TECHNICAL PREPRINTS REALIZAÇÃO: 23 a 26 de Outubro Guarujá / SP

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1 TECHNICAL PREPRINTS REALIZAÇÃO: 23 a 26 de Outubro Guarujá / SP

2 COBRAS Pequenas plantas modulares se enquadram em um mundo de megaplantas? Nelson P. Clark, Alexandre C. Bastida, Bruno B. Ferraro, Vitor A. Sturm Clark Solutions Plantas de ácido sulfúrico tem crescido de capacidade nas últimas décadas. Há trinta anos, uma planta com capacidade de 2000 MTPD era considerada grande. Atualmente, plantas com mais de 4500 MTPD estão se tornando mais comuns. No cenário atual existe interesse em plantas com capacidade de MTPD? Enquanto grandes metalúrgicas e complexos industriais de fertilizantes requerem a produção de larga escala de ácido sulfúrico para controle de poluição e produção de insumo de processo, pequenos consumidores enfrentam dificuldades na logística de aquisição e na confiabilidade da oferta de ácido sulfúrico. Um consumidor de ácido sulfúrico no Brasil, a Kalium Mineração, decidiu construir sua própria planta de ácido sulfúrico ao invés de comprar ácido. Por causa de sua localização remota, a decisão foi de adquirir uma planta modular de 150 MTPD. Essa alternativa permite maior flexibilidade e menor dependência na aquisição de ácido por parte da Kalium, insumo importante dentro de seu processo produtivo. Vantagens de custos logísticos e de insumos também são fatores impactantes, uma vez que há a substituição do enxofre por ácido como insumo básico. Outros ganhos estão associados à essa alernativa, como a redução dos gastos em combustíveis para geração de vapor necessário no processo, uma vez que vapor é um co-produto da planta modular de ácido sulfúrico. Vantagens econômicas e estratégicas tem se mostrado favoráveis para a utilização do conceito de plantas mais compactas, com investimento mínimo e capacidade produtiva suficiente para atender a demanda local ou consumo próprio. Essa alternativa poderá ser aplicada no Brasil dentre os diversos consumidores de ácido sulfúrico de média escala.

3 A PLANTA. A Clark Solutions projetou uma planta com queima de enxofre de capacidade de 150 MTPD de ácido sulfúrico de tipo simples absorção com scrubber de peróxido. De acordo com a estrutura do site, a opção foi de construir a planta de forma modular, interligando os módulos após instalados. A planta consiste de 9 (nove) módulos, cada um com dimensões inferiores a um contâiner de 40 pés. 01 Módulo de fusão e filtragem de enxofre: consiste em tanque de fusão e filtrado e um filtro de enxofre projetada para processar mais de 2 toneladas por hora de enxofre sólido. 01 Módulo de circulação de ácido: consiste em um tanque de aço inoxidável para circulação de ácido, torre de secagem, torre de absorção e tubulações. 01 Módulo de compressão: com um soprador. 01 Módulo de queima de enxofre: uma fornalha horizontal revestida e com bicos de injeção fixos seguida de uma caldeir. Vapor saturado a 10 bar é produzido para consumo no processo. 01 Módulo de conversão #1: gases da fornalha são alimentados em um conversor de 2 passes oblongo projetado com CFD. 01 Módulo de conversão #2: gases do conversor #1 são alimentados no conversor #2, de dimensões similares. O resfriamento dos passes é realizado com ar de diluição. O gás proveniente do conversor é resfriado em uma caldeira antes de ser alimentado na torre de absorção. 02 Módulos de Caldeira: as caldeiras são posicionadas após os passes de conversão para gerar vapor a 10 bar. 01 Módulo de Scrubber de H2O2: o arranjo de simples absoção não permite conversões muito acima de 98,5%. O SO2 não convertido é direcionado a um scrubber plástico de peróxido, produzindo ácido diluído. Esse ácido é consumido como diluição da planta. A área requerida pela planta de ácido da Kalium é pequena. Com espaço aberto para facilitar acesso para manutenção e operação, com grandes corredores entre os módulos, a área total requerida pela planta é menor que 500 m². Figura 1: Arranjo conceitual da planta.

