Projeto Final de Uma Planta de Metanol a Partir de Reforma a Vapor

MetaSint-Projeto metanol rev0.docx

Planta Qumica para produo de metanolMeta-Sint

45/45Planta Qumica para produo de metanolMeta-Sint

Projeto de Processos Qumicos

Projeto de uma Unidade de Produo de Metanol

Autores:Guilherme Calmon Mantovanelli MonteiroLucas Possa Borges FrancoVitor de Miranda Henrique

Orientador: Prof. Dr. Luis Augusto Martins Ruotolo

SumrioO metanol uma das maiores commodities do mundo. Sua capacidade de produo e consumo anual tem crescido a taxas elevadas por causa do crescimento das aplicaes do metanol em novos processos. A aplicao do metanol na indstria brasileira tambm vem se ampliando. Entretanto o Brasil no auto-suficiente na produo do mesmo, por isso boa parte ainda importada.Os processos de produo de metanol so bastante diversificados, porm, hoje em dia, o processo mais comum utiliza gs natural como matria-prima, diferente dos antigos processos que utilizavam carvo mineral (processos muito mais dispendiosos). Deste modo utilizao de gs natural caracteriza uma tima oportunidade para o crescimento da indstria do metanol no Brasil, j que a descoberta pr-sal facilita a obteno do principal insumo desta indstria. Na escolha da capacidade produtiva de uma planta produtora de metanol, deve-se levar em considerao que quanto maior for a capacidade, menor o custo produtivo de metanol, entretanto, a maior parte das plantas produtivas no mundo e todas as brasileiras so de pequeno porte.Neste projeto buscou-se dar uma viso geral da utilizao do metanol; de fatores econmicos, como produo mundial e preo e suas evolues nos ltimos anos; da qumica e periculosidade; e dos processos produtivos existentes e em desenvolvimento. Aps essas diversas consideraes e pesquisas na literatura, escolheu-se uma rota de produo para o desenvolvimento do projeto detalhado de uma planta produtiva de metanol no Brasil. Entretanto primeiramente foi feita a simulao simplificada do processo em um software adequado, para que se pudesse ter uma estimativa dos balanos de massas e energia. Alm disso, esta primeira simulao essencial para que tenhamos uma estimativa de custo e dos tipos de equipamentos a serem utilizados no projeto. De posse das estimativas inciais obtidas nas simulaes, buscaram-se na literatura mtodos detalhados para realizar o projeto mecnico dos equipamentos mais importantes (reatores, trocadores de calor, colunas de absoro, colunas de destilaco, etc) e tubulaes presentes na planta. Ao final desta etapa, folhas de especificao (data sheets) foram montadas e estruturadas, juntamente com os desenhos tcnicos (croquis) relativos a cada equipamento.Seqencialmente foi feito o diagrama P&I para a planta projetada. Nesta etapa foram feitas as estratgias de controle para cada equipamento, levando em conta as principais variveis de processo e objetivos em cada equipamento. Na etapa final do projeto escolheu-se um local adequado para a construo da planta produtiva, contemplando aspectos como proximidade de consumidores e matria-prima. Alm disso, foram feitos os projetos de layout e vista isomtrica dos equipamentos e construes mais importantes.

ndice1.Objetivo do projeto22.Introduo23.Reviso bibliogrfica63.1.Metanol63.1.1.Propriedades, usos e histria63.1.1.Toxicidade103.2.Produo de Metanol113.2.1.Produo do Gs de Sntese123.2.1.1.Gs Natural123.2.2.Biomassa143.2.2.1.Gaseificao143.2.2.2.Processo de Hokanson e Rowell153.2.2.2.1.Purificao do gs e reao de Shift163.2.2.2.2.Processo detalhado163.2.2.3.Rotas alternativas173.2.3.Produo de Metanol183.3.Aspectos tcnico-econmicos194.Justificativas e definies224.1.Escolha do processo224.2.Capacidade de produo234.3.Limites de bateria235.Fluxograma e Balanos de Massa e Energia235.1.Descrio do Processo236.Pr-dimensionamento256.1.Introduo256.1.1.Trocadores de calor256.1.2.Tanques Flash266.1.3.Outros equipamentos277.Dimensionamento287.1.Colunas de Destilao287.1.1.Eficincia287.1.1.Pratos297.1.2.Espaamento de pratos297.1.3.Dimetro297.1.4.Arranjo dos pratos307.1.5.Dimetro dos furos317.1.6.Downcomer317.1.7.Comprimento do poo317.1.8.Altura do poo317.2.Flash317.3.Trocador de Calor317.4.Dimenses e custo348.Tempo de retorno369.Estratgia de Controle389.1.Colunas de Destilao389.1.1.Coluna Absorvedora (C1)389.1.2.Coluna C2389.1.3.Colunas C3 e C4399.2.Trocador de Calor399.2.1.Trocadores H1a, H1b, H2a, H2b, H2c, H3, H4, H5399.3.Tambores FLASH409.3.1.Controle de F1, F2, F3, F4 e F5409.4.Reatores409.4.1.R1419.4.2.R2419.5.Outras estratgias de controle4110.Localizao da Planta4211.Bibliografia45

