Funda

1
Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG

• Escola de Química e Alimentos
• Núcleo de Engenharia Química
• Prof. Renato Dutra Pereira Filho

Projeto de Processos Químicos Pensando a
Indústria Química.
Setembro de 2009
2
Visão Geral da Apresentação

• 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.

3
Definição de Projeto

• Projeto  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.

4
Características dos Projetos

• - 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.

5
Características Exclusivas do Projeto de
Processos Químicos

• Nível 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

6
Imensidão Química

• Segundo 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.

7
O Processo Químico na Cabeça 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)
8
Um engano comum

• Processos 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.

9
Visão Moderna do Processo Químico

• 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.

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Usos da Síntese de Processos

• 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.

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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.

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Referenciais Bibliográficos 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)

13
Várias Metodologias de Projeto

• Projeto Conceitual (Douglas)
• Níveis hierárquicos
• Onion Diagram Robin Smith

14
Fonte Center of Process and Material Synthesis
(COMPS) University of the Witwatersrand -
Johannesburg
15
Pré-projeto ou prospecção

• Uso correto do Google
• Acesso as Enciclopédias de Tecnologia Química
  (Kirk Othmer e Ullmans)
• Acesso das Bases de Dados de Substâncias
  (propriedades químicas, físicas, de segurança e
  de saúde, MSDS ou FISPQ)
• Patentes !

16
Bases de Dados Online

• webbook.nist.gov/chemistry/
• http//kinetics.nist.gov/

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Importância 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.com
• www.google.com/patents
• pesquisa.inpi.gov.br/

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Etapas do Projeto de Processos Químicos

• 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)

19
Etapas do Projeto de Processos Químicos

• 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.

20
Etapas do Projeto de Processos Químicos

• Reavaliar 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)

21
Etapas do Projeto de Processos Químicos

• Completar 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)

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Fatores de Comparação Entre Alternativas de
Projeto

• Fatores 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

23
Fatores de Comparação Entre Alternativas de
Projeto

• 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

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Fatores de Comparação Entre 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

25
Fatores de Comparação Entre Alternativas de
Projeto

• 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

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Produtos do Projeto de Processos Químicos

• ESCOPO (FUNDAMENTAL)
• Base de Dados das Substâncias (MSDS, FQ e TERMO)
• Planilha Eletrônica do Balanço Material Estrutura
  de Entrada/Saída
• Análise dos Cenários
• Planilha Eletrônica do Balanço Material
  Estrutura de Reciclo e Purga
• Análise dos Cenários
• Planilha Eletrônica da Estrutura de Separação
• Análise dos Cenários
• Integração Energética (Análise Pinch) - redes
  de trocadores de calor

27
Produtos do Projeto de Processos Químicos

• Folhas de Especificação de Equipamentos
• Layout da Unidade
• Análise Econômica (Fluxo de Caixa do
  Investimento)

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Planejamento e Gerência de Projetos

• 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

29
Exemplo de Projeto de Processo Químico
desenvolvido na FURG.
30
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE - FURG ESCOLA
DE QUÍMICA E ALIMENTOS CURSO 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 Filho Tutor Prof. MSc. Henrique da Costa
Bernardelli
Equipe B
Vanessa Ahrens 35747
Viviane Botelho 37225
Estela Kerstner 37258
Géverson DallAgnol 37260
31
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.

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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.
33
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.

34
Planejamento
Tabela 1 Planejamento para o Segundo Seminário
Descrição das Tarefas Inicio Termino
Avaliar 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 31/08
Preparação do Segundo Seminário 01/09 15/09
35
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
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Revisão Bibliográfica
Formação do Gás de Síntese
Reforma a Vapor (SMR)
CH4 (g) H2O(l) ? CO(g) 3H2 (g)
?H298K205,92 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/CO3.

