Materiais com custo-benefício favorável para a Indústria de Etanol Aços Inoxidáveis Materiais com custo-benefício favorável para a Indústria de Etanol Kristina Osterman Consultora do Nickel Institute 1
AÇOS INOXIDÁVEIS MATERIAIS COM CUSTO-BENEFÍCIO FAVORÁVEL PARA A INDÚSTRIA DE ETANOL Kristina Osterman Consultora do Nickel Institute Tradução para o português - ABINOX Foto da capa: Planta de etanol de milho, Ontario, Canadá. istock photo @ SimplyCreativePhotography
AÇOS INOXIDÁVEIS Materiais com custo-benefício favorável para a Indústria de Etanol Kristina Osterman Consultora do Nickel Institute O Nickel Institute O Nickel Institute (www.nickelinstitute.org) é uma associação internacional sem fins lucrativos da indústria, ativamente envolvida com, e com foco principal, no desenvolvimento do uso sustentável e responsável de aço inoxidável e outros materiais que contêm níquel. A organização é ativa em todos os principais setores de uso final de aço inoxidável, oferecendo orientação e assessoria técnica neutra em relação à sua utilização economicamente eficiente. Este artigo foi extraído de Aço Inoxidável na Indústria de Biocombustíveis, uma publicação do Nickel Institute para auxiliar os produtores de etanol, biodiesel e biogás, os fornecedores de tecnologia de processo, os desenvolvedores, bem como projetistas de instalações e operadores, a reconhecer as aplicações onde benefícios económicos podem ser obtidos a partir da seleção do tipo apropriado de aço inoxidável. Para receber uma cópia gratuita da publicação, entre em contato com Kristina Osterman em +1-905-727-4615 ou @ Kristina.osterman miyainternational.com. A ABINOX Associação Brasileira do Aço Inoxidável é uma associação sem fins lucrativos que congrega os integrantes da cadeia brasileira do aço inoxidável. Kristina Osterman é consultora do Nickel Institute. A autora agradece o apoio do Nickel Institute na preparação deste documento. 3
Aços Inoxidáveis AÇOS INOXIDÁVEIS Materiais com custo-benefício favorável para a Indústria de Etanol Os aços inoxidáveis são os materiais ideais para inúmeras aplicações nas usinas de etanol e têm um excelente histórico. Eles oferecem excelente resistência à corrosão, boa resistência mecânica, e ductilidade e tenacidade elevadas. Os aços inoxidáveis são de fácil manutenção, possuem uma superfície lisa e higiénica e oferecem uma aparência moderna e atrativa. Sendo 100% reciclável, o aço inoxidável contribui para os objetivos e metas de sustentabilidade da indústria de biocombustíveis. Um número crescente de empresas de engenharia de processos de biocombustíveis, têm especificado o aço inoxidável, para uma parte considerável dos equipamentos de produção. Estas empresas estão conscientes de que os custos de manuseio, construção e fabricação podem frequentemente ser menores, quando os aços inoxidáveis são utilizados, em substituição aos aços carbono, muito mais pesados. Há por vezes ainda, uma percepção de que os aços inoxidáveis são materiais caros e que deveriam limitar-se a aplicações mais corrosivas, no entanto, as múltiplas vantagens dos aços inoxidáveis, fazem com que possam ser utilizados de forma rentável. Isto tem sido demonstrado amplamente e com sucesso, em usinas de etanol em todas as principais regiões produtoras. À medida que a indústria cresce e se desenvolve, esta tendência torna-se ainda mais clara. Isso não significa que os aços inoxidáveis são economicamente viáveis em todas as aplicações, no entanto, as usinas de etanol procuram cada vez mais equipamentos confiáveis, duráveis e com baixos custos de manutenção, atributos que os aços inoxidáveis são capazes de fornecer. Condições Gerais do Processo Os processos de produção de etanol podem ser considerados moderadamente corrosivos. Numa planta de etanol o ph varia de 5,8 a 2 (ligeiramente a moderadamente ácido) na maioria das etapas do processo de produção. As temperaturas são relativamente baixas, com algumas exceções, quando podem chegar a 115 C (240 F) (o estágio de pré-tratamento de produção de etanol celulósico será discutida separadamente). Os aços inoxidáveis austeníticos padrão