Nomenclatura e abreviaesSiglaSignificado

ATRAutothermal Reforming

BASFBadische Anilin und Soda Fabrik

EUAEstados Unidos da Amrica

GNGs Natural

GPCGrupo Peixoto Castro

MAPAMinistrio da Agricultra Pecuria e Abastecimento

MDICMinistrio do Desenvolvimento, Indstria e Comrcio Exterior

MEOHMetanol

MHTL Methanol Holdings Trinidad Limited

MTBEMetil tert-butil ter

PetroPetrobrs

Sabic Saudi Basic Industries Corporation

SMRSteam Methane Reforming

Lista de FigurasFigura 1 - Diagrama de blocos para a produo de biodiesel utilizando metanol ou etanol[3]2Figura 2 - Produo de MTBE e outros produtos, utilizando metanol[1].3Figura 3 - Dissociados de metanol para aplicao em motores automotivos[1].3Figura 4. Importao do metanol pelo Brasil 1998-2009[4].4Figura 5 - Produo e origem do metanol utilizado no Brasil[4].5Figura 6 - Origens do metanol utilizado no Brasil[4].5Figura 7 - Estrutura molecular do metanol.6Figura 8 Reator utilizado para a produo de gs de gua utilizando carvo, BASF.8Figura 9 - Reatores de baixa presso utilizados para a sntese de metanol.9Figura 10 - Diagrama de Hommel para o metanol [9].10Figura 11. Possveis matrias-primas para produo de Metanol11Figura 12. Produo de Metanol a partir do gs natural[13]12Figura 13. Reator esfrico usado pela empresa Cape Horn Methanol[1].13Figura 14. Spiral-Wound Reactor usado pela empresa alem BASF [1].13Figura 15. Produo de Metanol a partir de Biomassa.14Figura 16. Processos na gaseificao.15Figura 17. Produo de metanol a partir da biomassa17Figura 18. Diagrama de blocos da produo Metanol18Figura 19. Altura do tanque flash relativa ao dimetro Dv.26Figura 20. Interface do software ASPEN com o mdulo de estimativa de custos ativado27Figura 21. Correlao utilizada para o clculo da eficincia global dos pratos de colunas de destilao28Figura 22. Eficincia de pratos para colunas de absoro29Figura 23. Critrio de escolha para o arranjo de pratos30Figura 24. Determinao da localizao dos fluidos32Figura 25. Input de dados das correntes fria e quente33Figura 26. Definio das propriedades e mtodos de predio de propriedades do Aspen Properties33Figura 27. Definio do mtodo de predio de propriedades33Figura 28. Determinao da composio das correntes34Figura 29. Estratgia de Controle Feedforward42Figura 30. Localizao dos gasodutos no Brasil2443

Lista de QuadrosQuadro 1. Aplicaes do metanol para produes de outros produtos[1].4Quadro 2. Derivados diretos do metanol e seus principais usos[1].7Quadro 3. Matrias primas, catalisadores e processos de produo de metanol [1].9Quadro 4 - Eventos histricos relacionados ao metanol [1].9Quadro 5 - Valores de tolerncia estimada para vapores metanol de acordo com o tempo de exposio[10].10Quadro 6. Composio da sada do reator17Quadro 7. As 20 maiores plantas de metanol no mundo.20Quadro 8. Classificao das unidades existentes no mundo em funo da sua capacidade instalada.21Quadro 9. Classificao dos novos projetos existentes no mundo em funo da sua capacidade instalada22Quadro 10. Estatsticas bsicas das plantas e projetos de construo de plantas de Metanol no mundo22

