funda o universidade federal do rio grande furg n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG PowerPoint Presentation
Download Presentation
Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 136

Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG - PowerPoint PPT Presentation


  • 185 Views
  • Uploaded on

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 ;

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG' - eddy


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
funda o universidade federal do rio grande furg

FundaçãoUniversidade Federal do Rio Grande - FURG

Escola de Química e Alimentos

Núcleo de EngenhariaQuímica

Prof. Renato Dutra Pereira Filho

Projeto de Processos Químicos: Pensando a Indústria Química.

Setembro de 2009

vis o geral da apresenta o
VisãoGeraldaApresentação
  • Definição de projeto;
  • A síntese de processosquímicos;
  • Referenciaisbibliográficosúteis;
  • Breveanálise de metodologias;
  • Pré-projetoouprospecção, hojeemdia;
  • Algunsexemplos de sítiosúteis;
  • Patentes;
  • Etapas do projeto de processos;
  • Fatores de comparação entre projetos;
  • Elementosproduzidospeloprojeto de processosquímicos;
  • Planejamento e Gerência de Projetos (Ferramentas);
  • Exemplos de projetos de processos (ano 2009);
  • ConsideraçõesFinais.
defini o de projeto
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.

caracter sticas dos projetos
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.

caracter sticas exclusivas do projeto de processos qu micos
CaracterísticasExclusivas do Projeto de ProcessosQuímicos
  • Nível de Detalhamento
    • Conceitual (25% de exatidão);
    • Preliminar (5% de exatidão);
    • Construtivo (1% de exatidão);
  • IntegraçãoRecorrenteemEquipesMultidisciplinares:
    • Químicos, Farmacêuticos, Bioquímicos
    • 
    • EngenheirosQuímicos
    • 
    • EngenheirosMecânicos, Eletricistas, Civis, Automação
imensid o qu mica
“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 qu mico na cabe a das pessoas
O ProcessoQuímiconaCabeça 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
Um enganocomum

ProcessosQuímicossãonormalmentepensadoscomo um conjunto de “operaçõesunitárias” conectadas juntas a fim de transformarmatérias-primasemprodutosúteis. Tradicionalmente, cadaoperaçãounitária era projetada e otimizadaindividualmente. Infelizmentesemprequecadaoperação é otimizada, o processo global podeestarlonge do ótimo.

vis o moderna do processo qu mico
Visão “Moderna” do ProcessoQuímico

A partir do final dadécada de 1970 (em especial devido as crises do petróleo) , maisatençãopassou a ser dada aoprojeto global do processoaoinvés das unidadesindividuais. Aoprojetar o processo de maneira global, o projetistaencaramuitosdesafios. Além de terqueescolher as váriasetapas, tambémdevedeterminar a melhorinterconexãodessasetapas. A essaatividade de determinar a estrutura do processochamamos SÍNTESE DO PROCESSO.

usos da s ntese de processos
UsosdaSíntese de Processos

A SÍNTESE do processodeve ser aplicadanosestágiosinicias de projeto e deverequererpoucainformação, pois o uso de métodosrigorosos de projetosãocaros (em tempo e dinheiro).

Os métodos e ferramentasda SÍNTESE de processospodem ser aplicadosaoprojeto de novosprocessos e a reavaliação de existentes, acarretandoredução de custosfixos e variáveis.

tributo a linhoff
Tributo a “Linhoff”

Em 1978 o estudante de DoutoradoBodoLinhoff, quetrabalhavana ICI sob a orientação do professor John Flower daUniversidade de Leeds, desenvolveu a ANÁLISE PINCH, com o intuito de otimizar as redes de trocadores de calor, parareduzir o consumoenergético (emconsequênciadacrise do petróleo). Essainiciativamudou o projeto de processosquímicos.

referenciais bibliogr ficos para projeto de processos
ReferenciaisBibliográficosparaProjeto de Processos

Conceptual Design of Chemical Processes - James Douglas  (1988) - MétodoExpedito (“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)

v rias metodologias de projeto
VáriasMetodologias de Projeto
  • ProjetoConceitual (Douglas):
    • Níveishierárquicos
  • “Onion Diagram” – Robin Smith:
slide14

