A apresentação está carregando. Por favor, espere

A apresentação está carregando. Por favor, espere

Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG Escola de Química e Alimentos Núcleo de Engenharia Química Prof. Renato Dutra Pereira Filho Projeto.

Apresentações semelhantes


Apresentação em tema: "Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG Escola de Química e Alimentos Núcleo de Engenharia Química Prof. Renato Dutra Pereira Filho Projeto."— Transcrição da apresentação:

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 ): 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.

10 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.

11 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.

12 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/

17 Importância das Patentes - Proteção da Propriedade Intelectual - Novas Idéias / Concepções - Velhas Idéias / Novas Concepções Bases de dados: patft.uspto.gov (desde 1790, formato.tif) pesquisa.inpi.gov.br/

18 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 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

20 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);

22 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 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

24 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

25 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; Fatores de Comparação Entre Alternativas de Projeto

26 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);

28 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 Ahrens35747 Viviane Botelho37225 Estela Kerstner37258 Géverson DallAgnol37260

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.

32 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 TarefasInicioTermino Avaliar a Lucratividade dos Processos Preliminares01/0624/09 Nível 1 - Batelada X Contínuo01/06 Nível 2 - Estrutura de Entrada e Saída01/0614/07 Especificação dos Produtos09/0630/06 Executar o Balanço Material de Entrada e Saída02/0709/07 Determinar o Potencial Econômico10/0714/07 Nível 3 - Estrutura de reciclo15/0703/08 Executar o Balanço Material de Reciclo22/0729/07 Executar o Balanço de Energia30/07 Determinar o Potencial Econômico31/0703/08 Nível 4 - Sistema de Separação04/0824/09 Sistema de Recuperação de Vapor04/0806/08 Sistema de Recuperação de Líquidos04/0807/08 Executar o Balanço Material25/0831/08 Preparação do Segundo Seminário01/0915/09

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

36 Revisão Bibliográfica Formação do Gás de Síntese Reforma a Vapor (SMR) CH 4 (g) + H 2 O (l) CO (g) + 3H 2 (g) Δ H° 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 H 2 /CO=3. Reforma Seca (DR) - Temperatura entre 750ºC e 1000ºC. - Pressão ambiente. - Razão de H 2 /CO=1. CH 4 (g) + CO 2 (g) 2CO (g) + 2H 2 (g) Δ Hº 298K = 247 kJ/mol (2)

37 Revisão Bibliográfica Conversão do Gás de Síntese Síntese de Fischer-Tropsch (FT) CO (g) + H 2 (g) H 2 O (l) + -(CH 2 )- Hº 298K =-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 CatalisadorVantagensDesvantagens Níquel/Oxidos-diamante -Melhor conversão de CH 4. - 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 Al 2 O 3, MgO ou MgAl 2 O 4 promovidos por CaO ou K 2 O - Extremamente barato e suficientemente ativo. -Sensibilidade quanto à desativação. -Necessidade de promotores. Tabela 2 – Principais Catalisadores Empregados em SMR

40 Revisão Bibliográfica Análise Preliminar dos Catalisadores Formação do Gás de Síntese - DR Tabela 3 – Principais Catalisadores Empregados em DR CatalisadorVantagensDesvantagens Ni/Al 2 O 3 presença de CeO 2 - Maior reatividade. - Maior produtividade. - Maior resistência a deposição de C. - Ni/Al 2 O 3 em presença de ZrO 2 - Ilimitado. - Custo acessível. - Maior conversão de CH 4. - 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 VantagensDesvantagens 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 CO 2. 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 20°C (kg/m 3 ) - Viscosidade Cinemática (cSt) - Número de Cetanos Gasolina - Pressão de Vapor Reid (kPa) - Massa Específica a 20°C (kg/m 3 ) - Viscosidade Cinemática (cSt) - Octanagem Asfalto - Massa Específica a 20°C (kg/m 3 ) - 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 NomeFórmulaFração Molar n-decanoC 10 H 22 0,48 n-pentadecanoC 15 H 32 0,36 n-eicosanoC 20 H 42 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)555959,82API Massa Específica a 20°C (kg/m 3 ) 833 – ,04765Hysys Viscosidade Cinemática (cSt) 2,3 – 3,31,931,97Hysys Número de Cetanos40 – ,97Hysys

