Modelagem do processo Bayer utilizando o software comercial Aspen Plus
Armando Antonio de Oliveira Torres
DISSERTAÇÃO
Português
(Broch.)
T/UNICAMP T636m
Campinas, SP : [s.n.], 2001.
161p. : il.
Orientador: Maria Regina Wolf Maciel
Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Quimica
Resumo: O Processo Bayer é definido como uma tecnologia para a produção de óxido de alumínio (Ah03), principal matéria prima para a produção de Alumínio. Este processo transforma o minério de bauxita em alumina Ah03, utilizando soda cáustica e vapor gerado por caldeiras. Os sub processos que compõem...
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Resumo: O Processo Bayer é definido como uma tecnologia para a produção de óxido de alumínio (Ah03), principal matéria prima para a produção de Alumínio. Este processo transforma o minério de bauxita em alumina Ah03, utilizando soda cáustica e vapor gerado por caldeiras. Os sub processos que compõem o processo Bayer são a Moagem, Digestão, Filtração, Troca Térmica, Precipitação, Calcinação e Evaporação. Utilizando os dados da Refinaria de Poços de Caldas e trabalhando no Laboratório de Desenvolvimento de Processos de Separação da Faculdade de Engenharia Química da Unicamp, foi desenvolvido um método que utiliza os modelos existentes no software Aspen Plus para compor o "Modelo do Processo Bayer".O principal objetivo deste trabalho foi inter-relacionar os modelos do Aspen Plus para representar a Refinaria de Poços de Caldas, simulando o balanço de massa e energia do processo Bayer. A simulação foi conduzi da utilizando o módulo do simulador para sistemas eletrolíticos, considerando o estado dos componentes em seu modo verdadeiro, para melhor representar a não idealidade da solução. O licor do processo Bayer é uma solução eletrolítica, em que a água é o solvente e os demais componentes da mistura, NaOH, NaAlOz, NazCO3 estão completamente dissociados em íons como Na+, AlOz-, CO3-z, e OH-. As operações unitárias utilizadas do software para construir o "Modelo do Processo Bayer" foram o reator estequiométrico, tanques de "flash", lavadores simples, decantadores de contra corrente, misturadores, aquecedores e condensadores. O processo Bayer é controlado através do monitoramento das concentrações alcalina (TA), cáustica (TC) na unidade de equivalente g NazCO3 por litro de licor, como também a concentração de alumina em g AlzO3 por litro de licor. Foi necessário desenvolver uma metodologia que transformasse estas concentrações para expressões na base em massa para os compostos NaOH, NaAlOz, NazCO3 e água. A equação de densidade do Aspen Plus apresentou um desvio de 15% quando tentou-se obter os volumes e massas da solução. Foi necessária a utilização de uma outra equação de densidade (Equação de Russel) para desenvolver o método de transformação das concentrações de solução em massa. Comparando-se este método com dados analíticos, encontrou-se desvios da ordem de 1 %, demonstrando grande precisão do método. A entrada de dados para as simulações foram provenientes de amostras e análises químicas do licor e medidas de fluxo, temperatura e pressão do processo produtivo. Com os resultados da simulação do "Modelo do Processo Bayer", as massas dos íons Na+, AL02-, C03-2, e OH- são obtidas, as quais são transformadas em concentrações nas bases TA, TC e AhO3, para que seja possível a comparação entre os resultados do modelo e os dados analíticos de cada sub processo. Os desvios entre os resultados dos modelos de cada sub processo e as concentrações de planta estiveram entre O e 3 %. F oram utilizados fatores de ajuste para representar o sub processo da digestão e a evaporação natural dos tanques de processo para aumentar a precisão do modelo. O "Modelo do Processo Bayer" apresentou baixos desvios da realidade quando foram comparadas com as concentrações da solução cáustica da planta e as geradas pelo modelo. Foi observado o grande potencial de utilização nas seguintes atividades: Planejamento operacional e estimativa do custo de produção da alumina de acordo com o consumo de soda, bauxita e energia. Controle de volume da planta. Predizer as concentrações cáusticas do licor; Diferenças e perdas de energia em aquecedores; Identificação de anonnalidades no processo
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Abstract: (AlzO3), main raw material to produce Aluminum. This process transforms Bauxite ore in a white sand alumina (AlzO3), using Caustic Soda and Steam from the Boilers. The sub processes that represent a Bayer Refinery are Grinding, Digestion, Filtration, Heat Exchange, Precipitation,...
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Abstract: (AlzO3), main raw material to produce Aluminum. This process transforms Bauxite ore in a white sand alumina (AlzO3), using Caustic Soda and Steam from the Boilers. The sub processes that represent a Bayer Refinery are Grinding, Digestion, Filtration, Heat Exchange, Precipitation, Ca1cination and Evaporation. Using the Poços de Caldas Refinery data, and working at the Separation Process Development Laboratory at Campinas State University, a method to link the models in Aspen Plus software, to build up the Bayer process was developed. The main objective of this work was to interrelate the models from the Aspen Plus to represent the Poços de Caldas Refinery, to simulate the Energy and Mass Balances from the Bayer Process. Simulation for Electrolyte Systems were performed, with true components and to represent the non-ideality ofthe liquid solution, the NRTL thermodynamic model was used to get the activity coefficients in order to calculate the vapor-liquid phase equilibria. The Bayer liquor is an electrolyte solution, in which water is the solvent and the components from the mixture, NaOH, NaAlO2, Na2CO3 are completely dissociated in ions as Na+, AlO2-, CO3-Z and OH-. The unit operations used from the software to build up the Bayer process are: Stoichometric Reactor, Flash Tank, Single Wash, Counter Current Decanter, Mixers, Heaters and Condensers. The Bayer process is controlled by following the alkaline, caustic and alumina concentrations in equivalent unit (g Na2CO3 per liquor liter). A methodology to transform this concentration expression in mass of NaOH, NaAlOz, Na2CO3 and water was necessary to be developed. The density equation from the Aspen Plus gave 15% of error when it was tried to calculate the volumes or the masses. Another equation (Russell equation) was, then, used to develop the method to transform the concentration number in mass. Comparing with analytical data, the error were about 1 %, giving a good accuracy to the translated method. Samples and chemical analyses, flows, temperature and pressure measurements are the inputs for the model from the planto The outputs from the "Bayer Model" in Na+, AIO2-, CO3-and OR mass, were transformed in TA, TC and AhO3 concentrations (Alkaline, Caustic and Alumina concentration) to compare with the results of the analytical plant that were collected in the outlets from each sub processo Each sub processes was runned and the outputs plant concentrations were compared with the results from Aspen giving deviations between O and 3%. Fitting factors in the reactor to represent the digestors were used. The natural evaporation that occurs in the tanks was necessary to be considered in the model to increase its accuracy. The Bayer Model developed can be used to: Control the plant volume. Predict liquor concentration and find ilegal dilution in the process. Carry out an operating plan and to estimate the alumina cash cost according to the consumption of Soda, Bauxite and Energy Proceed with mass and energy balances and lost in the heaters. So, using the models from Aspen Plus for Electrolyte System, it is possible to build up a "Bayer Process Model" to represent a Plant with deviation between O to 3%. With this accuracy, the model can predict the energy and mass balances and the solution concentrations from the plant liquor. The density equation from Russell is necessary to be used to get the accuracy commented to translate the liquor concentration (TA, TC and AhO3) to the NaOH, NaAlO2, Na2CO3 and Water
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