Fonte: Center of Process and Material Synthesis (COMPS)

University of the Witwatersrand - Johannesburg

pr projeto ou prospec o
Pré-projetoouprospecção
  • 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
Bases de Dados Online
  • webbook.nist.gov/chemistry/
  • http://kinetics.nist.gov/
import ncia das patentes
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 qu micos
Etapas do Projeto de ProcessosQuímicos
  • 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 qu micos1
Etapas do Projeto de ProcessosQuímicos
  • 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 qu micos2
Etapas do Projeto de ProcessosQuímicos
  • 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 qu micos3
Etapas do Projeto de ProcessosQuímicos
  • 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 compara o entre alternativas de projeto
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 compara o entre alternativas de projeto1
Fatores de Comparação Entre Alternativas de Projeto
  • Matérias-primas
    • Disponibilidadeatual e futura;
    • Processamentorequerido;
    • Necessidades de armazenamento;
  • Sub-produtos e Efluentes
    • Quantidadeproduzida;
    • Valor;
    • Mercadospotenciais e usos;
    • Forma de descarte;
    • Aspectosambientais
fatores de compara o entre alternativas de projeto2
Fatores de Comparação Entre Alternativas de Projeto
  • Equipamentos
    • Disponibilidade;
    • Materiais de construção;
    • Custosiniciais;
    • Custos de manutenção e de instalação;
    • Necessidade de substituição;
  • LocalizaçãodaUnidade
    • Árearequerida;
    • Infraestruturaviária;
    • Proximidade de mercados e das fontes de matérias-primas;
    • Disponibilidade de energia, água, telecomunicações;
    • Mão de obra;
    • Clima;
    • Restriçõeslegais e taxas;
fatores de compara o entre alternativas de projeto3
Fatores de Comparação Entre Alternativas de Projeto
  • Custos
    • Matérias-primas;
    • Energia;
    • Depreciação;
    • Outrosencargosfixos;
    • Royalties (patentes);
    • ControleAmbiental;
  • Fatorestemporais
    • “Deadline” dacompletude do projeto;
    • Necessidade de desenvolvimento / aperfeiçoamento do processo;
  • Considerações de Processo
    • Disponibilidadedatecnologia;
    • Matérias-primascomuns com outrosprocessos;
    • Vocaçãodaempresa;
produtos do projeto de processos qu micos
Produtos do Projeto de ProcessosQuímicos
  • ESCOPO (FUNDAMENTAL)
  • Base de Dados das Substâncias (MSDS, FQ e TERMO)
  • PlanilhaEletrônica do Balanço Material Estrutura de Entrada/Saída
  • Análise dos Cenários
  • PlanilhaEletrônica do Balanço Material – Estrutura de Reciclo e Purga
  • Análise dos Cenários
  • PlanilhaEletrônicadaEstrutura de Separação
  • Análise dos Cenários
  • IntegraçãoEnergética (“Análise Pinch”) - redes de trocadores de calor
produtos do projeto de processos qu micos1
Produtos do Projeto de ProcessosQuímicos
  • Folhas de Especificação de Equipamentos;
  • Layout da Unidade;
  • Análise Econômica (Fluxo de Caixa do Investimento);
planejamento e ger ncia de projetos
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;
slide30

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

slide31

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.
slide32

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.

slide33

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.

slide34

Planejamento

Tabela 1 – Planejamento para o Segundo Seminário

slide35

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

slide36

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 (2)

  • - Temperatura entre 750ºC e 1000ºC.
  • Pressão ambiente.
  • Razão de H2/CO=1.
slide37

Revisão Bibliográfica

Conversão do Gás de Síntese

Síntese de Fischer-Tropsch (FT)

CO(g) + H2 (g) H2O(l) + -(CH2)- ∆Hº298K=-165kJ/mol (3)

  • - Crescimento da Cadeia Carbônica
  • FT de Baixa Temperatura
  • FT de Alta Temperatura
slide38

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.