Reforma Seca (DR)
CH4 (g) CO2 (g) ? 2CO(g) 2H2 (g) ?Hº298K
247 kJ/mol (2)

• - Temperatura entre 750ºC e 1000ºC.
• Pressão ambiente.
• Razão de H2/CO1.

37
Revisão Bibliográfica
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

38
Revisão Bibliográfica
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.
39
Revisão Bibliográfica
Análise Preliminar dos Catalisadores
Formação do Gás de Síntese - SMR
Tabela 2 Principais Catalisadores Empregados em
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.

40
Revisão Bibliográfica
Análise Preliminar dos Catalisadores
Formação do Gás de Síntese - DR
Tabela 3 Principais Catalisadores Empregados em
DR

Catalisador 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. -
41
Revisão Bibliográfica
Análise Preliminar dos Catalisadores
Síntese de Fischer-Tropsch - FT
Tabela 4 Principais Catalisadores Empregados em
FT
Catalisadores 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.
42
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).

43
Cabeçalho Aqui
Especificação de Produtos e Subprodutos

• Diesel
• Ponto de Fulgor (C)
• - Massa Específica a 20C (kg/m3)
• Viscosidade Cinemática (cSt)
• - Número de Cetanos
• Gasolina
• Pressão de Vapor Reid (kPa)
• - Massa Específica a 20C (kg/m3)
• Viscosidade Cinemática (cSt)
• - Octanagem
• Asfalto
• Massa Específica a 20C (kg/m3)
• - Número de C/mol
• Peso Molecular (g/mol)
• - Viscosidade Cinemática (cSt)

Parâmetros estimados para mistura representativa
e produtos existentes.
44
Cabeçalho Aqui
Especificação de Produtos e Subprodutos
Diesel
Tabela 5 Composição da Mistura Correspondente
ao Diesel GTL
Nome Fórmula Fração Molar
n-decano C10H22 0,48
n-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 API
Massa Específica a 20C (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
45
Especificação de Produtos e Subprodutos
Diesel
Figura 1 - Comparação entre as Curvas de
Destilação do Diesel GTL da Chevron e da Mistura
estimada para o Diesel GTL
46
Especificação de Produtos e Subprodutos
Gasolina
Tabela 7 Composição da Mistura Correspondente a
Gasolina GTL
Nome Fórmula Fração Molar
n-pentano C5H12 0,42
i-octano C8H18 0,5
n-nonano C9H20 0,08
Tabela 8 Comparação entre os Parâmetros
Estimados para Mistura Representativa e Produtos
Existentes
Gasolina Comum Gasolina GTL projeto Software
Pressão de Vapor Reid (kPa) 42-65 47,34 API
Massa Específica a 20C (kg/m3) 700-770 676,18 Hysys
Viscosidade Cinemática (cSt) a 40C 0,5-0,6 0,49 Hysys
Octanagem 87 54 Hysys
47
Especificação de Produtos e Subprodutos
Gasolina
Figura 2 - Comparação entre as Curvas de
Destilação da Gasolina Comum e da Mistura
estimada para a Gasolina GTL
48
Especificação de Produtos e Subprodutos
Asfalto
Caracterização do Hidrocarboneto Tetracontano

• Composto Hipotético
• Método de Joback

Reid (1988).
49
Cabeçalho Aqui
Especificação de Produtos e Subprodutos
Asfalto
Tabela 9 Composição da Mistura Correspondente
ao Asfalto
Nome Fórmula Fração Molar
n-Pentacosano C25H52 0,05
n-Triacontano C30H62 0,20
Tetracontano C40H82 0,75
Tabela 10 Comparação entre os Parâmetros
Estimados para Mistura Representativa e Produtos
Existentes
Asfalto Subproduto Software
Massa específica a 20C (kg/m3) 864 889 867,5 Hysys
Número de C/mol 34 65 37,25 Excel
Peso Molecular (g/mol) 520 883 523,5 Excel
Viscosidade Cinemática (cSt) 72,6 Hysys
50
Nível 1 Batelada x Contínuo
A Unidade em estudo irá operar em regime 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.

