A modelagem de um reator contracorrente com diversas reações químicas combinadas com transferência de calor e massa em um sistema heterogêneo e multifásico ainda é um problema não completamente resolvido (MEYER et al., 2016). Ao longo de décadas, trabalhos vêm sendo desenvolvidos com o objetivo de solucionar esse problema, mas devido à complexidade do forno rotativo de clínquer ainda existem muitas barreiras a serem ultrapassadas para que esse processo possa ser simulado da maneira mais próxima possível da realidade. Uma dessas barreiras é a escassez de dados experimentais termodinâmicos e cinéticos para representar as transformações químicas e físicas da matéria-prima que ocorrem durante o processo.
Mediante um modelo tridimensional baseado em fluidodinâmica computacional (Computational Fluid Dynamics - CFD), incluindo o módulo para cálculo de radiação pelo método de Monte Carlo, Mastorakos et al. (1999) modelaram o processo de formação de clínquer em forno rotativo. Para o cálculo das reações químicas em fase sólida, foi utilizado o modelo cinético com a equação de Arrhenius. Os fatores pré-exponenciais e a energia de
ativação foram definidos por tentativa e erro até atingir a composição química do clínquer esperada na saída do forno. No entanto, vários pesquisadores modelaram e simularam o processo.
Mintus et al. (2006) desenvolveram um programa para simulação do processo úmido de produção de clínquer utilizando modelo unidimensional. Foram consideradas as transferências de massa e de energia entre as fases. As expressões de Arrhenius utilizadas para o cálculo cinético foram propostas por Spang (1972), Guruz e Bac (1981) e Specht (1993).
Mujumdar e Ranade (2006) apresentaram um modelo unidimensional para simular as reações que ocorrem na fase sólida. A variação da altura do leito e a formação da fase líquida próxima à região do queimador foram levadas em consideração. O balanço de energia, incluindo transferência de calor por convecção, condução e radiação, foi resolvido com base na aproximação de estado pseudo-estacionário. No cálculo do balanço de massa, para a reação de calcinação foi utilizado os parâmetros cinéticos propostos por Rao (1996) e para as reações de formação de C2S, C3S, C3A e C4AF foram empregados os dados definidos por Mastorakos et al. (1999) por meio de tentativa e erro.
Para simular os processos que ocorrem em fornos rotativos de cimento, Mujumdar et al. (2006) utilizaram um modelo unidimensional composto por três submodelos. Um modelo foi desenvolvido para simular a variação da altura do leito no forno, um modelo para simular reações e transferência de calor na região do leito e um modelo para simular combustão de carvão e transferência de calor na região entre a parede do forno e o leito sólido (freeboard). A formação da fase líquida e a formação de colagem dentro do forno foram contabilizadas. Assim como Mujumdar e Ranade (2006), Mujumdar et al. (2006) utilizaram os parâmetros cinéticos apresentados por Rao (1996) e Mastorakos et al. (1999).
Com o objetivo de construir um simulador integrado, Mujumdar et al. (2007) desenvolveram modelos matemáticos para a torre de pré-aquecimento, calcinador, forno rotativo e resfriador e em seguida os conectou. Para a torre de pré-aquecimento, modelos foram implementados para simular a transferência de calor e o contato entre as fases gás e sólido. O calcinador foi modelado considerando, simultaneamente, a combustão de partículas de carvão e a calcinação de farinha crua. Três submodelos acoplados entre si foram utilizados para modelar as reações e a transferência de calor que acontecem dentro do forno rotativo. O resfriador de clínquer foi simulado mediante um modelo bidimensional, no qual foi considerada a transferência de calor entre o ar e clínquer quente. Os modelos individuais foram acoplados entre si e as equações foram resolvidas iterativamente.
Fidaros et al. (2007) desenvolveram um modelo numérico para descrever os processos de fluxo de calor e transporte que ocorrem no calcinador. O modelo numérico baseia-se na solução das equações de Navier-Stokes para o fluxo de gás e na dinâmica lagrangiana para as partículas discretas (BIRD et al., 2002). Foram calculadas as distribuições das velocidades dos fluidos, temperaturas e concentrações dos reagentes e produtos, bem como as trajetórias de partículas e a sua interação com a fase gasosa.
Em recente trabalho Meyer et al. (2016) aplicaram equações de balanço de massa e energia combinadas a cálculos de `equilíbrio termodinâmico (minimização da energia livre de Gibbs) e a cálculos cinéticos para simular transformações químicas e de fase, bem como de fluxos de massa e calor dentro do forno rotativo de clínquer. Os parâmetros termodinâmicos foram determinados por meio da base de dados comercial FactSage (BALE et al., 2002), de dados experimentais (TAYLOR, 1997) e de ajustes por tentativa e erro. Os parâmetros cinéticos foram ajustados por tentativa e erro atingindo a composição mineralógica esperada para clínquer na saída do resfriador.
Softwares comerciais para simulação de processos, como Aspen Plusâ e Aspen HYSYSâ, foram utilizados por alguns autores para simular o processo completo de produção de clínquer ou parte dele (KÄÄNTEE et al., 2004; ZHANG et al., 2011; BENHELAL e RAFIEI, 2012; KADDATZ et al., 2013; RAHMAN et al., 2014; RAHMAN et al., 2015a). Esses simuladores se baseiam em unidades modulares ou módulos sequenciais que, para cada operação unitária, contém um modelo matemático e um algoritmo computacional desenvolvido especificamente para resolver esse modelo. Em geral, as equações matemáticas desse modelo englobam balanços de massa e energia; relações termodinâmicas, como equilíbrio de fases e equilíbrio químico; correlações de taxa de transferência de calor, de massa e de momento; estequiometria de reação e dados cinéticos; e restrições físicas impostas ao processo (AL- MALAH, 2016; ADAMS, 2018).
A queima do combustível foi simulada no simulador comercial Aspen Plusâ por meio de dois módulos de operação, sendo um reator RYIELD e um reator RGIBBS, por Zhang et al. (2011), Rahman et al. (2014) e Rahman et al. (2015a). O módulo de reator RYIELD foi utilizado para realizar os cálculos de decomposição do combustível e o módulo de reator RGIBBS foi utilizado para calcular a composição de equilíbrio dos produtos da combustão por meio da minimização de energia livre de Gibbs. Zhang et al. (2011) e Rahman et al. (2014) simularam a reação de calcinação da matéria-prima por meio de um reator estequiométrico (RSTOIC). Para a simulação do forno de clínquer, Rahman et al. (2015a)
utilizaram três reatores estequiométricos (RSTOIC) em série. No entanto, seu trabalho não considerou escoamento contracorrente entre o sólido e o gás, fazendo com que na simulação a temperatura do clínquer na saída do forno e a temperatura do gás do forno fossem a mesma. É esperada uma diferença de temperatura próxima a 400 oC (KADDATZ et al., 2013; FERNANDES, 2016; MEYER et al., 2016). Benhelal e Rafiei (2012), ao simular o processo no software Aspen HYSYSâ, utilizaram apenas um reator em seu modelo e também não consideraram escoamento contracorrente entre o sólido e o gás. O resfriador de clínquer foi simulado por meio de um módulo de trocador de calor por Rahman et al. (2015a).
As descrições das unidades modulares utilizadas por esses autores são apresentadas no capítulo seguinte, na Tabela 8.