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A Engenharia Química e o Processo de Celulose e Papel
 

A Engenharia Química e o Processo de Celulose e Papel

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Esta apresentação faz alguns comentários sobre a aplicação da engenharia química no processo de produção de celulose e papel.

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    A Engenharia Química e o Processo de Celulose e Papel A Engenharia Química e o Processo de Celulose e Papel Presentation Transcript

    • Comentários sobre a Engenharia Química e Processo de Produção de Celulose e PapelFrancisco de Assis Bertini MoraesEngenheiro Químico (UNICAMP)Mestrado em Engenharia de Produção (UNIARA)Gerente de Produção de Celulose e PapelInternational Paper do Brasil Ltda.Novembro/2012
    • CONTEÚDOContextualizaçãoMadeira de EucaliptoMadeira de Eucalipto para Celulose x Rendimento da MadeiraMadeira de Eucalipto para EnergiaProcesso de Fabricação de CeluloseFábrica de Celulose e Papel e as Operações UnitáriasEngenharia de Projetos das Operações Unitárias na Indústria de Celulose e PapelEngenharia de Processos na Indústria de Celulose e Papel
    • CONTEXTUALIZAÇÃO• O segmento de celulose e papel no Brasil : - 3,7 MMha de eucalipto em reflorestamento, 15 milhões t celulose, 3,5% do PIB, - US$ 4,8 bilhões em impostos e US$ 6,1 bilhões em exportações - Emprega 4,6 milhões de pessoas (5% da população economicamente ativa do Brasil) 20 Produção de Celulose, Milhões t 18 16• 4º. maior produtor mundial de celulose de fibra curta, 14 12 10• Crescimento de 50% na produção até 2022, 8 Investimentos US$ 20 bilhões, 22 milhões toneladas 6 4 2 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020• Nos últimos 30 anos, significativo investimento em P&D pelas empresas brasileiras propiciou :- Aumento na produtividade florestal de 25 para 40 a 60 m3-madeira/hectare.ano (genética)- Menor consumo específico de madeira (m 3 de madeira por tonelada de celulose produzida).• Está incluso entre os mais energointensivos do setor industrial, Óleo combustível, Gás natural, Madeira para energia e Energia elétrica, Perfil energético adequado aos processos mais eficientes de cogeração e autosuficiência. 3
    • Madeira de Eucalipto Tora de Eucalipto S3 S2 Parede Secundária S1 P Parede Primária LM Lamela Média Anel Crescimento Fibras Fibra Poro Raio Vaso Lenhoso RaioA madeira : ~75% de polissacarídeos (50 a 80% de celulose e 5 a 30% de hemicelulose) e 25% de lignina.A maior concentração de lignina encontra-se na lamela média e a de celulose na parede secundária, noentanto, apesar da menor concentração, a maior quantidade de lignina encontra-se também na paredesecundária, existindo uma forte interação entre lignina-hemicelulose-celulose. 4
    • Madeira de Eucalipto para Celulose x Rendimento da Madeira O processo kraft de produção de celulose tem como função dissolver e extrair a lignina damadeira, com o objetivo de liberar as fibras com o mínimo de degradação dos carboidratos (celulosee hemicelulose), ou seja, o maior rendimento possível. Da lignina dissolvida em álcali (licor preto),deve-se obter o máximo de energia possível, com o mínimo de perda de álcali e de materialorgânico. 100 kg (base seca) de madeira de Eucalyptus grandis Cinzas Extrativos Lignina Hemicelulose Celulose 0,4 kg 2,1 kg 26,5 kg 20,8 kg 50,2 kg Cozimento kraft com #kappa 16 (3,2 % lignina) e Rendimento 50% 50 kg (base seca) de Fibras Marrons (50% de rendimento) Cinzas Extrativos Lignina Hemicelulose Celulose 0,1 kg 0,15 kg 0,75 kg 8,0 kg 41,0 kg (25,0%) (7,1%) (2,8%) (38,5%) (81,7%) 50 kg (base seca) dissolvidos no licor preto Cinzas Extrativos Lignina Hemicelulose Celulose 0,3 kg 1,95 kg 25,75 kg 12,8 kg 9,2 kg (75,0%) (92,9%) (97,2%) (61,5%) (18,3%)