51
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 (PElt
  -48C) deverá haver sistema de reciclo de gás e
  corrente de purga.

Remover ou Reciclar algum Subproduto Reversível?
- Não há a formação de subprodutos reversíveis.
52
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Tabela 11 Tabela de Código de Destino
Componentes Ponto de ebulição (C) Código de destino
Hidrogênio -252,87 Reciclo e Purga
CO -191,54 Reciclo e Purga
CH4 -162 Reciclo e Purga
Gás Natural -152,36 Reagente
C2H6 -88,4 Reciclo
CO2 -78 Reciclo e Purga
C3H8 -41,9 Reciclo
C4H10 0 Reciclo
Água(vap) 100,00 Reagente
Água(líq) 100,00 Resíduo
Gasolina 127,01 Produto Primário
Diesel 283,02 Produto Primário
Asfalto gt283,02 Subproduto
53
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
F4
H2, CO, CO2, CH4
F1
F5
Processo
H2O(vap)
Gasolina
F6
Diesel
F2
CO2
F7
Asfalto
F3
Gás Natural
F8
H2O(líq)
Figura 3 Fluxograma de Entrada e Saída do
Processo
Considerações

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

54
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída

• SMR
• CH4 (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
  Gasolina
• 6,82CO 14,62H2 ? 0,42C5H12 0,5C8H18
  0,08C9H20 6,82H2O (4)
• Reação Simplificada de Fischer-Tropsch para o
  Diesel
• 13,4CO 27,8H2 ? 0,48C10H22 0,36C15H32
  0,16C20H42 13,4H2O (5)
• Reação Simplificada de Fischer-Tropsch para o
  Asfalto
• 37,25CO 75,5H2 ? 0,05C25H52 0,2C30H62
  0,75C40H82 37,25H2O (6)

