Fundação Universidade Federal do Rio Grande FURG · PPT file · Web view2009-10-02 · Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG Escola de Química e Alimentos Núcleo

Fundação Universidade Federal do Rio Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURGGrande - FURG

Escola de Química e Alimentos

Núcleo de Engenharia Química

Prof. Renato Dutra Pereira FilhoProjeto de Processos Químicos: Pensando a

Indústria Química.

Setembro de 2009

Visão Geral da Visão Geral da ApresentaçãoApresentação- Definição de projeto;- A síntese de processos químicos;- Referenciais bibliográficos úteis;- Breve análise de metodologias; - Pré-projeto ou prospecção, hoje em dia; - Alguns exemplos de sítios úteis;- Patentes; - Etapas do projeto de processos;- Fatores de comparação entre projetos;- Elementos produzidos pelo projeto de

processos químicos;- Planejamento e Gerência de Projetos

(Ferramentas);- Exemplos de projetos de processos (ano 2009);- Considerações Finais.

Definição de ProjetoDefinição de ProjetoProjeto é o esforço temporário empreendido para criar um produto, serviço ou resultado exclusivo.

Os projetos surgem em razão de uma demanda de mercado, necessidade organizacional, solicitação de um cliente, avanço tecnológico, requisito legal, ou necessidade social.

Características dos Características dos ProjetosProjetos- são temporários;- são planejados, executados e controlados;

- entregam produtos, serviços ou resultados; - são desenvolvidos em etapas; - têm elaboração progressiva; - são realizados por pessoas; - apresentam recursos limitados.

Características Exclusivas do Características Exclusivas do Projeto de Processos Projeto de Processos QuímicosQuímicosNível de Detalhamento

◦ Conceitual (25% de exatidão); ◦ Preliminar (5% de exatidão);◦ Construtivo (1% de exatidão);

Integração Recorrente em Equipes Multidisciplinares:Químicos, Farmacêuticos, Bioquímicos Engenheiros Químicos Engenheiros Mecânicos, Eletricistas, Civis,

Automação

““Imensidão” QuímicaImensidão” QuímicaSegundo Charpentier (Chem. Eng. Science - 2004):

14 milhões de compostos moleculares foram sintetizados em laboratório: cerca de 100 mil podem ser encontrados no mercado. Somente uma pequena fração pode ser encontrada na natureza; a grande maioria dessas substâncias, para ser usada em larga escala, necessitará ter seu processo de produção projetado e, somente aí, manufaturada.

O Processo Químico na O Processo Químico na Cabeça das PessoasCabeça das Pessoas

Etapas Genéricas no Processo Químico

OBS.: as Operações Unitárias envolvem: - fluxo de fluidos (transporte pneumático, filtração, fluidização, etc), - transferência de calor (evaporação,condensação, etc)- transferência de massa (destilação, absorção,extração, adsorção, secagem,etc)- termodinâmica (liquefação, refrigeração, etc); - mecânica (moagem, peneiramento, etc)

Um engano comumUm engano comumProcessos Químicos são normalmente pensados como um conjunto de “operações unitárias” conectadas juntas a fim de transformar matérias-primas em produtos úteis. Tradicionalmente, cada operação unitária era projetada e otimizada individualmente. Infelizmente sempre que cada operação é otimizada, o processo global pode estar longe do ótimo.

Visão “Moderna” do Processo Visão “Moderna” do Processo QuímicoQuímico

A partir do final da década de 1970 (em especial devido as crises do petróleo) , mais atenção passou a ser dada ao projeto global do processo ao invés das unidades individuais. Ao projetar o processo de maneira global, o projetista encara muitos desafios. Além de ter que escolher as várias etapas, também deve determinar a melhor interconexão dessas etapas. A essa atividade de determinar a estrutura do processo chamamos SÍNTESE DO PROCESSO.

Usos da Síntese de Usos da Síntese de ProcessosProcessos

A SÍNTESE do processo deve ser aplicada nos estágios inicias de projeto e deve requerer pouca informação, pois o uso de métodos rigorosos de projeto são caros (em tempo e dinheiro).

Os métodos e ferramentas da SÍNTESE de processos podem ser aplicados ao projeto de novos processos e a reavaliação de existentes, acarretando redução de custos fixos e variáveis.

Tributo a “Linhoff”Tributo a “Linhoff”Em 1978 o estudante de Doutorado

Bodo Linhoff, que trabalhava na ICI sob a orientação do professor John Flower da Universidade de Leeds, desenvolveu a ANÁLISE PINCH, com o intuito de otimizar as redes de trocadores de calor, para reduzir o consumo energético (em consequência da crise do petróleo). Essa iniciativa mudou o projeto de processos químicos.

Referenciais Bibliográficos Referenciais Bibliográficos para Projeto de Processos para Projeto de Processos

Conceptual Design of Chemical Processes - James Douglas (1988) - Método Expedito (“shortcut”) com 25% de aproximação;Chemical Process Design - Robin Smith (1994) (grupo do Linhoff);Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering - Himmelblau & Riggs (7 ed !!! 2003) Product and Process Design Principles: Synthesis, Analysis, and Evaluation – Seider, Seader e Lewin (2003) Plant Design and Economics for Chemical Engineers - Peters, Timmerhaus e West (3 ed. 2003)Elementary Principles of Chemical Processes - Felder & Rousseau (3 ed. 2004). Chemical Process: Design and Integration, Robin Smith (2005);Chemical Process Design: Computer-Aided Case Studies – Dimian & Bildea (2008) - OBS: 215 US$Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes, Turton, Bailie, Whiting e Shaiwitz ( 3 ed. – 2009)

http://www.amazon.com/Warren-D.-Seider/e/B001IOFEGM/ref=ntt_athr_dp_pel_1

http://www.amazon.com/exec/obidos/search-handle-url/ref=ntt_athr_dp_sr_2?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-type=ss&index=books&field-author=Costin%20Sorin%20Bildea

Várias Metodologias de Várias Metodologias de ProjetoProjeto

Projeto Conceitual (Douglas): ◦Níveis hierárquicos

“Onion Diagram” – Robin Smith:

Fonte: Center of Process and Material Synthesis (COMPS)University of the Witwatersrand - Johannesburg

Pré-projeto ou prospecçãoPré-projeto ou prospecçãoUso correto do Google; Acesso as Enciclopédias de

Tecnologia Química (Kirk Othmer e Ullman’s)

Acesso das Bases de Dados de Substâncias (propriedades químicas, físicas, de segurança e de saúde, MSDS ou FISPQ)

Patentes !