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 Tabela 8 – Comparação entre os Parâmetros Estimados para Mistura Representativa e Produtos Existentes NomeFórmulaFração Molar n-pentanoC 5 H 12 0,42 i-octanoC 8 H 18 0,5 n-nonanoC 9 H 20 0,08 Gasolina Comum Gasolina GTL projeto Software Pressão de Vapor Reid (kPa) ,34API Massa Específica a 20°C (kg/m 3 ) ,18Hysys Viscosidade Cinemática (cSt) a 40°C 0,5-0,60,49Hysys Octanagem8754Hysys

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 Tabela 10 – Comparação entre os Parâmetros Estimados para Mistura Representativa e Produtos Existentes NomeFórmulaFração Molar n-PentacosanoC 25 H 52 0,05 n-TriacontanoC 30 H 62 0,20 TetracontanoC 40 H 82 0,75 AsfaltoSubprodutoSoftware Massa específica a 20°C (kg/m 3 ) 864 – ,5Hysys Número de C/mol34 – 6537,25Excel Peso Molecular (g/mol)520 – ,5Excel Viscosidade Cinemática (cSt) 72,6Hysys

50 Nível 1 – Batelada x Contínuo -A Taxa de Produção é superior a 4,53x10 6 kg/ano. - Hidrocarbonetos combustíveis não são produtos sazonais. - As plantas GTL existentes operam em regime contínuo. -Uniformidade e menor custo na produção de hidrocarbonetos. A Unidade em estudo irá operar em regime contínuo.

51 Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída Purificar a matéria-prima antes de entrar no processo? - É necessário purificar o CO 2 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.

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 CH Reciclo e Purga Gás Natural -152,36 Reagente C2H6C2H6 -88,4 Reciclo CO Reciclo e Purga C3H8C3H8 -41,9 Reciclo C 4 H 10 0 Reciclo Água (vap) 100,00 Reagente Água (líq) 100,00 Resíduo Gasolina 127,01 Produto Primário Diesel 283,02 Produto Primário Asfalto >283,02 Subproduto

53 Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída Considerações - Gás natural é 100% metano. - A gasolina, o diesel e o asfalto são representados por uma mistura de três hidrocarbonetos. Processo H 2 O (vap ) CO 2 Gás Natural Gasolina Diesel Asfalto H 2 O (líq ) H 2, CO, CO 2, CH 4 F1 F2 F3 F4 F5 F6 F7 F8 Figura 3 – Fluxograma de Entrada e Saída do Processo

54 Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída SMR CH 4 (g) + H 2 O (l) CO (g) + 3H 2 (g) (1) DR CH 4 (g) + CO 2 (g) 2CO (g) + 2H 2 (g) (2) Reação Simplificada de Fischer-Tropsch para a Gasolina 6,82CO + 14,62H 2 0,42C 5 H ,5C 8 H ,08C 9 H ,82H 2 O (4) Reação Simplificada de Fischer-Tropsch para o Diesel 13,4CO + 27,8H 2 0,48C 10 H ,36C 15 H ,16C 20 H ,4H 2 O (5) Reação Simplificada de Fischer-Tropsch para o Asfalto 37,25CO + 75,5H 2 0,05C 25 H ,2C 30 H ,75C 40 H ,25H 2 O (6)

55 Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída Variáveis Totais - Fluxos de Matéria: P, F1, F2, F3, F4 H2, F4 CO2, F4 CH4, F4 CO, F5, F6, F7, F8 - Distribuição de Matéria: R, Z gasolina, Z diesel, Z asfalto - Seletividades: S gasolina, S diesel, S asfalto - Conversões: X DR, X SMR, X FT/HDC Restrições - Taxa de Produção P=5000bpd