    • Madeira de Eucalipto para Energia 6000 Poder Calorífero, kcal/kg % Carbono Fixo, Carvão Vegetal 80 10 espécies de eucaliptos 5500 79 5000 78 PCS 4500 77 4000 76 PCI PCS (Brand, 2007) 75 3500 PCI (Brand, 2007) 74 3000 PCI (Barcellos, 2005) 73 2500 72 2000 71 1500 70 1000 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 % Lignina na madeira, base seca (Brito e Barrichelo, 1977) Teor de umidade da madeira, %• Ao contrário da madeira para celulose, quanto maior o teor de lignina, maior o teor de carbono fixo no carvão produzido e consequentemente maior teor energético é obtido da madeira.• Na madeira para celulose, o maior teor de umidade favorece a impregnação de álcali nos cavacos de madeira e consequente um cozimento mais uniforme com maior rendimento. No entanto, na madeira destinada a produção de energia o maior teor de umidade reduz consideravelmente o poder calorífero. 6
    • Processo de Fabricação de Celulose Químicos ClO2 Filtrado Água H2O2 NaOH PRÉCavacos LAVAGEM PÓS Polpa DIGESTOR BRANQUEAMENTO LAVAGEM BRANQUEAMENTOEucalipto COM O2 Branqueada Licor Negro Diluído Energia Condensado Vapor Elétrica Contaminado Baixa e Média EVAPORAÇÃO Pressão Orgânicos - Na Licor Negro Orgânicos - S Concentrado Na2CO3 Licor Branco Na2SO4 , Sulfetos NaOH Vapor Gases Na2S TURBOGERADOR CO2 Na2CO3 Alta Pressão CALDEIRA DE SOx Ar RECUPERAÇÃO NOx O2 H2S C-R-S NaOH + CaCO3  CaO + Na2CO3 Na2CO3 , Na2S CAUSTIFICAÇÃO Licor Verde CaCO3 CaO FORNO DE CAL CO2 CaCO3  CaO + CO2 7
    • Óleo Toras de Madeira Combustível Água Tratada Cascas e ResíduosO processo, pode ser dividido em Preparação Vapor Tratamento de Madeira Cavacos Água - Caldeira•Linha de Fibras p/ Energia Caldeira de Alta Pressão•Recuperação Cavacos Biomassa p/ Cel.•Utilidades Energia Elétrica Energia Elétrica Turbo Gerada Gerador•Máquina de Papel Cozimento Comprada Vapor Baixa Pressão Vapor Polpa Marrom Alta Rejeitos Filtrado e Licor Preto Pressão Pré Lavagem Licor Licor Preto Cadeira de Evaporador e Depuração Preto RCH-Na Recuperação Polpa Marrom Evaporado Licor Na2CO3 Filtrado (Condensado) Verde Na2S Deslignificação Licor Branco Caustificação com Oxigênio NaOH Na2CO3 + CaO Na2S  NaOH + NaOH Oxidação de CaCO3 Licor Branco Cal Lama Cal Água Tratamento CaCO3 Água Pós Lavagem CaO Bruta de Água Tratada O2 Produção de Ar Forno de Cal Polpa Marrom Oxigênio CaCO3  Rio Deslignificada CaO + CO2 Produção de Efluente Tratamento Efluente ClO2 Clorato Sódio Branqueamento Dióxido de Óleo Tratado de Efluentes Ácido Sulfúrico Cloro Combustível Metanol Celulose Branqueada Gás Carbônico CO2 Produção de Máquina de Carbonato de Cálcio Secagem Carbonato Papel CaCO3 de Cálcio 8
    • Máquina de Papel Secagem Celulose Turbina Caldeira de Gerador Biomassa Branqueamento Caldeira de Recuperação Caustificação Forno de Cal EvaporaçãoPreparaçãode Madeira Pré Lavagem Deslignificação O2 e Depuração e Pós Lavagem 9 Cozimento
    • Fábrica de Celulose e Papel e as Operações UnitáriasInternational Paper - Luiz Antonio, que atualmente atua de forma integrada com produção de 1200 t/d de celulose e 1000 t/d de papel, com linha única de produção de celulose e 2 máquinas de papel. 10
    • Operações Unitárias na Área de Preparação de Madeira Toras de Madeira Descascamento Preparação da Madeira de Madeira Cavacos p/ Cel. Cozimento Polpa Marrom e Licor Preto Licor Pré Lavagem Preto e Depuração Picagem da Madeira Polpa Marrom PeneiragemFiltrado Deslignificação Licor Branco com Oxigênio NaOH dos Cavacos Na2S NaOH Pós Lavagem O2 Polpa Marrom Deslignificada ClO2 Branqueamento Armazenagem de Cavacos Celulose Branqueada Máquina de Secagem Papel 11