Planta Qumica para produo de metanolMeta-Sint

MetaSint-Projeto metanol rev4.docxLista de TabelasTabela 1. Dimensionamento dos tambores flash36Tabela 2. Dimensionamento dos trocadores de calor36Tabela 3. Dimensionamento das colunas de destilao36Tabela 4. Dimensionamento de compressores, turbinas e bombas36Tabela 5. Dimensionamento da coluna de absoro36Tabela 6. Dimensionamento dos reatores37Tabela 7. Custo dos equipamentos37Tabela 8. Cenrios de clculo do tempo de retorno38

Objetivo do projetoO objetivo deste texto apresentar o projeto de uma planta qumica de produo de metanol no Brasil visando atender a demanda do mercado brasileiro.IntroduoO metanol uma das maiores comodities em volume do mundo, e sua capacidade de produo tm aumentado a cada ano[1]. O consumo anual tem crescido a taxas elevadas, e o motivo pode ser atribudo ao crescimento das aplicaes do metanol em novos processos, como por exemplo, a fabricao de biodiesel, ou mesmo pela ampliao da produo de produtos que utilizam metanol, como por exemplo, as resinas termofixas[2]. A Figura 1 exemplifica o processo de produo de biodiesel, que dos principais responsveis pelo crescimento da produo de biodiesel no Brasil e no mundo.

Figura 1 - Diagrama de blocos para a produo de biodiesel utilizando metanol ou etanol[3]Nos EUA, um dos grandes motivos do crescimento e grande produo de metanol, a aplicao do mesmo na produo do metil tert-butil ter (MTBE), que atualmente usado como aditivo na gasolina (elevador de octanagem). A Figura 2 esquematicamente o processo produtivo utilizado para se obter MTBE a partir de metanol.

Figura 2 - Produo de MTBE e outros produtos, utilizando metanol[1].

O metanol apontado como um dos mais promissores substitutos dos combustveis fsseis[1], j que o mesmo pode ser dissociado e transformado em hidrognio (Figura 3) ou mesmo aplicado diretamente no motor[4]. A Figura 3 mostra um diagrama de blocos da aplicao do metanol em um motor que utiliza a reao de reforma como fonte de energia.

Figura 3 - Dissociados de metanol para aplicao em motores automotivos[1].

Apesar de muitas aplicaes serem para fins energticos, o metanol tem um importante papel na sntese de produtos orgnicos, pois serve como insumo para a sntese desses produtos. As principais reaes e produtos obtidos utilizando o metanol so mostrados no Quadro 1. O principal deles o formaldedo que possui grande aplicao na indstria de resinas, assim como o prprio metanol.No Brasil, grande parte do metanol utilizado ainda importada, j que a produo nacional no supre a demanda deste produto. Estima-se que ao final de 2010 a utilizao seja prxima de 600 mil toneladas, sendo que a produo nacional no supera 300 mil ton/ano[2,3]. A Figura 4 mostra que uma grande quantidade do metanol utilizado no Brasil provm de importaes. Ela tambm mostra uma tendncia ao aumento do preo do metanol importado.

Quadro 1. Aplicaes do metanol para produes de outros produtos[1].MecanismoReaoOutros ReagentesProduto

Quebra de ligaes O-HEsterificaocido acticoAcetato de metila

FosgnioCarbonato de dimetila

cido TereftlicoTereftalato de dimetila

AdioAcetonaCetal

IsobutenoMetil terc-butil eter

Deslocamento de grupos hidroxilaHalogenaoHClCloreto de metila

CarbonilaoCOcido actico

Desidratao-Dimetil ter

AmoniliseNH3Metilaminas

Quebra de ligaes C-H e O-HDesidrogenao oxidativaO2Formaldedo

Dissociao-CO e H2

Figura 4. Importao do metanol pelo Brasil 1998-2009[4].

Podemos ver pela Figura 5 que o Brasil tem grande dependncia do metanol importado. Alm disso, a produo nacional monopolizada por um nico grupo empresarial, Grupo Peixoto Castro[2], que detm controle das duas plantas existentes, a Cosenor, que possui participao da Petrobras, e a Prosint. A Figura 6 mostra as origens do metanol importado pelo Brasil e a porcentagem correspondente a cada pas importador.

Figura 5 - Produo e origem do metanol utilizado no Brasil[4].

