UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO ESCOLA DE ENGENHARIA DE...

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UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

ESCOLA DE ENGENHARIA DE LORENA

BRENO SARTORI SEBASTIÃO

MELHORIA NA PRODUÇÃO DE ÁGUA DESMINERALIZADA NO

PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ARLA 32

Lorena – SP

2016

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BRENO SARTORI SEBASTIÃO

Melhoria na produção de água desmineralizada no processo de produção de Arla 32

Monografia apresentada à Escola de Engenharia de

Lorena da Universidade de São Paulo como

requisito parcial para obtenção do título de

Engenheira Industrial Química.

Área de Concentração: Produção e Tecnologia

Química

Orientador: Prof. MSc. Antonio Carlos da Silva

Lorena – SP

2015

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AUTORIZO A REPRODUÇÃO E DIVULGAÇÃO TOTAL OU PARCIAL DESTE TRABALHO, POR

QUALQUER MEIO CONVENCIONAL OU ELETRÔNICO, PARA FINS DE ESTUDO E PESQUISA,

DESDE QUE CITADA A FONTE

Sartori Sebastião, Breno

Melhoria na produção de água desmineralizada no processo de produção de Arla 32 / Breno Sartori Sebastião; orientador Antônio Carlos da Silva. - Lorena, 2016.

61 p.

Monografia apresentada como requisito parcial para a conclusão de Graduação do Curso de Engenhari a Industrial Química - Escola de Engenharia de Lorena da Universidade de São Paulo. 2016

Orientador: Antônio Carlos da Silva

1. Arla 32. 2. Desmineralizador . 3. Troca iônica.

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Dedico este trabalho primeiramente a Deus que ilumina, clareia e garante firmeza

aos meus pensamentos, a minha família toda, em especial aos meus pais, José

Tadeu e Maria do Carmo, que sempre me apoiaram e me deram oportunidade para

que eu concretizasse este tão sonhado projeto e a minha esposa, Camila, que

sempre esteve ao meu lado em momentos de alegria e dificuldade.

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AGRADECIMENTOS

Aos meus pais, José Tadeu Sebastião e Maria do Carmo Sartori Sebastião, que sempre me apoiaram em meus projetos e me incentivaram a fazê-los tornarem realidade, fica o meu eterno muito obrigado. A minha esposa Camila Zanini Sicchieri Sebastião, que sempre esteve ao meu lado, me apoiando e me confortando nas horas difíceis. Aos meus irmãos, Hugo e família, Letícia e Lívia, que nunca foram contra as minhas decisões de mudanças e novas ideias. Aos meus amigos que moraram comigo e hoje se tornaram grandes irmãos pelo resto da vida, batalhando juntos para termos um único objetivo, continuarmos felizes. Ao Professor Antônio Carlos da Silva, pela compreensão e atenção desprendida para me atender e me compreender nesta etapa de trabalho em minha vida. À toda a minha família que torceu e acompanhou essa etapa superada, meu muito obrigado. E principalmente à Deus por ter colocado cada um de vocês no meu caminho.

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“Aprenda com os erros dos outros. Você não consegue viver tempo suficiente

para cometer todos por si mesmo”

Eleanor Roosevelt

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RESUMO

SEBASTIÃO, B. S. Melhoria na produção de água desmineralizada no pro cesso de produção de Arla 32 . 2016. 61. Monografia – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2016. Tratamentos de águas são extremamente utilizados por várias indústrias que visam obter um produto de alta qualidade e com um padrão em sua produção. Com isso a necessidade de se realizar um tratamento químico e até mesmo físico em águas consideradas brutas, se tornou não somente um critério de qualidade como também de eficácia e redução de custos. A necessidade de se reduzir custos afeta bastante a intenção de se efetuar estes tipos de tratamentos em diversas indústrias ao redor do mundo, com isso foi proposto um estudo para aperfeiçoar a produção de águas purificadas pela técnica de desmineralização de água por troca iônica, aumentando-se a produtividade destes equipamentos. Esta técnica de purificação de água por resinas de troca iônica é utilizada em diversas aplicações, sendo uma delas a produção de Arla 32, um agente redutor de NOx automotivo que visa a redução da emissão de poluentes de veículos pesados. A água utilizada no processo de produção do Arla 32 é uma água purificada de grau 3, ou seja, deve conter certos parâmetros de controle, que tornam elevados os custos para se produzir água com esta qualidade, fazendo com que seja necessário uma redução nos custos de matérias primas ou o aumento da produtividade de cada equipamento. Este estudo visou a utilização de dois ou mais equipamentos de purificação de água sendo utilizados em série no momento em que é realizada a regeneração das resinas presentes em cada vaso da unidade de troca iônica, ou seja, um equipamento trabalhará sendo redutor de impurezas presentes em água bruta, assim o segundo equipamento trabalhará com uma carga menor de impurezas a serem retiradas do meio, aumentando o tempo de campanha e reduzindo custos de regeneração. Este sistema foi elaborado a partir de uma derivação na tubulação que liga a coluna aniônica ao vaso de leito misto, pois é neste ponto no qual a carga de impurezas já está bem reduzida e no momento da regeneração das resinas do leito misto é utilizada água de ótima qualidade, o que gera desperdício pois não há necessidade da utilização de uma água nobre nesta etapa de regeneração das resinas. O resultado da proposta foi o aumento significativo na produção de água desmineralizada com grau 3 disponível para a produção de Arla 32, acarretando em um aumento significativo na disponibilidade de comercialização deste produto. Palavra-chave: Água desmineralizada. Arla 32. Troca iônica.

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ABSTRACT

SEBASTIÃO, B. S. Melhoria na produção de água desmineralizada no pro cesso de produção de Arla 32 . 2016. 61. Monografia – Escola de Engenharia de Lorena, Universidade de São Paulo, Lorena, 2016. Water treatments are extremely used by numerous industries which aim to obtain a high quality product with a standard production. Although need to carry out a chemical treatment and even physical considered raw waters, became not only a quality criterion as well as efficiency and cost reduction. The eternal need to reduce costs greatly affects the intention to make these types of treatments in various industries around the world, thus proposed a study to improve the production of water purified by the demineralization technique of water by ion exchange, increasing themselves to productivity of this equipment. This technique of purification of water by ion exchange resins are used in many applications, one of them is the production of Arla 32, an automotive NOx reducing agent that reduce the emission of polluting in heavy vehicles. The water used in the production process Arla 32 is a purified water level 3, this type of water has some control parameters such as electrical conductivity lower 5 µS/cm, pH between 5.0 and 7.5, content oxygen oxidant to 0.4 mg/l, still costs to produce water with this quality are high, forcing a reduction of this costs of raw materials required to produce or increase the productivity of each equipment is necessary production of water. This study aims to use two or more water purification equipment being used in line, it means that the first equipment will reduce the impurities present in raw water, so the second equipment will work with a smaller load of impurities to be removed, increasing the production campaign, decreasing the regeneration time and reducing costs. This system was made from a pipe offshoot where connected the anionic column to mixed column because in exactly in this point the quantity of dross is reduced and the regeneration time of the mixed case is used high quality water, generating a waste of this water because in this step is not necessary use high quality water. Key words: Demineralized water. Arla 32 (DEF or AdBlue). Ion exchange

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LISTA DE FIGURAS E GRÁFICOS

Figura 1 – Limites das Emissões Para Veículos Pesados a Diesel .......................... 01

Figura 2 – Motor diesel com SCR e Arla 32 ............................................................. 03

Figura 3 – Atuação do Arla 32 .................................................................................. 04

Figura 4 – Dados referentes ao Arla 32 ................................................................... 06

Figura 5 – Ureia sólida ............................................................................................. 09

Figura 6 – Diamante de Hommel da ureia ................................................................ 10

Figura 7 – Fluxograma de produção de ureia utilizando da tecnologia de reciclagem

total .......................................................................................................................... 13

Figura 8 – Exemplo de laudo de ureia de grau elevado ........................................... 15

Figura 9 – Esquema de um trocador de H+ por Na em solução aquosa .................. 19

Figura 10 – Resina de troca iônica ........................................................................... 19

Figura 11 – Eliminador de CO2 ................................................................................. 21

Figura 12 – Vaso catiônico, degaseificador e vaso aniônico .................................... 22

Figura 13 – Vaso de leito misto ................................................................................ 23

Figura 14 – Unidade de purificação de águas .......................................................... 25

Figura 15 – Condutivímetro digital ............................................................................ 27

Figura 16 – PHmetro digital ...................................................................................... 28

Figura 17 – Unidade de desmineralização de água 3 .............................................. 29



Figura 20 – Imagem de análise de condutividade de água desmineralizada ........... 32