55
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
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 ? P5000bpd
56
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Equacionamento
(Equação 1)
(Equação 2)
(Equação 3)
Onde ?i é o coeficiente estequiométrico do CO
na reação de FT do produto i.
57
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Equacionamento
(Equação 4)
(Equação 5)
(Equação 6)
(Equação 7)
58
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Equacionamento
(Equação 8)
(Equação 9)
(Equação 10)
(Equação 11)
59
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Graus de Liberdade
G.L. n de variáveis n de equações n de
restrições
(Equação 12)
Variáveis 22 Equações 15 Restrições 1
G.L. 6
Cenário 1 Zgasolina, Zasfalto, XDR, XSMR,
XFT/HDC, R
Cenário 2 Sgasolina, Sasfalto, XDR, XSMR,
XFT/HDC,R
60
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Calcular as distribuições de produto através das
variáveis de projeto inseridas.
Arbitrar uma taxa de produção em mol/h ( Pmol/h).
Início
Não
Comparar a produção real Pbpd com a calculada
Pbpd Pbpd - Pbpd0 ?
Converter Pmol/h para Pbpd.
Manter o valor de Pmol/h no balanço material.
Sim
Figura 4 Algoritmo Empregado na Resolução dos
BM do Cenário 2
61
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Limite das Variáveis
Rmáx0,28 Smáxgasolina0,17 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)
62
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Análise do Potencial Econômico
Figura 5 Efeito da Razão de Distribuição de
Metano (R) no Potencial Econômico
63
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Análise do Potencial Econômico
Figura 6 Efeito da Produção de Diesel no
Potencial Econômico
64
Nível 2 Estrutura de Entrada e Saída
Análise do Potencial Econômico
Figura 7 Efeito da Seletividade da Gasolina no
Potencial Econômico
65
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Sistemas de Reatores e Separação
Tabela 11 Condições Operacionais para cada
Reator
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
Excesso de Reagentes
Necessidade de Aquecimento/Resfriamento
66
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Correntes de Reciclo
- Análise tabela de códigos de destinos e
condições operacionais.
Figura 9 Fluxograma com Estruturas de Reciclo
67
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Compressores
- Análise tabela de código de destino, condições
operacionais e fluxograma reciclo.
Figura 10 Fluxograma com Estruturas de Reciclo
e Compressores
68
Nível 3 Estrutura de Reciclo
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)
69
Nível 3 Estrutura de Reciclo
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(2n2) H2 ? CxH(2x2)
CyH(2y2) (12)
70
Nível 3 Estrutura de Reciclo
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
71
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Equacionamento
- 91 Equações
- 127 Variáveis
- 6 Reciclos
- 5 Reatores
- 12 Reações Químicas
- Heurístico de Separação
72
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Inserção Componentes
- Inserção Reações Químicas Envolvidas (Modo
Equilibrium)
- Escolha Pacotes Termodinâmicos
- Escolha Reator (Gibbs)
- Construção Fluxogramas
- Condições Operacionais
73
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Reator SMR
Figura 11 Fluxograma para o Processo SMR
74
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator SMR
Figura 12 Efeito das Condições Operacionais -
SMR
75
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator SMR
Figura 13 Frações Molares versus Pressão - SMR
76
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator SMR
Figura 14 Frações Molares versus Temperatura -
SMR
77
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Reator DR
Figura 15 Fluxograma para o Processo DR
78
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator DR
Figura 16 Efeito das Condições Operacionais - DR
79
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator DR
Figura 17 Frações Molares versus Pressão - DR
80
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator DR
Figura 18 Frações Molares versus Temperatura -
DR
81
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Reator DR
Tabela 12 Dados do Reator FT
Temperatura (C) 258
Pressão (atm) 15
H2/CO 0,67
Conversão () 82,2
Fração Mássica de Leves (C1-C4) 0,138
Fração Mássica de Gasolina (C5-C9) 0,181
Fração Mássica de Diesel (C10-C20) 0,102
Fração Mássica de Asfalto (C20-C40) 0,579
82
Nível 3 Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Reator DR
Figura 19 Fluxograma para o Processo DR
83
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

84
Desenvolvimentos Futuros

• Estruturas de Reciclo, Purga e Separação

• Emprego de Simuladores para BM e BE

• Refino de Dados

• Elaboração do Projeto Detalhado

• Terceiro Seminário

85
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 Indias
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
86
Referências Bibliográficas
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.
87
Referências Bibliográficas
www.shell.com/home/content/shellgasandpower-en,
acessado em abril/maio de 2009.   www.anp.gov.br,
acessado em abril/maio de 2009. www.ctgas.com.br/
index.asp, acessado em abril/maio de
2009.   www.planalto.gov.br/ccivil03/leis/l9478.ht
m, acessado em abril/maio de 2009.   www2.petrobra
s.com.br/portugues/index.asp, acessado em
abril/maio de 2009.   www.conpet.gov.br, acessado
em abril/maio de 2009.    
88
A equipe agradece a atenção, e se coloca a
disposição para esclarecimentos.
89
Outro Exemplo de Projeto de Processo Químico
Feito na FURG
90
Universidade Federal do Rio GrandeEscola de
Química e Alimentos Núcleo de Engenharia
QuímicaPlanejamento e Projetos
GRUPO A PRODUÇÃO DE ÁCIDO PERACÉTICO A PARTIR
DOS RESÍDUOS DA PRODUÇÃO DE CACHAÇA
Oscar William Baldin Rafael Campos Assumpção de
Amarante Rogério Cunha Herchemann   Orientador
Prof. M.Sc. Renato Dutra Pereira Filho Tutor
Prof. M.Sc. Henrique da Costa Bernardelli
Rio Grande, 08 de Setembro de 2009.
91
VISÃO GERAL DA APRESENTAÇÃO

• Indústria 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

92
INTRODUÇÃO

• Cachaça
• Importância da produção canavieira no RS
• Crescimento de produção (Zoneamento)
• Geração de resíduos.