Figura 6 - Origens do metanol utilizado no Brasil[4]. Em suma, o mercado de metanol muito promissor, j que este produto possui diversas aplicaes, sendo a indstria de resinas a maior consumidora deste material[2,4]. Entretanto, boa parte desse produto importada a preos cada vez maiores. Por isso a implantao de uma nova planta qumica de produo de metanol no Brasil caracteriza em uma boa oportunidade de investimento.Reviso bibliogrfica1.1. Metanol1.1.1. Propriedades, usos e histriaO metanol, ou lcool metlico, um lcool simples composto por um tomo de carbono trs hidrognios e um grupo hidroxila. Sua frmula estrutural e estrutura tridimensional so mostradas na Figura 7. A frmula molecular do metanol CH3OH e sua massa molar 32,04g/mol. Este lcool um lquido incolor e inflamvel que possui um odor caracterstico a temperatura ambiente[5].

Figura 7 - Estrutura molecular do metanol.Descoberto no sc. XVII, o metanol hoje uma das matrias mais consumidas da indstria qumica e um importante solvente industrial[5]. Esta substncia muito verstil, por isso utilizada de diversas formas tais como[6]:i. Matria-prima para a fabricao de polmeros de resinas (resinas termofixas, polister). ii. Solvente para extrao de substancias orgnicas, como vitaminas e hormnios, para fins farmacolgicos (cristalizao). iii. Insumo para a fabricao de biodiesel por meio da transesterificao de leos vegetais e animais. iv. Como combustvel automotivo utilizado principalmente em monopostos do EUA (ex: Champ Car e Dragster). v. Extrator de sais ou remoo de impurezas cidas contidas em leos vegetais. vi. Anticongelante para motores de aviao. Inibidor de hidratos, etc.O Quadro 2 mostra os derivados primrios e secundrios do metanol, ilustrando a versatilidade de seus usos. Atualmente o metanol obtido industrialmente pela reao feita a altas presses e temperaturas com o gs de sntese, composto por monxido de carbono (CO) e gs hidrognio (H2) em uma razo 1:2. Entretanto, a produo do metanol, que tambm chamado de lcool da madeira, surgiu inicialmente com a destilao destrutiva da madeira em 1830[7].

Quadro 2. Derivados diretos do metanol e seus principais usos[1].Usos e derivados primriosUsos e derivados secundrios

Combustveis ou aditivos para combustveis

Metanol combustvel puro

Metanol misturado com gasolina

MTBEOxigenados da gasolina

TAMEOxigenados da gasolina

Metanol para gasolina

Qumicos

FormaldedoResinas de ureia-formaldedo

Resinas fenlicas

Qumicos do acetileno

Resinas poliacetais

Metil diisocianato

cido acticoAcetato de vinila

Anidrido actico

Acetato de etila

Solventes para cido tereftlico

Chloromethanes

Cloreto de metilaSolventes orgnicos para remoo de tinta

Cloreto de metilenoAplicao em solventes para limpeza

Agente auxiliar de aspero

ClorofrmioRefrigerante

Metacrilato de metilaFolha de acrlico

Compostos de extruso e molde

Resinas de revestimento

Dimetil tereftalatoPoliester

Metil aminasExplosivos

O processo de fabricao de metanol por destilao destrutiva da madeira permaneceu em uso durante cerca de um sculo at que, a empresa alem BASF construiu a primeira planta qumica de produo de metanol sinttico utilizando gs de gua (ou gs de sntese; mistura de monxido de carbono com hidrognio) em 1923. A Figura 8 mostra o esquema de um reator utilizado para a produo do gs de sntese a partir de carvo. Logo aps a inveno deste processo, a empresa americana DuPont implantou a primeira unidade qumica de produo de metanol no EUA dando continuidade nova tendncia[1]. Em meados de 1940 o metano obtido do gs natural tornou-se uma nova fonte de produo de gs de sntese. O Quadro 3 mostra diversas reaes utilizadas na produo do gs de sntese e de metanol relacionando-as com as respectivas matrias-primas. A produo de gs de sntese e at de metanol diretamente do gs natural podem ser identificadas nesse quadro. Elas so a reforma a vapor, a reforma auto-trmica, a oxidao parcial e a oxidao direta.

Figura 8 Reator utilizado para a produo de gs de gua utilizando carvo, BASF.Quadro 3. Matrias primas, catalisadores e processos de produo de metanol [1].