    • Operações Unitárias na Área de Cozimento de Cavacos (Digestor) Toras de Madeira Preparação de Madeira Cavacos p/ Cel. Cozimento Polpa Marrom e Licor Preto Licor Pré Lavagem Preto e Depuração Polpa MarromFiltrado Deslignificação Licor Branco com Oxigênio NaOH Na2S NaOH Pós Lavagem O2 Polpa Marrom Deslignificada Reator de Deslignificação da Madeira ClO2 Branqueamento Cinética da Reação exponencial Celulose com a temperatura. Branqueada 4 horas de tempo de reação a temperatura de 155 C Máquina de Secagem Diferentes zonas entre circulações Papel com diferentes compactações 12
    • Operações Unitárias na Área de Branqueamento da Celulose Toras de Madeira Mistura de Polpa + Químicos (Misturador) Preparação de Madeira Bombeamento de Polpa Cavacos (Bomba Especial de Pasta) p/ Cel. Cozimento Tempo de reação entre Polpa e Químicos (Torre de Reação ou Retenção) Polpa Marrom e Licor Preto Licor Bombeamento da Polpa Pré Lavagem Preto (Bombas Centrífuga) e Depuração Polpa Marrom Lavagem da PolpaFiltrado Deslignificação Licor Branco (Filtro Rotativo ou Prensa) com Oxigênio D NaOH Na2S EOP NaOH 75 C Pós Lavagem 80 C O2 A/D Polpa Marrom 80 C Deslignificada 90 C D ClO2 EOP Branqueamento A/D Celulose Branqueada ClO2 NaOH H2O2 ClO2 Máquina de H2SO4 Secagem Papel 13
    • Operações Unitárias na Área de Recuperação N2H2O , CO2 , O 2 , SO4 , Nox , (CO , H2S) , Na2SO4 , NaCl , HCl Vapor Alta Pressão VAPO RLicor Licor Preto Cadeira de ÁGUA EvaporadorPreto RCH-Na Recuperação ZO NA O XIDAÇÃO Na , SO 2 , O2 - Na2SO4 Evaporado Licor Na2CO3 AR TERCIÁRIO H2S , O 2 - SO2 , H2S (Condensado) Verde Na2S H , C , O - CO2 , H2O Licor Branco Caustificação NaOH Na2CO3 + CaO H2O , C , Na , NaOH , H2S 1050 C Na2S  NaOH + LICO R NEGRO CO NCENTRADO AR SECUNDÁRIO NaOH Oxidação de CaCO3 Licor Branco Cal Lama Cal ZO NA SECAGEM CaO CaCO3 CO , CO2 NaO H AR PRIMÁRIO Na , H2S Forno de Cal ZO NA REDUÇÃO CaCO3  Na2SO4 , C , O 2 CaO + CO2 800 C Na2S , Na2CO3 , CO2 Gás Óleo Na2S , Na2CO3 , Na2SO4 , NaCl Carbônico Combustível CO2 Vapor Água Vapor Evap. Evap. Evaporado Licor Licor Licor Licor Preto Licor DiluídoConcentrado Licor Licor Verde Evaporação Caldeira de Recuperação 14
    • Vapor Alta Pressão Operações Unitárias na Área de Caustificação e Forno de CalLicor Licor Preto Cadeira de EvaporadorPreto RCH-Na Recuperação Evaporado Licor Na2CO3 (Condensado) Verde Na2S Licor Branco Caustificação NaOH Na2CO3 + CaO Na2S  NaOH + NaOH Oxidação de CaCO3 Licor Branco Cal Lama Cal CaO CaCO3 Forno de Cal CaCO3  CaO + CO2 Gás Óleo Carbônico Combustível CO2 H2O CO2 CO2 + pó CaO Gás Natural Scrubber Filtro Transferência CaO (s) de Massa Rotativo Separação Silo Mecânica Na2CO3 NaOH Na2CO3 (l) + Ca(OH)2 (l) 2 NaOH (l)+ CaCO3 (s) Tanque Tanque CaO + H2O  Ca(OH)2 CaCO3 Reatores Químicos Bombeamento Decantador Tanque Armazenagem Mecânica de Fluidos Separação Mecânica Mecânica de Fluidos 15
    • Engenharia de Projetos das Operações Unitárias na Indústria de Celulose e Papel Exemplos com as Operações Unitárias na Área de Caustificação e Forno de Cal H2O CO2 CO2 + pó CaO Gás Natural Scrubber Filtro Transferência CaO (s) Rotativo de Massa Separação Silo MecânicaNa2CO3 NaOH Na2CO3 (l) + Ca(OH)2 (l) 2 NaOH (l)+ CaCO3 (s) Tanque Tanque CaO + H2O  Ca(OH)2 CaCO3 Bombeamento Reatores Químicos Decantador Tanque Armazenagem Mecânica de Fluidos Cinética Química Separação Mecânica Mecânica de Fluidos Mecanismo Torque QA , CA De Elevação Entrada Vazão de Reagentes (F) Vazão de Produtos (F) Suspensão VL Saída Sólidos zona Clarificado C1e : Na2CO3 C1 : Na2CO3 limite QL , CL C2e : NaOH C2 : NaOH QC V : Volume de Reação no Reator Saída Rastelo 16 Lama QB, CB