93
ESCOPO

• Objetivo
• Metas
• 0) Definição do produto a ser produzido a partir
  dos resíduos
• Banco de dados de propriedades termodinâmicas e
  MSDS
• Definição das melhores rotas químicas
• Montagem de diferentes cenários
• Realização do BM e BE
• Avaliação de diferentes cenários
• Síntese do processo
• Projeto conceitual até o nível de integração
  energética, e preliminar
• Análise econômica.

94
PLANEJAMENTO

• Software MS Project 98
• Conceptual Design of Chemical Processes e
  Plant Design and Economics for Chemical
  Engineers
• Estratégia de planejamento
• Necessidade de engenharia
• Criação de soluções
• Projeto preliminar
• Rentabilidade.

95
PLANEJAMENTO
Figura 1 Planejamento do segundo relatório de
projeto.
96
PROCESSO DE PRODUÇÃO DA CACHAÇA
Figura 2 Fluxograma do processo de produção de
cachaça.
97
RESÍDUOS 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.
98
RESÍDUOS LÍQUIDOS
10 Cabeça
Operação de destilação em batelada
20 Cauda
Vinhoto

• Resíduos altamente poluentes

99
COMPOSIÇÃO DA CABEÇA E CAUDA DA DESTILAÇÃO
Figura 3 Diagrama do compostos presentes na
cabeça da destilação.
Cauda da destilação ? Ácido acético
100
ALTERNATIVAS

• Variadas substâncias ? Inúmeras alternativas
• Grande número de informações coletadas
• Organização e resumo das informações
• Análise e comparação entre as alternativas
  Critérios.

101
TOMADA DE DECISÃO

• Ácido Peracético
• Matérias-primas em maior quantidade
• Preço de mercado
• Reação simples ? Viabilidade técnica

102
ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)

• Reação de ácido acético ou acetaldeído com
  peróxido de hidrogênio ou oxigênio gasoso

103
ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)

• Comercializado em solução
• Problema de estabilização da solução
• Usado como desinfetante em diversos setores da
  indústria
• Propriedades importantes.

104
LOGÍSTICA DO PROCESSO

• Figura 4 Rota 1 de captação dos resíduos.

105
LOCALIZAÇÃO 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.

106
ANÁLISE 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.

107
ROTAS ALTERNATIVAS
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
Fonte Empresa RD Gerenciamento.
108
ROTA SELECIONADA
Figura 5 Rota 2 de captação dos resíduos.
109
FREQÜÊNCIA DE RECOLHIMENTO
Tabela 2 Quantidade de Resíduos Recolhido na
Rota 2.
  Diário (t) Diário (t) Semanal (t) Semanal (t) Mensal (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
Tabela 3 Custo da freqüência de recolhimento dos
resíduos.
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
110
MÉTODOS DE RECOLHIMENTO E ARMAZENAGEM

• 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.

111
NÍVEL DE PRODUÇÃO
Figura 5 Participação de Mercado no RS.
112
ROTAS DE PRODUÇÃO DE ÁCIDO PERACÉTICO

• ROTA DE PRODUÇÃO 1
• Fase líquida à pressão atmosférica e temperatura
  máxima de 55C, 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.

113
ROTA DE PRODUÇÃO 2

• Fase líquida com pressões que variam de 0,1 -
  0,3 atm e temperatura máxima de 70C, 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.

114
ROTA DE PRODUÇÃO 3

• Adição de oxigênio gasoso ao reator com pressões
  que variam de 10 - 100 atm e temperatura máxima
  de 60C
• 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.
115
DECISÃO ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA

• 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.

