71. Todos os resultados da Tabela 20, estão acima da
economia mensal equivalente a este cenário, portanto não é possível arcar com os
custos logísticos para o envio da Soda Gasta para nenhum dos quatro destinos. Na
Tabela 21, pôde-se identificar que o custo logístico para o destino 1 é menor que a
economia mensal para este cenário, então apenas para apenas este destino, é
possível arcar com os custos logísticos para o de envio de Soda Gasta.
68
CONCLUSÃO
De acordo com o Quadro 1 o licor de cozimento é uma solução a 12,5% de
NaOH, Na2S e Na2CO3. A análise típica dos sólidos é equivalente a 58,6% de
NaOH, 27,1% de Na2S, 14,3% de Na2CO3. Apenas o cenário 2 se aproxima dessa
composição. Até a data de entrega deste trabalho as amostras enviadas para a
UNIB 2 RS, estavam em análise. Com este resultado seria possível comparar os
dados reais com os dados de projeto e verificar se a composição real da soda gasta
é equivalente a composição do licor branco, de moro a assegurar a viabilidade
técnica.
Calculou-se o resultado considerando que se arcaria com o custo de envio
das carretas - CIF (Cost, Insurance and Freight).
A possibilidade de doação da Soda Gasta só é viável para o cenário 2 –
parada das seções de oxidação e neutralização - enviando para o destino 1 –
Suzano/SP –. Considerando venda, é possível precificar o produto de tal maneira
que não haja impacto deste custo.
Não é possível afirmar que num raio de 30 km – distância entre a UNIB 3
ABC, Braskem e Suzano Papel e Celulose – haja a viabilidade de doação. Para
cada destino almejado deve-se solicitar um orçamento de custo logístico, de modo
que contemple o custo de frete que é variável a cada região.
Considerando que os compradores assumem os riscos e o custo do envio -
FOB (Free On Board), é viável doar e vender. Sendo que, no caso de doação a
empresa teria uma economia de acordo com os cenários, e no caso de venda, além
desta economia, ainda obteria uma margem de lucro.
Em caso de doação uma opção, seria negociar o custo de frete de modo a
zerar a despesa, assim a empresa não teria nem prejuízo nem lucro. O ganho então
69
seria somente ambiental, pois o risco de contaminação do rio com sulfeto seria zero.
Além de ser um processo eco eficiente (enlace entre os pilares ambiental e
econômico da sustentabilidade), pois agrega valor a um efluente utilizando-o como
insumo em outro processo.
Em caso de venda em ambos os cenários existe um alto risco de não haver
possibilidade de mercado, pois a obtenção de licor brando na indústria de papel e
celulose é um ciclo fechado, onde há regeneração, sendo assim poucas perdas
durante o processo. A Soda Gasta é um coproduto, portanto é inerente ao processo
de produção de Eteno, devido a esta condição o custo de produção deste coproduto
é irrecuperável – sunk cost –, então para realização da precificação é necessário
somente considerar os custos logísticos e a margem de lucro a fim de ser obtida.
Considerando a possibilidade de trabalhos futuros, pode-se estudar a
viabilidade deste efluente cáustico proveniente da indústria petroquímica se tornar
um insumo em processos de saponificação e sais metálicos.
70
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