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Processo
Bayer
Em 1888, o químico austríaco Karl Josef Bayer descobriu um processo que se tornou fundamental para a produção de alumina. O sistema Bayer permite, por meio do refino da bauxita, que se obtenha o hidróxido de alumínio e/ou alumina.
O processo começa com a preparação das matérias-primas e posteriores etapas de digestão, clarificação / filtração e precipitação do hidrato para, em seguida, ser calcinado e convertido em alumina.
Mineração
No planalto de Poços de Caldas-MG, a bauxita disponível e a facilidade com que pode ser extraída do solo são os diferenciais mais atrativos das reservas.
Usualmente, as reservas de bauxita podem apresentar minério a uma profundidade de até 30 metros do solo, ou até mesmo estarem disponíveis em minas subterrâneas (> 30m). O diferencial das minas de Poços de Caldas-MG é que o minério pode ser encontrado a partir de 30 centímetros do solo. Nesse caso, só é necessário a retirada do top soil - camada fértil e rica em nutrientes que posteriormente será usada na recuperação da área, para se iniciar a retirada de minério. O material coletado é então enviado à refinaria, onde iniciará sua transformação.
Todas as áreas mineradas, após a extração da bauxita, são reflorestadas e reabilitadas, como pode ser visto abaixo:
Frente de mineração
Mesma área após reabilitação
Moagem (Cominuição)
Essa é a primeira etapa do processo Bayer. O objetivo é preparar o minério para iniciar suas transformações, até ser obtido na forma de hidróxido ou alumina.
Inicialmente, o minério é destinado a um processo de homogeneização, chamado blendagem - tornar a matéria-prima proveniente de várias jazidas
diferentes, a mais adequada e homogênea possível ao processo de digestão. Com essa
medida, pretende-se assegurar que o minério que entrará no processo Bayer
apresente, em média, 45% de alumina disponível e aproximadamente 4% de sílica reativa
(caulinita).
Após essa etapa, o material é destinado à moagem, passando inicialmente por um moinho de martelos e em seguida por um de barras. A segunda etapa dessa fase é realizada a úmido, com o uso de licor
(NaOH), utilizado anteriormente no processo.
Na saída do moinho de barras existe um separador de impurezas que retêm raízes, pedaços de madeira e
pedras. Por fim, a pasta moída e com a granulometria ideal para início da digestão é estocada em tanques específicos, nos quais permanecem em homogeneização pela ação de bombas recirculantes e pás
rotativas.
Prédio da moagem de bauxita
Digestão
O principal objetivo dessa etapa é dissolver o hidróxido de alumínio na bauxita e reduzir o teor de sílica, para garantir pureza adequada aos produtos
finais. Para tanto, provoca-se uma reação com NaOH concentrado a uma temperatura de aproximadamente
150ºC. A solução alcalina reage então com o hidróxido de alumínio, pela reação global
abaixo, produzindo aluminato de sódio.
Al2O3.3H20 + 2 NaOH  2 NaAlO2 + 4 H2O
Para que a reação acima se processe com maior eficiência e em temperaturas e pressões
menores, é preferível que a bauxita contenha hidróxido de alumínio na forma de GIBSITA em detrimento a Bohemita e Diáspora, estruturas que necessitam de temperaturas e pressões maiores para serem
digeridas.
Os insolúveis, bem como os produtos da dessilicação, permanecem sólidos na forma de
impurezas. Na unidade de Poços de Caldas-MG existem três digestores ligados em série, totalizando 40 minutos de operação. No topo do segundo digestor ocorre a injeção de leite cal, aumentando a filtrabilidade e auxiliando no controle de
impurezas.
Prédio da digestão
Clarificação / filtração
O objetivo da clarificação no processo Bayer é a remoção de resíduos sólidos presentes no
licor, após a digestão da bauxita, para garantir a qualidade do hidrato na precipitação.
Os sólidos removidos encontram-se em uma mistura com o licor, que é bombeada para os lagos de resíduo de
bauxita. Para reduzir essa perda, é necessário garantir que uma quantidade mínima de soda seja enviada aos
lagos. A clarificação do licor é realizada em duas etapas: espessamento e filtração.
Na primeira etapa, o licor dos Blow Offs é bombeado para o espessador. Esse é um sistema de separação sólido-líquido com duas saídas: overflow e underflow. O primeiro é o licor
clarificado, que sai do espessador por transbordo, e é enviado para o Tanque 35D. O underflow é o resíduo de bauxita com alta concentração de sólidos.
Para reduzir a perda da soda contida no resíduo de bauxita, passa-se por quatro
lavadores. No último deles, há entrada de água do lago, utilizada para realizar essa lavagem em
contra-corrente. Dessa forma, o underflow de cada lavador é bombeado para o próximo estágio de
lavagem, enquanto que o overflow é bombeado para o estágio anterior. O resíduo de bauxita do último lavador possui a menor concentração de
licor, e é então enviada para os lagos de resíduo de bauxita por meio do
misturador.
Na segunda etapa de clarificação, o licor é filtrado em
filtros-prensa. Na unidade de Poços de Caldas-MG, são utilizados oito filtros Kelly
(horizontais) e dois filtros verticais. Para melhorar o desempenho dos filtros,
utiliza-se um auxiliar de filtração, sintetizado.
Prédio da clarificação / filtração
Trocadores de calor / evaporação
Antes de seguir para a etapa de precipitação, o licor verde oriundo da fase de clarificação passa por trocadores de
calor. Por meio da troca térmica são feitos, basicamente, o resfriamento do licor verde clarificado e o aquecimento do licor usado na etapa de precipitação, e que será adicionado na digestão da pasta de
bauxita. A utilização dos trocadores de calor é fundamental para a melhoria do consumo energético do
processo.