116
ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDA

• Rota 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

117
ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDA

• Número de correntes de produto

Tabela 4 Classificação e destino dos componentes
envolvidos no processo de produção do PAA.
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
118
BALANÇO MATERIAL
Figura 6 Balanço material da estrutura de
entrada e saída - Rota de produção 1.
119
POTENCIAL ECONÔMICO
EP2 R Produtos R Subprodutos - R
Reagentes Equação 1
EP2 F3 x R C2H4O3 - F2 x R H2O2 - R
Logística Equação 2
Figura 7 Potencial Econômico - Rota de Produção
1.
120
ROTA DE PRODUÇÃO 2

• Hierarquia de decisões (Nível 2 de decisões)
• Purificação da corrente de alimentação
• Sólidos em suspensão
• Cobre ( 4,2 ppm)
• Subproduto da reação (H2)
• Excesso de H2O2
• Haverá reciclo de reagente (C2H4O)

121
ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDA

• Número de correntes de produto

Tabela 5 Classificação e destino dos componentes
envolvidos no processo de produção do PAA.
Componente Tebulição (C) Destino
Hidrogênio - 252,8 Purga
Acetaldeído 19,8 Reciclo Descarte
Água 100 Produto Principal
Ácido Peracético 108,9 Produto Principal
Peróxido de Hidrogênio 150,2 Produto Principal
122
BALANÇO MATERIAL
Figura 8 Balanço material da estrutura de
entrada e saída - Rota de produção 2.
123
POTENCIAL ECONÔMICO
EP2 R Produtos R Subprodutos - R
Reagentes Equação 1
EP2 F5 x R C2H4O - F2 x R H2O2 - R
Logística Equação 3
Figura 9 Potencial Econômico - Rota de Produção
2.
124
ROTA DE PRODUÇÃO 3

• Hierarquia de decisões (Nível 2 de decisões)
• Purificação da corrente de alimentação
• Sólidos em suspensão
• Cobre ( 4,2 ppm)
• A reação não apresenta subprodutos
• Excesso de O2
• Haverá reciclo dos reagentes (C2H4O e O2)

125
ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDA

• Número de correntes de produto

Tabela 6 Classificação e destino dos componentes
envolvidos no processo de produção do PAA.
Componente Tebulição (C) Destino
Oxigênio - 182,9 Reciclo Purga
Acetaldeído 19,8 Reciclo Descarte
Ácido Peracético 108,9 Produto Principal
126
BALANÇO MATERIAL
Figura 10 Balanço material da estrutura de
entrada e saída - Rota de produção 3.
127
POTENCIAL ECONÔMICO
EP2 R Produtos R Subprodutos - R
Reagentes Equação 1
EP2 F4 x R C2H4O - F2 x R O2 - R
Logística Equação 4
Figura 11 Potencial Econômico - Rota de Produção
3.
128
DECISÃO DA ROTA DE PRODUÇÃO

• 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

129
DECISÃO DA ROTA DE PRODUÇÃO

• Viabilidade técnica das condições operacionais
• EP2-2 e EP2-3 ltlt EP2-1
• Menor custo com a logística do processo
• Alta toxicidade do C2H4O

130
ESTRUTURA DO SISTEMA DE SEPARAÇÃO
Figura 12 Balanço material rigoroso da estrutura
do sistema de separação.
131
CONCLUSÕES 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.

132
DESENVOLVIMENTOS FUTUROS

• Próximo Bimestre (Setembro, Outubro)
• Desenvolvimento do Projeto Preliminar
• Dimensionamento de Equipamentos
• Reator
• Sistema de Separação (Filtro)
• Caldeira

133
MUITO OBRIGADO PELA ATENÇÃO
ESTAMOS A DISPOSIÇÃO PARA QUAISQUER
ESCLARECIMENTOS.
134
Considerações Finais

• É 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.

135
Minha Proposta de modelo visual para o Projeto
de Processos Químicos
136

• Agradeço a oportunidade, e me coloco à disposição
  para questionamentos.
• Muito obrigado pela atenção !