Bases de Dados OnlineBases de Dados Onlinewebbook.nist.gov/chemistry/http://kinetics.nist.gov/

http://webbook.nist.gov/chemistry/

http://kinetics.nist.gov/

Importância das PatentesImportância das Patentes- Proteção da Propriedade Intelectual- Novas Idéias / Concepções- Velhas Idéias / Novas Concepções

Bases de dados: patft.uspto.gov (desde 1790, formato .tif)www.freepatentsonline.comwww.google.com/patentspesquisa.inpi.gov.br/

http://www.google.com/patents

http://pesquisa.inpi.gov.br/

Etapas do Projeto de Processos Etapas do Projeto de Processos QuímicosQuímicos

Análise de Mercado;Criação de uma ou mais soluções –

literatura e patentes; Determinar reações, separações,

possíveis condições operacionais, aspectos ambentais, segurança e aspectos de saúde;

Avaliar rentabilidade dessas potenciais soluções (se negativa, criar novas alternativas)

Refinar dados para projeto – propriedades físico-químicas e termodinâmicas (estimação por software ou medição);

Preparar projeto de engenharia – fluxograma de processo, integração e otimização, checar controlabilidade, dimensionar equipamentos e estimar custo fixo.

Etapas do Projeto de Processos Etapas do Projeto de Processos QuímicosQuímicos

Etapas do Projeto de Etapas do Projeto de Processos QuímicosProcessos QuímicosReavaliar a viabilidade econômica

do processo (se negativa, ou modificar processo ou investigar processo alternativo);

Revisar novamente aspectos ambientais, de segurança e saúde;

Produzir relatório escrito (memorial descritivo);

Etapas do Projeto de Etapas do Projeto de Processos QuímicosProcessos QuímicosCompletar o projeto final de

engenharia: ◦Determinar layout de equipamentos

e especificações; ◦Construir os diagramas de

tubulações e de instrumentação; ◦Preparar as consultas de propostas

de equipamentos (ERRO COMUM É COLOCAR ESSA CARROÇA AQUI NA FRENTE DOS BOIS);

Fatores de Comparação Fatores de Comparação Entre Alternativas de ProjetoEntre Alternativas de ProjetoFatores Técnicos:

◦Flexibilidade do processo; ◦Operação contínua, semi-contínua ou

batelada◦Automação especial requerida;◦Lucro comercial; ◦Dificuldades técnicas envolvidas;◦Necessidades Energéticas;◦Possibilidade de evolução;◦Riscos à segurança e à saúde;

Matérias-primas◦Disponibilidade atual e futura;◦Processamento requerido;◦Necessidades de armazenamento;

Sub-produtos e Efluentes◦Quantidade produzida;◦Valor;◦Mercados potenciais e usos;◦Forma de descarte;◦Aspectos ambientais

Fatores de Comparação Fatores de Comparação Entre Alternativas de ProjetoEntre Alternativas de Projeto

Equipamentos◦ Disponibilidade;◦ Materiais de construção;◦ Custos iniciais;◦ Custos de manutenção e de instalação;◦ Necessidade de substituição;

Localização da Unidade◦ Área requerida;◦ Infraestrutura viária;◦ Proximidade de mercados e das fontes de matérias-

primas;◦ Disponibilidade de energia, água, telecomunicações;◦ Mão de obra;◦ Clima; ◦ Restrições legais e taxas;


Custos◦ Matérias-primas; ◦ Energia;◦ Depreciação; ◦ Outros encargos fixos; ◦ Royalties (patentes); ◦ Controle Ambiental;

Fatores temporais◦ “Deadline” da completude do projeto; ◦ Necessidade de desenvolvimento / aperfeiçoamento do

processo;

Considerações de Processo◦ Disponibilidade da tecnologia;◦ Matérias-primas comuns com outros processos;◦ Vocação da empresa;


Produtos do Projeto de Produtos do Projeto de Processos QuímicosProcessos QuímicosESCOPO (FUNDAMENTAL)Base de Dados das Substâncias (MSDS, FQ e

TERMO)Planilha Eletrônica do Balanço Material

Estrutura de Entrada/SaídaAnálise dos CenáriosPlanilha Eletrônica do Balanço Material –

Estrutura de Reciclo e PurgaAnálise dos CenáriosPlanilha Eletrônica da Estrutura de

SeparaçãoAnálise dos Cenários Integração Energética (“Análise Pinch”) -

redes de trocadores de calor

Produtos do Projeto de Produtos do Projeto de Processos QuímicosProcessos QuímicosFolhas de Especificação de

Equipamentos;Layout da Unidade;Análise Econômica (Fluxo de

Caixa do Investimento);

Planejamento e Gerência de Planejamento e Gerência de ProjetosProjetos

Escopo◦Objetiva contentar ambas as partes

(“evitar a sopa de pedra”); Uso de Ferramentas de Software

◦Microsoft Project Útil no cálculo das horas-homem requeridas; Fundamental no Planejamento (“quem faz o

que quando”); Geração de Relatórios e facilitar “follow

ups”; Acompanhamento e avaliação;

Exemplo de Projeto de Exemplo de Projeto de Processo Químico Processo Químico desenvolvido na FURG.desenvolvido na FURG.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURGESCOLA DE QUÍMICA E ALIMENTOSCURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA

DISCIPLINA DE PLANEJAMENTO E PROJETOS

Projeto Conceitual e Preliminar da Produção de Combustíveis Sintéticos a partir de Gás Natural

Orientador: Prof. MSc. Renato Dutra Pereira FilhoTutor :Prof. MSc. Henrique da Costa Bernardelli

Equipe B:

Vanessa Ahrens 35747

Viviane Botelho 37225

Estela Kerstner 37258

Géverson Dall’Agnol 37260

Introdução

- Aumento na oferta de gás natural.

