Estudo comparativo da produção de bicarbonato de sódio em diferentes rotas por meio de modelagem, simulação e otimização de processos

Abstract

RESUMO: O uso de dióxido de carbono como matéria-prima para a fabricação de produtos industriais tem sido um dos esforços mais promissores em relação à mitigação dos impactos da sociedade humana no ambiente. Neste contexto, a carbonatação mineral para produção de carbonatos é de interesse especial, uma vez que estes produtos contribuem para estratégias de produção mais limpas. Dentre estas opções, o bicarbonato de sódio se mostra um produto versátil e com elevada demanda. Este trabalho busca expandir o conhecimento acerca desta abordagem, analisando as rotas produtivas deste componente, como os convencionais processos de carbonatação de barrilha e o processo Solvay, e também com interesse particular na carbonatação do sulfato de sódio, rota esta que ainda foi pouco estudada pela literatura. Assim, é realizado um estudo inicial deste último processo, desenvolvendo diagramas que auxiliem na melhor compreensão do seu uso para escalas industriais. O que se observa é que os melhores rendimentos (cerca de 62,3% em massa) acontecem em torno de uma Razão A/S molar de 0,85. Em seguida, uma metodologia de design e otimização de processos é utilizada para comparar as três rotas produtivas em relação a múltiplos critérios. Os resultados indicam que, nas condições ótimas de operação para cada rota, a carbonatação de barrilha apresenta a melhor lucratividade (USD 0,2278/kg de produto), enquanto o processo Solvay e a carbonatação de sulfato de sódio podem ser rotas competitivas quando as condições de mercado forem favoráveis, a depender da formação de produtos secundários

ABSTRACT:The use of carbon dioxide as a feedstock for generating industrial products has been one of the most promising efforts for mitigating the impacts of human society on the environment. In this context, mineral carbonation to produce carbonates is of particular interest, as these products contribute for cleaner production strategies. Among the options, sodium bicarbonate stands out as a versatile and highly demanded compound. This work aims to further expand the knowledge regarding this approach, analyzing the productive routes of this compound, such as the conventional processes of soda ash carbonation and the Solvay process, and also with particular interest in sodium sulfate carbonation, an alternative route that still lacks studies about its capabilities. Thus, an initial study of this last process is carried out, developing diagrams that provide a better comprehension about its use for industrial scales. What is observed is that the best yields (around 62,3% in mass) happen around the A/S molar ratio of 0,85. Then, a methodology for the design and optimization of processes is utilized in order to compare the three productive routes regarding multiple criteria. Results indicate that, at the optimal operating conditions for each route, soda ash carbonation shows the best profitability (USD 0.2278/kg of product), while the Solvay process and sodium sulfate carbonation may show up as competitive routes when market conditions are favorable, depending on the formation of secondary products