são, portanto, amplamente utilizados e reconhecidos como soluções econômicas e confiáveis. Estima-se que cerca de 90% do aço inoxidável usado em usinas de etanol existentes é do tipo 304 (UNS S30400) ou sua versão de baixo carbono, 304L (S30403). O grau L é preferível onde a soldagem será necessária. Estes tipos populares de aços inoxidáveis atendem as exigências de resistência à corrosão e estão disponíveis em todas as formas exigidas de produtos em todo o mundo. O aço inoxidável tipo 316L (S31603) é especificado frequentemente onde as condições operacionais do processo de produção de etanol são mais corrosivas devido a temperaturas mais elevadas e / ou a presença de ácidos, agentes de limpeza ou níveis mais elevados de cloreto nas matérias-primas. Além disso, para algumas aplicações, poderão ser especificados aços inoxidáveis especiais e ligas de níquel. Existem algumas diferenças entre os requisitos de aço inoxidável para usinas de etanol de milho com moagem TABELA 1: PRINCIPAIS TIPOS DE AÇO INOXIDÁVEL UTILIZADOS EM USINAS DE ETANOL Tipo UNS EN Atributos 304 S30400 1.4301 Boa resistência à corrosão em meios levemente ácidos e em soda caustica. Nível de resistência mínimo, levemente superior ao do tipo L 304L S30403 1.4307 Idem acima, mas os tipos L são utilizados em construções soldadas. Material pode ser comprado normalmente com Dupla certificação, atendendo os requisitos de ambos 304 e 304L. 316 S31600 1.4401 / 1.4436 316L S31603 1.4404 / 1.4432 Resistência à corrosão melhorada nas condições de maior acidez, especialmente em altas temperaturas e/ou na presença de cloretos. Idem acima, mas os tipos L são utilizados em construções soldadas. Material pode ser comprado normalmente com Dupla certificação, atendendo os requisitos de ambos 316 e 316L. 4
Materiais com custo-benefício favorável para a Indústria de Etanol a seco e úmida. Na moagem a seco, o aço inoxidável utilizado é essencialmente do tipo 304 (L). No processo de moagem por via úmida, o tipo 316 (L) é especificado nos equipamentos, já que o milho será mergulhado em uma solução mais corrosiva, contendo dióxido de enxofre (SO2) e ácido láctico. Há um cenário semelhante quanto aos materiais utilizados em evaporadores e secadores. Em uma planta de etanol com moagem seca, os equipamentos serão normalmente fabricados a partir do Tipo 304 (L). O mesmo equipamento utilizado em instalações de moagem úmida será de preferência fabricado com o Tipo 316 (L), que oferece uma melhor resistência à corrosão. A fase de pre-tratamento em tecnologias de produção de etanol celulósico A fase de pré-tratamento dos processos destinados à produção de etanol celulósico, pode ser consideravelmente mais corrosiva do que o resto do processo de produção. Este é particularmente o caso em plantas que utilizam a hidrólise ácida para quebrar a lenhina, onde a biomassa é tratada com ácido sulfúrico diluído, a temperaturas elevadas (até 240 C / 460 F) e sob alta pressão. Este ambiente operacional é altamente corrosivo e muitas vezes, ligas de níquel tais como a liga de C276 (UNS N10276) e outras ligas do tipo níquel-c devem ser utilizadas. Um processo menos corrosivo, é o processo de hidrólise concentrada de ácido, que utiliza concentrações mais elevadas de ácido sulfúrico, porém temperaturas muito mais baixas. Muitas tecnologias de pré-tratamento de processos, são baseadas na hidrólise enzimática que exigem algum tipo de processo de pré-tratamento para a quebra da estrutura cristalina do material lignocelulósico e para a remoção da lignina, liberando celulose e moléculas de hemicelulose. Dependendo da matéria-prima de biomassa, métodos físicos ou químicos serão utilizados. Algumas das mais rentáveis tecnologias podem envolver a combinação de uma fase de pré-tratamento ácido e hidrólise enzimática. Vários tipos de aço inoxidável e ligas de níquel foram testados e utilizados em equipamentos de produção de pré-tratamento em plantas piloto e plantas comerciais. Estes incluem os tipos de 316 (L) e 316Ti (S31653) e ligas especiais, tais como aço inoxidável 904L (N08904), duplex 2205 (S32205) e super duplex, tais como 2507 (S32750). Ligas Super austeníticas com 6% de molibdênio foram Interior de uma planta de etanol - logen Corporation. testadas e utilizadas, as marcas patenteadas para estas classes incluem 254SMO e AL-6XN. Tecnologias termoquímicas também podem ser usadas no pré-tratamento do processamento de biomassa. Ligas especiais, resistentes a altas temperaturas podem ser necessárias nos equipamentos utilizados nos ambientes de operação relacionados. Uso de aço inoxidável na Indústria de etanol de cana no Brasil. Os aços inoxidáveis são também cada vez mais utilizados no Sistema Integrado nas usinas de açúcar / etanol no Brasil. Os aços carbono são mais comumente usados nas usinas de açúcar, enquanto as destilarias, normalmente utilizam o aço inoxidável. O uso de aço carbono em usinas de açúcar sofre desgaste frequente e problemas de corrosão. Muitas usinas têm resolvido este problema, mudando para aços inoxidáveis. Nas mesas alimentadoras onde a cana é transportada para ser moída, o aço de carbono sofre erosão e desgaste. Os Chute Donnelly são muitas vezes feitos de Tipo 304 (L) ou S20400. O aço inox contendo 12% de Cr (S41003) denominado no Brasil 410D, tem sido utilizado com maior frequência, pois ele tem melhorado as resistências à erosão e abrasão, se comparado ao aço carbono e com um custo menor, se comparado aos de aços inoxidáveis mais ligados. Para várias outras áreas das usinas de açúcar, onde a corrosão é mais grave, o Tipo 304 (L) deve ser usado. Na América do Sul, os aços inoxidáveis ferríticos S43932 (uma versão modificada do tipo 439) e 444 (S44400) são comumente disponíveis, especialmente em chapas com espessuras finas e, são portanto, muitas vezes utilizados. Os aços inoxidáveis 304L, S43932 e / ou 444 são adequados para a maioria das aplicações nas usinas de açúcar, tais como o processo de extração de suco de 5
Aços Inoxidáveis cana (dutos, topo do difusor), processo de geração de vapor, tratamento do caldo de cana e processo de evaporação e no processo de moagem. Os tipos 444 e 439 não são recomendados na fase de sulfitação (adição de SO2), onde as colunas são de 316 (L). As colunas de destilação são frequentemente também feitas dos tipos 304 (L) ou (L) 316. Sistemas de Tubulação As usinas de etanol necessitam de quantidades substanciais de tubulações, tubos e acessórios - dos quais cerca de 75% são de aço inoxidável. O tipo 304 (L) constitui a grande maioria dos tubos e acessórios necessários. Nos EUA, cerca de 80-90% dos tubos com costura utilizados, estão de acordo com a norma ASTM A 778, com conexões soldadas de acordo com a norma ASTM A 774, também em Tipo 304 (L). No Canadá, as usinas de etanol optaram pela melhor qualidade dos produtos, usando ASTM A 312 (soldado e recozidos) em Tipo 304 (L), mas também 316 (L) sempre que necessário. Os acessórios tipo 304 (L) e 316 (L) utilizados no Canadá, são especificados pela norma ASTM A WP Classe 403, da mesma forma os soldados e recozidos. Os sistemas de lavagem CIP (limpeza no local) necessários em usinas de etanol, para a limpeza dos tanques de fermentação, utilizam soda cáustica e um ácido para a lavagem. Os evaporadores necessitam de uma limpeza regular, devido à formação de crosta. Os aços inoxidáveis utilizados no sistema de CIP (limpeza no local), são do Tipo 316 (L) em trocadores de calor e nos sistemas de tubulação associados. Vários componentes dentro dos sistemas de derrapagem de ácido sulfúrico normalmente usam N08020 (liga 20). TABELA 2: AÇOS INOXIDÁVEIS ESPECIAIS E LIGAS DE NÍQUEL, UTILIZADOS NAS USINAS DE ETANOL. Tipo UNS EN Atributos 316Ti S31635 1.4571 Resistência à corrosão similar ao 316, maior resistência mecânica em temperaturas elevadas. 317L S31703 1.4438 Resistência à corrosão levemente superior ao 316L 904L N08904 1.4539 Excelente resistência á corrosão em ácido sulfúrico Alloy 20 N08020 2.4460 Excelente resistência á corrosão em ácido sulfúrico 6% Mo alloys various various S31254, N08367 usados em condições muito ácidas ou alta concentração de cloretos N30 S20400 - Melhores propriedades de abrasão e desgaste por deslizamento que o 304 2101 S32101 1.4162 Um dos vários tipos lean- duplex com alta resistência, adequado para grandes tanques 2205 S32205 1.4462 Liga Duplex, maior resistência e melhor resistência à erosãocorrosão do que as ligas da série 300 2507 S32750 1.4410 Uma das várias ligas superduplex, maior resistência à corrosão do que o 2205 410D S41003 1.4003 Aço inoxidável de baixa liga, resistência ao desgaste melhorada em relação ao aço carbono, especialmente utilizado em Chute Donnelly. 