- Cerca de 90% do gás natural extraído é usado na produção de energia térmica e elétrica.

- Produção de combustíveis sintéticos a partir do gás natural.

- Problema de engenharia em estudo.

Objetivo

Desenvolver o projeto conceitual e preliminar de uma unidade produtora de combustíveis sintéticos, enfatizando a produção de gasolina e diesel, utilizando gás natural proveniente do Terminal de Regaseificação a ser instalado na cidade de Rio Grande-RS, permitindo assim que os acadêmicos executores desse possam concluir a disciplina de Planejamento e Projeto do curso de Engenharia Química, da Universidade Federal do Rio Grande, durante o ano de 2009.

Metas do Projeto

1 - Levantamento e estudo dos processos existentes (análise de patentes).

2 - Estruturação de cenários do processo.

3 - Estruturação de um banco de dados contendo propriedades físico-químicas, econômicas e as MSDS dos compostos químicos envolvidos.

4 - Elaboração do balanço material de cada um dos cenários propostos.

5 - Elaboração do balanço de energia de cada um dos cenários propostos.

6 - Determinação do potencial econômico de cada um dos cenários propostos.

7 - Avaliação e definição do melhor cenário (até o nível da integração energética).

8 - Projeto preliminar da unidade compatível com o cenário escolhido.

Planejamento

Tabela 1 – Planejamento para o Segundo Seminário

Descrição das Tarefas Inicio TerminoAvaliar a Lucratividade dos Processos Preliminares 01/06 24/09 Nível 1 - Batelada X Contínuo 01/06 01/06 Nível 2 - Estrutura de Entrada e Saída 01/06 14/07 Especificação dos Produtos 09/06 30/06 Executar o Balanço Material de Entrada e Saída 02/07 09/07 Determinar o Potencial Econômico 10/07 14/07 Nível 3 - Estrutura de reciclo 15/07 03/08 Executar o Balanço Material de Reciclo 22/07 29/07 Executar o Balanço de Energia 30/07 30/07 Determinar o Potencial Econômico 31/07 03/08 Nível 4 - Sistema de Separação 04/08 24/09 Sistema de Recuperação de Vapor 04/08 06/08 Sistema de Recuperação de Líquidos 04/08 07/08 Executar o Balanço Material 25/08 31/08Preparação do Segundo Seminário 01/09 15/09

Revisão Bibliográfica

Gás Natural- Matriz Energética- Atualidade e Reconhecimento de Novas Reservas- Tergas e UTE Rio Grande

Combustíveis Líquidos Sintéticos- Início da Tecnologia- Contexto Atual- Vantagens- Evolução no mercado

Tecnologia GTL - Definições da Rota de Produção- Produção do Gás de Síntese: Combinação SMR e DR- Conversão do Gás de Síntese: Síntese de FT- Hidroconversão


Formação do Gás de Síntese

Reforma a Vapor (SMR)CH4 (g) + H2O(l) CO(g) + 3H2 (g) ΔH°298K=205,92 KJ/mol (1)

- Temperatura aproximadamente 900ºC.- Pressão pode variar entre 2,5 atm e 20 atm.- Razão de vapor/carbono (V/C) entre 1,9 e 9,0.- Razão de H2/CO=3.Reforma Seca (DR)

- Temperatura entre 750ºC e 1000ºC.- Pressão ambiente.- Razão de H2/CO=1.

CH4 (g) + CO2 (g) → 2CO(g) + 2H2 (g) ΔHº298K= 247 kJ/mol (2)


Conversão do Gás de Síntese

Síntese de Fischer-Tropsch (FT)

CO(g) + H2 (g) H2O(l) + -(CH2)- ∆Hº298K=-165kJ/mol (3)

- Crescimento da Cadeia Carbônica

- FT de Baixa Temperatura

- FT de Alta Temperatura


Hidroconversão

1 - Craqueamento Térmico

2 – Coqueamento Retardado

3 – Craqueamento Catalítico

4 – Hidrocraqueamento Catalítico

5 – Hidrocraqueamento Catalítico Brando

6 - Hidrotratamento

7- Acoilação Catalítica ou Alquilação e Polimerização.


Análise Preliminar dos CatalisadoresFormação do Gás de Síntese - SMR

Catalisador Vantagens Desvantagens

Níquel/Oxidos-diamante-Melhor conversão de CH4.

- Menor deposição de C.-

Catalisadores a base de ferro e a base de cobalto - - Facilmente oxidados.

Catalisadores a base de metais nobres

- Consideravelmente ativos. - Custo elevado.

Ni suportado por Al2O3, MgO ou MgAl2O4

promovidos por CaO ou K2O

- Extremamente barato e suficientemente ativo.

-Sensibilidade quanto à desativação.

-Necessidade de promotores.

Tabela 2 – Principais Catalisadores Empregados em SMR


Análise Preliminar dos CatalisadoresFormação do Gás de Síntese - DR

Tabela 3 – Principais Catalisadores Empregados em DRCatalisador Vantagens Desvantagens

Ni/Al2O3 presença de CeO2

- Maior reatividade.- Maior produtividade.- Maior resistência a

deposição de C.

-

Ni/Al2O3 em presença de ZrO2

- Ilimitado.- Custo acessível.

- Maior conversão de CH4.

- Desativação por deposição de C.

Catalisadores a base de metais nobres

- Menor desativação por C.- Alto custo.