    • Exemplo 1 : Decantadores Separação líquidos/sólidos através da sedimentação gravitacional das partículas sólidas Ref. : Foust; Wenzel. Princípios das Operações Unitárias, Sedimentação :Pags. 554 a 562 Mecanismo Torque De Elevação QA , CA Entrada Suspensão Sólidos VL Saída zona Clarificado limite QL , CL QC Medidor Densidade Saída Rastelo Bomba Lama Velocidade Variável QB, CB A velocidade de ascensão do líquido (e de decantação das partículas sólidas) é a principal variável e é afetada por :  ρL e ρS ; μ(T) ; dp e φp Concentração de sólidos em suspensão (Lei de Stokes, Velocidade Terminal) 17
    • Dimensionamento Básico de Decantadores ( Área ) - Método pela Velocidade de Ascensão Considera a velocidade de ascensão e concentração em todas as interfaces das zonas de clarificação, garantindo que a mínima velocidade de ascensão do líquido não provoque o arrastamento de partículas sólidas (máx. área). Fluxo de Líquido na Zona Limite (interface)  QC = QA – QB S = QA . ( 1 - CA ) VL = QA - QB  S = QA - QB VL CB S VL Fluxo Mássico de Sólidos em Regime Contínuo VL  Conhecido e tabelado pelo histórico de operação em instalações existentes. QA . CA = QB . CB  QB = QA . CA CBDecantação de Carbonato de Cálcio (CaCO3) em Suspensão com Soda Cáustica Líquida QA = 40 m3/h , CA = 235 kg/m3 na alimentação e CB = 550 kg/m3 na saída de lama. VL = 0,07 m/h conforme tabela de databook. Determinar o diâmetro necessário do decantador, QB e QC. S = 40 . ( 1 – 235 ) = 327 m2 QB = 40 . 235 = 17 m3/h 0,07 550 550 D = ( 4 . S ) ^ 0,5 = 20,4 ~ 21,0 m QC = 40 – 17 = 23 m3/h π 18
    • Exemplo 2 : Reatores de caustificação do licor verde a licor branco CSTR , Mistura Homogênea (Ca(OH)2 e o CaCO3 são insolúveis no licor branco) k1 Na2CO3 (aq) + Ca(OH)2 (s) CaCO3 (s) + 2 NaOH (aq) k2 k1 – Constante cinética da reação direta k2 – Constante cinética da reação inversaVazão de Reagentes (F) Vazão de Produtos (F) r1 – Velocidade da reação direta r2 – Velocidade da reação inversaC1e : Na2CO3 C1 : Na2CO3 t – Tempo de reação = V/FC2e : NaOH C2 : NaOH X1 – Fração do reagente 1 convertido em produto V : Volume de Reação no Reator r1 - Velocidade de reação para o consumo de Na2CO3  r1 ~ k1 . C1ⁿ V = X1 = C1e - C1 r1- Velocidade de reação para o consumo de Na2CO3  r1= C1 – C1e = C1 – C1e F1e -r1 C1e . (-r1) t V/F F1e – Vazão molar de alimentação do Na2CO3  F1e = F . C1e t = V = C1e . X1 = C1e – C1 X1 – Fração do reagente Na2CO3 em produto  X1 = 1 – C1/C1e F -r1 -r1 19
    • Dados da cinética da reação química Na2CO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + 2 NaOH (Sulfidez 30%, 105 C, CaO 98%) C1 (Concentração Na2CO3) – mol/l 100 X1 (Conversão Na2CO3) - % r1 (Veloc. conversão Na2CO3) – mol/l.min1,40 0,20 901,20 80 70 0,151,00 60 r1 = 0,7146 C1 - 0,15970,80 50 0,100,60 400,40 30 20 0,050,20 100,00 0 0,00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 Tempo de reação - min Tempo de reação - min C1 (Concentração Na2CO3) – mol/l Para um fluxo de 2.000 l/min, quais os volumes de 3 reatores em série, considerando as conversões de Na2CO3 em 78,0%, 81,0% e 82,5% e os tempos de reação correspondentes ? t = V = C1e . X1 = C1e – C1 F -r1 -r1 t X1 C1 r1 V Observa-se que o volume dos reatores necessário p/ min - mol/l mol/l.min m3 passar a conversão do Na2CO3 de 78 % ( 20 min) para 0 0,000 1,3200 - - 82,5 % (180 min) aumenta de 40 para 360 m3, o que 20 0,780 0,2904 0,05148 40 envolve maior dispêndio de capital com a construção 60 0,810 0,2508 0,01782 120 dos reatores e agitação. No entanto, a maior conversão, 180 0,825 0,2310 0,00605 360 possibilitará menor carga do produto Na2CO3 como não reativo (inerte) no cozimento e recuperação. 20
