Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais

Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais
Universidade Técnica de Lisboa Projecto de Engenharia Química II Mestrado de Engenharia Química Realizado por: Andreia Mota nº52623 Magda Troeira nº52635 Maria Teresa Fonseca nº52639 Patrícia Diz nº54054 Coordenador: Prof. Carlos Henriques 18 de Fevereiro de 2009

Biocombustíveis, Porquê?
Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Biocombustíveis, Porquê? Crise do petróleo; Menor dependência energética; Problemas ambientais; Compromissos internacionais e Directivas comunitárias. Necessidade de fontes de energia alternativas BIODIESEL Utilização de óleos vegetais e gorduras, menos poluentes Poder calorífico elevado Incentivos fiscais e governamentais Emissão de poluentes diminuta Possibilidade de queima em motores a diesel recentes

Situação actual Processos actuais não permitem atingir os objectivos estipulados pela Directiva Europeia 2003/30/CE Biodiesel Geração I (FAME) Limitações Técnicas Futuro Biodiesel Geração II Diesel Biológico de elevada qualidade, sem problemas de incorporação Grande flexibilidade na matéria prima utilizada (todos os tipos de óleos)

Processos de Produção de green diesel O processo da UOP/ENI foi escolhido devido a: Empresa Licenciadora Processo UOP/ENI Ecofining Process Neste Oil NextBTL Petrobrás H-Bio Maior rendimento e conversão no produto final; Menor desactivação possível dos catalisadores; Menor consumo de H2.

EcofiningTM Hidrodesoxigenação: Isomerização: Descarboxilação: Green diesel vs. Petro diesel

Principais conclusões da 1º parte do projecto Localização e capacidade: De acordo com a proximidade ao cliente, e simultaneamente, fornecedor de matérias-primas, optou-se para localização da unidade fabril o parque industrial de Sines; A capacidade anual escolhida foi de toneladas de green diesel . A capacidade foi definida com base: Na procura estimada de diesel para 2020, à qual se aplicou a percentagem de 20% para a substituição deste por biocombustível; Mercado alvo: cobrir toda a procura de Portugal + 5% da procura de Espanha; Nas capacidades de fábrica já instaladas ou projectadas para este tipo de processo. Principais Concorrentes: Biodiesel - FAME

Flowsheet do processo

Zona de Reacção Função do Equipamento: Misturador M-201 – Mistura os óleos vegetais com o Hidrogénio; Misturador M Mistura a corrente de n-parafinas com Hidrogénio Fornalha F-201 – Aquece a mistura até à temperatura de funcionamento do Reactor R-201 (T=330ºC); Reactor R-201 – Ocorre a hidrodesoxigenação/descarboxilação dos ácidos gordos para formar n-parafinas; Fornalha F-202 – Aquece a mistura de n-parafinas até à temperatura do reactor R-202 (T=330ºC); Reactor R-202 – Ocorre isomerização das n-parafinas em i-parafinas. Transformação dos óleos vegetais em i-parafinas (green diesel)

Zona de Separação Separação do green diesel e produtos secundários Função do Equipamento: Separador SGL Separa uma fracção líquida e outra gasosa da mistura que saí do R-201. A fase líquida é ainda separada numa fase orgânica e numa fase aquosa; Separador SGL Separa uma fracção líquida e outra gasosa da mistura que saí do R-202; Coluna de Destilação CD-301- Separação do produto final (green diesel) das naftas e compostos leves.

Zona de Purificação Função do equipamento: Pressure swing adsortion PSA- 401 – Purificar o Hidrogénio que não reagiu em R-201 e R-202 para o recircular ao processo. Purificação do Hidrogénio que não reagiu

Balanços de Massa e Entálpicos Balanços ao processo Objectivo: produção de 800 mil ton/ano de green diesel dentro das especificações e uma actividade anual da fábrica de 330 dias; Efectuados no Aspen Plus , excepto aos Reactores R-201 e R-202 Estado de referência para o balanço entálpico: Temperatura = 25 ºC Pressão = 1 atm Estado de Agregação – compostos no seu estado elementar

Reactor R-201 Base de cálculo: 110 ton/h de green diesel à saída da fábrica; Composição do óleo de soja em ácidos gordos: Composto modelo para o desenvolvimento das reacções químicas C18H32O2