- Disponibilidade limitada.Rt, Pt, Ni

(Alta pressão)- - Maior deposição C.

Rt, Pt, Ni(Baixa pressão)

-Baixa deposição C. -


Análise Preliminar dos CatalisadoresSíntese de Fischer-Tropsch - FT

Tabela 4 – Principais Catalisadores Empregados em FTCatalisadores Vantagens Desvantagens

Catalisadores a base de Ferro

-Baixo custo. - Menos seletivo.

Catalisadores a base de Cobalto

- Maior conversão.- Vida útil longa.- Maior produção alcanos lineares.

- Alto custo.- Intolerantes a CO2.

Rutênio - Mais ativos. - Muito caros.Catalisadores a base

de Níquel- Alta atividade. - Alta produção de

metano.- Fraco desempenho

em alta pressão.

Cabeçalho Aqui

Especificação de Produtos e Subprodutos

- Caracterização dos Produtos Gasolina, Diesel e Subproduto Asfalto

- Viabilização e Interrelação das Reações Químicas

- Levantamento de Propriedades Físico-químicas dos Produtos GTL

- Hysys e API Databook

- Combustíveis GTL são compostos quase que exclusivamente de parafinas (Chevron 2007).

Cabeçalho Aqui

Especificação de Produtos e Subprodutos

Diesel- Ponto de Fulgor (°C)- Massa Específica a 20°C (kg/m3)- Viscosidade Cinemática (cSt)- Número de CetanosGasolina- Pressão de Vapor Reid (kPa)- Massa Específica a 20°C (kg/m3)- Viscosidade Cinemática (cSt) - OctanagemAsfalto- Massa Específica a 20°C (kg/m3)- Número de C/mol- Peso Molecular (g/mol)- Viscosidade Cinemática (cSt)

Parâmetros estimados

para mistura representativa e produtos existentes.

Cabeçalho Aqui

Especificação de Produtos e SubprodutosDiesel

Tabela 5 – Composição da Mistura Correspondente ao Diesel GTL Nome Fórmula Fração Molar

n-decano C10H22 0,48n-pentadecano C15H32 0,36

n-eicosano C20H42 0,16

Tabela 6 – Comparação entre os Parâmetros Estimados para Mistura Representativa e Produtos Existentes

Diesel Comum

Diesel GTL Chevron

Diesel GTL projeto

Software

Ponto de Fulgor (°C) 55 59 59,82 APIMassa Específica a 20°C

(kg/m3)833 – 877 759,04 765 Hysys

Viscosidade Cinemática (cSt)

2,3 – 3,3 1,93 1,97 Hysys

Número de Cetanos 40 – 60 75 80,97 Hysys

Especificação de Produtos e SubprodutosDiesel

Figura 1 - Comparação entre as Curvas de Destilação do Diesel GTL da Chevron e da Mistura estimada para o

Diesel GTL

Especificação de Produtos e SubprodutosGasolina

Tabela 7 – Composição da Mistura Correspondente a Gasolina GTL


Nome Fórmula Fração Molarn-pentano C5H12 0,42i-octano C8H18 0,5

n-nonano C9H20 0,08

GasolinaComum

Gasolina GTL projeto

Software

Pressão de Vapor Reid (kPa) 42-65 47,34 APIMassa Específica a 20°C (kg/m3) 700-770 676,18 HysysViscosidade Cinemática (cSt) a

40°C0,5-0,6 0,49 Hysys

Octanagem 87 54 Hysys

Especificação de Produtos e SubprodutosGasolina

Figura 2 - Comparação entre as Curvas de Destilação da Gasolina Comum e da Mistura estimada para a

Gasolina GTL

Especificação de Produtos e SubprodutosAsfalto

Caracterização do Hidrocarboneto Tetracontano- Composto Hipotético

- Método de Joback

Reid (1988).

Cabeçalho Aqui

Especificação de Produtos e SubprodutosAsfalto

Tabela 9 – Composição da Mistura Correspondente ao Asfalto


Nome Fórmula Fração Molarn-Pentacosano C25H52 0,05n-Triacontano C30H62 0,20Tetracontano C40H82 0,75

Asfalto Subproduto SoftwareMassa específica a 20°C

(kg/m3)864 – 889 867,5 Hysys

Número de C/mol 34 – 65 37,25 ExcelPeso Molecular (g/mol) 520 – 883 523,5 ExcelViscosidade Cinemática

(cSt)72,6 Hysys

Nível 1 – Batelada x Contínuo

-A Taxa de Produção é superior a 4,53x106 kg/ano.

- Hidrocarbonetos combustíveis não são produtos sazonais.

- As plantas GTL existentes operam em regime contínuo.

-Uniformidade e menor custo na produção de hidrocarbonetos.

A Unidade em estudo irá operar em regime contínuo.

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Purificar a matéria-prima antes de entrar no processo?- É necessário purificar o CO2 proveniente da UTE.

Utilizar de Reciclo de Gás e Corrente de Purga?- Presença de substâncias gasosas leves (PE< -48°C) deverá haver sistema de reciclo de gás e corrente de purga.

Remover ou Reciclar algum Subproduto Reversível?- Não há a formação de subprodutos reversíveis.


Tabela 11 – Tabela de Código de Destino

Componentes Ponto de ebulição (°C) Código de destinoHidrogênio -252,87 Reciclo e Purga

CO -191,54 Reciclo e PurgaCH4 -162 Reciclo e Purga

Gás Natural -152,36 ReagenteC2H6 -88,4 RecicloCO2 -78 Reciclo e PurgaC3H8 -41,9 RecicloC4H10 0 Reciclo

Água(vap) 100,00 ReagenteÁgua(líq) 100,00 Resíduo

Gasolina 127,01 Produto PrimárioDiesel 283,02 Produto PrimárioAsfalto >283,02 Subproduto


Considerações- Gás natural é 100% metano.- A gasolina, o diesel e o asfalto são representados por uma mistura de três hidrocarbonetos.

