Modelagem e simulação de um reator de dióxido de cloro

Abstract

O dióxido de cloro vem conquistando um destaque no cenário global devido às suas propriedades únicas que o caracterizam como um excelente agente oxidante. Dentre suas diversas aplicações, a principal é no branqueamento de celulose devido sua alta seletividade oxidativa para a lignina, conservando assim as propriedades mecânicas da polpa. É empregado através da metodologia livre de cloro elementar (ECF — elemental chlorine free), tecnologia que domina o mercado de polpa branqueada. Para esse propósito, o dióxido de cloro é sintetizado a partir do clorato de sódio na presença de um agente redutor em meio ácido. Porém, existem diversas alternativas para a sintetização do dióxido de cloro, que serão apresentadas neste trabalho, bem como uma comparação entre processos integrados e não integrados. Embora haja diversas pesquisas sobre técnicas para tornar a produção mais eficiente e rentável, ainda é possível otimizar e buscar melhorias operacionais nesses processos produtivos. O presente trabalho tem como objetivo modelar um reator contínuo de dióxido de cloro em estado estacionário, produzido a partir da rota ácido clorídrico, buscando compreender os efeitos dos principais distúrbios e das variáveis controladas sobre a produção de dióxido de cloro e cloro, um subproduto dessa rota. O modelo, elaborado no software DWSIM, foi concebido para condições operacionais de projeto. As simplificações, bem como sua validação em duas capacidades de produção distintas, serão apresentadas. Uma análise de sensibilidade será realizada a fim de observar a resposta do sistema diante das perturbações operacionais e da alteração de setpoints. Em seguida, uma discussão levando em consideração requisitos operacionais, uso racional de reagentes, segurança e produção de dióxido de cloro será apresentada.

Chlorine dioxide has gained prominence on the global stage due to its unique properties that characterize it as an excellent oxidizing agent. Among the various applications, its main use is in pulp bleaching due to its high oxidative selectivity for lignin; thus preserving the mechanical properties of the pulp. It is applied by using the elemental chlorine-free method (ECF), a technology that dominates the bleached pulp market. For this purpose, chlorine dioxide is synthesized from sodium chlorate in the presence of a reducing agent and in an acid medium. However, there are several alternatives for the synthesis of chlorine dioxide, which will be presented in this paper as well as a comparison between integrated and non-integrated processes. Although there is a lot of research on techniques to make production more efficient and profitable, it is still possible to optimize and seek operational improvements in these processes. This work aims to model a continuous chlorine dioxide reactor at steady state, produced from the hydrochloric acid route, in order to understand the effects of the main disturbances and controlled variables on the production of chlorine dioxide and chlorine, a by-product of this route. The model, elaborated in the DWSIM software, was conceived for project operational conditions. Simplifications, as well as their validation in two different production capacities, will be evaluated. A sensitivity analysis will be carried out in order to observe the system's response to operational disturbances and changes of setpoints. Then, a discussion taking into account operational requirements, rational use of reagents, safety, and chlorine dioxide production will be presented.