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
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.
-
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.
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.
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
“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.
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)
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.
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.
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.
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 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)
Várias Metodologias de Projeto

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 prospecção
Uso 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 Online
webbook.nist.gov/chemistry/
 http://kinetics.nist.gov/

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/
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)

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.

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);

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);
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;
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
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;
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;
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
Produtos do Projeto de Processos
Químicos
Folhas de Especificação de Equipamentos;
 Layout da Unidade;
 Análise Econômica (Fluxo de Caixa do
Investimento);

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;
Exemplo de Projeto de Processo
Químico desenvolvido na FURG.
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
Equipe B:
Vanessa Ahrens
35747
Viviane Botelho
37225
Estela Kerstner
37258
Géverson Dall’Agnol 37260
Orientador: Prof. MSc. Renato Dutra Pereira Filho
Tutor :Prof. MSc. Henrique da Costa Bernardelli
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
Avaliar a Lucratividade dos Processos Preliminares
Nível 1 - Batelada X Contínuo
Nível 2 - Estrutura de Entrada e Saída
Especificação dos Produtos
Executar o Balanço Material de Entrada e Saída
Determinar o Potencial Econômico
Nível 3 - Estrutura de reciclo
Executar o Balanço Material de Reciclo
Executar o Balanço de Energia
Determinar o Potencial Econômico
Nível 4 - Sistema de Separação
Sistema de Recuperação de Vapor
Sistema de Recuperação de Líquidos
Executar o Balanço Material
Preparação do Segundo Seminário
Inicio Termino
01/06 24/09
01/06 01/06
01/06 14/07
09/06 30/06
02/07 09/07
10/07 14/07
15/07 03/08
22/07 29/07
30/07 30/07
31/07 03/08
04/08 24/09
04/08 06/08
04/08 07/08
25/08 31/08
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
Revisão Bibliográfica
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)
CH4 (g) + CO2 (g) → 2CO(g) + 2H2 (g) ΔHº298K= 247 kJ/mol
- Temperatura entre 750ºC e 1000ºC.
- Pressão ambiente.
- Razão de H2/CO=1.
(2)
Revisão Bibliográfica
Conversão do Gás de Síntese
Síntese de Fischer-Tropsch (FT)
CO(g) + H2 (g)  H2O(l) + -(CH2)- ∆Hº298K=-165kJ/mol
- Crescimento da Cadeia Carbônica
- FT de Baixa Temperatura
- FT de Alta Temperatura
(3)
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.
Revisão Bibliográfica
Análise Preliminar dos Catalisadores
Formação do Gás de Síntese - SMR
Tabela 2 – Principais Catalisadores Empregados em SMR
Catalisador
Níquel/Oxidos-diamante
Catalisadores a base de
ferro e a base de cobalto
Catalisadores a base de
metais nobres
Ni suportado por Al2O3,
MgO ou MgAl2O4
promovidos por CaO ou
K2O
Vantagens
-Melhor conversão de CH4.
- Menor deposição de C.
- Consideravelmente ativos.
- Extremamente barato e
suficientemente ativo.
Desvantagens
-
- Facilmente oxidados.
- Custo elevado.
-Sensibilidade quanto à
desativação.
-Necessidade de
promotores.
Revisão Bibliográfica
Análise Preliminar dos Catalisadores
Formação do Gás de Síntese - DR
Tabela 3 – Principais Catalisadores Empregados em DR
Catalisador
Ni/Al2O3 presença de CeO2
Ni/Al2O3 em presença de
ZrO2
Catalisadores a base de
metais nobres
Rt, Pt, Ni
(Alta pressão)
Rt, Pt, Ni
(Baixa pressão)
Vantagens
- Maior reatividade.
- Maior produtividade.
- Maior resistência a
deposição de C.
- Ilimitado.
- Custo acessível.
- Maior conversão de CH4.
Desvantagens
-
- Desativação por
deposição de C.
- Menor desativação por C.
- Alto custo.
- Disponibilidade limitada.