Figura 21 – Leitura realizada pelo condutivímetro .................................................... 32

Figura 22 – Equipamento phmetro digital ................................................................. 33

Figura 23 – Fluxograma da disposição das unidades de purificação de águas ...... 34

Figura 24 – Fluxograma de produção de água desmineralizada para Arla 32 ......... 43

Figura 25 – Fluxograma com variação da entrada de alimentação .......................... 44

Gráfico 1 – Condutividade da água bruta X Tempo...................................................37

Gráfico 2 – Tempo de regeneração X quantidades de regenerações ...................... 38



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LISTA DE QUADROS

Quadro 1 – Parâmetros do grau de pureza de águas .............................................. 18

Quadro 2 – Resultados água poço artesiano .......................................................... 36

Quadro 3 – Dados específicos de unidades de purificação de águas ...................... 40

Quadro 4 – Acompanhamento do tempo de regeneração de cada vaso da unidade

de purificação 03 ...................................................................................................... 40

Quadro 5 – Condutividade unidade 01 etapa antes do leito misto ........................... 41

Quadro 6 – Tempo de campanha após a alteração da unidade 01 .......................... 44

Quadro 7 – Tempo de campanha após a alteração da unidade 02 .......................... 45

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LISTA DE EQUAÇÕES

Equação 01................................................................................................................43

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SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 13

1.1 Objetivo da pesquisa ........................................................................................ 19

1.2 Justificativa ...................................................................................................... 20

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................... 21

2.1 Ureia ................................................................................................................ 21

2.2 Água desmineralizada ...................................................................................... 28

3 METODOLOGIA ................................................................................................. 39

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................... 47

5 CONCLUSÃO ..................................................................................................... 59

6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS .................................................................. 60

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1. INTRODUÇÃO

O grande aumento de transportes de cargas em centros urbanos vem

trazendo alguns prejuízos para o meio ambiente e para a população de forma geral,

como por exemplo o extenso e caótico trânsito, altos recursos para a manutenção de

vias e rodovias e a grande quantidade de emissões de gases poluidores do meio

ambiente, fazendo com que a qualidade do ar que respiramos seja afetada. Algumas

medidas foram tomadas como o incentivo do uso de transporte coletivo, incentivo da

utilização de transporte não motorizado (ciclovias), a introdução de novos

combustíveis como por exemplo o etanol, gás natural e biodiesel, a tecnologia de

veículos com motores “flex” e até mesmo o rodízio de automóveis, como detalha

Figueiredo (2013) e mais atualmente a tecnologia do Arla 32.

A queima de combustíveis fósseis em veículos automotores gera dióxido de

carbono (CO2), que é classificado como um agente causador do efeito estufa, como

também pode-se citar alguns outros principais poluentes como o monóxido de

carbono (CO), óxido de nitrogênio (NOx), hidrocarbonetos (HC), material particulado

(MP), aldeídos (CHO) e óxidos de enxofre (SOx), segundo o Ministério do Meio

Ambiente.

A Figura 1 exemplifica os limites máximos estabelecidos para emissão de

compostos poluentes em veículos pesados movidos a diesel.

Figura 1 – Limites das Emissões Para Veículos Pesados a Diesel

Fonte: CNT (2012)

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A cada 3,2 Kg de CO2 gerado um quilograma de gasolina ou óleo diesel

necessita ser queimado exemplifica Figueiredo (2013), como também a emissão de

óxidos de nitrogênio (NOx) que atua como precursor de ozônio, considerado um dos

piores poluentes do efeito estufa do hemisfério norte. Visando a redução do nível de

poluentes gerados na combustão de veículos pesados automotores movidos à

diesel, no ano de 2012 foi regulamentado as normas do Proconve P7, no qual

obrigava os fabricantes destes tipos de motores a efetuarem mudanças em seus

produtos, na qual consistia na instalação de um sistema de pós-tratamento dos

gases gerados pela combustão do motor.

Com a alteração da legislação brasileira que regulamenta os limites de

emissões de poluentes para veículos pesados, no ano de 2012, a inserção da

tecnologia denominada de SCR (Selective Catalist Reduction) nos motores de

veículos pesados movidos a diesel foi introduzida. Porém, neste tipo de tecnologia a

emissão de óxidos de nitrogênio (NOx) ultrapassam o limite estabelecido devido às

altas temperaturas que atingem às câmaras de combustão destes motores, para

sanar este tipo de problema foi desenvolvido uma tecnologia que associa o uso de

outra substância que auxilia o SCR, cujo o funcionamento foi baseado na injeção de

uma solução de ureia (32,5%) e água desmineralizada (67,5%), ao qual se deu o

nome de Agente Redutor Líquido Automotivo ou simplesmente Arla 32, que quando

em contato com os gases de escape que estão a altas temperaturas sofre hidrólise,

na qual se transformará em amônia, que por sua vez reagirá com o catalisador de

redução, que promoverá a neutralização do composto NOx (Blucher, 2015).

Este tipo de tecnologia já é conhecido na Europa como AdBlue e nos Estados

Unidos da América como DEF, como mostra a Figura 2, o Arla 32 não entra em

contato com o combustível (diesel), o produto é alocado em um tanque específico

afixado no chassi do veículo, pois o mesmo será injetado em forma de spray no

catalisador SCR do veículo.

Com o objetivo de estabelecer critérios para avaliar a conformidade do Agente

Redutor Líquido de NOx Automotivo, o Arla 32, o Inmetro efetuou a regulamentação

da comercialização de Arla 32 no Brasil independentemente de sua embalagem ou

forma de comercialização, pois em todas as maneiras deve-se atender aos

requisitos especificados nas normas ISO22241, visando reduzir o impacto ambiental

provocado pelo uso do combustível óleo diesel (Inmetro – Portaria 447).

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Figura 2 – Motor diesel com SCR e ARLA-32

Fonte: CNT (2012)

Critérios foram estabelecidos para se comercializar o Arla 32, segundo o

Inmetro, o produto Arla 32 consiste em uma solução aquosa, fabricada a partir de

ureia tecnicamente pura ou solução do processo da produção da ureia e água

desmineralizada ou destilada, na qual deve conter a concentração de 32,5% de

ureia, na qual seus parâmetros de análise de contaminantes devem seguir as

características de qualidade mencionadas na IN nº23, de 11 julho de 2009, do

Ibama, Instituto Brasileiro do Meio Ambiente e dos Recursos Naturais Renováveis.

Nesta instrução normativa (IN 23), é estabelecido que o Arla 32 é uma solução

composta por água e ureia, com traços de biureto (C2N3O2H5) e na presença limitada

de aldeídos e outras substâncias (Inmetro – Instrução Normativa nº23).

A forma de atuação do Arla 32 em sistema de catalisadores com a tecnologia

SCR é por injeção da solução de ureia à 32,5% diretamente no catalisador, a

quantidade de Arla 32 injetado em forma de spray no catalisador é calculado através

de sistemas eletrônicos, que também efetuam no sistema de gerenciamento do

motor de forma geral, sempre com o objetivo de permanecer dentro dos parâmetros

de emissão de poluentes. Este sistema, mais conhecido como OBD (On Board

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Diagnostic), faz a leitura através da emissão de NOx que está sendo liberada no

escapamento do veículo, e que quando o nível está fora dos parâmetros indicados, o

sistema automaticamente acende uma luz indicativa de falha no painel do veículo e

o sistema reduz gradativamente a potência do veículo, conforme estipulado no Art.

2º da Resolução nº 403/20032 do Conama. Caso o problema não for resolvido por

48 horas, o sistema reduzirá ainda mais a potência do motor, até chegar ao nível

mínimo, o que acarretará em potência somente para o motorista conduzir o veículo

até a regularização do sistema de emissão, ou seja, até efetuar o abastecimento de

Arla 32 em seu veículo.

Como ilustrado na Figura 3, o sistema de redução de emissão de poluentes é

eficaz, liberando somente nitrogênio e água para a atmosfera.

Figura 3 – Atuação do ARLA – 32

Fonte: ANFAVEA (2012)

A produção de Arla 32 em nosso país atualmente é de 670 milhões de litros e

a projeção para o ano de 2020 seja de 1,2 bilhões de litros do produto, um mercado

com mais de US$600 milhões de dólares de movimentação atual e com projeção

para se faturar mais de US$1,125 milhões de dólares, um mercado realmente

promissor, com potencial realmente ímpar, com expansão para países que

pretendem incluir o Arla 32 em seus projetos de auxílio ao meio ambiente como

Argentina, Peru, Chile e Uruguai (ÉPOCA NEGÓCIOS, 2015).

