MODELAGEM E SIMULAO DE CALCINADORES DE

HIDRXIDO DE ALUMNIO EM LEITO FLUIDIZADO

EDUARDO LOPES GONALVES FILHO

DISSERTAO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DO CURSO DE PS-

GRADUAO EM

TECNOLOGIA DE PROCESSOS QUMICOS E BIOQUMICOS DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO, COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSRIOS

OBTENO DO GRAU DE MESTRE EM CINCIAS.

ESCOLA DE QUMICA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

2012

ii

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

ESCOLA DE QUMICA

EDUARDO LOPES GONALVES FILHO

MODELAGEM E SIMULAO DE CALCINADORES DE HIDRXIDO DE ALUMNIO

EM LEITO FLUIDIZADO

Dissertao de Mestrado apresentada ao

Programa de Ps-Graduao em Tecnologia de

Processos Qumicos e Bioqumicos da

Universidade Federal do Rio de Janeiro, como

requisito parcial obteno do ttulo de Mestre

em Cincias.

Orientadores:

Jos Luiz de Medeiros, D.Sc

Oflia de Queiroz Fernandes Arajo, Ph.D

Rio de Janeiro

2012

iii

FICHA CATALOGRFICA

G635m Gonalves Filho, Eduardo Lopes.

Modelagem e Simulao de Calcinadores de Hidrxido de Alumnio em Leito

Fluidizado/Eduardo Lopes Gonalves Filho. Rio de Janeiro: UFRJ/EQ, 2012. xxix, 206 f.: il.

Dissertao (Mestrado em Cincias) Universidade Federal do Rio de Janeiro, Programa de Ps-Graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e

Bioqumicos, Rio de Janeiro, 2012.

Orientadores: Jos Luiz de Medeiros e Oflia de Queiroz Fernandes Arajo

1. Processo Bayer. 2. Leito Fluidizado. 3. Alumina Calcinada.

4. Modelagem. Teses. I. Medeiros, Jos Luiz e Arajo (Orient.). II. Fernandes, Oflia de Queiroz (Orient.). III. Universidade Federal do Rio de Janeiro, Escola

de Qumica, Ps-Graduao em Tecnologia de Processos Qumicos e

Bioqumicos. IV. Ttulo.

CDD: 661.0673

iv

MODELAGEM E SIMULAO DE CALCINADORES DE HIDRXIDO

DE ALUMNIO EM LEITO FLUIDIZADO

EDUARDO LOPES GONALVES FILHO

Dissertao de Mestrado apresentada ao Programa de Ps-Graduao em Tecnologia de

Processos Qumicos e Bioqumicos da Escola de Qumica da Universidade Federal do Rio de

Janeiro, como requisito parcial obteno do ttulo de Mestre em Cincias.

Aprovado por:

Jos Luiz de Medeiros, D.Sc

(Orientador Presidente da Banca)

Oflia de Queiroz Fernandes Arajo, Ph.D

(Orientadora)

Ericksson Rocha e Almendra, D.Sc

Ardson dos Santos Vianna Jnior, D.Sc

Leila Yone Reznik, D.Sc

Escola de Qumica

Universidade Federal do Rio de Janeiro

2012

v

Dedico esta dissertao aos amigos, parentes

e professores que torceram, apoiaram ou

contriburam tecnicamente para a finalizao

deste trabalho.

vi

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a todos que, de alguma forma, contriburam para o desenvolvimento e

engrandecimento deste trabalho.

Aos amigos Diony Douglas, Gabriel Gandhi e Leonardo Santoro, pelas palavras de incentivo,

apoio e, principalmente, por acreditarem em minha capacidade.

Aos meus familiares que, por diversas ocasies, tiveram que se privar da minha companhia,

mas souberam compreender a importncia que o estudo representa para mim.

Aos professores Jos Luiz e Oflia, pela pacincia, compreenso e, principalmente, pelos

conhecimentos passados ao longo deste perodo. Sem eles no teria sido possvel concluir o

projeto.

Aos professores Ardson Vianna, Ericksson Almendra e Leila Reznik, que mesmo recebendo a

dissertao s vsperas do carnaval, leram criteriosamente o trabalho realizado e puderam

contribuir de forma significativa para a finalizao do mesmo.

Alm disso, agradeo em especial a minha esposa Renata Machado, por estar sempre ao meu

lado, transmitir tranquilidade nas horas difceis e acreditar, mesmo nos momentos mais

complicados, em meu potencial para superar os obstculos.

vii

A nica forma de chegar ao impossvel

acreditar que possvel

Lewis Carroll

viii

RESUMO

Gonalves Filho, Eduardo Lopes. Modelagem e Simulao de Calcinadores de Hidrxido

de Alumnio em Leito Fluidizado. Orientadores: Jos Luiz de Medeiros e Oflia de Queiroz

Fernandes Arajo; Rio de Janeiro: UFRJ/EQ, 2012. Dissertao (Mestre em Cincias).

Com o crescimento do consumo de alumnio no mundo, reduzir custos no processo

produtivo tornou-se fundamental para a sustentabilidade e competitividade das indstrias

produtoras. Atualmente, o Brasil o maior produtor e um grande exportador de alumina

calcinada, produto intermedirio no processo produtivo do alumnio metlico, com destaque

para a Hydro-Alunorte, maior refinaria do mundo, que apresenta um dos menores custos

unitrios de produo de alumina. Contudo, a alta competio entre os grandes produtores e

exportadores de alumina exige que a busca por melhorias no processo sejam estudadas ao

extremo, de forma a otimizar o preo do produto final.

Neste contexto, o presente trabalho teve como objetivo o desenvolvimento de um

recurso computacional em MATLAB para simulao estacionria da operao unitria mais

intensiva em consumo energtico do Processo Bayer utilizado em usinas de refino de alumina

o calcinador de hidrxido de alumnio em leito fluidizado.

A otimizao energtica de calcinadores depende de recursos confiveis para a

simulao do desempenho dos mesmos, especialmente no que concerne previso do

comportamento trmico do sistema frente a variaes em diversos fatores operacionais como

razo ar-slido, configurao de contato gs-slido, razo ar-combustvel e poder calorfico

do leo combustvel.

Com este intuito, foi desenvolvida a modelagem de um reator de calcinao em leito

fluidizado para queima do leo combustvel, abordando o fenmeno de fluidizao de leitos

de partculas, alm do transporte pneumtico de finos e sua recuperao em ciclones.

Dispositivos de troca trmica gs-slido visando integrao energtica entre correntes de

slidos quente e ar frio de injeo tambm foram considerados.

O modelo em forma de digrafo foi capaz de prever o comportamento das espcies

envolvidas no processo, obtendo-se perfis de composies, vazes e temperaturas ao longo do

sistema. Uma Unidade de Calcinao foi simulada com diferentes caractersticas em suas

cargas de entrada obtendo-se perfis espaciais de variveis relevantes na resposta do processo.

Palavras-chave: Processo Bayer. Leito Fluidizado. Alumina Calcinada. Modelagem.

ix

ABSTRACT

Gonalves Filho, Eduardo Lopes. Modeling and Simulation of Aluminum Hydroxide

Calciners in Fluidized Bed. Supervisors: Jos Luiz de Medeiros and Oflia de Queiroz

Fernandes Arajo; Rio de Janeiro: UFRJ/EQ, 2012. Dissertation (Master on Science).

With the growth of aluminum consumption around the world, reduction of production

and process costs become essential for sustainability and competitiveness of manufacturing

plants. Currently, Brazil is the largest producer and a major exporter of calcined alumina, that

is an intermediate product in the production of metallic aluminum, especially Hydro-Alunorte,

the world's largest refinery, which has a very competitive unitary production cost of alumina.

However, the high competition among major producers and exporters of alumina requires

continuous process improvements in order to keep the final product price close to optimum.

In this context, this study aimed at developing a computational resource in MATLAB

software for stationary simulation of the unit operation most energy-intensive in the context of

the Bayer Process used in alumina refineries: the fluidized bed calciner.

This optimization depends on reliable resources to simulate the calciner performance,

especially regarding to the prediction of system's thermal behavior against changes in various

operating factors such as air-solid and air-fuel ratios, the solid-gas contact configuration and

the fuel heating value.

Thus, a fluidized bed calcination reactor model with direct burning of fuel oil was

developed considering the phenomena of bed fluidization, pneumatic conveying of fines and

recovery in cyclones. Heat exchange devices for gas-solid heat integration between streams of

hot solids and cold air injection were also considered.

The model was structured as a digraph and was able to predict the behavior of species

involved in the process, as well the profiles of compositions, flow rates and temperatures

along the system. A Calcination Unit was simulated with different feed characteristics and

the spatial profiles of relevant process response variables were obtained for each case.