-
- Maior deposição C.
-Baixa deposição C.
-
Revisão Bibliográfica
Análise Preliminar dos Catalisadores
Síntese de Fischer-Tropsch - FT
Tabela 4 – Principais Catalisadores Empregados em FT
Catalisadores
Catalisadores a base
de Ferro
Catalisadores a base
de Cobalto
Rutênio
Catalisadores a base
de Níquel
Vantagens
-Baixo custo.
Desvantagens
- Menos seletivo.
- Maior conversão.
- Vida útil longa.
- Maior produção
alcanos lineares.
- Alto custo.
- Intolerantes a CO2.
- Mais ativos.
- Alta atividade.
- Muito caros.
- 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)
3
- Massa Específica a 20°C (kg/m )
- Viscosidade Cinemática (cSt)
- Número de Cetanos
Gasolina
- Pressão de Vapor Reid (kPa)
3
- Massa Específica a 20°C (kg/m )
- Viscosidade Cinemática (cSt)
- Octanagem
Asfalto
- 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 Subprodutos
Diesel
Tabela 5 – Composição da Mistura Correspondente ao Diesel GTL
Nome
n-decano
n-pentadecano
n-eicosano
Fórmula
C10H22
C15H32
C20H42
Fração Molar
0,48
0,36
0,16
Tabela 6 – Comparação entre os Parâmetros Estimados para Mistura
Representativa e Produtos Existentes
Ponto de Fulgor (°C)
Massa Específica a 20°C
(kg/m3)
Viscosidade Cinemática
(cSt)
Número de Cetanos
Diesel
Comum
55
833 – 877
Diesel GTL
Chevron
59
759,04
Diesel GTL
projeto
59,82
765
Software
2,3 – 3,3
1,93
1,97
Hysys
40 – 60
75
80,97
Hysys
API
Hysys
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
Especificação de Produtos e Subprodutos
Gasolina
Tabela 7 – Composição da Mistura Correspondente a Gasolina GTL
Nome
n-pentano
i-octano
n-nonano
Fórmula
C5H12
C8H18
C9H20
Fração Molar
0,42
0,5
0,08
Tabela 8 – Comparação entre os Parâmetros Estimados para Mistura
Representativa e Produtos Existentes
Pressão de Vapor Reid (kPa)
Massa Específica a 20°C (kg/m3)
Viscosidade Cinemática (cSt) a
40°C
Octanagem
Gasolina
Comum
42-65
700-770
0,5-0,6
Gasolina GTL
projeto
47,34
676,18
0,49
Software
87
54
Hysys
API
Hysys
Hysys
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
Especificação de Produtos e Subprodutos
Asfalto
Caracterização do Hidrocarboneto Tetracontano
- Composto Hipotético
- Método de Joback
Reid (1988).
Cabeçalho Aqui
Especificação de Produtos e Subprodutos
Asfalto
Tabela 9 – Composição da Mistura Correspondente ao Asfalto
Nome
n-Pentacosano
n-Triacontano
Tetracontano
Fórmula
C25H52
C30H62
C40H82
Fração Molar
0,05
0,20
0,75
Tabela 10 – Comparação entre os Parâmetros Estimados para Mistura
Representativa e Produtos Existentes
Massa específica a 20°C
(kg/m3)
Número de C/mol
Peso Molecular (g/mol)
Viscosidade Cinemática
(cSt)
Asfalto
864 – 889
Subproduto
867,5
Software
Hysys
34 – 65
520 – 883
37,25
523,5
72,6
Excel
Excel
Hysys
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.
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.
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Tabela 11 – Tabela de Código de Destino
Componentes
Hidrogênio
CO
CH4
Gás Natural
C2H6
CO2
C3H8
C4H10
Água(vap)
Água(líq)
Gasolina
Diesel
Asfalto
Ponto de ebulição (°C)
-252,87
-191,54
-162
-152,36
-88,4
-78
-41,9
0
100,00
100,00
127,01
283,02
>283,02
Código de destino
Reciclo e Purga
Reciclo e Purga
Reciclo e Purga
Reagente
Reciclo
Reciclo e Purga
Reciclo
Reciclo
Reagente
Resíduo
Produto Primário
Produto Primário
Subproduto
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
F4
H2O(vap)
F1
CO2
F2
Gás Natural
F3
Processo
H2, CO, CO2,
CH4
F5
Gasolina
F6
Diesel
F7
Asfalto
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.
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)
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  P=5000bpd
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Equacionamento
(Equação 1)
(Equação 2)
(Equação 3)
* Onde: θi é o coeficiente estequiométrico do CO na reação de FT do produto i.
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Equacionamento
(Equação 4)
(Equação 5)
(Equação 6)
(Equação 7)
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Equacionamento
(Equação 8)
(Equação 9)
(Equação 10)
(Equação 11)
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Graus de Liberdade
G.L. = n° de variáveis – n° de equações – n° de restrições
Variáveis = 22
Equações = 15
Restrições = 1
(Equação 12)
G.L. = 6
Cenário 1:
Zgasolina, Zasfalto, XDR, XSMR, XFT/HDC, R
Cenário 2:
Sgasolina, Sasfalto, XDR, XSMR, XFT/HDC,R
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Início
Arbitrar uma taxa
de produção em