Esquema Reaccional no Reactor R-201:
Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Esquema Reaccional no Reactor R-201: Hidrodesoxigenação Hidrogenação das ligações duplas Descarboxilação Dados necessários à resolução dos balanços ao Reactor R-201: Conversão total dos óleos; Rendimentos iguais às selectividades; Razão H2/óleos= 100g/2,65g (Processo da UOP); As Naftas só se formam no segundo reactor; Temperatura no reactor R-201 = 330ºC; Pressupõe-se reactor isotérmico; Pressão de funcionamento = 50 atm.

Balanço entálpico ao Reactor R-201 O cálculo do calor trocado no reactor é feito recorrendo às entalpias de formação (Hf) dos componentes à entrada (e) e saída (s) do reactor: e Considerações: Funcionamento isotérmico; Reacção extremamente exotérmica –43 MW; Calor trocado de -77,75 MW; Se o calor não for retirado o sistema aquece de 330ºC até 555ºC;

Folha de Balanço de Massa e Entálpico ao Reactor R-201

Reactor R-202 Reacções Presentes: Isomerização de n-C18H38 n -C18H38 + H2 → i -C18H38 Cracking Catalítico n-C18 H H2→ 3 C6H14 Dados necessários à resolução dos balanços do reactor R-202: 101 ton hr-1 de green diesel à saída; Razão green diesel/ H2 à entrada de 100g óleo/3,80g H2(*fornecida pela UOP); 72% da corrente de saída em iso-parafinas; Rendimento Global das Naftas de 4%; Temperatura de entrada igual à de saída e dada por 330 ºC; Pressão de 70 bar;

Balanço entálpico ao Reactor R-202 Para o cálculo do calor trocado no reactor, procedeu-se a um balanço entálpico baseado na seguinte equação: e Considerações: Reacção fracamente exotérmica; Q Trocado praticamente igual ao calor da reacção; Calor consideravelmente baixo; Ponderação no uso de uma camisa de arrefecimento.

Folha de Balanço de Massa e Entálpico ao Reactor R-202

Controlo e Instrumentação Objectivos: Manter as variáveis do processo dentro dos limites de segurança dos equipamentos, salvaguardando os interesses humanos, o meio ambiente e o próprio investimento; Maximizar o volume de produção e a qualidade do produto. Nomenclatura do equipamento de controlo: Válvula Pneumática Automática Válvula Manual Válvula de Corte Válvula anti-retorno Válvula de segurança de sobre-pressão Equipamento Local Equipamento presente na sala de control Equipamento com base em algorítmo Computacional Linha de sinal eléctrico Linha pneumática

Esquema de controlo do Reactor R-201 Variáveis a controlar: Temperatura; Pressão do fluido refrigerante; Caudal (tempo de residência).

Esquema de controlo da coluna de destilação CD-301 Variáveis a controlar: Pressão no topo da coluna (controlo) e ao longo desta (alarmes); Temperatura ao longo da CD (alarmes); Nível de líquido na CD; Temperatura do condensado de refluxo; Temperatura da corrente vaporizada no Reboiler que é recirculada à CD.

Dimensionamento Dimensionamento do Reactor R-201 Reactor trickle bed de leito fixo; Reacção muito exotérmica. Patente Dadas estas condições optou-se por usar um Reactor Multitubular, com as seguintes características: Mistura Reaccional passa nos tubos, que contêm o catalisador; O fluído de arrefecimento passa na caixa; Geometria semelhante a um permutador de calor de caixa e tubos.