Processo

H2O(vap)

CO2

Gás Natural

GasolinaDieselAsfaltoH2O(líq)

H2, CO, CO2, CH4

F1

F2

F3

F4

F5

F6

F7

F8

Figura 3 – Fluxograma de Entrada e Saída do Processo


SMRCH4 (g) + H2O(l) CO(g) + 3H2 (g) (1)

DR CH4 (g) + CO2 (g) 2CO(g) + 2H2 (g) (2)

Reação Simplificada de Fischer-Tropsch para a Gasolina6,82CO + 14,62H2 0,42C5H12 + 0,5C8H18 + 0,08C9H20 + 6,82H2O

(4)

Reação Simplificada de Fischer-Tropsch para o Diesel13,4CO + 27,8H2 0,48C10H22 + 0,36C15H32 + 0,16C20H42 + 13,4H2O

(5)

Reação Simplificada de Fischer-Tropsch para o Asfalto37,25CO + 75,5H2 0,05C25H52 + 0,2C30H62 + 0,75C40H82 + 37,25H2O

(6)


Variáveis Totais- Fluxos de Matéria: P, F1, F2, F3, F4H2, F4CO2, F4CH4, F4CO, F5, F6, F7, F8

- Distribuição de Matéria: R, Zgasolina, Zdiesel, Zasfalto

- Seletividades: Sgasolina, Sdiesel, Sasfalto

- Conversões: XDR, XSMR, XFT/HDC

Restrições- Taxa de Produção P=5000bpd


Equacionamento

(Equação 1)

(Equação 2)

(Equação 3)

* Onde: θi é o coeficiente estequiométrico do CO na reação de FT do produto i.


Equacionamento

(Equação 4)

(Equação 5)

(Equação 6)

(Equação 7)


Equacionamento

(Equação 8)

(Equação 9)

(Equação 10)

(Equação 11)


Graus de Liberdade

G.L. = n° de variáveis – n° de equações – n° de restrições

Variáveis = 22Equações = 15Restrições = 1

G.L. = 6

Cenário 1: Zgasolina, Zasfalto, XDR, XSMR, XFT/HDC, R

Cenário 2: Sgasolina, Sasfalto, XDR, XSMR, XFT/HDC,R

(Equação 12)


Arbitrar uma taxa de

produção em mol/h ( Pmol/h).

Calcular as distribuições de produto através das variáveis de projeto inseridas.

Converter Pmol/h para P’bpd.

Comparar a produção real

Pbpd com a calculada P’bpd:Pbpd - P’bpd=0 ?

Manter o valor de Pmol/h no

balanço material.

Início

Sim

Não

Figura 4 – Algoritmo Empregado na Resolução dos BM do Cenário 2


Limite das Variáveis

Rmáx=0,28

Smáxgasolina=0,17

Smáxdiesel= 0,087

Smáxasfalto= 0,031

Análise do Potencial Econômico

EP(2)c/carbono= Valorprodutos + Valorsubprodutos + Valorcréditosdecarbono + Customatérias-primas

EP(2)s/carbono= Valorprodutos + Valorsubprodutos + Customatérias-primas

(Equação 13)

(Equação 14)



Figura 5 – Efeito da Razão de Distribuição de Metano (R) no Potencial Econômico



Figura 6 – Efeito da Produção de Diesel no Potencial Econômico



Figura 7 – Efeito da Seletividade da Gasolina no Potencial Econômico

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Sistemas de Reatores e Separação

Reator T (K) P (atm)

Reforma a Vapor 973 – 1173 20 – 50

Reforma a Seco 1023 – 1273 1 – 15

Fischer-Tropsch (F-T) 503 – 613 20 – 40

Hidroconversão 575 15

Tabela 11 – Condições Operacionais para cada Reator

Excesso de Reagentes

Necessidade de Aquecimento/Resfriamento


Correntes de Reciclo- Análise tabela de códigos de destinos e condições

operacionais.

Figura 9 – Fluxograma com Estruturas de Reciclo


Compressores- Análise tabela de código de destino, condições operacionais e fluxograma reciclo.

Figura 10 – Fluxograma com Estruturas de Reciclo e Compressores


Estruturação e Solução do Balanço Material

- Reforma seca (DR) e Reforma a Vapor (SMR):

CH4 (g) + H2O(l) CO(g) + 3H2 (g) (1)

CH4 (g) + CO2 (g) 2CO(g) + 2H2 (g) (2)

CO(g) + H2O(l) CO2 (g) + H2 (g) (7)

CH4 (g) C(g) + 2H2 (g) (8)

2CO(g) C(G) + CO2 (g) (9)

C(G) + H2O (g) CO(g) + H2 (g) (10)


Estruturação e Solução do Balanço Material- Síntese de Fischer-Tropsch (FT):

2,5CO + 6H2 0,25CH3 + 0,25C2H6 + 0,25C3H8+ 0,25C4H10 + 2,5H2O (4)

6,82CO + 14,64H2 0,42C5H12 + 0,5C8H18 + 0,08C9H20 + 6,82H2O (5)

13,4CO + 27,8H2 0,48C10H22 + 0,36C15H32 + 0,16C20H42 + 13,4H2O (6)

37,25CO + 75,5H2 0,05C25H52 + 0,2C30H62 + 0,75C40H82 + 37,25H2O (11)

- Hidroconversão:

CnH(2n+2) + H2 CxH(2x+2) + CyH(2y+2) (12)


Estruturação e Solução do Balanço Material- Correntes: 42- Vazões por Componentes: 97

- Seletividades: 19- Conversões: 5- Reciclos: 6

- Purgas: 3

- Distribuição de Produtos e Subprodutos:Função de Seletividades, Conversão e Reagentes