mol/h ( Pmol/h).
Não
Comparar a
produção real Pbpd
com a calculada P’bpd:
Pbpd - P’bpd=0 ?
Sim
Calcular as
distribuições de
produto através das
variáveis de projeto
inseridas.
Converter Pmol/h para
P’bpd.
Manter o valor de
Pmol/h no balanço
material.
Figura 4 – Algoritmo Empregado na Resolução dos BM do Cenário 2
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
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
(Equação 13)
EP(2)s/carbono= Valorprodutos + Valorsubprodutos + Customatérias-primas
(Equação 14)
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Análise do Potencial Econômico
Figura 5 – Efeito da Razão de Distribuição de Metano (R) no Potencial
Econômico
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Análise do Potencial Econômico
Figura 6 – Efeito da Produção de Diesel no Potencial Econômico
Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída
Análise do Potencial Econômico
Figura 7 – Efeito da Seletividade da Gasolina no Potencial Econômico
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
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Correntes de Reciclo
- Análise tabela de códigos de destinos e condições operacionais.
Figura 9 – Fluxograma com Estruturas de Reciclo
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
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)
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(2n+2) + H2  CxH(2x+2) + CyH(2y+2) (12)
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
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Equacionamento
- 91 Equações
- 127 Variáveis
- 6 Reciclos
- 5 Reatores
- 12 Reações Químicas
- Heurístico de Separação
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
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Reator SMR
Figura 11 – Fluxograma para o Processo SMR
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator SMR
Figura 12 – Efeito das Condições Operacionais - SMR
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator SMR
Figura 13 – Frações Molares versus Pressão - SMR
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator SMR
Figura 14 – Frações Molares versus Temperatura - SMR
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Reator DR
Figura 15 – Fluxograma para o Processo DR
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator DR
Figura 16 – Efeito das Condições Operacionais - DR
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator DR
Figura 17 – Frações Molares versus Pressão - DR
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Análise do Reator DR
Figura 18 – Frações Molares versus Temperatura - DR
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Reator DR
Tabela 12 – Dados do Reator FT
Temperatura (°C)
Pressão (atm)
H2/CO
Conversão (%)
Fração Mássica de Leves (C1-C4)
Fração Mássica de Gasolina (C5-C9)
Fração Mássica de Diesel (C10-C20)
Fração Mássica de Asfalto (C20-C40)
258
15
0,67
82,2
0,138
0,181
0,102
0,579
Nível 3 – Estrutura de Reciclo
Emprego do Simulador Hysys
- Reator DR
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
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.
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.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
Processo Químico Feito na FURG
Universidade Federal do Rio Grande
Escola de Química e Alimentos
Núcleo de Engenharia Química
Planejamento 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.
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
INTRODUÇÃO
Cachaça;
Importância da produção canavieira no RS;
Crescimento de produção (Zoneamento);
Geração de resíduos.
ESCOPO
Objetivo;
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.
PLANEJAMENTO
Software MS Project 98;
“Conceptual Design of Chemical Processes” e “Plant Design
and Economics for Chemical Engineers”;
Estratégia de planejamento
1) Necessidade de engenharia;
2) Criação de soluções;
3) Projeto preliminar;
4) Rentabilidade.
PLANEJAMENTO
Figura 1: Planejamento do segundo relatório de projeto.
PROCESSO DE PRODUÇÃO DA
CACHAÇA
Figura 2: Fluxograma do processo de produção de cachaça.
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.
RESÍDUOS LÍQUIDOS
Operação
de
destilação
10% “Cabeça”
20% “Cauda”
em batelada
Resíduos altamente poluentes;
Vinhoto
COMPOSIÇÃO DA “CABEÇA” E
“CAUDA” DA DESTILAÇÃO
Figura 3: Diagrama do compostos presentes na “cabeça” da destilação.
“Cauda” da destilação → Ácido acético;
ALTERNATIVAS