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Porém para atender a este promissor mercado e ainda inexplorado, as

fábricas necessitam estarem preparadas para produzirem tal produto. Uma matéria

prima de suma importância na produção de Arla 32 é a ureia que necessita de

cuidados especiais e um grau de pureza elevado e a outra matéria prima a ser

utilizada é a água com grau de pureza elevado. Sendo assim, as indústrias que

fabricam o Arla 32 devem otimizar seus sistemas de produção de águas, pois este

insumo deve estar dentro dos parâmetros de utilização regidos pelas normas

brasileiras como a ABNT NBR ISO 22241-1 que alerta que, dentro inúmeros

cuidados, a água deverá ter grau 3 de pureza como rege a norma da ISO 3696 de

1987. Cuidados devem ser observados bem de perto na fabricação e na produção

do Arla 32, como as fases de sua produção, os materiais empregados nos

equipamentos a serem utilizados, as amostras de contraprova que deverão ser

armazenadas, os cuidados de armazenagem do produto final e das contraprovas,

temperatura da indústria que irá fazer o produto, licenças operacionais exigidas,

dentre outros fatores que irão definir se a indústria está apta a entrar neste mercado

ou não.

A regulamentação da fabricação e comercialização de Arla 32 para o mercado

brasileiro é regida segundo a Instrução Normativa nº23 regida pelo Ibama, a Figura 4

exemplifica os parâmetros exigidos.

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Figura 4 – Dados referentes ao Arla 32

Fonte: Ibama - Instrução Normativa nº 23

A regulamentação da fabricação e comercialização de Arla 32 é feita por meio

de auditorias anuais na fábrica onde é elaborado o produto, amostragem do produto

no mercado, onde o mesmo é analisado em todos os itens por um laboratório

cadastrado e credenciado pelo Inmetro.

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A fabricação de Arla 32 está atrelada a uma ótima produção de água

purificada, na qual são necessários alguns equipamentos para que este tipo de

purificação seja realizado. A obtenção de água purificada, em nosso caso, é

realizada através de unidades de purificação de águas por resinas de troca iônica,

na qual a água que contém maiores impurezas (íons) passa através de resinas de

troca iônica que, por afinidade, retiram estas impurezas da água, porém em um

determinado tempo de campanha destas unidades, estas resinas necessitam

realizar um procedimento de limpeza química de sua superfície, para que se

removam estas impurezas de sua superfície e um novo ciclo de adsorção de íons

seja feito. Caso este procedimento não seja executado, o nível de pureza da água

diminui consideravelmente, o que acarreta na despadronização da água utilizada e o

não cumprimento das exigências certificadas para se produzir Arla 32, além disso o

tempo de campanha das unidades de purificação se reduz, o que diminui a

produtividade, aumenta os custos de produção, podendo gerar complicações

superiores na resina de troca iônica.

Este estudo analisa a melhoria no procedimento de limpeza química da

superfície da resina de troca iônica, ou como é mais conhecido o procedimento de

regeneração de resinas, no qual é enfatizada a melhoria no tempo de campanha e a

utilização de águas de descarte de outras unidades de purificação como sendo água

de alimentação, o que visa o aumento a viabilidade econômica e produtiva destas

unidades de purificação de águas.

1.1 Objetivos

1.1.1 Objetivo Geral

Este estudo teve como foco a melhoria do uso de desmineralizadores de água

empregados na produção de Arla 32.

1.1.2 Objetivos Específicos

- Aumentar a produtividade de água desmineralizada com grau 3.

20

- Estudar a possibilidade de alterar o processo, para empregar a unidades em

série.

- Aumentar a produção de água purificada no mesmo período de tempo.

1.2 Justificativa

Com a forte escassez de recursos hídricos que a cada dia pressiona a

desenvolver novas tecnologias, este estudo visa a viabilidade de se trabalhar com 3

equipamentos de desmineralização de água sendo que seja possível a utilização

destes equipamentos em série, afim de se produzir mais água desmineralizada por

um maior período de tempo, aumentando a produção e reduzindo perdas com a

regeneração das colunas de resinas.

21

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Ureia

Ureia ou como também pode ser chamada de carbamida é composta por

CO(NH2)2, na qual é um sólido cristalino, incolor e orgânico, a Figura 5 ilustra como

é o aspecto físico da ureia sólida utilizada para a fabricação de Arla 32.

Figura 5 – Ureia sólida

Fonte: Serquímica (2015)

Tem como nome segundo a IUPAC sendo o diaminometanal, sua massa

molar é de 60,07 g/mol, tem como densidade 1,33g/cm³ em seu estado sólido. O

ponto de fusão da ureia é de 132,7 ºC. Sua pressão de vapor é de 1,2 x 10-5 mmHg

a 25 ºC, como também sua densidade de vapor é de 45 mmHg a 20 ºC (solução a

50%).

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A Figura 6 ilustra o diamante de Hommel da ureia, que contém nenhum risco

específico, não contém risco a saúde, apresenta reatividade com baixo grau, e

nenhum risco de inflamabilidade (PETROBRÁS, 2015).

Figura 6 – Diamante de Hommel da ureia

Fonte: FISPQ Ureia Fertilizante – Petrobrás

A primeira vez que a ureia foi sintetizada artificialmente foi por Friedrich

Wohler em 1828, obtido a partir do aquecimento de cianato de amônio (NH4CNO),

conforme a Reação 1. Porém quando Wohler reagiu cianato de prata (AgOCN) com

cloreto de amônio (NH4Cl), obteve um material cristalino branco com as mesmas

propriedades do cianato, porém tratava-se de ureia (SANT’ANA, 2011).

NH4CNO(l) → CO(NH2)2(s) (1)

∆

Durante inúmeros anos, a ureia foi um composto que teve sua importância

industrial quase irrelevante, quando ainda era obtido via hidrólise ácida do cianeto

de cálcio (CaCN2), como pode ser melhor observado na Reação 2.

CaCN2 + 3H2O → CO(NH2)2 + Ca(OH)2 (2)

23

Somente no ano de 1933, a Du Pont iniciou o processo de produção da ureia,

na cidade de Belle, Virginia Ocidental e foi a única produtora americana a produzir

de ureia em escala comercial até o ano de 1950 (SANT’ANA, 2011).

Hoje em dia, a produção de ureia é um processo de suma importância para o

setor agrícola e para o setor industrial, produzido em diversos países com mais de

700 plantas de produção ao redor do mundo, com diferentes capacidades de

produção como também diferentes níveis de qualidade, sendo a produção mundial

em torno de 80 milhões de toneladas de ureia por ano (SANT’ANA, 2011).

Atualmente, a maioria das plantas de produção de ureia ao redor do mundo,

produz ureia a partir da reação da amônia (NH3) e dióxido de carbono (CO2), porém

dependendo da tecnologia na qual a planta de produção dispõe para isso. Este tipo

de processo, chamado de síntese da ureia, na maioria das vezes é realizado sob

forma líquida (solução), como também exige uma pressão de 13 a 25 MPa e

temperaturas que variam entre 170 e 200 ºC (SANT’ANA, 2011). Entretanto, a

produção de ureia na prática pode encontrar temperaturas acima de 200ºC,

excedendo até 210ºC, isso acontece devido ao fato de que é necessário efetuar um

resfriamento pois as reações são altamente exotérmicas (SANT’ANA, 2011). As

reações 3 e 4 exemplificam melhor como a reação ocorre.

CO2 + 2NH3 → NH4CO2NH2 ∆H= -37.000Kcal/mol (3)

NH4CO2NH2 → CO(NH2)2 + H2O ∆H= +10.000Kcal/mol (4)

Somente em 1967 o processo de produção foi publicado por Chao, com

exemplificações de sistemas operacionais e das tecnologias empregadas no

processo, seguido por Uchino em 1986 e posteriormente por Stamicarbon Staff em

1986 (SANT’ANA, 2011).

A formação de um produto intermediário, o carbamato de amônio

(NH4CO2NH2), que logo em seguida se desidrata formando a ureia, como está

exemplificado na Reação 4. Para se obter uma dissociação rápida e completa para

se formar NH4CO2NH2 é necessário se trabalhar com pressões elevadas, com isso a

desidratação torna-se lenta (SANT’ANA, 2011). É possível obter valor de conversão

na casa de 50 a 80% baseando-se na proporção de NH3/CO2 no reator. Ainda

24

segundo Sant’ana (2011), estudos baseados na literatura, apontam a formação de

um composto chamado de biureto (NH2CONHCONH2), que é considerada a pior

impureza no processo de produção de ureia. Este componente indesejado é

formado através do elevado aquecimento em certas etapas do processo de

fabricação, com temperaturas que chegam a atingir 150 a 160 ºC na etapa de

granulação por exemplo. Como o biureto é um componente indesejado para o

processo de fabricação de Arla 32, detalhes como este são de extrema importância

para a fabricação da ureia e posteriormente sua utilização como matéria prima no

processo de produção de Arla 32. A Reação 5 apresenta como ocorre este tipo de

efeito.