Keywords: Bayer Process. Fluidized Bed. Calcined Alumina. Modeling.

x

SUMRIO

1 INTRODUO ................................................................................................................ 1

1.1 A INDSTRIA DO ALUMNIO ............................................................................... 1

1.2 CADEIA PRODUTIVA DO ALUMNIO .................................................................. 3

1.2.1 Produo do Alumnio Primrio ............................................................................. 3

1.3 PROCESSO BAYER .................................................................................................. 4

1.3.1 Moagem da Bauxita e Armazenamento da Polpa ................................................... 5

1.3.2 Digesto .................................................................................................................. 6

1.3.3 Clarificao ............................................................................................................. 8

1.3.4 Precipitao .......................................................................................................... 10

1.3.5 Calcinao ............................................................................................................ 11

1.4 O CENRIO ECONMICO .................................................................................... 14

1.4.1 O Cenrio Brasileiro ............................................................................................. 14

1.4.2 Custos de Produo do Alumnio Primrio .......................................................... 16

1.4.3 Custos de Produo da Alumina ........................................................................... 17

1.4.4 Sistema de Gerao de Vapor ............................................................................... 19

1.5 MOTIVAO .......................................................................................................... 20

1.6 OBJETIVO ............................................................................................................... 21

1.7 ORGANIZAO DA DISSERTAO .................................................................. 21

2 REVISO BIBLIOGRFICA ...................................................................................... 23

2.1 PROCESSO DE CALCINAO DE ALUMINA ................................................... 23

2.1.1 Unidade de Calcinao (HAKOLA, 2008) .......................................................... 23

2.2 FLUIDIZAO DE MATERIAIS PARTICULADOS ........................................... 26

2.2.1 Classificao dos Slidos Particulados................................................................. 28

2.2.2 Regimes de Fluidizao ........................................................................................ 29

xi

2.2.3 Reatores de Leito Fluidizado (JAKOBSEN, 2008) .............................................. 32

2.2.4 Combustores de Leito Fluidizado (JAKOBSEN, 2008) ....................................... 36

2.3 CONCEITOS E PROPRIEDADES DE SLIDOS PARTICULADOS ................... 39

2.3.1 Propriedades Fsicas das Partculas Slidas (OKA, 2004) ................................... 40

2.3.2 Caractersticas Geomtricas de Slidos Particulados (OKA, 2004)..................... 41

2.3.3 Propriedades Hidrodinmicas das Partculas (OKA, 2004) ................................. 43

2.3.4 Velocidade Mnima de Fluidizao ...................................................................... 45

2.3.5 Transio entre Regimes de Fluidizao .............................................................. 47

2.4 EQUIPAMENTOS AUXILIARES .......................................................................... 51

2.4.1 Transportador Pneumtico tipo Venturi ............................................................... 51

2.4.2 Ciclones ................................................................................................................ 58

2.4.3 Precipitadores Eletroestticos ............................................................................... 70

2.5 TEORIA DOS GRAFOS .......................................................................................... 74

3 MODELO DE ESTUDO ................................................................................................ 76

3.1 ESTRUTURAO DO PROBLEMA EM FORMATO DE DIGRAFO ................. 77

3.2 DEFINIES PARA REPRESENTAO DO PROCESSO EM DIGRAFOS ...... 79

3.2.1 Tamanho das Variveis ........................................................................................ 79

3.2.2 Vetores de Vrtices e Arestas ............................................................................... 80

3.2.3 Variveis de Vrtice (T, P, , ) .......................................................................... 80

3.2.4 Tipos de Vrtices .................................................................................................. 81

3.2.5 Variveis de Aresta ............................................................................................... 83

3.2.6 Parmetros de Carga ............................................................................................. 83

3.2.7 Matrizes de Incidncia .......................................................................................... 84

3.2.8 Funo Diagonalizadora ....................................................................................... 85

3.3 MODELO DE EQUILBRIO TERMODINMICO ................................................ 85

3.4 MODELAGEM PARA PROPRIEDADES TERMODINMICAS ......................... 88

xii

3.4.1 leo Combustvel BPF ......................................................................................... 88

3.4.2 Caracterizao Termodinmica das Molculas Verdadeiras ............................ 91

3.4.3 Caracterizao das Reaes Qumicas de Calcinao .......................................... 92

3.5 MODELAGEM HIDRODINMICA DE FLUIDIZAO .................................. 103

3.5.1 Balano da Quantidade de Movimento .............................................................. 104

3.5.2 Clculo da Velocidade Mnima de Fluidizao .................................................. 106

3.5.3 Clculo da Porosidade do Leito .......................................................................... 110

3.5.4 Clculo da Perda de Carga no Sistema ............................................................... 111

3.5.5 Resoluo do Sistema de Equaes .................................................................... 115

4 CONSOLIDAO DO MODELO ............................................................................. 118

4.1 ESTUDO DO MODELO DE UM VRTICE ......................................................... 118

4.1.1 Parmetros de Carga ........................................................................................... 119

4.1.2 Determinao dos Parmetros da Funo Sigmoidal ......................................... 121

4.1.3 Caso 1 Variao da Carga de Slidos .............................................................. 125

4.1.4 Caso 2 Secagem da Carga de Slidos em Contra Corrente ............................. 131

4.2 ESTUDO DO MODELO DO REATOR COM VRTICES EM SRIE ................ 134

4.2.1 Caso 1 Modelagem do FBC em um Digrafo de 3 Vrtices ............................. 134

4.2.2 Caso 2 Modelagem do FBC em um Digrafo de 10 Vrtices ........................... 144

5 RESULTADOS & DISCUSSES ............................................................................... 154

5.1 CASO BASE .......................................................................................................... 157

5.1.1 Parmetros de Carga ........................................................................................... 157

5.1.2 Resultados de Simulao - Caso Base ................................................................ 158

5.2 CASO 1 CORRENTE DE AR COM BAIXA TEMPERATURA ........................ 165

5.2.1 Parmetros de Carga ........................................................................................... 165

5.2.2 Resultados de Simulao - Caso 1 ...................................................................... 166

5.3 CASO 2- QUEIMA INEFICIENTE DE LEO ...................................................... 172

xiii

5.3.1 Parmetros de Carga ........................................................................................... 172

5.3.2 Resultados de Simulao - Caso 2 ...................................................................... 173

5.4 CASO 3 CARGA EXCESSIVA DE HIDRATO ................................................. 178

5.4.1 Parmetros de Carga ........................................................................................... 179

5.4.2 Resultados de Simulao - Caso 3 ...................................................................... 180

5.5 COMPARAO DE RESULTADOS ................................................................... 186

6 CONCLUSES & SUGESTES ............................................................................... 188

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ............................................................................... 192

APNDICE A ....................................................................................................................... 198

MATRIZES DE INCIDNCIA PARA MODELAGEM DO REATOR COM DEZ

VRTICES EM CASCATA. ............................................................................................... 198

MATRIZES DE INCIDNCIA PARA MODELAGEM DA UNIDADE DE

CALCINAO. .................................................................................................................... 200

xiv

NDICE DE FIGURAS

Figura 1-1: Estrutura da cadeia produtiva do alumnio (INSTITUTO OBSERVATRIO

SOCIAL, 2008). ......................................................................................................................... 3

Figura 1-2: Processo Bayer Simplificado (ALUNORTE, 2011). ............................................... 5

Figura 1-3: Moinhos SAG utilizados pela PAREX no projeto de expanso III Morro do Ouro

na Rio Paracatu Minerao S/A (PAREX, 2009). ...................................................................... 5

Figura 1-4: Moinhos SAG instalado na Hydro-Alunorte (ALUNORTE, 2012). ....................... 5

Figura 1-5: Digestores instalados na Hydro-Alunorte (ALUNORTE, 2012). ........................... 7

Figura 1-6: Decantadores instalados na Hydro-Alunorte (ALUNORTE, 2012). ....................... 9

Figura 1-7: Tanques espessadores (precipitadores) instalados na Hydro-Alunorte

(USIMINAS, 2011). ................................................................................................................. 11

Figura 1-8: Calcinadores de Leito Fluidizado Circulante instalados na Hydro-Alunorte

(MISALLA, et al., 2011). ......................................................................................................... 12

Figura 1-9: Fluxograma ilustrativo do Processo Bayer (SAMPAIO, et al., 2005). ................. 14

Figura 1-10: Consumo de energia da Hydro-Alunorte em 2009 (WISCHNEWSKI, et al.,

2011). ........................................................................................................................................ 18

Figura 2-1: Fluxograma de Processo de uma Unidade de Calcinao (HAKOLA, 2008). ...... 24

Figura 2-2: Tipos de reatores do tipo Leito Fluidizado (RANADE, 2002). ............................. 27

Figura 2-3: Classificao Geldart (TANNOUS, et al., 2011). ................................................. 28

Figura 2-4: Principais regimes de fluidizao gs-slido (JAKOBSEN, 2008)....................... 30

Figura 2-5: Representao esquemtica de reatores fluidizados de fase densa (JAKOBSEN,

2008). ........................................................................................................................................ 33

Figura 2-6: Representao esquemtica de reatores fluidizados de fase diluda (JAKOBSEN,

2008). ........................................................................................................................................ 34

Figura 2-7: Representao esquemtica de caldeiras do tipo leito fluidizado (JAKOBSEN,

2008). ........................................................................................................................................ 37

xv

Figura 2-8: Comparao do coeficiente de arraste de uma partcula esfrica com o coeficiente

de arraste de partculas no esfricas: 1 esfera, 2 disco horizontal, 3 cilindro infinito, 4

cilindro de comprimento finito (OKA, 2004). .......................................................................... 44

Figura 2-9: Dependncia da queda de presso com a velocidade de fluidizao para diferentes

regimes (TANNOUS, et al., 2009). .......................................................................................... 48

Figura 2-10: Mapas de regimes de escoamento para correntes gs-slido (JAKOBSEN, 2008).

.................................................................................................................................................. 50

Figura 2-11: Sistema de transporte pneumtico (MARCUS et al., 1990). ............................... 52

Figura 2-12: Comportamento caracterstico da presso esttica em funo da altura do duto de

transporte para escoamento em fase diluda (SILVA, 1997).................................................... 54

Figura 2-13: Alimentador Venturi (MARCUS, 1990). ............................................................ 55

Figura 2-14: Perfil de presso ao longo de um Venturi (MARCUS, 1990). ............................ 56

Figura 2-15: Configuraes de alimentao de um Venturi modificado (LOPES, 2007). ....... 56

Figura 2-16: Ciclone com entrada tangencial e fluxo em retorno (LORA, 2000).................... 59

Figura 2-17: Esquemtico de um separador de particulados (ENVIRONMENTAL

PROTECTION AGENCY, 2011). ........................................................................................... 61

Figura 2-18: Dimenses tpicas de um Ciclone de entrada tangencial (GIMBUN, et al., 2004).