Variadas substâncias → Inúmeras alternativas;

Grande número de informações coletadas;

Organização e resumo das informações;

Análise e comparação entre as alternativas
Critérios.
TOMADA DE DECISÃO

Ácido Peracético
 Matérias-primas em maior quantidade
 Preço de mercado
 Reação simples → Viabilidade técnica
ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)

Reação de ácido acético ou acetaldeído com peróxido de
hidrogênio ou oxigênio gasoso;
ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)
Comercializado em solução;
Problema de estabilização da solução;
Usado como desinfetante em diversos setores da indústria;
Propriedades importantes.
LOGÍSTICA DO PROCESSO
Figura 4: Rota 1 de captação dos resíduos.
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.
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.
ROTAS ALTERNATIVAS
Tabela 1 : Custos do recolhimento dos resíduos.
Rotas
Distâncias Quantidade não
Truck de 14t Carreta 25t
Tempo (h)
(Km)
recolhida (%)
(R$/viagem) (R$/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.
ROTA SELECIONADA
Figura 5: Rota 2 de captação dos resíduos.
FREQÜÊNCIA DE RECOLHIMENTO
Tabela 2: Quantidade de Resíduos Recolhido na Rota 2.
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
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
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.
NÍVEL DE PRODUÇÃO
Figura 5: Participação de Mercado no RS.
ROTAS DE PRODUÇÃO DE ÁCIDO
PERACÉTICO
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 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.
ROTA DE PRODUÇÃO 3
 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.
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.
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;
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
BALANÇO MATERIAL
Figura 6: Balanço material da estrutura de entrada e saída - Rota de produção 1.
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.
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);
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
BALANÇO MATERIAL
Figura 8: Balanço material da estrutura de entrada e saída - Rota de produção 2.
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.
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);
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
BALANÇO MATERIAL
Figura 10: Balanço material da estrutura de entrada e saída - Rota de produção
3.
POTENCIAL ECONÔMICO
EP2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ Reagentes
EP2 = F4 x R$ C2H4O - F2 x R$ O2 - R$ Logística
Equação 1
Equação 4
Figura 11: Potencial Econômico - Rota de Produção 3.
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;
DECISÃO DA ROTA DE
PRODUÇÃO
 Viabilidade
 EP2-2
e EP2-3 << EP2-1
 Menor
 Alta
técnica das condições operacionais;
custo com a logística do processo;
toxicidade do C2H4O;
ESTRUTURA DO SISTEMA DE
SEPARAÇÃO
Figura 12: Balanço material rigoroso da estrutura do sistema de separação.
CONCLUSÕES PRELIMINARES
 Definição
e caracterização do problema de
Engenharia;
 Proposta
da solução do problema (Produção de
PAA);
 Decisão
da rota de produção;
 Desenvolvimento
 Metas
do Projeto Conceitual;
alcançadas.
DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
Próximo Bimestre (Setembro, Outubro);
Desenvolvimento do Projeto Preliminar;
Dimensionamento de Equipamentos:
Reator;
Sistema de Separação (Filtro);
Caldeira;
MUITO OBRIGADO
PELA ATENÇÃO
ESTAMOS A DISPOSIÇÃO
PARA QUAISQUER ESCLARECIMENTOS.
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.
Minha Proposta de “’modelo visual”
para o Projeto de Processos Químicos
Agradeço a oportunidade, e me coloco à
disposição para questionamentos.
Muito obrigado pela atenção !