    • Engenharia de Processos na Indústria de Celulose e PapelExemplo 1 : Engenharia de Processos com Base no Fenômeno D Toras de Madeira EOP 75 C 80 C A/D Preparação 80 C de Madeira 90 C D Branqueamento EOP Cavacos p/ Cel. A/D NaOH ClO2 Cozimento H2O2 ClO2 H2SO4 Polpa Marrom e Licor Preto Licor Pré Lavagem Preto Alta volatilidade, ou seja, na pressão atm é solúvel em água a 8,5 g/l a 9 C. e Depuração ClO2 Portanto deve ser produzido no local de utilização, proibido o transporte. Polpa Marrom Planta de Dióxido de CloroFiltrado Deslignificação Licor Branco Clorato de Sódio (NaClO3) com Oxigênio NaOH Na2S + NaOH Ácido Sulfúrico (H2SO4) + Pós Lavagem Metanol (CH3OH) O2 Polpa Marrom Deslignificada H2SO4 ClO2 Dióxido de Cloro (ClO2) + Branqueamento NaOH Dióxido de Cloro Cloro (Cl2) H2O2 Celulose + Branqueada Ácido Fórmico (CHOOH) + Sesquisulfato de Sódio (Na3H(SO4)2) Máquina de Secagem Papel
    • Reações QuímicasO clorato de sódio (NaClO3) reage com o metanol (CH3OH) numa solução de ácido sulfúrico (H 2SO4)para produzir o gás dióxido de cloro (ClO2).O CH3OH age como agente redutor que se oxida formando HCOOH para reduzir o ClO3 a ClO212 NaClO3 + 8 H2SO4 + 3 CH3OH 12 ClO2 + 3 HCOOH + 9 H2O + 4 Na3H(SO4)2Os subprodutos são :- ácido fórmico (HCOOH),- um sulfato ácido : sesquissulfato de sódio [Na3H(SO4)2]- água (H2O).Na lavagem de sulfato a reação é: 2 Na3H(SO4)2  H2SO4 + 3 Na2SO4Reações Secundárias :3NaClO3 + 3NaCl + 4H2SO4  3ClO2 + 3/2Cl2 + 2Na3H(SO4)2 + 3H2O12NaClO3 + 8H2SO4 + 15CH3OH  6Cl2 +15HCOOH + 21 H2O + 4Na3H(SO4)2 Estequiometria Industrial da Reação para 95% de Conversão de ClO3 a ClO2 Químico t/t ClO2 (base seca) Clorato de Sódio 1,64-1,66 Ácido Sulfúrico 0,77-0,87 Metanol 0,16-0,20 Produz 1,10 de Na2SO4 e 0,18 de HCOOH 22
    • Água Água Fria (5 C) Fábrica CHILLER atm TANQUE DE ÁCIDO H2O + HCOOH + VaporSULFÚRICO H2SO4 , 98 % ClO2 + Cl2 135 mmHg EJETOR 0,82 t/t-ClO2 (gás) 71 C 170 mmHg EXAUSTOR Água H2O + CONDENSADOR Morna ClO2 + Cl2 CONDENSADOR Água (gás) 76 C Fábrica TORRE 60 % nível DE ABSORÇÃO Vapor REFERVEDOR Água REATOR Morna Cond. H2O + ClO2 + Cl2 31 C (gás + líquido)TANQUE DE 74 CMETANOL CH3OH , 96 % H2O + ClO2 + Cl2 Sólidos (líquido) 0,18 t/t-ClO2 1850 kg/m3 Sesquisulfato H2O + HCOOHTANQUE de Sódio ClO2 + Cl2 DE 50 % nívelCLORATO Na3H(SO4)2 (gás + líquido)DE SÓDIO NaClO3 TORRE DE 1,65 t/t-ClO2 ABSORÇÃO FILTRO Na3H(SO4)2 Na2SO4 FILTRO Sólido ClO2 (1% Cl2 + HCOOH) TANQUE DE Sólido Filtrados (ácido) Água 9,5 g/l , 9 C DIÓXIDO Água 85 C Morna DE CLORO 45 C Morna Na2SO4 Na2SO4 + Na3H(SO4)2 + Ácidos Vapor 23 Resíduos
    • Saída do Reator Tanque de H2SO4 Tanque de NaClO3 Tanque de CH3OH p/ Condensador Topo do ReatorFiltro de Na3H(SO4)2 Filtro de Na2SO4 Bombas Químicos Bomba Recirculação do Reboiler/Gerador Alimentação da Chiller Tanques de ClO2 Exaustor Torre de Absorção Saída de ClO2 da Torre de Absorção 24
    • Engenharia de Processos : Controle da Eficiência de Geração de Dióxido de cloro9 NaClO3 + 2 CH3OH + 6 H2S04  9 Cl02 + 3 Na3H(S04)2 + 7 H20 + ............. (3 Na3H(S04)2  1,5 H2SO4 + 4,5 Na2SO4) Relação Estequiométrica para 100% Eficiência Produção de Dióxido de Cloro (P) Massa P = 1.130 l/min . 9,5 g/l . 1/1000 kg/g . 1.440 min/dia = 16.272 kg/dia Químicos x No. Mol t/t-ClO2 Molecular NaClO3 106,50 958,50 1,58 Consumo de Clorato de Sódio (C) C = 26,0 l/min . 0,720 kg/l . 