O Quadro 4 sumariza os marcos histricos na produo mundial do metanol. Um dos mais importantes foi o anncio, em 1966, do primeiro processo de produo de metanol utilizando reatores de baixa presso (ICI, empresa britnica produtora de metanol). Este processo foi um grande avano para a indstria do metanol, pois em comparao ao processo antigo (presso de operao acima de 345 atm), despendia muito menos energia, j que opera a presses mais baixas (50 atm a 100 atm)[1]. A Figura 9 mostra os principais tipos de reatores de baixa presso utilizados na indstria.Quadro 4 - Eventos histricos relacionados ao metanol [1].AnoEvento

1830Primeiro processo de produo de metanol utilizando a destilao destrutiva da madeira

1905Rota sinttica de produo de metanol sugerida pelo qumico Paul Sabatier

1923Primeira planta de produo de metanol sinttico feita pela BASF

1927Introduo do processo produtivo do metanol no EUA (DuPont)

1940Utilizao do gs natural como nova fonte de obteno de gs de sntese

1966Inveno do processo a baixas presses anunciado pela ICI

1970Produo de cido actico por carbonizao do metanol introduzido pela Monsanto

1973Embargo do petrleo pelos pases rabes

1976Processo "methanol-to-gasoline" introduzido pela Mobil

Figura 9 - Reatores de baixa presso utilizados para a sntese de metanol. 1. ToxicidadeO metanol um composto relativamente perigoso, pois possui propriedades narcticas peculiares, sendo tambm irritante para mucosas [5]. O diagrama de Hommel do metanol, mostrado na Figura 10, caracteriza o metanol como extremamente txico, reativamente estvel e altamente inflamvel. O metanol age principalmente no sistema nervoso central, e pode danificar os nervos pticos e a retina, podendo levar a cegueira. Este efeito geralmente atribudo neurite ptica seguida de atrofia do nervo ptico [8].

Figura 10 - Diagrama de Hommel para o metanol [9].Devido lentido com que eliminado do corpo, o metanol pode ser considerado um veneno. Uma vez presente na corrente sangunea, pode formar produtos como formaldedo e cido frmico que tambm so txicos. Quando ingerido grandes quantidades pode induzir coma por 2 a 4 dias, e se ingerido em quantidades suficientes (25 ml a 100 ml) pode levar a morte[8].Quando a exposio ao metanol continua, o pequeno acmulo dirio pode levar a srios danos a sade. O Quadro 5 mostra o tempo de exposio fatal para diversas concentraes de metanol no ar.Quadro 5 - Valores de tolerncia estimada para vapores metanol de acordo com o tempo de exposio[10].

Em casos de exposies severas, o metanol pode causar vertigem, fadiga, desmaios e paradas respiratria e cardaca. Para exposies menos intensas, os efeitos mais comuns so: nusea, turvao da vista, fadiga, fraqueza, dores de cabea e leses na vista. Sendo as leses na vista de carter temporrio ou definitivo, dependendo do grau de exposio[5,8]. 1.2. Produo de MetanolAtualmente a maioria dos processos de produo de metanol baseada no gs de sntese, obtido do gs natural, como matria-prima. Os principais processos utilizados na produo do gs de sntese so a reforma auto-trmica (ATR - Autothermal Reforming) ou uma combinao desta com reforma a vapor ou pirlise do metano (SMR- Steam Methane Reforming) chamada de reforma combinada. O metanol pode ser obtido a partir de diversas fontes de carbono, que aqui sero classificadas em trs grandes grupos: as fontes de uso tradicional (Petrleo e GN), as fontes de uso tradicional (carvo) e as fontes em desenvolvimento. A Figura 11 exemplifica as matrias-primas utilizadas para a produo de metanol, assim como algumas aplicaes qumicas e energticas do metanol.