Alguns dados informativos sobre o catalisador: Trata-se de um catalisador heterogéneo de Níquel/Molibedénio suportado em alumina (NiMo/Al2O3); Partículas esféricas com ¼ polegadas de diâmetro. Área específica da partícula (S) 9,48 cm-1; Porosidade do leito (ε) 0,405. O dimensionamento deste reactor dividiu-se em várias partes: 1ªParte – Cálculo do volume de catalisador necessário à reacção; 2ªParte – Cálculo do comprimento dos tubos de leito fixo; 3ªParte – Determinação da área de transferência e escolha do diâmetro de tubos a utilizar; 4ªParte – Cálculo do caudal necessário de Fluído refrigerante; 5ªParte – Cálculo do diâmetro da caixa e da respectiva perda de carga;

1ªParte: Cálculo do volume de catalisador necessário à reacção: Para achar o volume da catalisador necessário à reacção de transformação dos triglicéridos, considerou-se a seguinte equação: Onde LHSV é um parâmetro reaccional e significa liquid-hourly space velocity (h-1) Caudal volumétrico de 425m3/h (corrente 204) LHSV=1,5h-1 Vcatalisador=283m3 Dividiu-se este volume em n porções iguais de modo a que o compromisso entre perdas de carga, e dimensões do próprio reactor fosse satisfatório (método tentativa-erro) Sobredimensionamento de 20% N.º reactores=15 Vcatalisador por reactor =22,7 m3

2ªParte: Cálculo do comprimento dos tubos de leito fixo: Parâmetros decisivos na escolha do comprimento óptimo dos tubos: Perdas de carga reduzidas; Valores de Re que atinjam o regime turbulento (Re > 100) para uma melhor transferência de calor. Esquema de cálculo:

Escolha do comprimento óptimo dos tubos: Escolha: L=5m uma vez que a partir deste valor verifica-se escoamento turbulento e as perdas de carga são reduzidas.

3ªParte: Determinação da área de transferência e escolha do diâmetro de tubos a utilizar A área de transferência é dada por: Equipamento comporta-se como um permutador de calor (na transferência de calor): onde

Escolha do diâmetro de tubos a utilizar: O fluído refrigerante escolhido foi a água, tendo em mente a geração de vapor Aspectos decisivos para a escolha do diâmetro dos tubos: Fluído de maior pressão deve passar nos tubos; Temperaturas de entrada da água média de modo a não ocorrer choque térmico; Assim escolheu-se o diâmetro de 3 polegadas.

4ªParte – Cálculo do caudal necessário de Fluído refrigerante Balanço de energia ao permutador de calor: (do lado do fluido refrigerante)

5ªParte: Cálculo do diâmetro da caixa e da respectiva perda de carga: Pode-se calcular o diâmetro da caixa atravé da seguinte expressão: O diâmetro obtido foi de 3,7 m.

Cálculo da perda de carga na caixa: A perda de carga na caixa é dada por: Onde: Gs – é a velocidade mássica da água de arrefecimento (Kg/m2.s); F – é o factor de atrito da caixa; Nb – número de chicanas; De – diâmetro equivalente da caixa (m); Φs – é dado por (μb/ μw)0,14. Admitiu-se 1. O valor final de perda de carga foi de 0,0002 atm para uma disposição de 3 chicanas com um afastamento de 1,47m e segmentação de 25%.

Resultados do dimensionamento do reactor R-201

Dimensionamento do Reactor R-202 Reactor tubular catalítico trickle-bed em leito fixo; Catalisador Pt/SAPO-11/Al2O3; Qv de 136,8 m3 hr-1; LHSV = 9 h-1 V= 15,2 m3 Alguns dados informativos sobre o catalisador: Partículas esféricas com ¼ polegadas de diâmetro. Área específica da partícula (S) 9,48 cm-1; Porosidade do leito (ε) 0,405.

Cálculo da velocidade → u Equação para calcular Re modificado Re – valor de Reynolds modificado para regime intermédio ρ e μ – densidade e viscosidade da mistura reaccional S – área específica do leito ε – porosidade do leito; u – velocidade superficial média de passagem do fluido. U Qv V A

Cálculo da Perda de Carga → ∆P Equação de Carman-Kozeny para leitos porosos onde Sendo que a parcela corresponde ao factor de atrito

Resultados do dimensionamento do reactor R-202

Dimensionamento da Coluna de destilação CD-301 Pseudo-Componentes Uma vez que não se tinha a composição exacta do green diesel recorreu-se ao simulador Aspen Hysis para se ter uma pseudo-composição da corrente de alimentação da coluna. Para se obterem os pseudo-componentes utilizou-se os valores de TBP, true boiling point, referentes à TOFA.