1.440 min/dia = 26.928 kg/dia CH3OH 32,00 64,00 0,11 H2SO4 98,00 441,00 0,73 Cálculo da Eficiência de Geração de Dióxido de Cloro : ClO2 67,50 607,50 1,00 C/P (t-NaClO3/t-ClO2) = 26.928/16.272 = 1,65 t-NaClO3/t-ClO2 Na2SO4 142,00 639,00 1,05 Eficiência = 1,58/1,65 x 100 = 95,8 % Eficiência de Conversão de ClO3 a ClO2, % Consumo de Clorato de Sódio - t-NaClO3/t-ClO2 100,0 1,78 98,0 1,74 1,70 96,0 1,66 94,0 1,62 1,58 92,0 1,54 90,0 1,50 dez jul ago jul ago abr mai fev mar fev jan out nov out set set jun jun nov set set out out ago ago jan mar mai dez jul jul abr Consumo de Ácido Sulfúrico - t-H2SO4/t-ClO2 Consumo de Metanol - t-CH3OH/t-ClO2 0,88 0,30 0,84 0,25 0,80 0,20 0,76 0,15 0,72 0,10 0,68 0,05 25 ago ago dez jan fev jul jul set set abr jun nov out out mai mar fev set set jun nov out out ago mar ago mai dez jan jul jul abr
    • Variáveis de Controle do Processo para Maximizar a Eficiência de Reação Perda de Produto Ineficiência da Reação QuímicaAlta umidade na torta do filtro de sulfato de sódio Contaminação do Ácido SulfúricoAlto teor de clorato na torta do filtro de sulfato de sódio Contaminação do MetanolBaixo pH na torta do filtro de sulfato de sódio Contaminação do Clorato de sódio- Baixo vácuo no filtro de sesquisulfato e sulfato Contaminação da Água Fria- Ineficiência dos chuveiros de lavagem da torta Contaminação da Água de Fábrica- Baixa temperatura da água de lavagem - Teor de ferro elevado nas matérias primas- Baixa vazão de água de lavagem da torta - Teor de metais elevados nas matérias primas- Transbordos dos filtros de sesquisulfato e sulfato - Corrosão interna nos tanques e tubulaçõesPerda de Dióxido ou Cloro pelo "vent" da torre absorção 2aria.Controle Operacional do Processo- Perda de "recheio" das torres de absorção - Descontrole nos valores de temperaturas reator e água fria- Caminho preferencial nas torres de absorção - Descontrole nos valores de vácuo- Descontrole de temperaturas da água fria e no reator. - Descontrole de nível no reator e torres de absorção- Inundação das torres de absorção (descontrole fluxo/nível) - Variação excessiva de teor de sólidos no gerador- Descontrole de vácuo pelos ejetores - Variação excessiva de concentração das matérias primasPerda de produtos por sistemas de selagens ineficientes - Alterações brucas de produção de dióxido de cloro- Gaxetas de bombas - Desbalanço de água no processo (Água Fria/Diluição/Lavagem)- Gaxetas de agitadores Paradas por Manutenção- Gaxetas de válvulas - Excesso de falhas de funcionamento dos equipamentos- Vazamentos de flanges, válvulas e tubulações - Falta ou variação de fornecimento de utilidades 26
    • Exemplo 2 : Engenharia de Processos com Base em Modelagem Matemática Na engenharia de processos, para a otimização dos recursos produtivos, utiliza-se de várias técnicas, muitas delas de cunho estatístico para modelar sistemas de produção e auxiliar na tomada de decisões. Trataremos aqui da técnica com regressão linear múltipla. A modelagem fornece a técnica de estimação para uma série de equações de regressão múltipla separadas estimadas simultaneamente. X X11 X X44 YY4 4 O modelo estrutural é o modelo de “caminhos”, que YY1 1 relaciona variáveis independentes com dependentes. Em tais situações, teoria, experiência prévia ou X X22 YY3 3 YY5 5 outras orientações permitem ao pesquisador distinguir quais variáveis independentes prevêem cada variável dependente. X X33 YY2 2 X X55 Y  variáveis endógenas , X  variáveis exógenas , є  erro Y  variáveis endógenas , X  variáveis exógenas , є  erro Y1 = a1 + a2 X1 + a3 X2 + є1 O modelo de mensuração permite ao pesquisador Y1 = a1 + a2 X1 + a3 X2 + є1 examinar uma série de relações de dependência Y2 = a4 + a5 X3 + a6 Y1 + є2 Y2 = a4 + a5 X3 + a6 Y1 + є2 simultaneamente, sendo particularmente útil Y3 = a7 + a8 Y1 + є3 Y3 = a7 + a8 Y1 + є3 quando uma variável dependente se torna Y4 = a9 + a10 X4 + є4 Y4 = a9 + a10 X4 + є4 independente em subseqüentes relações de Y5 = a11 + a12 X5 + a13 Y2 + a14 Y3 + a15 Y4 + є5 Y5 = a11 + a12 X5 + a13 Y2 + a14 Y3 + a15 Y4 + є5 dependência. 27