slide39

Revisão Bibliográfica

Análise Preliminar dos Catalisadores

Formação do Gás de Síntese - SMR

Tabela 2 – Principais Catalisadores Empregados em SMR

slide40

Revisão Bibliográfica

Análise Preliminar dos Catalisadores

Formação do Gás de Síntese - DR

Tabela 3 – Principais Catalisadores Empregados em DR

slide41

Revisão Bibliográfica

Análise Preliminar dos Catalisadores

Síntese de Fischer-Tropsch - FT

Tabela 4 – Principais Catalisadores Empregados em FT

slide42

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).
slide43

Cabeçalho Aqui

Especificação de Produtos e Subprodutos

  • Diesel
  • Ponto de Fulgor (°C)
  • - Massa Específica a 20°C (kg/m3)
  • Viscosidade Cinemática (cSt)
  • - Número de Cetanos
  • Gasolina
  • Pressão de Vapor Reid (kPa)
  • - Massa Específica a 20°C (kg/m3)
  • 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.

slide44

Cabeçalho Aqui

Especificação de Produtos e Subprodutos

Diesel

Tabela 5 – Composição da Mistura Correspondente ao Diesel GTL

Tabela 6 – Comparação entre os Parâmetros Estimados para Mistura Representativa e Produtos Existentes

slide45

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

slide46

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

slide47

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

slide48

Especificação de Produtos e Subprodutos

Asfalto

Caracterização do Hidrocarboneto Tetracontano

  • Composto Hipotético
  • Método de Joback

Reid (1988).

slide49

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

slide50

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.
slide51

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.

slide52

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Tabela 11 – Tabela de Código de Destino

slide53

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

F4

H2, CO, CO2, CH4

F1

F5

H2O(vap)

Processo

Gasolina

F6

Diesel

F2

CO2

F7

Asfalto

F3

Gás Natural

F8

H2O(líq)

Figura 3 – Fluxograma de Entrada e Saída do Processo

Considerações

  • Gás natural é 100% metano.
  • A gasolina, o diesel e o asfalto são representados por uma mistura de três hidrocarbonetos.
slide54

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)
slide55

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

slide56

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.

slide57

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Equacionamento

(Equação 4)

(Equação 5)

(Equação 6)

(Equação 7)

slide58

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Equacionamento

(Equação 8)

(Equação 9)

(Equação 10)

(Equação 11)

slide59

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Graus de Liberdade

G.L. = n° de variáveis – n° de equações – n° de restrições

(Equação 12)

Variáveis = 22

Equações = 15

Restrições = 1

G.L. = 6

Cenário 1:

Zgasolina, Zasfalto, XDR, XSMR, XFT/HDC, R

Cenário 2:

Sgasolina, Sasfalto, XDR, XSMR, XFT/HDC,R

slide60

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Calcular as distribuições de produto através das variáveis de projeto inseridas.

Arbitrar uma taxa de produção em mol/h ( Pmol/h).

Início

Não

Comparar a produção real Pbpd com a calculada P’bpd:

Pbpd - P’bpd=0 ?

Converter Pmol/h para P’bpd.

Manter o valor de Pmol/h no balanço material.

Sim

Figura 4 – Algoritmo Empregado na Resolução dos BM do Cenário 2

slide61

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

EP(2)s/carbono= Valorprodutos + Valorsubprodutos + Customatérias-primas

(Equação 13)

(Equação 14)

slide62

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Análise do Potencial Econômico

Figura 5 – Efeito da Razão de Distribuição de Metano (R) no Potencial Econômico

slide63

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Análise do Potencial Econômico

Figura 6 – Efeito da Produção de Diesel no Potencial Econômico

slide64

Nível 2 – Estrutura de Entrada e Saída

Análise do Potencial Econômico

Figura 7 – Efeito da Seletividade da Gasolina no Potencial Econômico

slide65

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Sistemas de Reatores e Separação

Tabela 11 – Condições Operacionais para cada Reator

Excesso de Reagentes

Necessidade de Aquecimento/Resfriamento

slide66

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Correntes de Reciclo

- Análise tabela de códigos de destinos e condições operacionais.