Pseudo-Componentes (Aspen Hysis) Fracção Molar da corrente de alimentação (Aspen Hysis)

Características da alimentação Composição obtida no Aspen Hysis

Especificações da coluna de destilação

Resultados Obtidos após simulação Condensador Re-ebulidor

Dimensionamento Prato Perfurado

Dimensionamento

Resultados do dimensionamento da Coluna de Destilação CD-301

Implementação da instalação Objectivos Minimizar o custo de construção e futuras expansões da fábrica Proporcionar um fluxo económico de materiais e pessoas Facilitar a manutenção e o funcionamento da unidade Minimizar a ocorrência de acidentes Respeitar as distâncias exigidas face ao projecto em estudo

Layout Distâncias Típicas de segurança: Área do Processo: Entre zonas processuais – 30 m; Entre Equipamento principal ~10 m; Entre permutadores adjacentes ~1m; Entre Separadores GL (horizontal vessels) adjacentes ~1,5m; Áreas de armazenagem: Entre tanques – ½ do maior diâmetro; Distância da área de processo ~ 50 m; Percentagens de ampliação adoptadas: 50% - Área de processo, armazenagem e utilidades; 20% - Sala de controlo, laboratórios e Oficinas.

Esquema do Layout e respectivas áreas Escala 1:1000 1mm=1m

Análise Económica Estimativa do Investimento Capital fixo+Capital Circulante+Juros Intercalares Estimativa do custo de Produção Custo de fabrico + Despesas Gerais Avaliação de Rentabilidade Valor Líquido Actual (VLA) Taxa Interna de Rentabilidade (TIR) Ponto Crítico Análise de Sensibilidade Equipamento base Matérias-primas Utilidades Venda do produto Viável ou não viável? 48

Estimativa do Investimento – Capital Fixo Capital Fixo Corpóreo (Custos Directos Equipamento Base (Ceb) : Estimado com base na literatura e em fornecedores Montagem: % sobre o custo de cada equipamento Condutas: 65% do Ceb Utilidades e Serviços: 50% do Ceb Instrumentação e Aparelhagem de Controlo: 25% sobre o Ceb Instalações Eléctricas: 12% do Ceb Terreno: 4,23 €/m2ano  Área da fábrica (82800 m2) Edifícios: 10% do Capital Fixo Isolamentos Térmicos: 9% do Ceb 49

Estimativa do Investimento – Capital Fixo Custos Directos Fixos Equipamento Base ,97 Montagem do equipamento ,99 Condutas ,98 Utilidades ou serviços ,99 P&I ,99 Instalações eléctricas ,60 Terreno ,00 Edifícios ,15 Isolamentos ,20 Total ,87 50

Capital Fixo Incorpóreo (Custos Indirectos) Projecto e Fiscalização: 30% dos Custos Directos Despesas de Empreitada: 30% dos Custos Directos Provisão para Imprevistos: 15% do Capital Fixo Projecto e Fiscalização Empreitada Imprevistos 51

Métodos Alternativos Método dos factores de Lang Método dos factores de Cran 52

Capital Circulante Reserva de Matérias-primas: Preço do Óleo de soja; 15 dias de stock Stock de Produtos Fabricados: Custo de Fabrico; 8 horas de stock Condições de Crédito Oferecidas: Preço do produto; 1 mês Condições de Crédito Obtidas: Custo de Fabrico, 1 mês Fundo de Maneio: 7,5% das parcelas anteriores do Capital Circulante Matérias-Primas Quantitativo de produtos em laboração Stock produtos fabricados Crédito oferecido Crédito obtido Fundo de maneio Capital Circulante 53

Juros Intercalares Capital Alheio: 60% do Investimento Total Capital Próprio: 40% do Investimento Total Taxa de Juro: Euribor a 12 meses, 3,92% + Spread 3% Investimento Total Investimento Capital fixo Corpóreo (custos directos) Incorpóreo (custos indirectos) Total Capital circulante Juros durante a fase de investimento Investimento Total (€) 54

Estimativa dos Custos de Produção Custos Directos de Fabrico Matérias-primas: Preço do óleo e hidrogénio, taxa de ocupação Mão-de-obra de Fabrico, supervisão e Controlo: diferentes postos de trabalho e número de trabalhadores necessários Utilidades e Serviços Manutenção: Desde 3% até 10% do Investimento Fixo Anual Patentes e Royalties: 4% do Custo de Fabrico Catalisador e solventes: vida útil de 1 ano Fornecimentos Diversos: 15% da Manutenção 55