2 CO(NH2)2 → NH2CONHCONH2 + NH3 (5)

∆

A fim de contornarem estas dificuldades que limitam a qualidade da ureia a

ser produzida, diversas tecnologias foram criadas em unidades de produção

comercial, com isso foram introduzidas novas tecnologias que se adaptaram mais

que outras, como as tecnologias de uma só passagem, de reciclagem parcial e

reciclagem total (SANT’ANA, 2011).

O processo mais utilizado pelas indústrias é o processo de reciclagem total,

no qual toda a NH3 que é liberada da seção de síntese é reciclada para o reator,

com isso consegue-se obter uma conversão global de NH3 a CO(NH2)2 chega a

atingir níveis de 99% (SANT’ANA, 2011). O Figura 6 abaixo, representa o processo

de produção de ureia utilizando a tecnologia de reciclo total em fase aquosa de uma

empresa chamada Chemical Construction Co., que opera a 22,29 MPa (220 atm) e

com temperaturas que variam da ordem de 182 a 193 ºC (SANT’ANA, 2011).

25

Figura 7 – Fluxograma de produção de ureia utilizando da tecnologia de reciclagem total

Fonte: SHREVE; BRINK (1997)

26

A indústria brasileira atualmente somente opera com o processo baseado na

reação de CO2 e NH3 a altas pressões, que variam na faixa de 13 a 20 MPa e com

temperaturas na faixa de 180 a 200ºC. Algumas características deste tipo de

tecnologia são aplicadas como a necessidade de se trabalhar com equipamentos

diferenciados, devido à alta severidade do processo, características específicas das

reações, como a alta taxa de corrosão e a tendência a cristalização. Além disso,

envolve um grande capital inicial e um alto consumo de energia da fábrica, pois este

tipo de tecnologia trabalha-se com multiestágios (SANT’ANA, 2011).

A utilização da ureia se faz presente em diversas aplicações industriais e

agronômicas, como por exemplo, em pasta de dentes, cola, na indústria moveleira,

em explosivos, em creme hidratante, pomadas cosméticas, alimentação de

ruminantes, na produção de resinas, medicamentos como sedativos e hipnóticos, e

principalmente é utilizada como fertilizantes na maioria das plantações ao redor do

mundo.

A ureia é utilizada na agricultura como fonte de nitrogênio para a cultura,

sendo o nitrogênio um macro nutriente mais importante para inúmeras culturas,

aumentando significativamente a área foliar da planta e a produção de matéria seca

(MIGUEL, 2009).

Com uma fatia de mais de 60% dos fertilizantes nitrogenados empregados

nas culturas brasileiras, a ureia é um dos fertilizantes mais utilizados no Brasil, pois a

mesma apresenta diversas vantagens, como o baixo custo de transporte, alta

solubilidade, baixa corrosividade, alto teor de nitrogênio (45%) e a facilidade de

mistura com outras fontes de fertilizantes para culturas (MIGUEL, 2009). Contudo, a

ureia apresenta alguns aspectos que são indesejáveis para sua utilização na

lavoura, como por exemplo alta higroscopicidade e a alta taxa de volatilização de N-

NH3 quando aplicada na superfície do solo (MIGUEL, 2009).

A produção mundial de ureia atingiu a marca de 134,7 milhões de toneladas

do produto no ano de 2007, tendo a China e a Índia os países que detiveram 49% de

toda a produção mundial (SANT’ANA, 2011).

A ureia a ser empregada no processo de produção de Arla 32 é estabelecida

como tecnicamente pura, podendo ser produzida industrialmente com o limite de

contaminantes controlados (ABNT NBR ISO 22241-1, 2011). Nela é permitido

27

somente contem traços de biureto, amônia e água, como também isenta de

aldeídos, ou outras substâncias como agentes antiaglomerantes, enxofre, cloretos e

nitratos (ABNT NBR ISO 22241-1, 2011), estes padrões foram estabelecidos para

que se evite a utilização de ureia com grau agropecuário e até mesmo ureia com

grau técnico, pois estas contêm contaminantes que ultrapassam os limites de certas

impurezas que são indesejadas para a fabricação de Arla 32.

A Figura 8 mostra como deverá ser um laudo de um fabricante de ureia com

grau de pureza elevado.

Figura 8 – Exemplo de laudo de ureia de grau elevado

Fonte: Serquímica/Petrobrás

Na Figura 8 observa-se que os níveis de contaminantes presentes na ureia

são baixos e controlados, conforme rege a norma que regulamenta a utilização de

ureia para a fabricação de Arla 32, ABNT NBR ISO 22241-1 que foi validada a partir

de 05/06/2011, porém a validação é descrita incisivamente sobre o produto final, que

em nosso caso é o Arla 32.

28

2.2 Água desmineralizada

A água desmineralizada é utilizada para inúmeras aplicações industriais,

como o processo de produção de Arla 32, em indústrias farmacêuticas, alimentícias,

em unidades de geração de vapor em caldeiras de alta pressão, dentre outras,

sendo o processo de desmineralização de águas por resinas de troca iônica o

processo mais econômico, simples e o mais utilizado para este fim (CUNHA, 2006).

Devido à baixa salinidade das águas brasileiras este processo tem sido o

mais utilizado no Brasil, e também devido ao baixo custo de manutenção, baixo

custo de aquisição e pela facilidade operacional (DOS SANTOS, 2013).

A tecnologia de troca iônica, já se faz presente a mais de 60 anos e

continuando adquirindo novas ideias e modelos operacionais, como também de

equipamentos, de configurações de montagens e de resinas desenvolvidas para

aplicações específicas.

Em diversas aplicações, a água desmineralizada é utilizada como matéria

prima em processos, como sendo o principal veículo empregados neste processo,

necessidades como estas necessitam de um grande volume de água

desmineralizada para atender o processo (CUNHA, 2006).

A água a ser usada na produção de Arla 32 que será empregada na

dissolução da ureia não deve ser uma água bruta, como é especificado na portaria

nº 447, de 22 de novembro de 2010, a água atender a requisitos da ABNT NBR ISO

22241-1, vigente pela Associação Brasileira de Normas Técnicas, na qual rege que

o grau de pureza da água utilizada para se efetuar a produção do Arla 32 deve ser

baseado na definição do grau de água 3 da ISO 3696 (ABNT NBR ISO 22241-1,

2012), na qual define como as maneiras de obtenção de água com este nível de

pureza somente são produzidos pelos métodos de destilação simples, por

deionização, por filtragem ou por osmose reversa (ABNT NBR ISO 22241-1, 2012).

A padronização da produção de água em uma planta de produção de Arla 32

é de suma importância, pois como a produção depende diretamente da condição da

água que será empregada neste processo, os equipamentos que efetivam estas

condições devem estar aptos e em plenas condições de produzirem água com grau

3 e com uma produtividade otimizada.

As condições estabelecidas para que uma água seja caracterizada como grau

de pureza 3 foram elaboradas pela International Organization for Standardization, ou

29

como é mais conhecida ISO, que estabeleceu regras para a padronização da

produção de inúmeros produtos, dentre eles a produção e padronização de águas.

Existem 3 tipos de pureza de água, a água de grau de pureza 1, a água de grau de

pureza 2 e a água de grau de pureza 3 (ISO 3696, 1987), na qual rege que estes

tipos de águas são utilizados em diversas aplicações, como por exemplo:

• Águas de grau de pureza 1:

Essencialmente livre de contaminantes orgânicos dissolvidos, contaminantes

coloidais, é utilizado em análises como a cromatografia líquida de alta eficiência.

Deve ser processada a partir da água com grau de pureza 2, que é elaborada com a

técnica de osmose reversa ou deionização seguida de um filtro com tamanho de

poro de no máximo 2µm (ISO 3696, 1987).

• Águas com grau de pureza 2:

Com muito poucos contaminantes presentes como impurezas orgânicas,

inorgânicas e coloidais, sua utilização é baseada em análises sensitivas como a

espectrometria de absorção atômica e na determinação de componentes com traços

quantitativos. Deve ser processada, por exemplo através de múltiplas destilações ou

por deionização ou por osmose reversa seguida de destilação (ISO 3696, 1987).

• Águas com grau de pureza 3:

Empregada na maioria dos trabalhos em laboratórios químicos, como na

preparação de reagentes. Seu processamento deve realizado através de destilação

simples, por deionização ou por osmose reversa, a água a ser utilizada para ser

processada deve ser considerada potável, caso esteja com alta carga de

contaminantes, o processo de purificação deve ser alterado (ISO 3696, 1987).