.................................................................................................................................................. 62

Figura 2-19: Padro de fluxo para diferentes dimetros de entrada nos ciclones (GIMBUN, et

al., 2004). .................................................................................................................................. 64

Figura 2-20: Comparativo entre modelos de eficincia de ciclones (GIMBUN, et al., 2004). 69

Figura 2-21: Corte e vista do precipitador eletrosttico (CUNHA, 2005). .............................. 70

Figura 2-22: Vista simplificada dos processos em um precipitador (OZAWA, 2003). ........... 71

Figura 2-23: Princpio de coleta de um precipitador eletrosttico (OZAWA, 2003). .............. 72

Figura 2-24: Partes integrantes de um precipitador eletrosttico (OZAWA, 2003). ................ 72

Figura 2-25: Exemplo de um grafo com 6 vrtices e 7 arestas................................................. 75

Figura 2-26: Exemplo de um digrafo com 6 vrtices e 7 arestas. ............................................ 75

Figura 3-1: Ilustrao de um andar de equilbrio genrico ....................................................... 77

xvi

Figura 3-2: Ilustrao de um diagrama orientado Digrafo. ................................................... 78

Figura 3-3: Algoritmo de resoluo do modelo de equilbrio termodinmico. ........................ 86

Figura 3-4: Comportamento da entalpia padro da alumina. ................................................... 95

Figura 3-5: Comportamento da Entalpia padro de combusto do leo BPF .......................... 95

Figura 3-6: Comportamento da Entalpia padro do equilbrio lquido-vapor da gua. ............ 96

Figura 3-7: Comportamento das constantes de reao com a variao da temperatura. .......... 97

Figura 3-8: Comportamento das entalpias no estado de referncia de cada espcie com a

variao de temperatura. ........................................................................................................... 98

Figura 3-9: Comportamento da capacidade calorfica das espcies no estado de referncia com

a variao de temperatura. ........................................................................................................ 99

Figura 3-10: Temperatura do meio reacional pela variao dos graus de avano das reaes 1

e 2. .......................................................................................................................................... 100

Figura 3-11: Exemplos de funes sigmoidais. ...................................................................... 101

Figura 3-12: Exemplo de funes sigmoidais diferenciadas. ................................................. 102

Figura 3-13: Balano da quantidade de movimento em um vrtice ....................................... 104

Figura 3-14: sob mnima fluidizao. ........................................................................... 107

Figura 3-15: Fator de atrito sob mnima de fluidizao. ........................................................ 108

Figura 3-16: Reynolds da partcula sob mnima de fluidizao. ............................................ 108

Figura 3-17: Ajuste da velocidade mnima de fluidizao. .................................................... 109

Figura 3-18: Velocidade mnima de fluidizao. ................................................................... 109

Figura 3-19: Ajuste da porosidade do leito sob velocidade mnima de fluidizao. .............. 110

Figura 3-20: Relao entre e . ............................................................................................ 113

Figura 3-21: Relao entre e . ............................................................................................ 113

Figura 3-22: Fator de atrito de Darcy (100% gs). ................................................................. 114

Figura 3-23: Perda de presso (100% gs). ............................................................................ 114

Figura 3-24: Perda de presso no escoamento gs-slido. ..................................................... 116

xvii

Figura 3-25: Balano da quantidade de movimento em vrtice exemplificao de resoluo

................................................................................................................................................ 117

Figura 4-1: Modelo de reator com um vrtice. ....................................................................... 119

Figura 4-2: Sigmide de converso do Al(OH)3 em Al2O3. ................................................... 122

Figura 4-3: Pontos de convergncia para sigmoide de converso com =0,05 : 100% de

convergncia. .......................................................................................................................... 123

Figura 4-4: Pontos de convergncia para sigmoide de converso com =0,10 : 85% de pontos

de convergncia ...................................................................................................................... 123

Figura 4-5: Sigmide de secagem. ......................................................................................... 124

Figura 4-6: Pontos de convergncia para sigmoide de secagem com =0,25. ....................... 125

Figura 4-7: Temperatura do meio reacional aps equilbrio dinmico para diferentes cargas de

slido. ..................................................................................................................................... 126

Figura 4-8: Quantidade molar de Al(OH)3 que permanece sem reagir aps atingido o

equilbrio dinmico. ................................................................................................................ 127

Figura 4-9: Quantidade molar de alumina formada depois de atingido o equilbrio dinmico

do sistema. .............................................................................................................................. 128

Figura 4-10: Grau de avano da reao de converso aps atingido o equilbrio dinmico do

sistema. ................................................................................................................................... 128

Figura 4-11: Quantidade molar de H2O(l) que permanece no sistema aps atingido o equilbrio

dinmico. ................................................................................................................................ 129

Figura 4-12: Quantidade molar de vapor dgua formado depois de atingido o equilbrio

dinmico do sistema. .............................................................................................................. 129

Figura 4-13: Secagem da carga de entrada. ............................................................................ 130

Figura 4-14: Mapa de consumo de iteraes. ......................................................................... 130

Figura 4-15: Temperatura do meio reacional aps equilbrio dinmico para diferentes

temperaturas de entrada de ar e diferentes cargas de slido. .................................................. 131

Figura 4-16: Quantidade de gua lquida existente aps alcanado o equilbrio dinmico. .. 132

Figura 4-17: Quantidade de gua vapor existente no sistema aps alcanado o equilbrio

dinmico. ................................................................................................................................ 132

xviii

Figura 4-18: Grau de avano da reao de secagem. ............................................................. 133

Figura 4-19: Temperatura do meio reacional aps equilbrio dinmico para diferentes cargas

de slido. ................................................................................................................................. 133

Figura 4-20: Modelo de reator com trs vrtices. ................................................................... 134

Figura 4-21: Padro de convergncia para o modelo com 3 vrtices. .................................... 137

Figura 4-22: Perfil de temperatura para o modelo com 3 vrtices. ........................................ 138

Figura 4-23: Perfil de presso para o modelo com 3 vrtices. ............................................... 138

Figura 4-24: Perfil do grau de avano das reaes para o modelo com 3 vrtices. ................ 139

Figura 4-25: Perfil da frao molar dos componentes da corrente L para o modelo com 3

vrtices. ................................................................................................................................... 140

Figura 4-26: Perfil da frao molar dos componentes da corrente V para o modelo com 3

vrtices. ................................................................................................................................... 140

Figura 4-27: Resumo do balano mssico por componente. .................................................. 141

Figura 4-28: Vazo molar das correntes V e L para o modelo com 3 vrtices. ..................... 142

Figura 4-29: Velocidade do Gs para o modelo com 3 vrtices. ............................................ 142

Figura 4-30: Relao mssica slido-gs para o modelo com 3 vrtices. .............................. 143

Figura 4-31: Massa de slidos suspensos para o modelo com 3 vrtices. .............................. 143

Figura 4-32: Porosidade do leito para o modelo com 3 vrtices. ........................................... 144

Figura 4-33: Modelo de reator com dgrafo de dez vrtices................................................... 145

Figura 4-34: Padro de convergncia para o modelo com 10 vrtices. .................................. 146

Figura 4-35: Perfil de temperatura para o modelo com 10 vrtices. ...................................... 147

Figura 4-36: Perfil de Presso para o modelo com 10 vrtices. ............................................. 147

Figura 4-37: Perfil do grau de avano das reaes para o modelo com 10 vrtices. .............. 148

Figura 4-38: Perfil da frao molar dos componentes da corrente L para o modelo com 10

vrtices. ................................................................................................................................... 149

Figura 4-39: Perfil da frao molar dos componentes da corrente V para o modelo com 10

vrtices. ................................................................................................................................... 150

xix

Figura 4-40: Resumo do balano mssico por componente. .................................................. 150

Figura 4-41: Vazo molar das correntes V e L para o modelo com 10 vrtices. ................... 151

Figura 4-42: Velocidade do gs para o modelo com 10 vrtices. .......................................... 152

Figura 4-43: Relao mssica slido-gs para o modelo com 10 vrtices. ............................ 152

Figura 4-44: Massa de slidos suspensos para o modelo com 10 vrtices. ............................ 153

Figura 4-45: Porosidade do leito para o modelo com 10 vrtices. ......................................... 153

Figura 5-1: Modelo em digrafo de uma unidade de calcinao. ............................................ 156

Figura 5-2: Perfil de convergncia Caso Base..................................................................... 158

Figura 5-3: Perfil de temperatura Caso Base. ...................................................................... 158

Figura 5-4: Perfil de presso Caso Base. ............................................................................. 158

Figura 5-5: Perfil do grau de avano das reaes Caso Base. ............................................. 158

Figura 5-6: Perfil da frao molar X Caso Base .................................................................. 159

Figura 5-7: Perfil da frao molar Y Caso Base. ................................................................. 159

Figura 5-8: Vazo molar das correntes de processo Caso Base. ......................................... 159

Figura 5-9: Perfil de velocidade do gs Caso Base. ............................................................ 160

Figura 5-10: Razo mssica da corrente gasosa Caso Base. ............................................... 160

Figura 5-11: Massa de slidos suspensos Caso Base. ......................................................... 160

Figura 5-12: Porosidade do leito Caso Base. ....................................................................... 160

Figura 5-13: Temperatura da unidade de calcinao Caso Base. ........................................ 161

Figura 5-14: Presso da unidade de calcinao Caso Base. ................................................ 161

Figura 5-15: Frao molar X na unidade de calcinao Caso Base. ................................... 161

Figura 5-16: Frao molar Y na unidade de calcinao Caso Base. ................................... 161

Figura 5-17: Vazo molar de Al(OH)3 nas correntes V Caso Base. ................................... 162

Figura 5-18: Vazo molar de Al2O3 nas correntes V Caso Base. ........................................ 162

Figura 5-19: Vazo molar de Al(OH)3 nas correntes L Caso Base. .................................... 162

Figura 5-20: Vazo molar de Al2O3 nas correntes L Caso Base. ........................................ 162

xx

Figura 5-21: Perfil de convergncia Caso 1. ....................................................................... 166

