Modelo de cálculo de eficiência de reatores de ClO2: processo Mathieson

Abstract

Este trabalho constou num estudo do modelo de cálculo de eficiência de reatores de 𝐶𝑙𝑂2, denominado processo Mathieson, com o intuito de melhorar o seu desempenho. Para tal pretendia-se melhorar alguns parâmetros suscetíveis de modificação do processo. O processo Mathieson baseia-se na redução de clorato de sódio com dióxido de enxofre em meio ácido. A produção de dióxido de cloro a partir do clorato de sódio utiliza uma solução concentrada de ácido sulfúrico. Este processo é constituído por uma sequência de três linhas (𝑅1, 𝑅2 e 𝑅3), ligados paralelamente, em que cada sequência é constituída por um reator primário, secundário e uma torre de lavagem. Para isso, numa fase preliminar realizou-se um balanço material com o intuito de determinar a proporção de 𝑆𝑂2/ar que é enviada para os reatores secundários, sabendo que esta não é contabilizada. O rácio de produção do dióxido de cloro, relativamente aos consumos de reagentes (clorato de sódio, ácido sulfúrico e enxofre) foi, também, determinado. Estudou-se o efeito de um aumento a temperatura do reator primário e secundário da linha 𝑅3. Com este aumento no reator primário da sequência 𝑅3 constatou-se a diminuição do caudal volumétrico de ácido sulfúrico de 19,93%, uma diminuição na concentração de ácido sulfúrico residual de 0,705% no reator primário, bem como um decréscimo de 26,46% na concentração de clorato de sódio residual no stripper. Com este aumento de temperatura notou-se aumento no rácio da produção diária de dióxido de cloro de 3,87%. Posteriormente, e tendo em conta os resultados positivos verificados com o aumento da temperatura do reator primário e secundário da sequência 𝑅3, estudou-se o efeito de um aumento da concentração de 𝑆𝑂2/ar nos reatores primários da sequência 𝑅1 e 𝑅2 de 11,25 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2/𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟 para 11,94 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2/𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑟. Os resultados obtidos mostram um aumento de 11,85% nos reatores primários da sequência 𝑅1 e 𝑅2. Por fim, realizou-se uma breve análise económica em que se avaliou a eficiência económica da produção de dióxido de cloro. Verificou-se que, com o aumento de temperatura nos reatores primários e secundários, houve uma redução, por tonelada, no custo de produção de dióxido de cloro, de 45,26€. Concluiu-se que o aumento da temperatura dos reatores primários e secundários, em conjunto com o aumento da concentração de 𝑆𝑂2/ar, favorecem a economia de produção de dióxido de cloro.

This work consisted on a study of the model reactor efficiency calculation of 𝐶𝑙𝑂2, designated Mathieson process, in order to improve his performance. It was intending to improve some parameters susceptible to process modification. The Mathieson process is based on reduction of sodium chlorate with sulphur dioxide in acidic medium. The production of chlorine dioxide from sodium chlorate using a concentrated sulfuric acid solution. This process consists in a sequence of three lines (𝑅1, 𝑅2 and 𝑅3) parallel linked, wherein each sequence is constituted by a primary reactor, secondary reactor and stripper. In a preliminary phase it was performed a material balance in order to determine the proportion of 𝑆𝑂2/air that is sent to the secondary reactor, knowing that this is not accounted for. The ratio of chlorine dioxide production according to the consumptions of reagents (sodium chlorate, sulfuric acid and sulphur) was also determinated. The effect of an increase in temperature of the primary and secondary reactor 𝑅3 sequence was studied. With this increase in the primary reactor 𝑅3 sequence, it was verified a reduction of the volumetric flow rate of sulfuric acid of 19,93%, a decrease in the sulfuric acid residual concentration of 0,705% and a decrease of 26,46% in the sodium chlorate residual concentration in the stripper. With this increase in temperature showed a growth in chlorine dioxide production ratio of 3,87%. Subsequently, taking into account the positive results observed with increasing of the temperature of the primary and secondary reactor 𝑅3 sequence, it was studied a rising of the 𝑆𝑂2/air concentration on the reactors 𝑅1 and 𝑅2 sequence with the difference of 11,25 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2/𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟 to 11,94 𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2/𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑖𝑟. The results displayed an increase of 11,85% in primary reactors 𝑅1 and 𝑅2 sequence. Finally, was performed an economic analysis which evaluated the economic efficiency of chlorine dioxide production. It was found that, with increasing temperature in the primary and secondary reactors, a reduction per ton, of the cost of chlorine dioxide production, of 45,26€. The conclusion was that the increase of temperature of the primary and secondary reactors with the increase of 𝑆𝑂2/air concentration benefits the chlorine dioxide production economy.