56 Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída Equacionamento (Equação 1) (Equação 2) (Equação 3) * Onde: θ 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 Variáveis = 22 Equações = 15 Restrições = 1 G.L. = 6 Cenário 1: Z gasolina, Z asfalto, X DR, X SMR, X FT/HDC, R Cenário 2: S gasolina, S asfalto, X DR, X SMR, X FT/HDC, R (Equação 12)

60 Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída Arbitrar uma taxa de produção em mol/h ( P mol/h ). Calcular as distribuições de produto através das variáveis de projeto inseridas. Converter P mol/h para P bpd. Comparar a produção real P bpd com a calculada P bpd : P bpd - P bpd =0 ? Manter o valor de P mol/h no balanço material. Início Sim Não Figura 4 – Algoritmo Empregado na Resolução dos BM do Cenário 2

61 Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída Limite das Variáveis R máx =0,28 Smáx gasolina =0,17 Smáx diesel = 0,087 Smáx asfalto = 0,031 Análise do Potencial Econômico EP(2) c/carbono = Valor produtos + Valor subprodutos + Valor créditosdecarbono + Custo matérias-primas EP(2) s/carbono = Valor produtos + Valor subprodutos + Custo matérias-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 ReatorT (K)P (atm) Reforma a Vapor973 – – 50 Reforma a Seco1023 – – 15 Fischer-Tropsch (F-T)503 – – 40 Hidroconversão57515 Tabela 11 – Condições Operacionais para cada Reator 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): CH 4 (g) + H 2 O (l) CO (g) + 3H 2 (g) (1) CH 4 (g) + CO 2 (g) 2CO (g) + 2H 2 (g) (2) CO (g) + H 2 O (l) CO 2 (g) + H 2 (g) (7) CH 4 (g) C (g) + 2H 2 (g) (8) 2CO (g) C (G) + CO 2 (g) (9) C (G) + H 2 O (g) CO (g) + H 2 (g) (10)

69 Nível 3 – Estrutura de Reciclo Estruturação e Solução do Balanço Material - Síntese de Fischer-Tropsch (FT): 2,5CO + 6H 2 0,25CH 3 + 0,25C 2 H 6 + 0,25C 3 H 8 + 0,25C 4 H ,5H 2 O (4) 6,82CO + 14,64H 2 0,42C 5 H ,5C 8 H ,08C 9 H ,82H 2 O (5) 13,4CO + 27,8H 2 0,48C 10 H ,36C 15 H ,16C 20 H ,4H 2 O (6) 37,25CO + 75,5H 2 0,05C 25 H ,2C 30 H ,75C 40 H ,25H 2 O (11) - Hidroconversão: C n H (2n+2) + H 2 C x H (2x+2) + C y H (2y+2) (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 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 Temperatura (°C)258 Pressão (atm)15 H2/CO0,67 Conversão (%)82,2 Fração Mássica de Leves (C 1 -C 4 )0,138 Fração Mássica de Gasolina (C 5 -C 9 )0,181 Fração Mássica de Diesel (C 10 -C 20 )0,102 Fração Mássica de Asfalto (C 20 -C 40 )0,579 Tabela 12 – Dados do Reator FT

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 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 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 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 VAN DER LAAN, G.P., 1999, Selectivity and Scale Up of the Fischer-Tropsch Synthesis, Kinetics, Thesis University of Groningen, Netherlands, ISBN , NUGI 813. VOSLOO A.C., 2001, Fischer-Tropsch: a futuristic view, Fuel Processing Technology, v. 71, pp 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

87 Referências Bibliográficas acessado em abril/maio de acessado em abril/maio de acessado em abril/maio de acessado em abril/maio de www2.petrobras.com.br/portugues/index.asp, acessado em abril/maio de 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 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.

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; 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.

94 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.

