Fundação Universidade Federal do Rio Grande - FURG

1. 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

2. 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.

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. 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

6. “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.

7. 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)

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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)

13. VáriasMetodologias de Projeto • ProjetoConceitual (Douglas): • Níveishierárquicos • “Onion Diagram” – Robin Smith:

14. Fonte: Center of Process and Material Synthesis (COMPS) University of the Witwatersrand - Johannesburg

15. 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 !

16. Bases de Dados Online • webbook.nist.gov/chemistry/ • http://kinetics.nist.gov/

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) www.freepatentsonline.com www.google.com/patents pesquisa.inpi.gov.br/

18. 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)

19. 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.

20. 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);

21. 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);

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. 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

24. 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;

25. 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;

26. 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

27. Produtos do Projeto de ProcessosQuímicos • 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 ProcessoQuímicodesenvolvidona 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

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

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) 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.

37. 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

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 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

41. Revisão Bibliográfica Análise Preliminar dos Catalisadores Síntese de Fischer-Tropsch - FT Tabela 4 – Principais Catalisadores Empregados em FT

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/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.

44. 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

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

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

50. 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.