Otimização de uma unidade industrial de produção de dióxido de cloro

Abstract

O dióxido de cloro é um oxidante seletivo com vasta aplicação industrial no branqueamento de pasta de celulose. A Celbi tem duas linhas de produção de dióxido de cloro, com uma capacidade nominal de 14 ton/dia cada, baseadas no processo de redução do clorato de sódio pelo peróxido de hidrogénio em meio ácido. Após a paragem anual para manutenção de Setembro 2012, começaram a ocorrer decomposições frequentes do ClO2 nos reatores que obrigaram a paragens das linhas. Para dar resposta aos objetivos de produção de pasta branqueada na Celbi para 2012 e 2013 tornou-se urgente efetuar uma otimização operacional desta unidade. O primeiro objetivo desta dissertação consistiu em realizar um diagnóstico à unidade de produção de dióxido de cloro para identificar as causas das decomposições do ClO2 na fase gasosa. O segundo objetivo consistiu em implementar as correções e manutenção necessárias para o seu funcionamento normal. O terceiro objetivo consistiu em otimizar a operação das duas linhas e efetuar balanços materiais para demonstrar a otimização do rendimento e do custo específico de produção do dióxido de cloro. Efetuou-se uma revisão da literatura sobre o estado da arte em tecnologias de produção de ClO2, com especial destaque para o processo HP-A existente na Celbi. Realizou-se um programa intensivo de controlo da qualidade das matérias-primas, visto terem sido alvo de suspeita de contaminações com matéria orgânica ou ferro capazes de decompor o ClO2 nos reatores. Concluiu-se que a alimentação dos reatores com soluções de clorato de sódio com concentrações acima de 720 g/L recristalizavam nas tubagens e originavam decomposições do ClO2 nos reatores devido, possivelmente, a concentrações elevadas localizadas. As decomposições na linha 1 estavam também relacionadas com arrastamento de partículas de ferrugem pelos difusores de ar e com a orientação do tubo injetor de ácido, que se encontrava muito próximo de um dos difusores de ar, provocando arrastamento de ácido sulfúrico concentrado para a fase gasosa e promovendo a decomposição do ClO2. Esta anomalia foi corrigida na paragem programada de Maio de 2013. A produção efetiva de 14 ton/dia foi atingida no mês de Fevereiro de 2013 na linha 2 e no mês de Maio na linha 1. Entre Dezembro de 2012 e Fevereiro de 2013 conseguiu-se aumentar o rendimento global das linhas de 90-92% para 96-97%, o que contribuiu para uma redução significativa do custo específico de produção do ClO2.

Chlorine dioxide is a selective oxidizing agent with broad industrial application in pulp bleaching. Celbi has two production lines of chlorine dioxide based on the reduction of sodium chlorate with hydrogen peroxide in acidic medium. Each line has a nominal capacity of 14 tons/day. After the annual shutdown for maintenance in September 2012, frequent decompositions of ClO2 began to occur in the reactors, which forced the stops of both lines. To meet the production goals of bleached pulp for 2012 and 2013 at Celbi, it became urgent to implement an operational optimization program for this unit. The first goal of this thesis was the diagnosis of this unit to identify the causes of ClO2 decompositions in primary reactors. The second goal was the implementation of the necessary corrections and maintenance for its normal operation. The third goal was the operational optimization of both lines and the calculation of material balances to demonstrate the yield gain and the reduction of the ClO2 specific cost. A literature review was conducted on the state of the art technologies to produce ClO2, with special emphasis on the HP-A process that exists at Celbi. An intensive quality control study of raw materials was conducted, as they have been the prime suspect of iron or organic matter contamination that can cause ClO2 decomposition. It was concluded that feeding the reactors with sodium chlorate solutions with concentrations above 720 g/L causes recrystallization in the lines and produce ClO2 decompositions inside the reactor due to localized high concentrations. In line 1, decompositions were also associated with entrainment of rust particles in the air vents and the orientation of the acid injector, which was very close to one of the air diffusers at the bottom of the reactor, causing entrainment of concentrated sulfuric acid in the gas phase and promoting the decomposition of ClO2. This anomaly was corrected during the scheduled stop in May 2013. The effective production of 14 ton/day was reached in line 2 in February 2013 and in line 1 in May 2013. Between December 2012 and February 2013, the overall yield of the lines increased from 90-92% to 96-97%, which contributed to a significant reduction of the ClO2 specific cost.