Figura 5-22: Perfil de temperatura Caso 1........................................................................... 166

Figura 5-23: Perfil de presso Caso 1. ................................................................................. 166

Figura 5-24: Perfil do grau de avano das reaes Caso 1. ................................................. 166

Figura 5-25: Perfil da frao molar X Caso 1 ..................................................................... 167

Figura 5-26: Perfil da frao molar Y Caso 1. .................................................................... 167

Figura 5-27: Vazo molar das correntes de processo Caso 1. ............................................. 167

Figura 5-28: Perfil de velocidade do gs Caso 1. ................................................................ 168

Figura 5-29: Razo mssica da corrente gasosa Caso 1. ..................................................... 168

Figura 5-30: Massa de slidos suspensos Caso 1. ............................................................... 168

Figura 5-31: Porosidade do leito Caso 1. ............................................................................ 168

Figura 5-32: Temperatura da unidade de calcinao Caso 1. .............................................. 169

Figura 5-33: Presso da unidade de calcinao Caso 1. ...................................................... 169

Figura 5-34: Frao molar X na unidade de calcinao Caso 1. ......................................... 169

Figura 5-35: Frao molar Y na unidade de calcinao Caso 1. ......................................... 169

Figura 5-36: Vazo molar de Al(OH)3 nas correntes V Caso 1. ......................................... 170

Figura 5-37: Vazo molar de Al2O3 nas correntes V Caso 1............................................... 170

Figura 5-38: Vazo molar de Al(OH)3 nas correntes L Caso 1. .......................................... 170

Figura 5-39: Vazo molar de Al2O3 nas correntes L Caso 1. .............................................. 170

Figura 5-40: Perfil de convergncia Caso 2. ....................................................................... 173

Figura 5-41: Perfil de temperatura Caso 2........................................................................... 173

Figura 5-42: Perfil de presso Caso 2. ................................................................................. 173

Figura 5-43: Perfil do grau de avano das reaes Caso 2. ................................................. 173

Figura 5-44: Perfil da frao molar X Caso 2 ..................................................................... 174

Figura 5-45: Perfil da frao molar Y Caso 2. .................................................................... 174

Figura 5-46: Vazo molar das correntes de processo Caso 2. ............................................. 174

xxi

Figura 5-47: Perfil de velocidade do gs Caso 2. ................................................................ 175

Figura 5-48: Razo mssica da corrente gasosa Caso 2. ..................................................... 175

Figura 5-49: Massa de slidos suspensos Caso 2. ............................................................... 175

Figura 5-50: Porosidade do leito Caso 2. ............................................................................ 175

Figura 5-51: Temperatura da unidade de calcinao Caso 2. .............................................. 176

Figura 5-52: Presso da unidade de calcinao Caso 2. ...................................................... 176

Figura 5-53: Frao molar X na unidade de calcinao Caso 2. ......................................... 176

Figura 5-54: Frao molar Y na unidade de calcinao Caso 2. ......................................... 176

Figura 5-55: Vazo molar de Al(OH)3 nas correntes V Caso 2. ......................................... 177

Figura 5-56: Vazo molar de Al2O3 nas correntes V Caso 2............................................... 177

Figura 5-57: Vazo molar de Al(OH)3 nas correntes L Caso 2. .......................................... 177

Figura 5-58: Vazo molar de Al2O3 nas correntes L Caso 2. .............................................. 177

Figura 5-59: Perfil de convergncia Caso 3. ....................................................................... 180

Figura 5-60: Perfil de temperatura Caso 3........................................................................... 180

Figura 5-61: Perfil de presso Caso 3. ................................................................................. 180

Figura 5-62: Perfil do grau de avano das reaes Caso 3. ................................................. 180

Figura 5-63: Perfil da frao molar X Caso 3 ..................................................................... 181

Figura 5-64: Perfil da frao molar Y Caso 3. .................................................................... 181

Figura 5-65: Vazo molar das correntes de processo Caso 3. ............................................. 181

Figura 5-66: Perfil de velocidade do gs Caso 3. ................................................................ 182

Figura 5-67: Razo mssica da corrente gasosa Caso 3. ..................................................... 182

Figura 5-68: Massa de slidos suspensos Caso 3. ............................................................... 182

Figura 5-69: Porosidade do leito Caso 3. ............................................................................ 182

Figura 5-70: Temperatura da unidade de calcinao Caso 3. .............................................. 183

Figura 5-71: Presso da unidade de calcinao Caso 3. ...................................................... 183

Figura 5-72: Frao molar X na unidade de calcinao Caso 3. ......................................... 183

xxii

Figura 5-73: Frao molar Y na unidade de calcinao Caso 3. ......................................... 183

Figura 5-74: Vazo molar de Al(OH)3 nas correntes V Caso 3. ......................................... 184

Figura 5-75: Vazo molar de Al2O3 nas correntes V Caso 3............................................... 184

Figura 5-76: Vazo molar de Al(OH)3 nas correntes L Caso 3. .......................................... 184

Figura 5-77: Vazo molar de Al2O3 nas correntes L Caso 3. .............................................. 184

Figura 5-78: Comparativo do perfil de temperatura. .............................................................. 186

Figura 5-79: Comparativo do perfil de presso. ..................................................................... 187

xxiii

NDICE DE TABELAS

Tabela 1-1: Evoluo % da participao na produo mundial de alumnio (SOUZA, et al.,

2007). .......................................................................................................................................... 2

Tabela 1-2: Condies de digesto da bauxita em plantas comerciais. ...................................... 8

Tabela 1-3: Caractersticas bsicas da alumina obtida pelo Processo Bayer. .......................... 13

Tabela 1-4: Distribuio da produo de alumina e localizao por empresa. ........................ 15

Tabela 1-5: Principais insumos para a produo de 1 tonelada de alumnio primrio a partir da

alumina (INSTITUTO OBSERVATRIO SOCIAL, 2008). .................................................. 16

Tabela 1-6: Insumos necessrios para a produo de 1 tonelada de alumina........................... 17

Tabela 1-7: Energia utilizada em 2009 para a produo de alumina. ....................................... 18

Tabela 2-1: Aplicaes industriais de reatores do tipo leito fluidizado. .................................. 26

Tabela 2-2: Comparao das condies normais de funcionamento para as duas principais

aplicaes de fluidizao rpida. .............................................................................................. 38

Tabela 2-3: Relaes para velocidade terminal de partculas esfricas.................................... 44

Tabela 2-4: Velocidades do ar necessrias para transportar slidos de diversas densidades

(PERRY, 1999). ........................................................................................................................ 52

Tabela 2-5: Razes Geomtricas de Ciclones .......................................................................... 63

Tabela 3-1: Grupos funcionais e respectivas contribuies para o leo BPF. ......................... 90

Tabela 3-2: Propriedades Termodinmicas calculadas para o leo BPF. ................................ 91

Tabela 3-3: Propriedades Termodinmicas das molculas verdadeiras. ............................... 91

Tabela 3-4: Calor Especfico das molculas verdadeiras...................................................... 92

Tabela 3-5: Molculas e ndices referenciados no modelo....................................................... 93

Tabela 5-1: Taxa de converso de hidrato e teor mssico de alumina no produto final para os

diferentes casos simulados. .................................................................................................... 187

xxiv

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

Abreviatura/sigla Descrio

ABAL Associao Brasileira do Alumnio

Albras Alumnio Brasileiro S.A.

Alunorte Alumina do Norte do Brasil S.A.