    • Cadeia de suprimentos de madeira e insumos energéticos para o processo de fabricação de celulose e papel. Toras de Madeira Toras de Madeira Óleo para Energia para Celulose Combustível (Pontas Árvore) Lenha Comprada Biomassa para Energia Preparação Cascas Preparação Cavacos para Celulose de Madeira de Madeira -Cavacos para Energia Energia Celulose -Cascas para Energia UTILIDADES E RECUPERAÇÃO Licor Negro PRODUÇÃO DE CELULOSE -Caldeira de Biomassa e Óleo -Cozimento -Caldeira de Recuperação Química -Lavagem -Forno de Cal -Pré Branqueamento -Branqueamento Suspensão Suspensão de Celulose de Celulose Vapor Alta Pressão Extratora de Vapor Celulose Baixa e Média Turbo Geradores Pressão de Energia Elétrica Energia Elétrica PRODUÇÃO DE PAPEL Gerada -Máquinas de Papel -Acabamento do Papel Energia Elétrica Comprada PRODUTO PRODUTO 28 PAPEL CELULOSE
    • Fluxo básico de interdependências de variáveis de influência no consumo de madeira e insumos energéticos DENSIDADE BÁSICA CONSUMO RESÍDUOS TEOR SECO PREPARAÇÃO ESPECÍFICO MADEIRA MADEIRA MADEIRA CELULOSE RENDIMENTO DA MADEIRA TEOR SECO CONSUMO CASCA MADEIRA CARGA ALCALINA FORNO ENERGIA E SULFIDEZ DE CAL PRODUÇÃO VAPOR PRODUÇÃO CALDEIRA VAPOR BIOMASSA CONSUMO CALDEIRA ÓLEO PRODUÇÃO RECUPERAÇÃO COMBUSTÍVEL DE CONSUMO CELULOSE PRODUÇÃO VAPOR DE E VAPOR BAIXA PRESSÃO COMPRA PAPEL ALTA ENERGIA CONSUMO PRESSÃO VAPOR DE ELÉTRICA GERAÇÃO MÉDIA PRESSÃO ENERGIA ELÉTRICA CONSUMO DE ENERGIA ELÉTRICA 29
    • Modelo Estrutural Preparação Produção.Cel Máquina Prod.Acab.Cel CEM de Digestor / Lavagem / Desaguadora Madeira p/ TS-Cav REND Pré-Branqueamento-O2 Branqueamento de Celulose Celulose DB VBP-Tot DA TS-Mad CAE Licor VBP-Outr VMP-M-1 Outros TS-Biom SULF Negro RCHO-Na/S Máquina Prod.Bruta-1 TR-Úmido ATIV 16% de Papel VBP-Cel VMP-M-1 LAN1 Veloc-1 TR-Seco ACABAMENTO g/m2-1 CAA VBP-Evp %Cel-1 Prod.Acab.Pap Evaporação Res.Ger VCE VMP-Tot Cons.Cel-1 VMP-M-2 Refugo e DES-VBP VMP-Uti Evaporação Dessup. Máquina Prod.Bruta-2 de Placas Utilidads de Papel C Veloc-2 LAN2 Outros O C VMP-M-2 g/m2-2 L VMP-Maq O VMP-Outr %Cel-2 E L T Cons.Cel-2 Licor NaOH E RSP VMP-Cel O T Branco Na2S cinzas VBP-Strip Stripper Na2CO3 9% R O TSS VMP-Evp R Licor 1 TEE VBP-Rec AAC Caustificação Verde Caldeira de RED-VMP 2 4. Recuperação Ca2CO3+NaOH<- Recuperação CaO+Na2CO3 Na2CO3 5 Na2S Redutora b CaO RCHO-Na/S , O2 a b Vatm , CO2 -> atm r aÓleo-7A Forno de Cal -> calor , Na2S VMP-EXT , Na2CO3... r Ca2CO3+calor (19 t/h sopragem) GEE -> CaO+CO2 DES-VMP Dessup. Ger. VAP Turbo CEE Vapor. Gerador 1 Rec 6 Preparação Vapor.Rec 0 de C VBP-CPR VBP-Uti Utilidades Biomassa p/ O VAP-ADM C Energia L E Turbina VCE-VBP VBP-Des Desaerador V.Cald.Biom + T VCE com Recuperação Calor O Cons.Biom R Tanque TAC-VBP - Acumulador Estoque 6 CALD3 Caldeira Óleo3A.CALD3 Est.Biom Caldeiras 5 Óleo Biomassa RED-VBP Baixa Combinadas Redutora Picada Pressão Óleo b e 3 Óleo-3A a Turbina BiomassaMad.Ene Preparação de Cons.Mad.Ene r Bomba TB-VBP Madeira p/ No.Enr 1e 2 Agua 30 Energia Cons.Óleo.CB
    • Histórico do Consumo Específico de Madeira e Variáveis de Influência 58 Rendimento - % Consumo Específico de Madeira – m3/t.cel. 56 5,000 54 4,800 4,600 52 4,400 50 4,200 48 4,000 46 3,800 44 3,600 j/04 j/05 j/06 j/07 j/08 j/09 3,400 Perdas de Madeira - % 18 3,200 17 3,000 16 j/04 j/05 j/06 j/07 j/08 j/09 15 14 13 Matrix Plot of 1/CEM vs DB; REND; PERDAS 12 51 54 57 11 0,27 10 j/04 j/05 j/06 j/07 j/08 j/09 0,26 530 Densidade Básica – kg/m3 0,25 520 1/CEM 510 0,24 500 490 0,23 480 470 0,22 460 450 480 500 520 12 14 16 440 DB REND PERDAS j/04 j/05 j/06 j/07 j/08 31 j/09