Em nosso caso, tem-se como foco a produção de água com grau de pureza 3

a partir de água potável proveniente de um poço artesiano e a técnica para purificar

esta água será a deionização por troca iônica.

Em uma unidade de purificação de águas por troca iônica, íons de uma

determinada carga, podendo ser cátions ou ânions, presentes em uma solução, que

em nosso caso será água bruta, são adsorvidos em um material sólido (um trocador

de íons), que em nosso caso serão resinas de troca iônica. Neste processo de

adsorção, ocorre uma substituição por quantidades equivalentes destes íons

considerados impurezas por outros íons de mesma carga liberados pelo material

sólido (DOS SANTOS, 2013).

30

O Quadro 1 exemplifica quais são os parâmetros a serem atingidos em nosso

foco de produção de água com grau 3 para a produção de Arla 32.

Quadro 1 – Parâmetros do grau de pureza de águas

Fonte: ISO 3606

O material sólido que é utilizado para se troca íons, ou como é comumente

chamada resina de troca iônica, pode ser um sal, ácido ou base na forma insolúvel

em água. Estas resinas geralmente são sintéticas, mas também pode-se encontrar

resinas naturais em certas aplicações, estas resinas quando em contato com água

poderão liberar íons hidroxila, hidrogênio ou sódio e efetuar a troca de íons desta

mesma água, íons estes que em diversos processos industriais são indesejáveis

(DOS SANTOS, 2013).

A Figura 9 ilustra como é efetuada a troca de íons por uma resina.

31

Figura 9 – Esquema de um trocador de H+ por Na em solução aquosa

Fonte: CUNHA (2006)

As resinas de troca iônica sintéticas, em sua maioria são elaboradas a partir

de ácido acrílico ou copolímeros com divinil benzeno (DVB), na forma de emulsão,

que quando se solidificam formam esferas pequenas e perfeitas.

A Figura 10 apresenta a visualização das resinas e a aparência das esferas.

Figura 10 – Resina de troca iônica

Fonte: NATURALTEC (2015)

A inserção de DVB na composição da resina é de suma importância ao

processo de troca iônica, pois esta oscilação que está na casa de 6 a 16 % resultará

32

em diferentes estruturas. Conforme aumenta-se a quantidade de DVB eleva-se a

porosidade da resina obtida (DOS SANTOS, 2013).

A adição de grupamentos ácidos ou básicos darão uma funcionalidade a

resina, onde estes grupamentos são inseridos nos núcleos de benzeno que foram

utilizados como monômeros da formulação, assim as resinas serão empregas para

retirarem ou ânions ou cátions (DOS SANTOS, 2013).

A desmineralização de águas pode ser elaborada por diversas e criativas

maneiras de disposição das colunas que compõem uma unidade de

desmineralização de água, estes tipos de alterações tem como finalidade a redução

de custos de regeneração destas colunas, pois as mesmas necessitam de soluções

ácidas ou básicas para se regenerarem e estarem prontas para um novo ciclo de

purificação de águas (DANTAS, 1998).

A regeneração destas resinas de troca iônica deve ser efetuada assim que o

rendimento desta troca iônica não esteja indicando bons valores, o que é mensurado

pelo parâmetro dos níveis da condutividade elétrica da água de saída, conforme

estes valores vão aumentando, os níveis de íons indesejáveis presentes na água

irão lhe conferir o aumento da condutividade. Algumas características operacionais

da água de entrada podem determinar se o tempo de campanha de uma resina será

maior ou menor, características estas que indicam qual será o tipo de resina e qual

será a quantidade empregada em cada leito onde a água passará, que são:

• Profundidade do leito de resina

• Taxa de percolação (passagem do fluido através de um leito de

resinas)

• Temperatura do fluido

• Temperatura do regenerante

• Concentração dos íons a serem adsorvidos

• Tipos de íons a serem adsorvidos

• Tipo, concentração e quantidade de regenerante (solução ácida e

solução básica)

• Método de regeneração

O sistema de adsorção de uma resina consiste na reação entre os íons em

solução com os íons presentes na resina, esta reação ocorre em uma região

33

denominada de zona de reação. Dependendo da seletividade na qual a resina foi

designada, uma camada de troca é formada, e se move em direção a saída da

coluna maximizando seu uso. O tamanho da zona de reação é diretamente ligado a

fatores como vazão e concentração iônica, porém é independente da profundidade

do leito de resina (DOS SANTOS, 2013).

Quando a seletividade for minimizada, uma difusa camada de frente se forma,

dependendo então da profundidade do leito e do coeficiente de seletividade, e não

mais da profundidade da zona de reação. Na prática, o topo de uma coluna de

resina sempre será mais saturado do que em sua base, pois no início a carga de

íons para ser trocadas é bem maior do que a carga de íons na base da coluna (DOS

SANTOS, 2013)

A disposição das colunas é feita de acordo com a qualidade da água que se

deseja obter. Em alguns casos é inserido um eliminador de CO2 como apresentado

na Figura 11.

Figura 11 – Eliminador de CO2

Fonte: DOS SANTOS (2013)

Neste tipo de conformação, a água produzida por ela é obtida com toda a

sílica inicial, e contém uma condutividade de até 20 µS/cm (CUNHA, 2006).

34

Existem também esquemas de tratamentos de água com degaseificadores,

como é ilustrado na Figura 12, onde a carga de sílica presente na água final é quase

isenta. A condutividade elétrica neste caso pode variar de 3 a 20 µS/cm e o teor de

sílica entre 0,05 a 0,5 mg/l (DOS SANTOS, 2013).

Figura 12 – Vaso catiônico, degaseificador e vaso aniônico

Fonte: DOS SANTOS (2013)

Existem também configurações na qual se opta por se utilizar um leito com

carvão ativado, um leito catiônico, um leito aniônico e após todos estes passos,

adiciona-se um leito com resina mista, ou seja, um leito preenchido parcialmente

com resina aniônica e resina catiônica. O chamado leito misto é usado para se

efetuar uma polidez a qualidade final da água obtida (CUNHA, 2006).

A Figura 13 exemplifica como é a regeneração de um leito misto, pois

antecipadamente deve-se realizar uma separação das resinas, caso contrário a via

útil delas seria reduzida. Resinas aniônicas são menos densas que as resinas

catiônicas de forma geral, assim é possível efetuar a separação das resinas em uma

mesmo vaso, e executar a regeneração das resinas.

35

Figura 13 – Vaso de leito misto

Fonte: CUNHA (2006)

As unidades de purificação de águas têm inúmeras conformações, porém

com foco na conformação na qual dispõe-se de 4 vasos ligados em série, vaso de

carvão ativado, vaso catiônico, vaso aniônico e leito misto.

Cada etapa de uma unidade de purificação tem seu efeito observado, na

etapa inicial, que envolve a passagem da água bruta por um leito de carvão ativado

que tem como papel a redução da carga de contaminantes orgânicos (TOUMA,

2013), logo após este fluxo de água que já contém uma carga de contaminantes

reduzida devido ao leito de carvão é passada por uma coluna que contém resina

catiônica, na qual tem elevada afinidade por átomos de Cálcio (Ca) e Magnésio

(Mg), a troca iônica acontece devido a um átomo de Hidrogênio presente na

superfície da resina, com isso a resina fica contaminada de impurezas e o fluxo de

água segue sem os íons que estavam presente incialmente (PUROLITE, 2015).

Após a passagem por estes dois vasos, a carga de íons contaminantes na água

ainda se necessita de remoção, sendo assim o fluxo atravessa um vaso de resina

aniônica, na qual irá efetuar a troca iônica com o restante dos íons livres dos tipos

sulfatos, cloretos, nitratos e silicatos (PUROLITE, 2015).

Com todas estas etapas de purificação e retirada de íons da água bruta, ainda

assim existe uma certa quantidade de íons contaminantes presentes na água, na

36

qual se faz necessário executar um trabalho de polidez da água, na qual visa a

remoção do restante dos íons presentes no meio, fazendo com que a água final se

mantenha nos padrões exigidos para a produção de Arla 32.

Abaixo exemplifica-se algumas reações que ocorrem nas resinas de troca

iônica dentro de um vaso de uma unidade de purificação de águas.