A Aresta

BB Bubbling Fluidized Bed

BM Balano Material

BMC Balano Material de Componentes

BE Balano de Energia

BPF Baixo Ponto de Fluidez

CAP Companhia de Alumina do Par

CETEM Centro de Tecnologia Mineral

CFB Circulating Fluidized Bed

CFBC Circulating Fluidized Bed Combustion

CFBG Circulating Fluidized Bed Gasification

CBA Companhia Brasileira de Alumnio

D Digrafo

EC Eletrodos de Captao

EE Eletrodos de Emisso

EPS Precipitadores Eletrostticos

ELV Equilbrio lquido-vapor

FB Fluidized Bed

FBC Fluidized Bed Combustors

FBC Fluidized Bed Calciner

FCC Unidade de Craqueamento Cataltico

FFB Fast Fluidized Bed

G Grafo

GAV Grau de Avano de Reao Qumica

IAI International Aluminum Institute

LOI Loss on Ignition

QM Quantidade de Movimento

SAG Semi autgeno

V Vrtice

VOID Frao de vazios em leito fluidizado

xxv

NOMENCLATURA

Compostos Descrio

Al2O3 xido de alumnio ou alumina

Al(OH)3 Hidrxido de alumnio ou hidrato

-AlO(OH) Disporo

-AlO(OH) Boehmita

-Al(OH)3 Gibbsita

Smbolos Descrio Unidade

a Altura de entrada no ciclone m

A rea da seo reta do reator m2

Ap rea superfcial da partcula esfrica m2

As rea superficial de uma partcula irregular m2

Ar Nmero de Arrehnius -

b Largura de entrada no ciclone m

B Dimetro da seo de sada de slidos do ciclone m

Concentrao inicial de particulados na entrada do ciclone kg/m3

Concentrao de particulados na sada do ciclone kg/m3

CD Coeficiente de arraste da partcula -

Capacidade calorfica presso constante kJ/molK

dc Dimetro do ncleo m

d Dimetro da partcula m

D Dimetro do riser m

D Dimetro do corpo do ciclone m

D Dimetro do leito m

De Dimetro de sada de gs do ciclone m

Dr Coeficiente de difuso radial turbulenta -

dp Dimetro de partcula m

dpc Dimetro de corte ou capturado com 50% de eficincia m

dpi Dimetro de partcula de uma frao (classe) mm ou m

FA Fora de empuxo N

FD Fora de resistncia N

Fg Fora gravitacional N

Fp Fora peso N

xxvi

F Vetor de cargas de slido em vrtice do dgrafo de calcinao mol/s

Frao em massa de particulados de dimetro dpi -

Fator de atrito de Ergun -

Fator de atrito de Darcy -

g Acelerao da Gravidade (= 9.81) m/s2

G Fator de configurao do ciclone -

G Vetor de cargas de gs do dgrafo de calcinao mol/s

Energia livre padro de formao kJ/mol

GAV Matriz de Taxas de Graus de Avano (nr x N) das Reaes Qumicas do

dgrafo de calcinao mol/s

H Altura do riser e Altura total do ciclone m

H Matriz estequiomtrica (nc x nr) da rede de reaes qumicas de calcinao

H Entalpia molar de corrente kJ/mol

Hb Altura do leito m

h Altura da seo cilndrica do ciclone m

Entalpia de formao kJ/mol

Entalpia de reao padro kJ/mol

Ka Altura da seo de entrada do ciclone m

Kb Largura da seo de entrada do ciclone m

Constante volumtrica do ciclone -

KS Comprimento do tubo de sada do ciclone m

Ke Dimetro do tubo de sada do gs do ciclone m

Kl Comprimento natural do ciclone m

Constante de Equilbrio Qumico de Reao -

L Comprimento natural m

L Vetor de arestas de slido fluidizado do digrafo de calcinao mol/s

mb Massa do leito kg

Massa Bulk kg

M Matrizes diversas de incidncia do digrafo (ver definies)

MM Vetor de massas molares (nc x 1) de componentes kg/mol

n Expoente de vrtex do ciclone -

ni Quantidade de partculas com tamanho dpi (ni = n) -

nc Nmero de componentes (espcies) do sistema

nr Nmero de reaes qumicas independentes na rede de reaes qumicas do

sistema de calcinao

nX Nmero de entidades no conjunto de entidades do tipo X (ver diversas

definies deste tipo no Cap. 3)

xxvii

Ne Nmero de revolues -

N Nmero de vrtices do digrafo de calcinao

Variao (queda) da presso no leito bar

Penetrao por fraes do ciclone -

Penetrao do ciclone -

P Vetor de Presses (N x 1) do digrafo de calcinao Pa ou bar

Presso crtica bar

Presso de entrada no vrtice Pa ou bar

Presso de sada do vrtice Pa ou bar

Q Vazo volumtrica de gs m3/s

Vazo de entrada de particulados no ciclone m3/s

Q Vetor de Arestas de Taxas de Calor do digrafo de calcinao kW

q Vazo ou taxa mssica de uma corrente ou aresta entrando ou saindo de

vrtice kg/s

Taxa mssica pelas arestas V de entrada em vrtice kg/s

Taxa mssica de slidos pelas arestas V de entrada em vrtice kg/s

Taxa mssica de gs pela aresta V de sada em vrtice kg/s

Taxa mssica de slidos pela aresta V de sada em vrtice kg/s

Taxa mssica pelas arestas L de entrada em vrtice kg/s

Taxa mssica de slidos pela aresta L de sada em vrtice kg/s

r Dimenso radial do ciclone m

Ret Nmero de Reynolds terminal -

Nmero de Reynolds na velocidade mnima de fluidizao -

Nmero de Reynolds da partcula -

S rea transversal do calcinador m2

S Comprimento do duto de sada de gs do ciclone m

s Razo entre as densidades da partcula e do fluido -

T Vetor de Temperaturas Absolutas (N x 1) do digrafo de calcinao K

Temperatura de ebulio K

Temperatura crtica K

Velocidade da partcula (independente do tipo de escoamento) m/s

u0 Velocidade superficial do gs no leito m/s

up Velocidade da partcula m/s

ut Velocidade terminal m/s

Umf Velocidade superficial mnima de fluidizao m/s

us Velocidade de salto m/s

xxviii

Velocidade do ar m/s

Velocidade de entrada no ciclone m/s

Velocidade do fluido m/s

Velocidade tangencial mxima no interior do ciclone m/s

Volume Bulk m3

Vb Volume do leito (leito fixo) m3

Vp Volume da partcula m3

V Vetor de arestas de gs+slido ascendente do digrafo de calcinao mol/s

w Velocidade radial de partcula rad/s

W Vetor de cargas de combustvel do digrafo de calcinao mol/s

Parmetro de translao da funo sigmoidal -

yi Frao mssica de uma partcula de tamanho dpi -

Comprimento do ncleo m

Z Altura de leito fluidizado de um vrtice do dgrafo do calcinador m

Smbolos

Gregos Descrio Unidade

s Densidade do slido g/cm3

f Densidade do fluido kg/m3

p Densidade da partcula kg/m3

b Densidade bulk kg/m3

c Densidade verdadeira da partcula (densidade da carcaa) kg/m3

Densidade do gs kg/m3

Densidade de slidos que entram pela aresta V kg/m3

Densidade de slidos que saem pela aresta V kg/m3

Densidade que sai pela aresta V ou L kg/m3

Densidade do ar kg/m3

Porosidade (frao de vazios ou VOID) de leito de partculas -

Rugosidade da parede do tubo -

Porosidade da partcula -

Porosidade da partcula na velocidade mnima de fluidizao -

s Fator de forma da partcula -

Viscosidade dinmica do gs kg/m.s = Pa.s

Viscosidade dinmica do fluido kg/m.s = Pa.s

Eficincia do ciclone %

Eficincia de coleta do ciclone por fraes %

xxix

Coeficiente de salto da partcula -

Velocidade radial da partcula rad/s

Valor caracterstico -

Parmetro de controle da suavidade da curva sigmoidal -

Coordenada angular -

Tempo de relaxao s

(X) Funo sigmoidal associada varivel X -

1 Introduo

1 INTRODUO

1.1 A INDSTRIA DO ALUMNIO

O alumnio um metal que apresenta alta reatividade qumica e, por isso, possui grande

afinidade para se combinar com outros elementos para formao de compostos. Atualmente,

so conhecidos mais de 270 minerais nas rochas e solos terrestres formados por compostos de

alumnio, tornando este o metal mais abundante na natureza e o terceiro elemento qumico

mais encontrado na crosta terrestre, atrs somente do silcio e do oxignio (HARRIS, 2008).

Apesar de sua abundncia e aplicabilidade diversificada, o alumnio o metal mais

recente a ser empregado em escala industrial. Mesmo assim, com apenas 150 anos, sua

produo j supera a soma de todos os outros metais no ferrosos (ABAL[a], 1997-2012).

Alm da capacidade de substituir, com vantagens, produtos fabricados a partir de outros

metais, a multiplicidade e importncia das aplicaes de bens fabricados em alumnio tm

colaborado para seu crescimento produtivo. De acordo com o Relatrio de Sustentabilidade da

Indstria Brasileira do Alumnio de 2010, nos ltimos quarenta anos o brasileiro passou a

consumir cinco vezes mais produtos fabricados em alumnio, deixando os 1,1 kg/hab/ano,

consumidos em 1970, para chegar marca de 5,3 kg/hab/ano, em 2009 (FELDMAN, et al.,

2010).

A principal fonte primria do alumnio a bauxita, um minrio com composio de

35% a 55% de xido de alumnio (Al2O3). O Centro de Tecnologia Mineral (CETEM) define

a bauxita como uma rocha formada por xido de alumnio hidratado de composies variadas.

Seus principais constituintes so a gibbsita -Al(OH)3, a bohemita -AlO(OH) e o disporo -

AlO(OH), que, em sua maioria, formam uma mistura contendo impurezas como a slica,

xido de ferro, titnio, dentre outros (QUARESMA, 2009).

Atualmente, embora os Estados Unidos e o Canad sejam os maiores produtores de

alumnio do mundo, nenhum desses pases possui jazidas de bauxita em seu territrio,

dependendo exclusivamente da importao. J o Brasil, terceiro maior produtor mundial de

bauxita, possui a terceira maior reserva desse minrio, atrs somente de Austrlia e Guin

(FELDMAN, et al., 2010).

As demonstraes da importncia da indstria brasileira no cenrio mundial no param

por a. O Brasil tambm o terceiro maior produtor de alumina produto intermedirio no

2 Introduo

processo de produo do alumnio com a maior refinaria do mundo (Hydro-Alunorte), alm

de ocupar a sexta posio como exportador de alumnio primrio (FELDMAN, et al., 2010).

O crescimento da indstria do alumnio no Brasil no ocorreu por acaso; alguns

especialistas associam a realocao no quadro de maiores produtores de alumnio (ocorrido

nas ltimas dcadas do sculo passado) com a busca das indstrias por pases com melhores

cenrios produtivos. Com a escassez crescente dos recursos energticos em boa parte do

planeta, a energia, principal insumo da indstria do alumnio, tem influenciado para que

pases com fontes de energia limpas e renovveis e, ainda, disponibilidade de jazidas em seu

territrio, se tornem locais mais favorveis ao processo produtivo (SOUZA, et al., 2007).

Para se ter uma idia dessa transformao, os Estados Unidos, que em 1970 detinham

37% da produo mundial de alumnio, em 2004 participavam com apenas 8% da produo

mundial. O Japo, que era responsvel por 7,5% da produo mundial, j em 1989 detinha

apenas 0,2%. Em sentido inverso, pases como o Brasil e a China aumentaram

significativamente suas produes, saindo de posies insignificantes no cenrio mundial para

figurarem entre os seis maiores produtores de alumnio do mundo, conforme apresentado na

Tabela 1-1 (SOUZA, et al., 2007).

Tabela 1-1: Evoluo % da participao na produo mundial de alumnio (SOUZA, et al., 2007).