Equacionamento

- 91 Equações- 127 Variáveis

- 6 Reciclos- 5 Reatores- 12 Reações Químicas

- Heurístico de Separação


Emprego do Simulador Hysys

- Inserção Componentes- Inserção Reações Químicas Envolvidas (Modo “Equilibrium”)- Escolha Pacotes Termodinâmicos- Escolha Reator (Gibbs)

- Construção Fluxogramas

- Condições Operacionais


Emprego do Simulador Hysys- Reator SMR

Figura 11 – Fluxograma para o Processo SMR


Emprego do Simulador Hysys- Análise do Reator SMR

Figura 12 – Efeito das Condições Operacionais - SMR



Figura 13 – Frações Molares versus Pressão - SMR



Figura 14 – Frações Molares versus Temperatura - SMR


Emprego do Simulador Hysys- Reator DR

Figura 15 – Fluxograma para o Processo DR


Emprego do Simulador Hysys- Análise do Reator DR

Figura 16 – Efeito das Condições Operacionais - DR



Figura 17 – Frações Molares versus Pressão - DR



Figura 18 – Frações Molares versus Temperatura - DR



Temperatura (°C) 258Pressão (atm) 15

H2/CO 0,67Conversão (%) 82,2

Fração Mássica de Leves (C1-C4) 0,138Fração Mássica de Gasolina (C5-C9) 0,181Fração Mássica de Diesel (C10-C20) 0,102Fração Mássica de Asfalto (C20-C40) 0,579

Tabela 12 – Dados do Reator FT



Figura 19 – Fluxograma para o Processo DR

Conclusões Preliminares

- Projeto Mostra-se Economicamente Promissor

- Estudo Detalhado Processo HDC

- Limitação da Aplicação de

DR- Potencial Econômico EP-2

- União Níveis 3 e 4 para Elaboração dos Balanços e

Potenciais Econômicos

Desenvolvimentos Futuros

- Estruturas de Reciclo, Purga e Separação

- Emprego de Simuladores para BM e BE

- Refino de Dados

- Elaboração do Projeto

Detalhado- Terceiro Seminário

Referências Bibliográficas

CALLARI, ROBERTO, 2008, Produção de óleo diesel limpo a partir do gás natural: estudo da viabilidade técnico-econômica para instalação de uma planta GTL no Brasil, Dissertação – USP.

CASTELO BRANCO, D.A., 2008, Análise Técnica e Econômica da Apllicação da Tecnologia GTL de Pequena Escala para a Monetização do Gás Natural Associado Remoto Offshore no Brasil, Dissertação – UFRJ, pp. 53. DOUGLAS, J. M. – Conceptual Design of Chemical Processes – 1988; DRY M.E.,2004, “Present and future applications of the Fischer –Tropsch process”, Applied Catalysis A: General, v. 276, pp. 1-3. FARIAS, F.E.M., 2007, Produção de Hidrocarbonetos através da Síntese de Fischer-Tropsch utilizando Catalisadores de Fe/K – Universidade Federal do Ceará KESHAV T.R., BASU S., 2007, “Gas-to-liquid Technologies: India’s perspective”, Fuel Processing Technology, v. 88, pp. 493 -500. MATAR, Sami; HATCH, Lewis F. Chemistry of Petrochemical Processes, second edition. Gulf Professional Publishing. USA, 2000


REID, Robert C., 1988, The Properties of Gases and Liquids – Fourth Edition – Mc Graw-Hill, pp 15-25.

SONG X., GUO Z., 2006, “Technologies for direct production of flexible H2/CO synthesis gas”, Energy Conversation and Management, v. 47, pp. 560 – 569. TIMMERHAUS, K. D., PETERS, M. S. Plant design and Economics For ChemicarEngineers. 1991 VAN DER LAAN, G.P., 1999, “Selectivity and Scale Up of the Fischer-Tropsch Synthesis”, Kinetics, Thesis University of Groningen, Netherlands, ISBN 90-67-1011-1, NUGI 813. VOSLOO A.C., 2001, “Fischer-Tropsch: a futuristic view”, Fuel Processing Technology, v. 71, pp. 149-155. WILHELM D.J., SIMBECK D.R., KARP A.D., DICKENSON R.L., 2001, “Syngas production for gas-to-liquid applications: technologies, issues and outlook”, Fuel Processing Technology, v. 71, pp. 139-148.


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www.ctgas.com.br/index.asp, acessado em abril/maio de 2009. www.planalto.gov.br/ccivil03/leis/l9478.htm, acessado em abril/maio de 2009. www2.petrobras.com.br/portugues/index.asp, acessado em abril/maio de 2009. www.conpet.gov.br, acessado em abril/maio de 2009.

A equipe agradece a atenção, e se coloca a

disposição para esclarecimentos.

Outro Exemplo de Projeto de Outro Exemplo de Projeto de Processo Químico Feito na Processo Químico Feito na FURGFURG

Universidade Federal do Rio GrandeEscola de Química e Alimentos Núcleo de Engenharia Química

Planejamento e Projetos

GRUPO APRODUÇÃO DE ÁCIDO PERACÉTICO A PARTIR DOS RESÍDUOS DA PRODUÇÃO DE CACHAÇA

Oscar William BaldinRafael Campos Assumpção de Amarante

Rogério Cunha Herchemann

Orientador: Prof. M.Sc. Renato Dutra Pereira FilhoTutor: Prof. M.Sc. Henrique da Costa Bernardelli

Rio Grande, 08 de Setembro de 2009.

VISÃO GERAL DA VISÃO GERAL DA APRESENTAÇÃOAPRESENTAÇÃOIndústria canavieira de produção de cachaça;

Geração e alternativas para o reaproveitamento dos

resíduos;

Definição do produto a ser produzido a partir dos resíduos;

Estudo de logística e localização da planta;

Nível de produção;

Projeto conceitual de uma unidade de produção de ácido

peracético

INTRODUÇÃOINTRODUÇÃO

Cachaça;

Importância da produção canavieira no RS;

Crescimento de produção (Zoneamento);

Geração de resíduos.