439-modified S43932 1.4510 Semelhante ao 304 na resistência à corrosão, utilizado principalmente no Brasil 444 S44400 1.4521 Semelhante ao 316 na resistência à corrosão, utilizado principalmente no Brasil Alloy C-276 N10276 2.4819 Liga a base de Níquel utilizada em condições extremamente corrosivas 6
Materiais com custo-benefício favorável para a Indústria de Etanol Outras aplicações para aço inoxidável Os numerosos misturadores utilizados nas usinas de etanol os são feitos principalmente de aço inoxidável Tipo 304 (L), mas também do tipo 316 (L) ou liga 20. Espera-se que a utilização do Tipo 316 (L) deva aumentar, quando as plantas de etanol celulósico forem construídas, em escala comercial. Centrífugas de decantação são fabricadas principalmente com o Tipo 316 (L), mas também com o Tipo 317L, Tipo (S31703) e dúplex 2205. As numerosas bombas de processamento presentes nas plantas de etanol, são fabricadas a partir de aço inoxidável fundido do tipo 316 (ACI CF8M) ou 316L Tipo (CF3M), mas também, cada vez mais, a partir de ligas fundidas duplex, tais como a ASTM 1B Grau 890 (CD4MCuN), 3a (CD6MN) ou 4A (CD-3MN). Os principais fabricantes de bombas, indicam que cerca de 60-70% das bombas fornecidas às plantas de etanol, são feitas do Tipo 316 (L) e 30-40% de uma das ligas duplex. Tem havido um aumento claro na utilização de graus duplex nos últimos 5 anos. Ligas duplex são mais resistentes à corrosão/erosão, com bom desempenho onde as partículas sólidas estão presentes. Usinas de etanol também utilizam válvulas de aço inoxidável, filtros, reguladores, canela, termo-compressores, ejetores de vapor, telas e várias outras peças e componentes, principalmente dos Tipos 304 (L) e 316 (L). Liga 20 é também usada em ambientes com ácido sulfúrico. Aplicações do aço inoxidável Tipo 304 (L) também podem ser encontradas em equipamentos de controle de emissões utilizados por usinas de etanol para controlar os poluentes do ar e emissões de odores. Tanques para etanol grau alimentício, são construídos utilizando-se aços inoxidáveis, principalmente o Tipo 304 (L). Alguns dos novos tipos de alta resistência lean-duplex, tais como S32101 são adequados para tanques muito grandes que utilizam chapas mais grossas. Resumo Os aços inoxidáveis são amplamente utilizados na indústria atual de etanol, proporcionando uma vida útil longa e livre de manutenção. Com novos processos sendo comercializados, a sua utilização só vai aumentar. Devidamente escolhidos e fabricados, os aços inoxidáveis serão os materiais padrão para as gerações vindouras. Para informações adicionais sobre aço inoxidável e outras ligas de níquel: Nickel Institute www.nickelinstitute.org ISSF (International Stainless Steel Forum) www.worldstainless.org EuroInox (European Stainless Steel Development Association) www.euro-inox.org BSSA (British Stainless Steel Association) www.bssa.org.uk SSINA (Specialty Steel Industry of North America) www.ssina.com ASSDA (Australian Stainless Steel Development Association) www.assda.asn.org NZSSA (New Zealand Stainless Steel Development Association) www.hera.org/nz/nzssda/ ISSDA (Indian Stainless Steel Development Association) www.stainlessindia.org SASSDA (South African Stainless Steel Development Association) www.sassda.co.za Outras Associações de Desenvolvimento do Aço Inoxidável: Brazil www.abinox.org.br China www.cssc.org.cn Japan www.jssa.gr.jp Mexico www.cendi.org.mx Thailand www.tssda.org Outras associações: IMOA (International Molybdenum Association) www.imoa.info/ ICDA (International Chromium Development Association) www.icdachromium.com 7
Aços Inoxidáveis Para informações adicionais, visite nosso site. www.nickelinstitute.org 8