Reações de troca iônica de resinas catiônicas

• R-H⁺+ Ca⁺⁺→ R-Ca + 2H⁺

• R-H⁺+ Mg⁺⁺→ R-Mg + 2H⁺

• R-H⁺+ Na⁺→ R-Na + H⁺

• R-H⁺ + K+ → R-K + H⁺

• R-H⁺ + Fe ⁺⁺⁺→ R-Fe + 3H⁺

Reações de troca iônica de resinas aniônicas

• R-OH⁻ + SO₄⁻⁻→ R-SO₄ + 2H⁺

• R-OH⁻ + NO₃⁻⁻ → R-NO₃ + 2H⁺

• R-OH⁻+ Cl⁻ → R-Cl + H⁺

• R-OH⁻+ SiO₂⁻ → R – SiO₂ + H⁺

A Figura 14 exemplifica uma unidade de purificação de água para obtenção

de água com grau 3 utilizada no processo produtivo de uma fábrica.

37

Figura 14 – Unidade de purificação de águas


As regenerações são feitas apenas utilizando-se de um ácido forte para a

resina catiônica e de uma base forte para a resina aniônica, na maioria dos casos

utiliza-se como ácido forte o ácido sulfúrico ou o ácido clorídrico, e como base forte é

comumente utilizada a soda caustica.

Na coluna de carvão ativado, a única condição para se efetuar a regeneração

de sua coluna é a de promover uma melhor homogeneização do leito, ou seja,

apenas deve-se passar o fluxo de água em contracorrente por 30 minutos, dados do

fabricante.

A regeneração da coluna catiônica, que contém resina catiônica, em nosso

caso é elaborada passando-se 320 gramas de uma solução de ácido clorídrico à

30% por litro de resina em um tempo de 40 minutos, dados estipulados pelos

fabricantes, este processo promove a retirada de íons que estão retidos na

superfície da resina, deixando H⁺ em seu lugar (Purolite, 2015). Após isso, é feita a

lavagem da resina, onde se passa água bruta até obter um pH próximo a 3,5, após

isso pode-se avançar para mais uma etapa.

Leito

Misto Coluna

Aniônica Coluna

Catiônica

Coluna

Carvão

Ativado

38

A regeneração da coluna aniônica, que contém resina aniônica, é realizada

passando uma solução de soda caustica com 50 % de concentração na proporção

de 280 gramas de solução para cada litro de resina em um tempo de 40 minutos,

dados estipulados pelos fabricantes, este procedimento tem como princípio a troca

de íons que estão impregnados na superfície da resina por OH⁻, assim os íons que

estavam na superfície da resina são trocados por íons OH⁻, regenerando a resina e

deixando-a pronta para uma nova troca iônica. Após isso, é feita a lavagem da

resina, onde se passa água bruta até obter um pH próximo a 9,0, após isso pode-se

avançar para mais uma etapa.

Com foco na regeneração do leito misto, deve-se separar as resinas

primeiramente, para que a resina catiônica fique na parte de baixo (mais densa) e a

resina aniônica fique na parte superior (menos densa). Após a separação, a

regeneração do leito misto deverá ser realizada por partes, ou seja, primeiramente a

resina catiônica e logo após a resina aniônica, nos mesmos moldes mencionados

acima.

Para se comprovar a invariância dos tempos de regeneração das unidades de

desmineralização de água, foi elaborado um levantamento com duração de 01 mês

para se observar qual o tempo gasto em regenerações das 03 unidades de

produção de água com grau 03.

39

3 METODOLOGIA

O estudo proposto para a melhoria da produção de água desmineralizada

com grau 3 destinada a produção de Arla 32, foi elaborado na empresa Serquímica

Indústria e Comércio Importação Exportação de Produtos Químicos Ltda, visando

um melhor aproveitamento dos equipamentos dispostos para uso na indústria. A

pesquisa foi elaborada através de medições da condutividade da água a ser utilizada

na unidade de produção, como também o pH.

Como se necessita trabalhar com parâmetros de condutividade e pH pré-

determinados, a análise destes dois parâmetros auxilia na qualidade da água em

diversos pontos de produção.

Para se obter dados concretos da produção de água com grau 3 nos

equipamentos disponíveis, utilizou-se dos seguintes equipamentos:

• Condutivímetro digital para soluções aquosas da marca MS Tecnopon

Instrumentação, modelo mCA 150, com número de série 2559/1502 (Figura 15). Sua

calibração foi realizada na data de 10/02/2015 com o certificado de relatório de

execução nº 11024/502.

Figura 15 – Condutivímetro digital


40

• Phmetro digital da marca Marte, modelo MB-10 (Figura 16), com

calibração executada na data de 24/03/2015.

Figura 16 – PHagâmetro digital


• Unidade de desmineralização de águas por troca iônica da marca

Despurifil, modelo Desp_311C/14 (Figura 17). Nesta conformação de equipamento,

contém 01 coluna de carvão ativado com 660 litros de material, coluna de resina

catiônica seletiva com resina em poliestireno sulfonado fortemente ácido em ciclo H+

com volume de resina de 550 litros, 01 coluna com resina aniônica seletiva de

poliestireno sulfonado fortemente básico em ciclo OH-, com volume de resina de 550

litros. Nesta configuração adiciona-se mais uma coluna denominada de leito misto,

na qual contém 150 litros de resina aniônica e 100 litros de resina catiônica

misturadas. Vazão específica de 10 m³ por hora e regeneração manual.

41

Figura 17 – Unidade de desmineralização de água 3



Permution, modelo LSS 3072 AT (Figura 18). Nesta conformação de equipamento

contém 01 coluna de carvão ativado, 01 coluna com resina catiônica seletiva com

resina em poliestireno sulfonado fortemente ácida em ciclo H+ com volume de resina

de 350 litros, 01 coluna com resina aniônica seletiva de poliestireno sulfonado

fortemente básico em ciclo OH-, com volume de resina de 500 litros. Vazão

específica de 3m3 por hora e regeneração automática.

42




Permution, modelo LS1665 AT (Figura 19). Nesta conformação de equipamento,

contém 01 coluna de carvão ativado com 125 litros de material, coluna de resina

catiônica seletiva com resina em poliestireno sulfonado fortemente ácido em ciclo H+

com volume de resina de 100 litros, 01 coluna com resina aniônica seletiva de

poliestireno sulfonado fortemente básico em ciclo OH-, com volume de resina de 150

litros. Vazão específica de 1,5 m³ por hora e regeneração automática.



43

A água que supre a fábrica de Arla 32 é proveniente de um poço artesiano

localizado no lençol freático do Aquífero Guarani, o qual tem capacidade de

produção de 20 m³ por hora de água potável.

Alguns procedimentos foram seguidos durante todos as análises realizadas,

como também todas as amostragens executadas.

• Procedimento de amostragem

O procedimento de amostragem segue os padrões exigidos pela empresa

geradora de dados, na qual deve-se utilizar de um recipiente previamente limpo com

água corrente e seco em temperatura ambiente, geralmente utiliza-se de copo de

acrílico descartáveis ou um becker de vidro.

A amostragem deverá ser realizada por colaboradores capacitados e

realizarem este tipo de trabalho. O colaborador deverá encher o recipiente com a

amostra até o nível de aproximadamente 80% do volume útil do recipiente. Com

movimentos circulares do punho, deverá agitar a amostra com o objetivo de rinsar o

recipiente com a amostra. Este procedimento deverá ser executado 2 vezes, e

somente na terceira vez que a amostra estará apta para ser analisada.

• Procedimento de análise de condutividade elétrica

O procedimento de análise de condutividade é elaborado através do mesmo

princípio do procedimento de análise de pH, no qual a amostra ao chegar no

laboratório de análise, o analista introduz o eletrodo de medição na amostra. O

equipamento efetuará a leitura da condutividade elétrica na amostra (Figura 20),

corrigindo a temperatura na qual a amostra se apresenta. O analista deverá esperar

até que o valor apresentado pelo equipamento, resultado final da medição, fique

estabilizado.

Todas as leituras realizadas por este equipamento são anotadas e

armazenadas por 3 meses.

44

Figura 20 – Imagem de análise de condutividade de água desmineralizada


A Figura 21 ilustra como o analista visualiza a leitura no equipamento, que

neste caso acusa valores de condutividade elétrica na casa de 2,62 µS/cm com a

temperatura já corrigida, pois a temperatura ambiente se encontra em 23,6ºC e a

medição é padronizada com 25ºC.

Figura 21 – Leitura realizada pelo condutivímetro


45

• Procedimento de análise de pH

O procedimento de análise de pH das amostras que foram utilizadas em

nosso banco de dados é realizado segundo o procedimento estipulado pela empresa

na qual a matriz de dados está sendo realizada.

Após a amostra chegar no laboratório de análise, o analista introduz o

eletrodo de medição do equipamento no recipiente onde a amostra se encontra. O

equipamento, que já está previamente calibrado, efetuará a correção da temperatura

da amostra e efetuará a leitura do valor de pH indicado no equipamento como

indicado na Figura 22. O analista deverá aguardar o valor indicado pelo

equipamento ficar estabilizado, para que possa indicar o valor real efetuado pelo

equipamento.