Figura 9 – Fluxograma com Estruturas de Reciclo

slide67

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

slide68

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)

slide69

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)

slide70

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

slide71

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Equacionamento

- 91 Equações

- 127 Variáveis

- 6 Reciclos

- 5 Reatores

- 12 Reações Químicas

- Heurístico de Separação

slide72

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

slide73

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Reator SMR

Figura 11 – Fluxograma para o Processo SMR

slide74

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Análise do Reator SMR

Figura 12 – Efeito das Condições Operacionais - SMR

slide75

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Análise do Reator SMR

Figura 13 – Frações Molares versus Pressão - SMR

slide76

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Análise do Reator SMR

Figura 14 – Frações Molares versus Temperatura - SMR

slide77

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Reator DR

Figura 15 – Fluxograma para o Processo DR

slide78

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Análise do Reator DR

Figura 16 – Efeito das Condições Operacionais - DR

slide79

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Análise do Reator DR

Figura 17 – Frações Molares versus Pressão - DR

slide80

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Análise do Reator DR

Figura 18 – Frações Molares versus Temperatura - DR

slide81

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Reator DR

Tabela 12 – Dados do Reator FT

slide82

Nível 3 – Estrutura de Reciclo

Emprego do Simulador Hysys

- Reator DR

Figura 19 – Fluxograma para o Processo DR

slide83

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
slide84

Desenvolvimentos Futuros

  • Estruturas de Reciclo, Purga e Separação
  • Emprego de Simuladores para BM e BE
  • Refino de Dados
  • Elaboração do Projeto Detalhado
  • Terceiro Seminário
slide85

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

slide86

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.

slide87

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.

slide90

Universidade Federal do Rio GrandeEscola de Química e Alimentos Núcleo de Engenharia QuímicaPlanejamento e Projetos

GRUPO A

PRODUÇÃO DE ÁCIDO PERACÉTICO A PARTIR

DOS RESÍDUOS DA PRODUÇÃO DE CACHAÇA

Oscar William Baldin

Rafael Campos Assumpção de Amarante

Rogério Cunha Herchemann

Orientador: Prof. M.Sc. Renato Dutra Pereira Filho

Tutor: Prof. M.Sc. Henrique da Costa Bernardelli

Rio Grande, 08 de Setembro de 2009.

vis o geral da apresenta o1
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
introdu o
INTRODUÇÃO
  • Cachaça;
  • Importância da produção canavieira no RS;
  • Crescimento de produção (Zoneamento);
  • Geração de resíduos.
escopo
ESCOPO
  • Objetivo;
  • Metas:
    • 0) Definição do produto a ser produzido a partir dos resíduos;
    • Banco de dados de propriedades termodinâmicas e MSDS;
    • Definição das melhores rotas químicas;
    • Montagem de diferentes cenários;
    • Realização do BM e BE;
    • Avaliação de diferentes cenários;
    • Síntese do processo;
    • Projeto conceitual até o nível de integração energética, e preliminar;
    • Análise econômica.
planejamento
PLANEJAMENTO
  • Software MS Project 98;
  • “Conceptual Design of Chemical Processes” e “Plant Design and Economics for Chemical Engineers”;
  • Estratégia de planejamento
    • Necessidade de engenharia;
    • Criação de soluções;
    • Projeto preliminar;
    • Rentabilidade.
planejamento1
PLANEJAMENTO

Figura 1: Planejamento do segundo relatório de projeto.

processo de produ o da cacha a
PROCESSO DE PRODUÇÃO DA CACHAÇA

Figura 2: Fluxograma do processo de produção de cachaça.

res duos s lidos
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.

res duos l quidos
RESÍDUOS LÍQUIDOS

10% “Cabeça”

Operação

de

destilação

em batelada

20% “Cauda”

Vinhoto

  • Resíduos altamente poluentes;
composi o da cabe a e cauda da destila o
COMPOSIÇÃO DA “CABEÇA” E “CAUDA” DA DESTILAÇÃO

Figura 3: Diagrama do compostos presentes na “cabeça” da destilação.