O resfriamento do licor verde é realizado por meio da passagem por três tanques de flasheamento em série
(chamados de flash alto, médio e baixo) onde parte da água em solução é extraída na forma de vapor, o qual é dirigido para os três aquecedores tubulares para elevação da temperatura do licor
usado. O vapor liberado segue pela carcaça do aquecedor enquanto que o licor segue pelos
tubos.
Em todo o processo de troca térmica (no qual os aquecedores absorvem o calor do vapor liberado dos tanques de expansão), ocorre o acúmulo de gases não-condensáveis na câmara dos
aquecedores, resultando em baixa eficiência de troca térmica. Logo, existe um sistema de bombas de vácuo que permite a remoção desses gases não-condensáveis, garantindo um bom desempenho da troca térmica.
O objetivo do prédio da evaporação é eliminar parte da água do licor
usado, controlando o espaço dos tanques. Simultaneamente, a concentração cáustica é elevada antes de ser enviada para a digestão. A refinaria de Poços possui duas unidades iguais de evaporação, cada uma composta por cinco flash
tanques, seis aquecedores tubulares e um condensador barométrico.
Prédio trocador de calor / evaporação
Precipitação
Nesse ponto, o lícor verde, livre dos sólidos não solúveis, deve ser reconvertido ao hidróxido de alumínio
(hidrato). Para tanto, deseja-se que uma reação inversa à digestão
ocorra.
Para iniciar a precipitação é inicialmente necessária a redução da temperatura do lícor para aproximadamente
83ºC, por meio da passagem pelo condensador barométrico. Em seguida, são adicionadas sementes que operarão como agentes
nucleantes, facilitando a nucleação e o crescimento dos cristais de hidróxido, que anteriormente estavam em solução. A reação é a que se segue:
2 NaAlO2 + 4 H2O Al2O3.3H20 + 2 NaOH
A precipitação constitui uma das etapas mais importantes do processo porque a qualidade obtida pelo hidrato resultará,
posteriormente, nas qualidades finais da alumina. De modo geral, espera-se que o produto resultante da precipitação consiga gerar uma alumina que atenda às
expectativas. Além disso, é ainda necessário um alto rendimento de hidrato por unidade de volume de licor e que o número de partículas formadas por nucleação seja igual ao de partículas removidas do sistema por aglomeração e
crescimento, ou por dissolução. A perda de calor durante a etapa deve ser
reduzida.
A unidade de Poços de Caldas-MG opera com 32 precipitadores / classificadores de 850 metros cúbicos, atuando em
batelada. Ao sair do condensador barométrico, o licor segue para um
tanque, onde é bombeado para os precipitadores e sempre mantido em agitação por um processo de injeção de ar comprimido na sua base, perfazendo todo o
percurso, podendo durar de 24 a 30 horas.
Sistema da precipitação
Calcinação
Essa é a etapa final da obtenção de alumina. Tem como objetivo principal a conversão do hidrato em uma mistura cristalina de formas alotrópicas de Al2O3, ou uma fase específica. A alumina obtida deve atender as especificações de tamanho de partícula,
granulometria, área superficial, perda ao fogo (LOI) e conteúdo de
α-alumina desejada para o tipo que está sendo
produzida. Além disso, a quantidade de sódio na alumina grau metalúrgico deve ser baixo e a energia empregada na calcinação próxima à requerida para decomposição do
hidrato.
Inicialmente, o hidrato recém-chegado da precipitação é lavado e filtrado nos filtros
Dorrcos, seguindo para secagem, calcinação e posterior
resfriamento.
Nos filtros Dorrcos, o conteúdo de sódio solúvel cai para valores próximos à 0,04%, restando um hidrato com umidade de aproximadamente 10%. A torta úmida é então levada a um secador que opera em leito fluidizado
(~300ºC) para remoção da água adsorvida. Dessa mesma forma, o hidrato é transportado por todo o sistema de calcinação para ser então, descarregado no forno e direcionado ao vaso de retenção
(HV). Esse vaso opera com uma quantidade de alumina estocada, que se renova à medida que mais quantidade entra e outra quantidade
sai. As condições do forno e do vaso de retenção (HV)
(nível e temperaturas de operação) ditam as características finais da alumina em produção.
Entretanto, pode-se afirmar que maiores temperaturas e níveis no HV apontam para produção de aluminas
especiais, e o oposto remete à produção de alumina grau metalúrgico. As temperaturas podem variar de 950ºC a
1250ºC, dependendo da campanha de alumina e da taxa de produção. Processos de calcinação são tipicamente reações que necessariamente englobam a decomposição de uma fase sólida em outra fase sólida e o desprendimento de gás/vapor. Dessa forma, a reação de calcinação em questão é a que está
abaixo:
2 Al2O3.3H2O (s) Al2O3 (s) + 3H2O (v)
O produto calcinado e ainda parte do material não-calcinado percorre uma série de dutos e ciclones, onde há uma constante seleção granulométrica e as partículas consideradas finas são redirecionadas a outros ciclones para reclassificação. Caso não esteja dentro das especificações do referido produto, esse material fino é coletado por um equipamento eletrostático, que armazena todo esse conteúdo.
O material, após encerrada a etapa de calcinação, é enviado a um resfriador, para posteriormente ser ensacado / embarcado.
Prédio da calcinação
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