Pases 1970 1989 1995 2004

Estados Unidos 37% 20% 17% 8%

Canad 10% 8,5% 11% 9%

Japo 7,5% 0,2% - -

Austrlia 2% 7% 7% 6%

China 1% 5% 9% 22%

Brasil 0,6% 5% 6% 5%

De acordo com o estudo encomendado pela Associao Brasileira de Alumnio (ABAL)

Fundao Getlio Vargas e intitulado A competitividade do alumnio no Brasil 2010-

2020, nos prximos dez anos, a partir de 2010, o consumo nacional de alumnio crescer 8%

ao ano e superar 2 milhes de toneladas/ano, em funo do forte crescimento econmico

projetado para o pas. Atender a essa demanda com a produo nacional implicar em

investimentos de cerca de R$ 20 bilhes somente na rea de alumnio primrio e

semimanufaturados, alm da criao de mais de 100 mil empregos diretos e indiretos na

cadeia produtiva, gerando um aumento de R$12 bilhes na renda anual da economia brasileira

(FELDMAN, et al., 2010).

3 Introduo

1.2 CADEIA PRODUTIVA DO ALUMNIO

Entende-se por cadeia produtiva do alumnio a sequncia de operaes necessrias para

fabricar os produtos acabados feitos do metal, comeando pelas matrias primas. Os vrios

processos da cadeia produtiva do alumnio so independentes e realizados em diferentes

plantas industriais, conforme pode ser observado na Figura 1-1 (INSTITUTO

OBSERVATRIO SOCIAL, 2008).

Figura 1-1: Estrutura da cadeia produtiva do alumnio (INSTITUTO OBSERVATRIO SOCIAL, 2008).

1.2.1 Produo do Alumnio Primrio

A bauxita foi o primeiro minrio utilizado para a produo do alumnio fundido e

identificado pela primeira vez em 1821 por Pierre Berthier na provncia de Les Baux ao sul da

Frana (HOCKING, 2005). At metade do sculo XIX, quase toda bauxita era produzida na

Frana e empregada na indstria txtil. Somente por volta de 1886, com o desenvolvimento

do processo Hall-Hroult, foi possvel aumentar a fabricao do produto intermedirio

alumina, para posterior utilizao na produo do alumnio metlico. Alm disso, foi

desenvolvido um grupo de aplicaes para a bauxita no metalrgica, no qual se incluem

abrasivos, refratrios, produtos qumicos, cimento, prtese humana, entre outros (SAMPAIO,

et al., 2005).

A bauxita de uso metalrgico possui um teor com cerca de 40-60% de Al2O3 e isenta

de outros materiais que contm slica, lixiviados ao longo do tempo. No entanto, esse mineral

ainda contm de 20-30% de xido de ferro, um pouco de slica e outras impurezas, as quais

impedem que a bauxita seja transformada diretamente em alumnio metlico via eletrlise

(HOCKING, 2005).

O primeiro processo de recuperao da alumina (xido de alumnio) da bauxita foi

desenvolvido em 1854, pelo qumico francs Henri Deville. Contudo, o alumnio produzido

era muito caro, considerado quase um metal precioso, ocasionando com que, por volta de

1900, este processo produtivo fosse largamente substitudo por um processo mais econmico,

4 Introduo

proposto pelo austraco Karl Josef Bayer, que se baseia na extrao custica da alumina

(LIENHARD, 1988-1997).

Atualmente, o processo de obteno de alumnio primrio (metal) divide-se em trs

etapas, conforme descrito a seguir.

Minerao: esta primeira etapa caracterizada pela remoo planejada da vegetao e

do solo orgnico; retirada das camadas superficiais do solo (argilas e lateritas); e

beneficiamento do minrio de bauxita, que consiste basicamente na britagem para

reduo de tamanho e na lavagem do minrio com gua para reduo do teor de slica

(ABAL [b], 1997-2012).

Refinaria: nessa fase do processo que a bauxita transformada em alumina

calcinada. Atualmente, o procedimento mais utilizado nessa etapa o processo Bayer,

descoberto em 1888 por Karl Josef Bayer (ABAL [b], 1997-2012).

Reduo: o processo de transformao da alumina em alumnio metlico pela

eletrlise, processo conhecido como Hall-Hroult. Os principais insumos dessa etapa

so a alumina e a energia eltrica, sendo a ltima responsvel por mais de 40% do

custo de produo do alumnio primrio (INSTITUTO OBSERVATRIO SOCIAL,

2008).

1.3 PROCESSO BAYER

Em 1888, o qumico austraco Karl Josef Bayer desenvolveu um processo que se tornou

fundamental para a produo da alumina. O Processo Bayer permite que, por meio do refino

da bauxita, se obtenha o hidrxido de alumnio e da, a alumina.

O Processo Bayer consiste de quatro etapas principais: digesto, clarificao,

precipitao e calcinao e, conforme ocorrem variaes na composio ou na qualidade da

bauxita, pequenas e especficas modificaes so feitas na planta visando a manter a

qualidade do produto final (GREEN, 2007).

Para uma melhor visualizao do Processo Bayer, a Figura 1-2 a seguir apresenta um

fluxograma simplificado da planta de refino de alumina utilizada na Hydro-Alunorte.

5 Introduo

Figura 1-2: Processo Bayer Simplificado (ALUNORTE, 2011).

1.3.1 Moagem da Bauxita e Armazenamento da Polpa

Antes de iniciar efetivamente o processo qumico de refino da alumina, a bauxita sofre

uma etapa fsica de moagem por meio de moinhos semi autgenos (SAG e/ou moinhos de

bola), onde normalmente o minrio reduzido a partculas com tamanhos inferiores a 1,5mm.

O processo de cominuio tem a finalidade preparar o minrio para iniciar suas

transformaes, tornando a molcula de Al2O3 mais disponvel para promover um melhor

contato slido-lquido durante a etapa de digesto, garantindo uma extrao mais eficinte da

alumina (ALCOA AUSTRLIA, 2005).

Figura 1-3: Moinhos SAG utilizados pela PAREX

no projeto de expanso III Morro do Ouro na Rio

Paracatu Minerao S/A (PAREX, 2009).

Figura 1-4: Moinhos SAG instalado na Hydro-Alunorte

(ALUNORTE, 2012).

6 Introduo

Assim como em outras tecnologias envolvendo o processamento de minrios, na etapa

de moagem existe a necessidade de formao da polpa, que consiste da mistura dos slidos

particulados com uma quantidade substancial de lquido. A formao da polpa importante

para o processo, uma vez que facilita o transporte do minrio, retira o excesso de calor gerado

durante o transporte, impede a gerao de poeiras, entre outros fatores (CHAVES, 2006).

No Processo Bayer, a polpa formada consiste da adio de uma soluo quente e

concentrada de aluminato de sdio e soda custica bauxita. Essa soluo conhecida

tambm como licor Bayer e sua origem consiste de uma retirada do circuito do licor castico,

conforme pode ser observado na Figura 1-2 (ALCOA AUSTRLIA, 2005). Em algumas

plantas, tambm adicionado cal (CaO) polpa, com a finalidade de aumentar a dissoluo

dos xidos de alumnio.

A polpa formada durante a moagem ento bombeada para uma srie de tanques de

reteno, que servem para minimizar as interrupes de fornecimento de bauxita ao processo

e permitir o nicio da remoo de slica do licor (ALCOA AUSTRLIA, 2005).

1.3.2 Digesto

A polpa de bauxita bombeada dos tanques de reteno para os vasos digestores, no

qual ocorre o aquecimento sob presso e o recebimento de novas quantidades do licor

custico (com temperaturas entre 180oC e 250

oC). O objetivo principal dessa etapa a

dissoluo da bauxita, formando uma soluo de aluminato de sdio (Na2O.Al2O3) que

passar ainda por processos de sedimentao e filtragem (GREEN, 2007).

7 Introduo

Figura 1-5: Digestores instalados na Hydro-Alunorte (ALUNORTE, 2012).

As impurezas presentes na bauxita que permanecem na fase slida quando misturadas

com a soluo castica so conhecidas como lama vermelha (ou red mud). Alm dessas,

outras impurezas presentes na soluo concentrada de bauxita e formadas por certos minerais

(fsforo, vandio, zinco e matria orgnica) dissolvem-se juntamente com o aluminato de

sdio em soluo castica, proporcionando a formao lixvia. Essas impurezas lixiviadas

comprometem a qualidade final da alumina e afetam de forma negativa a operao do

Processo Bayer, devido s reaes paralelas com outras matrias primas e ao efeito

acumulativo desses compostos durante a circulao do licor (SAMPAIO, et al., 2005).

A reao qumica principal que ocorre na etapa de digesto do Processo Bayer

apresentada a seguir:

Al2O3.xH2O + 2NaOH 2NaAlO2 + (x+1)H2O

As condies de concentrao, temperatura e presso nas quais a dissoluo dever

ocorrer variam de acordo com a natureza e a concentrao do mineral de alumnio contido na

bauxita. A gibbsita (xido tri-hidratado), uma das formas minerais do hidrxido de alumnio,

solvel em soda castica acima de 100oC, enquanto que a bohemita (-Al2O3.H2O) e o

disporo (-Al2O3.H2O) so solveis em soda custica somente com temperaturas acima de

200oC (GREEN, 2007).

A digesto acontece segundo um perodo de lixiviao de at 5 horas, cuja faixa

operacional de presso (4,0 8,0 atm) depende da temperatura de digesto, que costuma

8 Introduo

variar entre 100oC e 250

oC, de acordo com as concentraes de gibbsita, bohemita e disporo

presentes na bauxita (McCORMICK, et al., 2001).

Uma vez que o tratamento de minerais com composio predominante em bohemita e

em disporo exigem temperaturas mais elevadas e maior tempo de digesto, o processo de

produo de alumina utilizando esses compostos mais caro que quando utilizada a gibbsita

(GREEN, 2007). Na Tabela 1-2, so encontradas algumas condies de solubilizao dos

compostos de alumnio em uma planta comercial.

Tabela 1-2: Condies de digesto da bauxita em plantas comerciais.