ESCOPOESCOPOObjetivo;

Metas:

0) Definição do produto a ser produzido a partir dos resíduos;1)Banco de dados de propriedades termodinâmicas e MSDS;2)Definição das melhores rotas químicas;3)Montagem de diferentes cenários;4)Realização do BM e BE;5)Avaliação de diferentes cenários;6)Síntese do processo;7)Projeto conceitual até o nível de integração energética, e preliminar;8)Análise econômica.

PLANEJAMENTOPLANEJAMENTO

Software MS Project 98;

“Conceptual Design of Chemical Processes” e

“Plant Design and Economics for Chemical

Engineers”;

Estratégia de planejamento1) Necessidade de engenharia;

2) Criação de soluções;

3) Projeto preliminar;

4) Rentabilidade.

PLANEJAMENTOPLANEJAMENTO

Figura 1: Planejamento do segundo relatório de projeto.

PROCESSO DE PRODUÇÃO DA PROCESSO DE PRODUÇÃO DA CACHAÇACACHAÇA

Figura 2: Fluxograma do processo de produção de cachaça.

RESÍDUOS SÓLIDOSRESÍDUOS SÓLIDOS

Bagaço de cana;

Geração de energia → 0,3 kWh/kg de bagaço *;

Solução econômica e ambientalmente correta;

Expressivo potencial econômico.

* SEBRAE & SEAMA, Recomendações de controle ambiental para produção de cachaça, 2001.

RESÍDUOS LÍQUIDOSRESÍDUOS LÍQUIDOS

Operação de

destilação em batelada

10% “Cabeça”

20% “Cauda”

Vinhoto

Resíduos altamente poluentes;

COMPOSIÇÃO DA “CABEÇA” E COMPOSIÇÃO DA “CABEÇA” E “CAUDA” DA DESTILAÇÃO“CAUDA” DA DESTILAÇÃO

Figura 3: Diagrama do compostos presentes na “cabeça” da destilação.

“Cauda” da destilação → Ácido acético;

ALTERNATIVASALTERNATIVAS

Variadas substâncias → Inúmeras alternativas;

Grande número de informações coletadas;

Organização e resumo das informações;

Análise e comparação entre as alternativas Critérios.

TOMADA DE DECISÃOTOMADA DE DECISÃO

Ácido Peracético

Matérias-primas em maior quantidade

Preço de mercado

Reação simples → Viabilidade técnica

ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)ÁCIDO PERACÉTICO (PAA) Reação de ácido acético ou acetaldeído com peróxido de

hidrogênio ou oxigênio gasoso;

ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)Comercializado em solução;

Problema de estabilização da solução;

Usado como desinfetante em diversos setores da

indústria;

Propriedades importantes.

Figura 4: Rota 1 de captação dos resíduos.

LOGÍSTICA DO PROCESSOLOGÍSTICA DO PROCESSO

LOCALIZAÇÃO DA PLANTALOCALIZAÇÃO DA PLANTA Facilidade de obtenção das matérias-primas

devido ao curto deslocamento;

Malha rodoviária bem distribuída;

Distanciamento da área central da cidade;

Proximidade de uma fonte de água;

Diminuição do impacto ambiental sofrida pela

região.

ANÁLISE DA LOGÍSTICAANÁLISE DA LOGÍSTICA

Critérios utilizados na análise:

Localidades com geração de resíduos

abaixo de 45 L/mês foram descartadas;

Localidades mais distantes em relação a

planta industrial;

Precária geração de resíduos entre os

mais afastados.

ROTAS ALTERNATIVASROTAS ALTERNATIVAS

Fonte: Empresa RD Gerenciamento.

Tabela 1 : Custos do recolhimento dos resíduos.

Rotas Distâncias (Km)

Quantidade não recolhida (%) Tempo (h) Truck de 14t

(R$/viagem)Carreta 25t (R$/viagem)

1 400 0,0 8,5 1500,00 2500,00

2 200 3,1 4,5 770,00 1500,00

3 170 6,0 4,0 713,00 1360,00

4 125 7,0 3,0 488,00 965,00

ROTA SELECIONADAROTA SELECIONADA

Figura 5: Rota 2 de captação dos resíduos.

FREQÜÊNCIA DE RECOLHIMENTOFREQÜÊNCIA DE RECOLHIMENTO

Tabela 3: Custo da freqüência de recolhimento dos resíduos.

Tabela 2: Quantidade de Resíduos Recolhido na Rota 2.

Veículo Diário (R$/mês) Semanal (R$/mês) Mensal (R$/mês)

Truck 14t 19250,00 3080,00 770,00

Carreta 25t 37500,00 6000,00 1500,00

Total 56750,00 9080,00 2270,00

Diário (t) Semanal (t) Mensal (t)

Veículo Líquido Bagaço Líquido Bagaço Líquido Bagaço

Truck 14t 1,3 12,7 8,1 5,9 14,0 0,0

Carreta 25t 1,3 23,7 8,1 16,9 19,7 5,3

MÉTODOS DE RECOLHIMENTO E MÉTODOS DE RECOLHIMENTO E ARMAZENAGEMARMAZENAGEM

Resíduos Líquidos: Galões plásticos tipo PVC de 50 L com tampa fixa;

Container também tipo PVC de 1000 ou 800 L com escoamento

através de válvula esfera;

Resíduo Sólido: Embalagens do tipo container flexível, mais conhecido como

“big-bag”, com capacidade de até 2 toneladas;

Produto: Galões plásticos tipo PVC de 50 L , como também em

recipientes plásticos tipo PVC de menor volume.

NÍVEL DE PRODUÇÃONÍVEL DE PRODUÇÃO

Figura 5: Participação de Mercado no RS.