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 Operação de destilação em batelada 10% Cabeça 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 Figura 4: Rota 1 de captação dos resíduos. LOGÍSTICA DO PROCESSO

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 Fonte: Empresa RD Gerenciamento. Tabela 1 : Custos do recolhimento dos resíduos. Rotas Distâncias (Km) Quantidade não recolhida (%) Tempo (h) Truck de 14t (R$/viagem) Carreta 25t (R$/viagem) 14000,08,51500,002500, ,14,5770,001500, ,04,0713,001360, ,03,0488,00965,00

108 ROTA SELECIONADA Figura 5: Rota 2 de captação dos resíduos.

109 FREQÜÊNCIA DE RECOLHIMENTO Tabela 3: Custo da freqüência de recolhimento dos resíduos. Tabela 2: Quantidade de Resíduos Recolhido na Rota 2. VeículoDiário (R$/mês)Semanal (R$/mês)Mensal (R$/mês) Truck 14t19250,003080,00770,00 Carreta 25t37500,006000,001500,00 Total56750,009080,002270,00 Diário (t)Semanal (t)Mensal (t) VeículoLíquidoBagaçoLíquidoBagaçoLíquidoBagaço Truck 14t1,312,78,15,914,00,0 Carreta 25t 1,323,78,116,919,75,3

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 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.

113 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.

114 ROTA DE PRODUÇÃO 3 Adição de oxigênio gasoso ao reator com pressões que variam de 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.

115 Taxa de Produção: Inferior a 1 x 10 6 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 horas com um catalisador ácido. DECISÃO ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA

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 (H 2 O); Excesso de H 2 O 2 ; Não haverá reciclo de reagentes;

117 ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDA Número de correntes de produto: ComponenteT ebulição (°C)Destino Água100Produto Principal Ácido Peracético108,9Produto Principal Ácido Acético118,1Produto Principal Peróxido de Hidrogênio150,2Produto Principal Tabela 4: Classificação e destino dos componentes envolvidos no processo de produção do PAA.

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

119 POTENCIAL ECONÔMICO Figura 7: Potencial Econômico - Rota de Produção 1. EP 2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ ReagentesEquação 1 EP 2 = F 3 x R$ C 2 H 4 O 3 - F 2 x R$ H 2 O 2 - R$ LogísticaEquação 2

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 (H 2 ); Excesso de H 2 O 2 ; Haverá reciclo de reagente (C 2 H 4 O);

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. ComponenteT ebulição (°C)Destino Hidrogênio- 252,8Purga Acetaldeído19,8Reciclo + Descarte Água100Produto Principal Ácido Peracético108,9Produto Principal Peróxido de Hidrogênio150,2Produto Principal

122 BALANÇO MATERIAL Figura 8: Balanço material da estrutura de entrada e saída - Rota de produção 2.

123 POTENCIAL ECONÔMICO Figura 9: Potencial Econômico - Rota de Produção 2. EP 2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ ReagentesEquação 1 EP 2 = F 5 x R$ C 2 H 4 O - F 2 x R$ H 2 O 2 - R$ LogísticaEquação 3

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 O 2 ; Haverá reciclo dos reagentes (C 2 H 4 O e O 2 );

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. ComponenteT ebulição (°C)Destino Oxigênio- 182,9Reciclo + Purga Acetaldeído19,8Reciclo + Descarte Ácido Peracético108,9Produto Principal

126 BALANÇO MATERIAL Figura 10: Balanço material da estrutura de entrada e saída - Rota de produção 3.

127 POTENCIAL ECONÔMICO Figura 11: Potencial Econômico - Rota de Produção 3. EP 2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ ReagentesEquação 1 EP 2 = F 4 x R$ C 2 H 4 O - F 2 x R$ O 2 - R$ LogísticaEquação 4

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 CH 3 COOH ao produto final;

129 DECISÃO DA ROTA DE PRODUÇÃO Viabilidade técnica das condições operacionais; EP 2 -2 e EP 2 -3 << EP 2 -1 Menor custo com a logística do processo; Alta toxicidade do C 2 H 4 O;

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 !


Carregar ppt "Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG Escola de Química e Alimentos Núcleo de Engenharia Química Prof. Renato Dutra Pereira Filho Projeto."

Apresentações semelhantes


Anúncios Google