“Cauda” da destilação → Ácido acético;

alternativas
ALTERNATIVAS
  • Variadas substâncias → Inúmeras alternativas;
  • Grande número de informações coletadas;
  • Organização e resumo das informações;
  • Análise e comparação entre as alternativas Critérios.
tomada de decis o
TOMADA DE DECISÃO
  • Ácido Peracético
    • Matérias-primas em maior quantidade
    • Preço de mercado
    • Reação simples → Viabilidade técnica
cido perac tico paa
ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)
  • Reação de ácido acético ou acetaldeído com peróxido de hidrogênio ou oxigênio gasoso;
cido perac tico paa1
ÁCIDO PERACÉTICO (PAA)
  • Comercializado em solução;
  • Problema de estabilização da solução;
  • Usado como desinfetante em diversos setores da indústria;
  • Propriedades importantes.
log stica do processo

LOGÍSTICA DO PROCESSO

Figura 4: Rota 1 de captação dos resíduos.

localiza o da planta

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.

an lise da log stica

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

ROTAS ALTERNATIVAS

Tabela 1 : Custos do recolhimento dos resíduos.

Fonte: Empresa RD Gerenciamento.

rota selecionada

ROTA SELECIONADA

Figura 5: Rota 2 de captação dos resíduos.

freq ncia de recolhimento

FREQÜÊNCIA DE RECOLHIMENTO

Tabela 2: Quantidade de Resíduos Recolhido na Rota 2.

Tabela 3: Custo da freqüência de recolhimento dos resíduos.

m todos de recolhimento e armazenagem

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.

n vel de produ o

NÍVEL DE PRODUÇÃO

Figura 5: Participação de Mercado no RS.

rotas de produ o de cido perac tico

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 produ o 2
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 paracomercialização do produto final.
rota de produ o 3
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 paracomercialização 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.

decis o entre processo cont nuo e batelada

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 sa da
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 sa da1
ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDA
  • Número de correntes de produto:

Tabela 4: Classificação e destino dos componentes envolvidos no processo de produção do PAA.

balan o material
BALANÇO MATERIAL

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

potencial econ mico
POTENCIAL ECONÔMICO

EP2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ Reagentes Equação 1

EP2 = F3 x R$ C2H4O3 - F2 x R$ H2O2 - R$ LogísticaEquação 2

Figura 7: Potencial Econômico - Rota de Produção 1.

rota de produ o 21
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 sa da2
ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDA
  • Número de correntes de produto:

Tabela 5: Classificação e destino dos componentes envolvidos no processo de produção do PAA.

balan o material1
BALANÇO MATERIAL

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

potencial econ mico1
POTENCIAL ECONÔMICO

EP2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ Reagentes Equação 1

EP2 = F5 x R$ C2H4O - F2 x R$ H2O2 - R$ LogísticaEquação 3

Figura 9: Potencial Econômico - Rota de Produção 2.

rota de produ o 31
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 sa da3
ESTRUTURA DE ENTRADA E SAÍDA
  • Número de correntes de produto:

Tabela 6: Classificação e destino dos componentes envolvidos no processo de produção do PAA.

balan o material2
BALANÇO MATERIAL

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

potencial econ mico2
POTENCIAL ECONÔMICO

EP2 = R$ Produtos + R$ Subprodutos - R$ Reagentes Equação 1

EP2 = F4 x R$ C2H4O - F2 x R$ O2 - R$ Logística Equação 4

Figura 11: Potencial Econômico - Rota de Produção 3.

decis o da rota de produ o
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;
decis o da rota de produ o1
DECISÃO DA ROTA DE PRODUÇÃO
  • Viabilidade técnica das condições operacionais;
  • EP2-2 e EP2-3 << EP2-1
  • Menor custo com a logística do processo;
  • Alta toxicidade do C2H4O;
estrutura do sistema de separa o
ESTRUTURA DO SISTEMA DE SEPARAÇÃO

Figura 12: Balanço material rigoroso da estrutura do sistema de separação.

conclus es preliminares
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.
desenvolvimentos futuros
DESENVOLVIMENTOS FUTUROS
  • Próximo Bimestre (Setembro, Outubro);
  • Desenvolvimento do Projeto Preliminar;
  • Dimensionamento de Equipamentos:
    • Reator;
    • Sistema de Separação (Filtro);
    • Caldeira;
slide133

MUITO OBRIGADO

PELA ATENÇÃO

ESTAMOS A DISPOSIÇÃO

PARA QUAISQUER ESCLARECIMENTOS.

considera es finais
ConsideraçõesFinais

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.

slide136

Agradeço a oportunidade, e me coloco à disposição para questionamentos.

Muito obrigado pela atenção !