ROTAS DE PRODUÇÃO DE ÁCIDO ROTAS DE PRODUÇÃO DE ÁCIDO PERACÉTICOPERACÉTICO

ROTA DE PRODUÇÃO 1:

Fase líquida à pressão atmosférica e temperatura

máxima de 55°C, tendo como reagente limitante o ácido

acético;

Proporção variando entre 4 e 11 (mol ácido acético/mol

peróxido de hidrogênio);

Produto final é comercializado juntamente com ácido

acético, peróxido de hidrogênio e água.

ROTA DE PRODUÇÃO 2ROTA DE PRODUÇÃO 2

Fase líquida com pressões que variam de 0,1 - 0,3 atm e temperatura máxima de 70°C, reagente limitante o acetaleído;

Proporção variando entre 2 e 5 (mol acetaldeído/mol peróxido de hidrogênio);

É necessário adicionar ácido acético para comercialização do produto final.


Adição de oxigênio gasoso ao reator com pressões que variam de 10 - 100 atm e temperatura máxima de 60°C;

É necessário adicionar ácido acético, peróxido de hidrogênio e água para comercialização do produto final.

A concentração de PAA nas soluções das 3 rotas de

produção pode variar entre 2 e 15% (v/v), dependendo

da especificação do produto e finalidade deste.

Taxa de Produção: Inferior a 1 x 106 lb/ano;

Aspectos de mercado: Cana-de-açucar é plantada durante todo o ano;

Tempo de vida do produto;

Escala do processo: Tempo de reação em torno de 3 - 4 horas com um

catalisador ácido.

DECISÃO ENTRE PROCESSO DECISÃO ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADACONTÍNUO E BATELADA

ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDAESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDARota de Produção 1

Hierarquia de decisões (Nível 2 de decisões)

Purificação da corrente de alimentação:Sólidos em suspensão;

Cobre (≈ 3,0 ppm);

Subproduto da reação (H2O);

Excesso de H2O2;

Não haverá reciclo de reagentes;

ESTRUTURA DE ENTRADA E ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDASAÍDA

Número de correntes de produto:

Componente Tebulição (°C) Destino

Água 100 Produto Principal

Ácido Peracético 108,9 Produto Principal

Ácido Acético 118,1 Produto Principal

Peróxido de Hidrogênio 150,2 Produto Principal

Tabela 4: Classificação e destino dos componentes envolvidos no processo de produção do PAA.

BALANÇO MATERIALBALANÇO MATERIAL

Figura 6: Balanço material da estrutura de entrada e saída - Rota de produção 1.

POTENCIAL ECONÔMICOPOTENCIAL ECONÔMICO

Figura 7: Potencial Econômico - Rota de Produção 1.

EP2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ ReagentesEquação 1EP2 = F3 x R$ C2H4O3 - F2 x R$ H2O2 - R$ Logística Equação 2





Subproduto da reação (H2);

Excesso de H2O2;

Haverá reciclo de reagente (C2H4O);


Número de correntes de produto:Tabela 5: Classificação e destino dos componentes

envolvidos no processo de produção do PAA.


Hidrogênio - 252,8 Purga

Acetaldeído 19,8 Reciclo + Descarte

Água 100 Produto Principal


Peróxido de Hidrogênio 150,2 Produto Principal





EP2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ ReagentesEquação 1EP2 = F5 x R$ C2H4O - F2 x R$ H2O2 - R$ Logística Equação 3





A reação não apresenta subprodutos;

Excesso de O2;

Haverá reciclo dos reagentes (C2H4O e O2);


Número de correntes de produto:Tabela 6: Classificação e destino dos componentes

envolvidos no processo de produção do PAA.


Oxigênio - 182,9 Reciclo + Purga

Acetaldeído 19,8 Reciclo + Descarte






EP2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ ReagentesEquação 1EP2 = F4 x R$ C2H4O - F2 x R$ O2 - R$ LogísticaEquação 4

DECISÃO DA ROTA DE DECISÃO DA ROTA DE PRODUÇÃOPRODUÇÃO

Rejeitar as rotas de produção 2 e 3;Complexa composição do resíduo da

“cabeça” da destilação;Sistemas de separação (antes e depois

do reator);Acréscimo de CH3COOH ao produto final;

DECISÃO DA ROTA DE DECISÃO DA ROTA DE PRODUÇÃOPRODUÇÃO

Viabilidade técnica das condições operacionais;

EP2-2 e EP2-3 << EP2-1Menor custo com a logística do processo;Alta toxicidade do C2H4O;

ESTRUTURA DO SISTEMA DE ESTRUTURA DO SISTEMA DE SEPARAÇÃOSEPARAÇÃO

Figura 12: Balanço material rigoroso da estrutura do sistema de separação.

CONCLUSÕES PRELIMINARESCONCLUSÕES PRELIMINARES

Definição e caracterização do problema de

Engenharia;

Proposta da solução do problema (Produção de

PAA);

Decisão da rota de produção;

Desenvolvimento do Projeto Conceitual;

Metas alcançadas.

DESENVOLVIMENTOS FUTUROSDESENVOLVIMENTOS FUTUROSPróximo Bimestre (Setembro,

Outubro);

Desenvolvimento do Projeto

Preliminar;

Dimensionamento de

Equipamentos: Reator;

Sistema de Separação (Filtro);

Caldeira;

MUITO OBRIGADOPELA ATENÇÃO

ESTAMOS A DISPOSIÇÃO

PARA QUAISQUER

ESCLARECIMENTOS.

Considerações FinaisConsiderações FinaisÉ comum o discurso da sustentabilidade, hoje em dia. Sua Importância é reconhecida, mas há grandes obstáculos para aplicá-la no projeto de processos químicos.

Como atividade CRIATIVA, INTERATIVA, e ÚNICA o projeto de processos químicos se apresenta bastante desafiador e apaixonante.

Minha Proposta de “’modelo Minha Proposta de “’modelo visual” para o Projeto de visual” para o Projeto de Processos QuímicosProcessos Químicos

Agradeço a oportunidade, e me coloco à disposição para questionamentos.

Muito obrigado pela atenção !

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