Composio da Bauxita Temperatura/K [NaOH],

g/L

[Al2O3],

g/L

Gibbsita 380 260 165

415 105 145 90 130

Bohemita 470 150 250 120 160

510 105 145 90 130

Disporo 535 150 - 250 100 150

Fonte: (CONSTANTINO, et al., 2001)

Conforme mencionado anteriormente, a presena de slica na bauxita prejudicial

eficincia da operao de digesto, pois a mesma reage formando o precipitado alumnio-

silicato de sdio. Esse precipitado liga quimicamente o alumnio oriundo da bauxita ao sdio

do hidrxido de sdio, formando um slido do qual o alumnio no pode ser economicamente

recuperado. Dessa forma, a slica diminui a produo de alumina e aumenta os custos

associados ao hidrxido de sdio. Aditivos qumicos e ajustes prticos no processo de refino

podem melhorar a dessilificao e a descalcificao das correntes de alumina (GREEN,

2007).

Aps a digesto, a polpa resultante com a alumina em soluo (muitas vezes referida

como "licor rico" ou "licor verde") e outros slidos de minrio no dissolvidos seguem para o

processo de reduo em uma srie de reatores sob presso, espessadores e filtros prensa

(ALCOA AUSTRLIA, 2005).

1.3.3 Clarificao

Na etapa de clarificao, o material slido no dissolvido (areia, silicatos, silicatos-

aluminatos, xidos de ferro, xidos de titnio e outras impurezas) separado do licor verde, a

fim de garantir a qualidade do hidrato na etapa de precipitao (GREEN, 2007).

9 Introduo

Esse processo ocorre nos vasos de clarificao, que nada mais so que decantadores

atmosfricos, comumente conhecidos como espessadores, os quais, por meio da decantao

gravimtrica, permitem o acumulo dos resduos insolveis no fundo do vaso (SENO, et al.).

Figura 1-6: Decantadores instalados na Hydro-Alunorte (ALUNORTE, 2012).

Como a solubilizao do xido de alumnio hidratado ocorre em temperatura e presso

superiores ambiente, necessrio despressurizar a suspenso de licor e lama antes de envi-

la aos espessadores. Esta despressurizao realizada utilizando um conjunto de vasos de

expanso e trocadores de calor que reaproveitam a energia para a prpria etapa de

solubilizao (SENO, et al.).

Os resduos insolveis de bauxita, ou lama vermelha como tambm so chamados, que

se depositam no fundo dos espessadores, seguem para um trem de lavagem em contra corrente

com gua, seguido por uma srie de decantadores e filtros. A finalidade desta etapa

recuperar a mxima quantidade de soda custica e alumina que, porventura, ainda estejam

presentes na lama vermelha (ALCOA AUSTRLIA, 2005).

Enquanto os resduos finais do processo (lama vermelha) so bombeados para uma rea

de estocagem, tambm chamada de barragem e geralmente localizada em regies adjacentes

refinaria, aproximadamente metade da gua de lavagem retorna ao processo como soluo

custica, reduzindo a quantidade de soda fresca utilizada para a formao do licor (ALCOA

AUSTRLIA, 2005).

Em paralelo, o licor rico supersaturado em alumina proveniente do transbordo dos

espessadores, passa por uma etapa de filtrao antes de seguir para o processo de precipitao.

10 Introduo

Essa etapa visa a retirar principalmente partculas de ferro e silcio presentes no licor, pois

esses componentes mesmo com concentraes na ordem de partes por milho (ppm),

contaminam a alumina produzida, comprometendo a qualidade final do produto (SENO, et

al.).

1.3.4 Precipitao

No incio da etapa de precipitao, o licor verde oriundo da clarificao resfriado por

troca trmica com o licor frio, do qual a alumina foi removida e que retornado para o nicio

da etapa de digesto. Esse procedimento importante, uma vez que, alm de promover mais

uma etapa de integrao energtica no Processo Bayer, tambm uma forma de elevar a

supersaturao do licor (SENO, et al.).

O licor resfriado alimentado de pequenos cristais de alumina tri-hidratada, dando

incio a um processo conhecido como cristalizao por semente, nos quais os cristais agem

como ncleos coagulantes para gerao de mais alumina hidratada precipitada. Aps a

alimentao da semente, o licor atravessa uma srie de largos vasos precipitadores, onde os

cristais se aglomeram e crescem (ALCOA AUSTRLIA, 2005).

A reao correspondente a essa estapa do processo descrita a seguir:

2NaAlO2 + 4H2O Al2O3.3H2O + 2NaOH

Quando a polpa de hidratos deixa o ltimo vaso precipitador, o hidrxido de alumnio

precipitado separado em diferentes tamanhos por hidrociclones. As partculas mais grossas

so transferidas para a etapa de calcinao, enquanto as partculas mais finas so filtradas e

enviadas novamente para o nicio do processo de precipitao como cristais de alimentao

(ALCOA AUSTRLIA, 2005).

11 Introduo

Figura 1-7: Tanques espessadores (precipitadores) instalados na Hydro-Alunorte (USIMINAS, 2011).

A etapa de precipitao a responsvel direta pela produtividade da refinaria e por

importantes parmetros de qualidade da alumina, tais como teor de sdio, resistncia e

distribuio de tamanhos de partculas do produto final. Alm disso, esperado um alto

rendimento de hidrato por unidade de volume de licor, sendo que o nmero de partculas

formadas por nucleao deve ser igual quantidade de partculas removidas do sistema, seja

por aglomerao e crescimento ou por dissoluo (ALCOA, 2011).

1.3.5 Calcinao

A calcinao a ltima etapa do Processo Bayer e consiste basicamente na converso

do hidrato de alumnio em alumina. Na reao apresentada a seguir, observa-se que no

processo de calcinao, o hidrxido de alumnio perde a gua de cristalizao para formao

do xido de alumnio (produto final).

Al2O3.3H2O Al2O3 + 3 H2O

A alumina obtida deve atender s especificaes de tamanho de partcula,

granulometria, rea superficial, perda por ignio (LOI) e contedo de -alumina desejada

para o tipo que est sendo produzida. Alm disso, a quantidade de sdio (principal

contaminante da alumina grau metalrgico) deve ser baixa e a energia empregada na etapa de

calcinao deve ser prxima requerida para a decomposio do hidrato (ALCOA, 2011).

12 Introduo

Antes de seguir para os calcinadores, o hidrato recm-chegado do processo de

precipitao passa por mais uma etapa de lavagem e filtrao. Esta medida reduz a quantidade

de sdio solvel para valores prximos a 0,04%. A torta mida ento levada a um secador

com temperatura prxima a 300oC para remoo da gua adsorvida (ALCOA, 2011).

Anteriormente os calcinadores utilizados no Processo Bayer eram fornos do tipo

rotativo, mas nas ltimas dcadas estes foram substitudos por Calcinadores de Leito

Fluidizado que apresentam diversas vantagens comparativas como menor consumo

energtico, menor custo de manuteno, maior uniformidade na qualidade do produto final,

maior facilidade de mudana de condies operacionais, melhor reproduo da qualidade do

produto, menor emisso de NOx, alm de maior estabilidade e facilidade de operao

(OUTOTEC, 2008).

Figura 1-8: Calcinadores de Leito Fluidizado Circulante instalados na Hydro-Alunorte (MISALLA, et al., 2011).

Normalmente, os calcinadores do tipo leito fluidizado trabalham com vasos de reteno

acoplados, que estocam uma quantidade de hidrato para controlar a vazo de alimentao dos

calcinadores. As condies de processo (temperatura de operao e nvel) desses

equipamentos so fundamentais para determinao da qualidade final da alumina. A

temperatura de calcinao pode variar entre 950oC e 1250

oC, dependendo da campanha de

alumina e da taxa de produo (ALCOA, 2011).

13 Introduo

O produto calcinado e ainda parte do material no calcinado, percorrem uma srie de

dutos e ciclones, onde h uma constante seleo granulomtrica. As partculas consideradas

finas so redirecionadas a outros ciclones para reclassificao e, caso no estejam dentro das

especificaes do referido produto, esse material fino coletado por um equipamento

eletrosttico e enviado para o nicio da etapa de calcinao (ALCOA, 2011).

Aps a etapa de calcinao, o material enviado a um resfriador para posteriormente

ser ensacado e embarcado (ALCOA, 2011).

O fluxograma da Figura 1-9 ilustra as etapas do ciclo relativo ao Processo Bayer. A

alumina obtida pelo Processo Bayer considerada de boa qualidade quando possui, entre

outras caractersticas, aquelas ilustradas na Tabela 1-3 a seguir.

Tabela 1-3: Caractersticas bsicas da alumina obtida pelo Processo Bayer.

Impurezas e caractersticas da alumina obtida pelo Processo Bayer

Impurezas % em peso Impurezas % em peso

Si

Fe

Na

Ca

Zn

0,004 0,01 0,009 0,03 0,02 0,50 0,01 0,07

0,005 0,015

Mn

Ti

P

Ga

0,0005 0,0015 0,001 0,005

0,0005 0,001 0,01 0,05

Caractersticas fsicas Alumina Arenosa Alumina em p

Perda por ignio

Alumina alfa Al2O3-(%) ngulo de repouso (grau)

Adsoro de gua (%)

Densidade aparente (kg/m3)

Peso especfico (g/cm3)

0,3 1,5 10 50 30 40 1 3

880 960 3,6 3,7

0,05 0,30 70 90 40 50

0,2 0,5 800 960 3,8 3,9

Distribuio granulomtrica (% acumulada)

+ 147 m

+ 74 m

+ 43

1 10 40 80 85 98

0 5 20 50 50 70

Podem ocorrer: Cu, Ni, Cr, B, Mg, Pb, etc., na faixa de 0,0001 0,001%

Fonte: (SAMPAIO, et al., 2005)

14 Introduo

Figura 1-9: Fluxograma ilustrativo do Processo Bayer (SAMPAIO, et al., 2005).