Todas as leituras realizadas por este instrumento são anotadas e

armazenadas por 3 meses.

Figura 22 – Equipamento phmetro digital


46

Alguns dados iniciais foram obtidos através da simples conferência da

qualidade das águas utilizadas no processo de produção da empresa na qual foi

estabelecido o banco de dados. Alguns destes resultados foram elaborados por

universidades em momentos no qual a empresa não dispunha de equipamentos

para se efetuar a medição das análises desejadas.

A disposição das unidades de purificação de água na qual efetuado o estudo,

está ilustrada na Figura 23.

A conformação de cada unidade foi estipulada pelo fabricante de cada uma

delas. Na formação original da produção de água purificada com grau 3, as unidades

estão dispostas em paralelo entre elas, ou seja, a água que saí das unidades é

possível de se utilizar como alimentação para as outras unidades de purificação.

Figura 23 – Fluxograma da disposição das unidades de purificação de águas

Fonte: Serquímica - 2015

47

4 RESULTADOS E DISCUSSÃO

Atualmente a conformação utilizada na planta de produção de Arla 32 contém

3 unidades de purificação de águas dispostos em paralelos uns dos outros, porém a

perda de água por ciclo de regeneração é elevada, água essa que não tem grau 3

de pureza, porém é um produto de ótima qualidade e pode ser utilizado para outros

fins em uma indústria.

O estudo proposto neste trabalho visa a melhoria na produção de água com

grau de pureza 3, anteriormente utilizava-se de água de boa qualidade para fazer

procedimentos como o de regeneração de resinas presentes no leito misto, ou seja,

a regeneração do leito misto era feita utilizando água com ótima qualidade e o

mesmo procedimento de regeneração não necessita de condições tão especiais

para ser realizado, com isso o desperdício de água de boa qualidade foi

comprovado. A percepção deste ponto de melhoria foi verificada acompanhando

parâmetros de qualidade da água de entrada, parâmetros de qualidade da água

final, o tempo de campanha de cada unidade de purificação de água e o tempo de

campanha das unidades de purificação de água que foi adquirido com a presente

alteração.

A proposta de alteração é de inserir uma derivação na tubulação que está

instalada entre o vaso aniônico e o leito misto da unidade de purificação 3. Foi

notado que o volume de produção da unidade de purificação 3 era de 10 m3/h e o

das outras unidade de 1,5 m3/h da unidade 1 e 3,0 m3/h da unidade 2, com isso

somente a unidade de purificação 3 teria capacidade de produção superior a das

outras duas unidade somadas e que a água desprendida para se efetuar a

regeneração das resinas presentes no leito misto da unidade 3 era de ótima

qualidade e poderia ser empregada em uma utilização mais nobre, que no presente

estudo foi a de ser inserida como água de alimentação para as outras unidade de

purificação.

Com a presente alteração efetivada, obtivem-se resultados interessantes

tempos de campanha de produção das unidades, o tempo de regeneração das

unidades não foi alterado significativamente, conseguindo-se mensurar uma redução

nos custos de regeneração que foram desprovidos para efetuar as regenerações,

pois conseguiu-se aumentar o tempo de campanha, fazendo com que se

necessitasse de um número menor de regenerações por mês.

48

O Quadro 2 apresenta a qualidade da água do poço, na qual trata-se a partir

de agora como sendo água bruta.

Quadro 2 – Resultados água poço artesiano

Unidade Resultado

pH Adimensional 8,36

Cor aparente µH (PtCo) 2

Turbidez µT (NTU) 0,37

Resíduo seco PPM 161

Alcalinidade de bicarbonato ppmCaCO₃ 78

Alcalinidade de carbonato ppmCaCO₃ 7

Oxigênio consumido ppm O₂ 0,3

Dureza Total ppmCaCO₃ 11

Nitrogênio amoniacal ppm N-NH₃ <0,01

Nitrogênio albuminóide ppm N-NH₃ <0,01

Nitrogênio nitrito ppm N-NO₂ <0,001

Nitrogênio nitrato ppm N-NO₂ 0,136

Cloretos ppm Cl⁻ 6

Cianetos ppm CN <0,001

Sulfato ppm SO₄ 15

Fluoretos ppm F 0,7

Arsênico ppm As <0,001

Alumínio ppm Al <0,01

Cobre ppm Cu <0,01

Chumbo ppmPb <0,001

Bário ppm Ba 0,012

Zinco ppm Zn 0,014

Cádmio ppmCd <0,01

Cromo total ppm Cr 0,02

Cromo hexavalente ppm Cr⁺⁶ <0,01

Ferro total ppm Fe 0,05

Manganês ppm Mn <0,01 Fonte: Serquimica/Unaerp (2015)

O Quadro 2 apresenta os dados obtidos via análise externa de uma amostra

de água bruta retirada pelo poço artesiano que abastece a fábrica de Arla 32, com

estes resultados observa-se que a água de abastecimento é de boa qualidade, o

que garante que a água bruta não tem uma carga elevada de contaminantes.

Foi elaborado um estudo da variação da qualidade da água bruta, realizando-

se a medição da condutividade da água durante 1 mês, afim de se obter maiores

informações sobre a qualidade da água de abastecimento, pois a relação da

49

condutividade é diretamente proporcional ao nível de contaminantes presentes na

água. O Gráfico 1 exemplifica a variação da condutividade com relação ao tempo do

poço abastecedor da água bruta.

Gráfico 1 – Condutividade da água bruta X Tempo

Fonte: Serquímica – Condutividade água poço 2

Conseguiu-se observar que a variação da condutividade da água bruta não é

elevada, obtendo-se a condutividade máxima de 183 µS/cm e como condutividade

mínima de 171 µS/cm, e como média de 179 µS/cm assim a variação máxima foi de

8 µS/cm o que em nosso processo de produção não é considerado uma variação

elevada. Com isso verifica-se as condições de operação dos equipamentos de

desmineralização de águas que irão operar com uma condição de água bruta

praticamente constante, o que auxilia no processo de produção, pois os tempos de

regeneração obrigatórios para cada unidade de desmineralização serão fixados e

sua variação será próxima de zero.

O Gráfico 2 apresenta a variação do tempo de regeneração das unidades de

produção de água com grau 3 a partir do momento em que a condutividade da água

fica ≥ 5 µS/cm.

• Unidade de produção de água purificada com grau 3 de pureza

(Unidade 1) – tempo de regeneração apresentado no Gráfico 2.

50

Gráfico 2 – Tempo de regeneração X quantidades de regenerações

Fonte: Serquímica – Unidade de purificação de água 1





51





Observa-se que a variação no tempo de regeneração das unidades de

purificação de águas não é elevada, fazendo com que as regenerações estejam com

tempo definido para serem finalizadas, com isso é possível se obter um

planejamento de produção de água para a planta de produção.

O Quadro 3 apresenta o tempo médio de cada regeneração por unidade de

purificação, como também a vazão da unidade.

52

Quadro 3 – Dados específicos de unidades de purificação de águas

Unidade de purificação

Vazão (m³/h) Tempo médio de regeneração (min.)

Tempo médio de campanha

(min.)

Unidade 1 1,5 185 480

Unidade 2 3 240 1440

Unidade 3 10 480 4320 Fonte: Serquímica (2015)

Com base nestes dados, consegue-se elaborar um melhor aproveitamento da

produção de águas de uma fábrica de Arla 32 com pelo menos 2 unidades de

purificação de águas.

Em nosso caso, a disposição de trabalho das unidades está disposta na

conformação independente, ou seja, cada unidade trabalha sem depender da outra,

a proposta é deixar esta conformação versátil, pois constatou-se que o tempo para

se regenerar uma unidade de purificação de águas com grande volume de resinas é

alto, e que o desperdício de água de boa qualidade é elevado e precisa ser

reduzido.

Em nosso caso, a unidade de purificação 01 é diferente das demais por

possuir um leito misto no qual foi elaborado um acompanhamento do tempo gasto

somente para se regenerar o leito misto desta unidade. O Quadro 4 mostra os dados

obtidos.

Quadro 4 – Acompanhamento do tempo de regeneração de cada vaso da unidade 03

Ciclos Carvão ativado

Vaso Catiônio

Vaso Aniônico Leito Misto

1 30 95 90 140

2 30 90 90 130

3 30 85 85 140

4 30 90 90 130

5 30 90 85 135

6 30 95 95 145

7 30 100 90 150

8 30 90 90 140

9 30 95 95 150

10 30 90 90 140

Média (min) 30 92 90 140 Fonte: Serquímica (2015)

53

Com base nos dados obtidos, nota-se que o tempo de regeneração do leito

misto é bem superior aos demais vasos, isso se deve ao fato de o procedimento de

separação das resinas presentes nesta etapa, como também a regeneração de dois

tipos de resinas, a lavagem das resinas e o tempo para a água estar dentro das

especificações de trabalho serem elevadas.

