Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais

1. 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

2. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Necessidade de fontes de energia alternativas Biocombustíveis, Porquê? • Crise do petróleo; • Menor dependência energética; • Problemas ambientais; • Compromissos internacionais e Directivas comunitárias. • 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

3. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • 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)

4. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais O processo da UOP/ENI foi escolhido devido a: Processos de Produção de green diesel • Maior rendimento e conversão no produto final; • Menor desactivação possível dos catalisadores; • Menor consumo de H2.

5. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais EcofiningTM Hidrodesoxigenação: Isomerização: Descarboxilação: Green dieselvs. Petro diesel

6. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Principais Concorrentes: • Biodiesel - FAME 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 800 000 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.

7. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Flowsheet do processo

8. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Zona de Reacção • Função do Equipamento: • Misturador M-201 – Mistura os óleos vegetais com o Hidrogénio; • Misturador M-202 - 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)

9. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Zona de Separação Separação do green diesel e produtos secundários • Função do Equipamento: • Separador SGL-301 - 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-302 - 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.

10. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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

11. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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; Balanços de Massa e Entálpicos • Efectuados no Aspen Plus 2006.5., 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

12. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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

13. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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. Esquema Reaccional no Reactor R-201:

14. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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;

15. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Folha de Balanço de Massa e Entálpico ao Reactor R-201

16. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Reactor R-202 • Reacções Presentes: • Isomerização de n-C18H38 • n -C18H38 + H2→ i -C18H38 • Cracking Catalítico • n-C18 H38 + 2 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;

17. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

18. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Folha de Balanço de Massa e Entálpico ao Reactor R-202

19. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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

20. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Esquema de controlo do Reactor R-201 • Variáveis a controlar: • Temperatura; • Pressão do fluido refrigerante; • Caudal (tempo de residência).

21. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

22. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

23. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • 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;

24. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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

25. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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:

26. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

27. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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

28. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

29. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 4ªParte – Cálculo do caudal necessário de Fluído refrigerante Balanço de energia ao permutador de calor: (do lado do fluido refrigerante)

30. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

31. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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%.

32. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Resultados do dimensionamento do reactor R-201

33. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

34. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • 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

35. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • Cálculo da Perda de Carga → ∆P Equação de Carman-Kozeny para leitos porosos onde Sendo que a parcela corresponde ao factor de atrito

36. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Resultados do dimensionamento do reactor R-202

37. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

38. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • Pseudo-Componentes (Aspen Hysis) • Fracção Molar da corrente de alimentação (Aspen Hysis)

39. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • Características da alimentação Composição obtida no Aspen Hysis

40. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • Especificações da coluna de destilação

41. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • Resultados Obtidos após simulação Condensador Re-ebulidor

42. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • Dimensionamento Prato Perfurado

43. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais • Dimensionamento

44. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Resultados do dimensionamento da Coluna de Destilação CD-301

45. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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

46. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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.

47. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Esquema do Layout e respectivas áreas Escala 1:1000 1mm=1m

48. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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?

49. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais 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

50. Projecto de Engenharia Química II Isomerização de Óleos Vegetais Estimativa do Investimento – Capital Fixo Custos Directos Fixos