1.4 O CENRIO ECONMICO

1.4.1 O Cenrio Brasileiro

De acordo com informaes do International Aluminum Institute (IAI), geograficamente

a maior parte das reservas de bauxita do mundo encontram-se localizadas em regies tropicais

e subtropicais, como o Brasil (MRTIRES, 2001).

Cinco estados brasileiros (So Paulo, Par, Santa Catarina, Minas Gerais e Maranho)

so detentores de reservas de bauxita grau metalrgico, sendo que somente no estado do Par

encontram-se 90,8% dessas reservas, as quais somadas com as de Minas Gerais perfazem

98,3% das reservas nacionais (MRTIRES, 2001).

15 Introduo

As reservas brasileiras de bauxita constituem-se principalmente do hidrxido de

alumnio tri-hidratado, fato este bastante positivo, uma vez que seu processamento exige

menores presses e temperaturas e, consequentemente, menor custo de produo. Alm disso,

83,7% das reservas brasileiras apresentam caractersticas de grau metalrgico, principal

insumo utilizado na produo do alumnio primrio, contra outros 16,3% de reservas com

bauxita de grau no metalrgico ou refratrio (MRTIRES, 2001).

Embora seja um dos maiores produtores mundiais de alumina, esse tipo de indstria no

Brasil ainda bastante recente. Em meados de 1970, a produo nacional de alumina no

chegava a 500 mil toneladas por ano, equivalente a 1% da produo mundial. Hoje, o Brasil,

com maior destaque ao estado do Par, responsvel por 12% da produo mundial. Somente

a Hydro-Alunorte responsvel por mais da metade da produo brasileira e contribui com

um bilho de dlares anuais para o pas, exportando 5,5 milhes de toneladas (PINTO, 2011).

A Tabela 1-4 a seguir apresenta a produo de alumina por empresa e sua localizao.

Tabela 1-4: Distribuio da produo de alumina e localizao por empresa.

Empresa/UF Produo (%)

Alcan Alumnio do Brasil S/A MA 145 2,0

Alcoa Alumnio S/A 1165 16,4

MG 375 5,3

MA 790 11,1

Alunorte Alumina do Norte do Brasil S/A PA 4285 60,1

BHP Billiton Metais S/A MA 528 7,4

CBA Cia. Brasileira de Alumnio SP 882 12,4

Novelis Brasil Ltda MG 120 1,7

Unidade: 1000 t

Fonte: (ABAL, 2008)

A indstria brasileira de alumina deve crescer ainda mais nos prximos anos. Em 2013,

prev-se a entrada em produo da CAP (Companhia de Alumina do Par), que deve superar

a capacidade de produo da Hydro-Alunorte e contribuir para que somente dela saia um

tero da produo mundial. Atualmente, alm de estabelecer divisas, a Hydro-Alunorte

contribui para que o Brasil deixe de gastar outro bilho de dlares, fornecendo 870 mil

toneladas por ano de alumina para a Albras transformar em alumnio metlico (PINTO, 2011).

Investimentos para produo de alumina so bastante elevados. Estudos de viabilidade

econmica apontam que, para se obter competitividade internacional, deve-se produzir mais

do que 1Mtpa (milho de toneladas por ano). Por esse motivo, as fbricas de alumina da

16 Introduo

regio sudeste do Brasil, que so de pequeno e mdio porte, destinam-se produo de

alumina para abastecimento do mercado interno, sem condies de exportar eventuais

excedentes (LIMA, 2004).

Por outro lado, em 2010 a Hydro-Alunorte, localizada em Bacarena PA, produziu

5806 mil toneladas de alumina e comercializou 5799 mil toneladas, sendo 4928 mil toneladas

no mercado externo e somente 871 mil toneladas no mercado interno (ALUNORTE, 2010).

A escolha da Norsk Hydro pela participao no controle acionrio da Alunorte est

relacionada ao fato de que a refinaria apresenta um dos menores custos de produo de

alumina do mundo. No Brasil, a alumina e a bauxita correspondem somente a 38% do custo

de produo de 1 tonelada de alumnio primrio, enquanto nos EUA essas duas matrias

primas so responsveis por 60% deste custo (SCHERER, et al., 2003).

1.4.2 Custos de Produo do Alumnio Primrio

Conforme pode ser observado na Tabela 1-5, a alumina e a energia eltrica so os

principais insumos para a produo do alumnio primrio. A alumina o item que

mundialmente apresenta maior custo na cadeia produtiva do alumnio metlico, representando

entre 40% a 45% do custo total de produo. A energia eltrica, dependendo dos recursos

naturais dos diferentes pases e da poltica tarifria local aplicada, pode atingir valores

prximos a 40% do custo total de produo, como o caso da China (XAVIER, 2009).

Tabela 1-5: Principais insumos para a produo de 1 tonelada de alumnio primrio a partir da

alumina (INSTITUTO OBSERVATRIO SOCIAL, 2008).

Alumina 1920 kg

Energia Eltrica 15,0 kWhcc

Criolita 7,4 kg

Fluoreto de Alumnio 19,7 kg

Coque de Petrleo 0,38 kg

Piche 0,117 kg

leo Combustvel 44,3 kg

A converso da bauxita em alumnio primrio um dos processos indstriais com maior

gasto energtico. Segundo o BNDES (2002), o alumnio, dentre os segmentos eletro-

intensivos da indstria, responde por 25% do consumo de energia no Brasil, frente de

setores como siderurgia, papel e celulose, cimento, petroqumica, dentre outros. Esta grande

energia despendida est relacionada fase final de produo do alumnio, durante a etapa de

eletrlise da alumina (INSTITUTO OBSERVATRIO SOCIAL, 2008).

17 Introduo

Com as recentes crises energticas o Brasil deixou de ser um pas atrativo para

investimentos em novas fundies de alumnio, uma vez que o uso de eletricidade passou a

despender grandes encargos tributrios.

Assim, a soluo para melhor utilizao das abundantes reservas de bauxita do pas

estaria no aumento da produo e exportao de alumina, que exige investimentos de nveis

inferiores aos da fase final de produo do metal, tal como acontece atualmente na Austrlia

(LIMA, 2004).

1.4.3 Custos de Produo da Alumina

A produo de alumina requer uma srie de insumos alm da bauxita, soda custica e

combustveis energticos, cujo consumo, por sua vez, depende da qualidade da bauxita

utilizada no processo. Os parmetros de consumo para produo da alumina podem ser

observados na Tabela 1-6.

Tabela 1-6: Insumos necessrios para a produo de 1 tonelada de alumina.

Bauxita 1,85 a 3,4 (t/t)

Cal 10 a 50 (kg/t)

Soda Custica 40 a 140 (t/t)

Vapor 1,5 a 4 (t/t)

leo Combustvel para Calcinao 80 a 130 (kg/t)

Floculante Sinttico 100 a 1000 (g/t)

Energia Eltrica 150 a 400 (kWh/t)

Produtividade 0,5 a 3,0 (h/t)

gua 0,5 a 2,0 (m

3/t)

Fonte: (INSTITUTO OBSERVATRIO SOCIAL, 2008)

O acionamento dos equipamentos nas fbricas de alumina de grande porte exige um

consumo modesto de energia eltrica, da ordem de 200 kWh por tonelada de produto,

deixando para o aquecimento das solues casticas a vapor, secagem e calcinao que so

intensivos no uso de leo combustvel ou gs natural ou carvo mineral a responsabilidade

do maior custo no processo produtivo (LIMA, 2004).

Em 2009, o consumo mdio de eletricidade por tonelada de alumina produzida foi de

3311 kWh. Sabendo-se que so necessrios 1,9 toneladas de alumina calcinada para a

produo de uma tonelada de alumnio primrio, pode-se concluir que a eficincia energtica

aplicada durante o processo produtivo da alumina um importante fator a ser avaliado para

18 Introduo

uma possvel reduo no custo de produo do alumnio primrio (WISCHNEWSKI, et al.,

2011).

Tabela 1-7: Energia utilizada em 2009 para a produo de alumina.

Energia Especfica (MJ/t) Alumina produzida (t)

frica e Sul da sia 14768 3225778

Amrica do Norte 11449 2804849

Amrica do Sul 9319 12226990

Leste da sia e Oceania 11252 16511664

Europa 16842 7117522

Peso Mdio 11922

Total 499355 TJ 41886803

Fonte: (WISCHNEWSKI, et al., 2011)

Uma vez que a Hydro-Alunorte produz cerca de 50% de toda alumina da Amrica do

Sul e que em 2009 seu consumo energtico foi de 8 GJ/tonelada de alumina, pode-se dizer

que o consumo energtico do processo produtivo da Hydro-Alunorte inferior mdia de 9,3

GJ/t da Amrica do Sul e aos 11,9 GJ/t consumidos em mdia no mundo (WISCHNEWSKI,

et al., 2011). Conforme observado na Figura 1-10, o consumo mdio de energia da Hydro-

Alunorte em 2009 distribuido em energia eltrica recebida da rede nacional, energia

requerida para gerao de vapor e a energia para calcinao (WISCHNEWSKI, et al., 2011).

Figura 1-10: Consumo de energia da Hydro-Alunorte em 2009 (WISCHNEWSKI, et al., 2011).

A maior parcela de custo no processo produtivo da alumina est associada ao

aquecimento das solues casticas a vapor e na queima do hidrato, que por sua vez esto

principalmente associadas s etapas de digesto (100oC 270oC) e calcinao (950oC

1250oC). Nota-se que, para obteno de redues significativas no custo produtivo da

alumina, deve-se analisar a integrao energtica do processo como um todo, considerando-se

19 Introduo

possveis melhorias no sistema de vapor de aquecimento, alm de estudos especficos nas

unidades de digesto e calcinao.

1.4.4 Sistema de Gerao d