Ao mesmo tempo, foi realizado um estudo da variação da condutividade da

água após passar pelos vasos de carvão ativado, vaso catiônico e vaso aniônico

após a regeneração e foi observado que somente com este conjunto consegue-se

obter água com condutividade de aproximadamente 20 µS/cm, e que o restante de

íons a serem trocados pelas resinas eram feitos pelo leito misto com o tempo de

lavagem de 20 minutos, conforme o Quadro 5.

Quadro 5 – Condutividade unidade 03 etapa antes do leito misto

Ciclos Condutividade

1 22

2 18

3 25

4 30

5 17

6 27

7 29

8 33

9 19

10 31

Média (µS/cm) 25,1


Com isso observa-se que somente com os 3 vasos em operação grande parte

dos íons são retirados, obtendo-se uma água com condutividade de 25,1 µS/cm em

média. Assim sendo, para se produzir água desmineralizada com grau 3 com esta

configuração de equipamentos, utiliza-se de água com ótima qualidade para se

efetuar a regeneração do leito misto, o que não se faz necessário pois para se

54

regenerar uma resina necessita-se somente se uma solução ácida e uma solução

básica para que a regeneração seja eficaz.

Baseado nestes dados obtidos foi realizada uma análise de significância dos

dados obtidos de condutividade elétrica, através do teste T-Student que é um teste

bastante utilizado para verificar a significância de resultados ou hipóteses de uma

distribuição normal ou uma hipótese nula.

Temos que,

Onde, : média da amostra;

• : valor fixo usado para comparação com a média da amostra;

• : desvio padrão amostral;

• : tamanho da amostra.

Com isso foi obtido o resultado de t = 1,939, que quando comparado ao t =

1,8125 pré-fixado no Quadro 4 para um nível de significância de 10% com 10 graus

de liberdade, não se rejeita a hipótese nula, com isso a variação nos dados obtidos

de condutividade elétrica no ponto mencionado na unidade de desmineralização 03

é muito baixa, com valores flutuando em 10% da média.

A proposta sugere que seja instalado uma tubulação derivada entre o vaso

aniônico e o leito misto a fim de melhorar o tempo de campanha das outras unidades

de purificação, pois as mesmas irão trabalhar por aproximadamente 140 minutos

com água de ótima qualidade de entrada, 85% de redução da condutividade na água

de entrada. Esta alteração proporcionará um elevado tempo de campanha para as

outras unidades de purificação, aumentando a produtividade, reduzindo os ciclos de

regeneração de resinas e consequentemente uma redução nos custos com matérias

primas para efetuar a regeneração (ácido clorídrico e soda cáustica).

A seta vermelha na Figura 24 apresenta qual o ponto ideal para que seja feita

a derivação na tubulação da unidade de purificação 3, que deverá ser feito após

passar por 3 vasos de trocas, o vaso de carvão ativado, o vaso catiônico e o vaso

aniônico, assim a carga de íons contaminantes presentes na água já estará bem

reduzida e a utilização desta água com boa qualidade será de grande importância

para as outras unidades de produção de água desmineralizada.

Equação 01

55

Figura 24 – Fluxograma de produção de água desmineralizada para Arla 32


A alteração na disposição dos equipamentos é sutil e levará a obter uma

eficiência mais eficaz e o aumento da produtividade de água por unidade de

purificação.

O estudo sugere a instalação de uma tubulação na qual ligará a saída de uma

unidade de purificação na tubulação de alimentação das outras unidades, fazendo

com que nos momentos em que as regenerações são executadas esta água de

ótima qualidade tenha a opção de ser enviada para a regeneração do leito misto ou

reutilizada nas outras unidades de purificação.

Este processo deverá ser seguido somente quando a condutividade da água

de lavagem das colunas estiver menor que a condutividade de entrada de água

bruta, ou seja, o fluxo deve ser desviado sempre que a condutividade na água de

lavagem estiver menor que 180 µS/cm.

A Figura 25 auxilia a verificar a alteração executada para que a saída de uma

unidade se torne a entrada de alimentação de outra unidade.

Derivação

56

Figura 25 – Fluxograma com variação da entrada de alimentação


O estudo analisou ainda o aumento no tempo de campanha dos outros dois

equipamentos de purificação, e obteve os seguintes dados.

• Unidade de purificação 01

Resultados apresentados no Quadro 6.

Quadro 6 – Tempo de campanha após a alteração da unidade 01

Ciclos Tempo de Campanha

1 583,2

2 590

3 587

4 580

5 579

6 578

7 580

8 585

9 583

10 581

Média (min) 582,62


Foi obtido um aumento de 21,5% no tempo de campanha da unidade de

purificação 01 quando comparado a média do tempo de campanha anterior a

alteração.

57

• Unidade de purificação 02

Resultados apresentados no Quadro 7.

Quadro 7 – Tempo de campanha após a alteração da unidade 02

Ciclos Tempo de Campanha

1 1684

2 1689

3 1678

4 1686

5 1690

6 1687

7 1699

8 1680

9 1675

10 1670

Média (min) 1683,8


Foi observado um aumento no tempo de campanha da unidade de purificação

02 de 16,9% quando comparado a média efetiva antes da alteração realizada.

58

5 ANÁLISE FINANCEIRA

Para exemplificar melhor os resultados obtidos, os ganhos serão expressos

em valores financeiros.

• Unidade de desmineralização 01:

A unidade de purificação 01 obteve o aumento de 21,5% de produtividade no

tempo campanha, ou seja, a campanha de trabalho da unidade obteve um ganho de

aproximadamente 100 horas a mais trabalhadas sem necessitar de uma

regeneração, com isso tem-se:

100 horas trabalhadas X 1,5m³/h = 150m³ de água desmineralizada disponível

para utilização na produção de Arla 32.

• Unidade de desmineralização 02:

A unidade de purificação 02 resultou em um aumento de 16,9% de

produtividade no tempo de campanha obtendo 243 horas de produção a mais

quando em comparação a conformação anterior, com isso foram obtidos os

seguintes resultados:

243 horas trabalhadas X 3m³/h = 729m³ de água desmineralizada disponível

para utilização na produção de Arla 32.

Somando as duas unidades obtivem-se a quantidade de 879 m³ de água

desmineralizada a mais na planta de produção, o que resultou na produção de

1.300.000 de litros de Arla 32 a mais disponível para venda. Tomando por base o

valor de mercado atual de 1 litro de Arla 32 como sendo R$0,90, com a alteração

proposta a empresa conseguiu aumentar seu faturamento em R$1.172.000,00.

59

6 CONCLUSÃO

O presente estudo se mostrou eficaz e com grandes resultados nos valores

de produtividade das unidades de purificação de água, com isso as unidades de

purificação de água 1 e 2 aumentaram o tempo de campanha significativamente, o

que implica em um aumento na produção de água com grau 3 de pureza na ordem

de 1.300.000 litros de água com grau de pureza 3 a mais disponível para ser

utilizada na produção de Arla 32. Não somente a produção de água foi beneficiada,

como também a produção de Arla 32 no qual é o objetivo da empresa o aumento de

sua produção em larga escala.

O estudo comprovou o beneficiamento da produtividade de águas com grau

de pureza 3, obtendo êxito na alteração para a melhoria encontrada, assim com uma

simples alteração e baixo custo de instalação a melhoria foi executada e

comprovada o que ocasionou em aumentou de faturamento e uma melhor

produtividade da unidade de produção de Arla 32.

A desmineralização de águas é um procedimento muito bem conhecido por

diversas indústrias espalhadas pelo Brasil, porém necessita ser observada e

analisada sob diversas perspectivas a fim de obter melhorias e com isso aumentar a

produtividade e consequentemente o faturamento da empresa na qual efetua a

comercialização. Também se faz necessária atenção especial para o tipo de resina

empregada na remoção de impurezas presente na água considerada bruta pois a

escolha deste tipo de material influenciará diretamente na produção de água

desmineralizada, como também a conformação e a disposição dos equipamentos de

purificação de águas na fábrica pois são de suma importância evitar desperdícios de

perda de carga, vazamentos em tubulações, vazamentos de resinas e

consequentemente perdas no processo de produção.

O mercado de Arla 32 no Brasil ainda é bastante promissor, tendo em vista

que diversos segmentos de veículos automotores ainda não fazem parte deste tipo

de tecnologia, acarretando em um aumento significativo nos volumes utilizados em

nosso país, como também no alto volume de dinheiro em que o produto

movimentará.

60

REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS

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