4 Esse modelo permite o (des)comissionamento da planta de acordo com a necessidade de produção e dentro do planejamento logístico entre diferentes unidades. No caso de parada definitiva de operação, a planta pode ser facilmente transportada para outra unidade produtiva. A adição de mais módulos também permite o aumento de capacidade de produção de uma unidade com menores custos e intervenções em campo se comparados com uma planta convencional. OPERAÇÃO. A planta de ácido apresenta alta integração com o processo, suprindo a necessidade de ácido e de vapor da operação da Kalium. Sem a planta de ácido, a Kalium necessitaria comprar ácido do mercado e queimar combustíveis para geração de vapor. Por ser uma planta de simples absorção com scrubber, há consumo de H2O2 como agente de absorção para produzir ácido fraco, proporcionando emissões abaixo de ppm e turndown abaixo de 50% uma vez que não há circuito intermediário para afetar o balanço térmico dos leitos de conversão. A planta opera sem trocadores gás-gás. Tabela 1: Dados processuais da planta modular. Uma abordagem interessante em avaliação, dada a demanda de vapor de 10 bar, é o uso do sistema de recuperação de energia indireta patenteado pela Clark Solutions, o SAFEHR. No SAFEHR, ácido concentrado ( %) a 200 C é usado para absorver SO3 na torre de absorção. Esse ácido, em decorrência do calor de reação, aquece até cerca de 220 C e é resfriando em um trocador de calor em 310SS enquanto aquece o fluido proprietário da Clark Solutions, o CS 270. O fluido é totalmente inerte ao ácido e à água, então em um evento de vazamento não há risco de de propagação de corrosão de forma catastrófica, como ocorre em casos de diluição de ácido em vazamentos de sistemas convencionais. De fato, como o vazamento não apresentará aumento, como não haverá diluição ou aquecimento do ácido, a planta pode inclusive operar com vazamento do ácido para dentro do sistema com o fluido, podendo programar uma parada para manutenção sem necessidade de paradas emergencias. O sistema conta com um sistema de drenagem especial, que permite separa o ácido ou a água do fluido, que são imiscíveis. Figura 2: Corrosão promovida no contato de sulfúrico com água (esquerda) e com fluido CS 270 (direita).

5 O SAFEHR é um sistema que consiste de: um leito inferior de absorção de SO3 com ácido quente, gerando calor em uma faixa de temperaturas que permite o aproveitamento do calor na geração de vapor a 10 bar; um leito superior com ácido frio a moderado, condensando vapores de ácido e SO3 provenientes do leito inferior e reduzindo a temperatura do gás encaminhado ao Scrubber; um prato coletor para evitar mistura do ácido quente e frio; e, um sistema de trocadores de calor com circulação intermediária de fluido térmico para evitar contato entre ácido e água, mantendo o sistema livre de corrosão e explosão por H2. Os demais componentes do Safehr são similares aos utilizados em torres de absorção convencional, salvo o material utilizado em 310SS. FIBERBED MIST ELIMINATORS UPPER LEVEL ACID DISTRIBUTOR COOL ACID FROM DRYING TOWER 98% & 75 C TOWER PACKING UPPER LEVEL SUPPORT COLLECTOR TRAY ACID DISTRIBUTOR TOWER PACKING COOL ACID TO DRYING TOWER 98% & 75 C COOLED ACID 99.0% & 200 C HOT ACID 99.0% & 225 C SUPPORT HOT INTERMEDIATE FLUID 200 C COOLED FLUID 180 C Figura 3: Arranjo conceitual do SAFEHR. BFW STEAM O SAFEHR proporciona o aumento da geração de vapor em cerca de 40%, e para cada tonelada de ácido o SAFEHR pode produzir 0,5 tonelada adicional de vapor. Além do aumento de geração de vapor, o SAFEHR também reduz o requerimento de água de resfriamento que seria utilizado em uma torre de absorção convencional. Tabela 2: Dados processuais da planta modular com SAFEHR.

6 BENEFÍCIOS. Produtos secundários: vapor é um co-produto do processo e um insumo valioso. O scrubber também pode ser projetado para produzir diferentes co-produtos como sulfato de amônio, sulfato de sódio e outros. Reduzido custo de transpore: o transporte, especialmente em locais com difícil acesso, tem bastante impacto econômico. A planta de ácido reduz o volume de transporte em cerca de 3 vezes e também os riscos associados. Acidentes com transporte de ácido são mais perigosos e danosos que acidentes com transporte de enxofre sólido. Menor custo de estocagem: enxofre pode ser estocado em pilhas abertas e consumido conforme requerido, enquanto ácido requer tanques grandes e manutenção e riscos associados. Segurança de construção: o conceito modular reduz riscos inerentes de construção em campo. Módulos podem ser fabricados em condições de trabalho muito mais controladas e seguras. Qualidade de construção: módulos são fabricados e testados na fábrica para garantir qualidade superior. CONCLUSÃO. Apesar de plantas de ácido sulfúrico apresentarem capacidades cada vez maiores, pequenas plantas modulares continuarão a encontrar suas aplicações para aqueles que necessitam de MTPD de consumo próprio de ácido, também beneficiando do vapor ou energia gerados em tais plantas.

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