    • • Técnica estatística : Modelagem com Regressão Linear Múltipla - Critérios• As hipóteses são confrontadas com o nível de significância de 5,0 %, seguindo os seguintes critérios :Se na análise de variância da regressão, F > Fp,n-p ou valor-p < 0,05 , rejeita-se Ho e conclui-se que omodelo estimado pelo procedimento de regressão apresenta significância ao nível de α = 0,05. Isto indica que no mínimo umcoeficiente do modelo é diferente de zeroSe os valores para os coeficientes das variáveis independentes apresentam valor-p < 0,05, isto é umindicativo que elas são significamente relacionadas com a variável dependente.Coeficiente de determinação representa se o modelo tem uma adequada habilidade de predição compararando os valores de R-Sq , R-Sqadj e R-Sqpred e verificar se os seus valores não se diferem significativamente (VIF) > 4, e o Coeficiente de Durbin-Colinearidade entre as variáveis independentes : o Fator de inflação de variânciaWatson (DW) < 0,5 , indica a existência de variáveis correlacionadas.Normalidade dos resíduos é utilizado as observações dos gráficos de distribuição normal dos resíduospadronizados em escala logaritimica e do histograma dos resíduos padronizadosVariância constante dos termos do erro ou resíduos (Homoscedasticidade), utiliza-se as observações dos gráficosdos resíduos em função dos valores preditos e das observações.Pontos discriminantes (outliers), verifica-se o gráfico o dos resíduos padronizados em função dos valores preditos, verificando os pontos que existem fora do intervalo entre -2 a +2. São admitidos em no máximo 5% do total de observações. 32
    • Exemplo : Consumo Específico de Madeira x Densidade Básica, Perdas e Rendimento Análise de Regressão : CEM x DB , TR-Seco , REND Predição do Consumo específico da madeira (CEM) Equação da regressão : CEM = 12,4844 - 0,0108365 DB + 0,035583 TR-Seco - 0,067814 REND Residual Plots for CEM Normal Probability Plot of the Residuals Residuals Versus the Fitted Values Preditor Coef. SE Coef. T P VIF 99,9 Constant 12,484400 0,495700 25,190000 0,0000 - 2 Standardized Residual 99 DB -0,010837 0,000877 -12,360000 0,0000 1,2 TR-Seco 0,035583 0,008221 4,330000 0,0000 1,2 90 1 Percent REND -0,067814 0,004230 -16,030000 0,0000 1,1 50 0 S = 0,06492 R-Sq = 91,9 % R-Sq(adj) = 91,4 % 10 -1 PRESS = 0,2944 R-Sq(pred) = 90,8 % 1 0,1 -2 Durbin-Watson statistic = 1,81267 -4 -2 0 2 4 3,50 3,75 4,00 4,25 4,50 Standardized Residual Fitted Value Análise de Variança Source DF SS MS F P Histogram of the Residuals Residuals Versus the Order of the Data Regression 3 2,951040 0,983680 233,4100 0,0000 2 Standardized Residual Residual 12 Error 62 0,261290 0,004210 1 Frequency Total 65 3,212320 9 Source DF Seq SS 0 6 DB 1 1,744640 TR-Seco 1 0,123260 3 -1 REND 1 1,083140 0 -2 Outliers -2 -1 0 1 2 1 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Standardized Residual Observation Order Total (0 %) CEM-Predito CEM-Real Consumo específico de madeira Predito x Real 4,7 4,7 4,75 4,5 4,5 4,50 4,3 4,3 CEM - Predito 4,25 4,1 4,1 4,00 3,9 3,9 3,75 3,7 3,7 3,50 3,5 3,5 3,50 3,75 4,00 CEM - Real 4,25 4,50 4,75 j/04 j/05 j/06 j/07 j/08 j/09 33
    • Surface Plot of CEM(DB=500) vs PERDAS; REND Modelo para o Consumo Específico de Madeira CEM (m3/t.cel) = 12,32 - 0,0103638 . DB - 0,069508 . REND + 0,036903 . PERDAS 4,9 4,7 4,5 4,3 CEM(DB=500) 4,1 3,9 3,7 3,5 3,3 19 3,1 17 15 13 PERDA S 47 11 49 51 53 9 55 7 REND 57 59Condição ideal como metas a serem “controladas” :• Densidade Básica da Madeira > 500 kg-seco/m3• Rendimento > 55 %• Perdas de Madeira < 13 %Consegue-se manter o CEM < 3,75 m3/t.cel. 34