Custos Indirectos de Fabrico 50% dos Custos de Mão-de-obra Total e de Manutenção Custos Fixos de Fabrico Amortizações: Projecto (3 anos) + Equipamento (10 anos)+ Edifícios (25 anos) Seguros: 1% do Capital Fixo Impostos Locais: 1% do Capital Fixo Rendas: aluguer de 4,26 €/m2 para uma área industrial Despesas Gerais Despesas de Administração: 40% da Mão-de-obra de Fabrico Serviços de Venda, Distribuição e Marketing: 5% do Custo de Produção Investigação e Desenvolvimento: 2% do Valor das Vendas Encargos Financeiros 56

Distribuição dos Custos de Produção Os Custos Directos representam 88,4% dos Custos de Produção 57

Método do Ponto Crítico Hipóteses: Custos Variáveis todos proporcionais Preço Unitário de Venda constante Qc = Ponto Crítico em Capacidade CF = Custos Fixos = Custos Indirectos de Fabrico + Custos Fixos de Fabrico – Amortizações + Despesas Gerais – Encargos Financeiros P = Preço Unitário de Venda = 1282 €/ton V = Custo Variável Unitário = Custos Directos de Fabrico 58

Qc= ton ano-1 < Produção Anual de ton ano-1 Processo Viável, boa margem de segurança 59

Análise de Rentabilidade Cash Flow Cash Flow de Exploração = Resultado Bruto – Imposto Cash Flow de Investimento = Investimento Anual Valor Residual = 5% do CEB + Valor dos Edifícios por amortizar + Terreno Ano 2009 2010 2011 2012 - 2017 2018 2019 2020 CF (€/ano) 60

Critérios de Rentabilidade
Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Critérios de Rentabilidade Valor Líquido Actual (VLA): in = Taxa de juro a pagar ao banco = 6,92% id = Taxa de inflação = 2,6% Ano 2009 2010 2011 2012 - 2017 2018 2019 2020 Cf actualizado Cfacumulado actualizado VAL>0, processo rentável 61

Taxa Interna de Rentabilidade (TIR): TIR = 54,3% > i = 4,21% Investimento Favorável Ratios: 62

Análise de Sensibilidade
Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Análise de Sensibilidade Equipamento Base: Valor do Equipamento Base (€) VLA TIR 20% 47,1% 10% 50,5% 5% 52,3% 0% 54,3% -5% 56,4% -10% 58,6% -20% 63,4% Óleo de Soja: Hidrogénio: Valor do Óleo (€) VLA TIR 20% 743 23,6% 10% 681 40,0% 5% 650 47,3% 0% 619 54,3% -5% 588 61,0% -10% 557 67,4% -20% 495 79,7% Valor do Hidrogénio (€) VLA TIR 20% 506 53,6% 10% 464 53,9% 5% 443 54,1% 0% 422 54,3% -5% 401 54,5% -10% 380 54,6% -20% 338 55,0% 63

Utilidades: Produto: Valor das utilidades (€) VLA TIR 20% 50,1% 10% 52,2% 5% 53,3% 0% 54,3% -5% 55,3% -10% 56,3% -20% 58,3% Valor do produto (€) VLA TIR 10% 1410 73,1% 5% 1346 64,0% 0% 1282 54,3% -5% 1218 43,6% -10% 1154 31,7% Parâmetros analisados por ordem de importância Preço de venda do produto Preço de compra do óleo de soja Valor do equipamento base Valor de utilidades Valor do hidrogénio + - 64

Conclusões Pela avaliação económica determinou uma TIR de 54,3% ; O projecto é principalmente influenciado pelo preço de venda do green diesel e do preço de compra do óleo de soja; Mesmo com uma descida de 10% no valor do green diesel, o VAL mantém-se positivo; Uma optimização processual poderia ser alcançada com um detalhe maior do flowsheet que por sua vez poderia repercutir-se numa redução dos custos totais; O projecto é economicamente rentável; 65

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