Figura 11. Possveis matrias-primas para produo de MetanolAtualmente as matrias-primas utilizadas ou consideradas viveis para sua produo so carvo, petrleo, gs natural ou biomassa. O metano do gs natural utilizado em 90% dos processos instalados. Os atuais maiores produtores utilizam de preferncia matria-prima chamada stranded, que aquela proveniente de jazidas demasiadamente distantes dos mercados consumidores e/ou sem condies econmicas de explorao, pelas formas convencionais. Isso sugere que o custo do gs natural para produo de metanol, e para os usos de converso qumica em geral, no pode estar nos nveis dos preos de mercado do gs para usos energticos. As plantas industriais so ento instaladas prximas s reas de extrao [11].1.2.1. Produo do Gs de Sntese1.2.1.1. Gs NaturalO gs natural uma mistura de hidrocarbonetos leves, que temperatura ambiente e presso atmosfrica, permanece no estado gasoso. um gs inodoro e incolor, no txico e mais leve que o ar. Sua distribuio feita atravs de uma rede de tubos e de maneira segura, pois no necessita de estocagem de combustvel e por ser mais leve do que o ar, se dispersa rapidamente na atmosfera em caso de vazamento. uma energia de origem fssil, resultado da decomposio da matria orgnica fssil no interior da Terra, encontrado acumulado em rochas porosas no subsolo, freqentemente acompanhado por petrleo, constituindo um reservatrio. A composio do gs natural pode variar bastante, predominando o gs metano, principal componente, etano, propano, butano e outros gases em menores propores. Apresenta baixos teores de dixido de carbono, compostos de enxofre, gua e contaminantes, como nitrognio [12]. A produo do gs de sntese envolve a preparao do gs natural e a gerao do gs de sntese pela reforma a vapor.Um fluxograma do processo de produo do gs de sntese a partir do gs natural mostrado na Figura 12.

Figura 12. Produo de Metanol a partir do gs natural[13]No processo proposto na Figura 12, o gs natural previamente tratado em um tanque de hidrogenao com a finalidade de converter quaisquer compostos de enxofre em H2S. Uma pequena quantidade de hidrognio, que pode ser reciclada da corrente de produtos, utilizada nesse passo. O gs natural misturado com hidrognio (1) e aquecido (2) temperatura tima de reao. O H2S ento removido em um reator com catalisador suportado de ZnO (3). Aps o tratamento, o gs natural juntamente com uma corrente de vapor de 2,6MPa (4) so aquecidos (5) e alimentados no reformador (6). A reao de reforma endotrmica e os reagentes passam por pequenos tubos recheados com catalisadores a base de nquel e aquecidos a altas temperaturas por contato direto com chama. Um reator subseqente oxida parcialmente metano residual a gs de sntese (7)[14]. Existem alguns tipos de reatores utilizados na reao de reforma (Figura 13 e Figura 14), por isso pequenas mudanas no layout podem existir devido a algumas peculiaridades. Entretanto, de maneira geral, o processo basicamente o mesmo [1].

Figura 13. Reator esfrico usado pela empresa Cape Horn Methanol[1].

Figura 14. Spiral-Wound Reactor usado pela empresa alem BASF [1].1.2.2. BiomassaA produo de metanol atravs da converso de madeira para gs de sntese j foi e ainda examinada em diversos pases. Em termos de converso de carbono para metanol, a madeira consideravelmente menos eficiente comparada ao gs natural. Qualquer material rico em carbono, como carvo, resduo agrcola ou alguns tipos de lixo podem ser utilizados para produo de metanol. Porm, essas matrias exigem uma srie de processos adicionais que reduzem mais ainda a eficincia energtica do processo.A etapa inicial da gaseificao para produo de gs de sntese a partir de madeira gera uma mistura de CO e H2 deficiente em hidrognio, para atingir a razo de e molculas de hidrognio para uma molcula de monxido de carbono parte do monxido de carbono reagido com vapor de gua para gerar mais hidrognio segundo a Equao 1. (1)O Dixido de Carbono gerado ento removido da corrente do processo e descartado.Aproximadamente, 50% do carbono na madeira que entra no processo e descartado para atmosfera, isso siguinifica que 50% de todo o trabalho de plantio e transporte para produo de madeira desperdiado. Cerca de 2,25 kg de gs natural requerido para produzir 4 litros de metanol, em oposto aos 9 kg de madeira seca necessria para produo da mesma quantidade de metanol.1.2.2.1. GaseificaoExistem vrios processos na literatura para produo de metanol a partir da madeira, mas todos exigem a etapa de gaseificao, esses diferentes processos exigem diferentes condies de operaes. Trs possveis rotas de produo so ilustradas na Figura 15.

Figura 15. Produo de Metanol a partir de Biomassa.Gaseificao um processo termo-qumico, onde calor converte a biomassa em gs inflamvel, esse processo mostrado na Figura 16.

Figura 16. Processos na gaseificao.As quatro etapas do processo de gaseificao ocorrem nas seguintes condies:i. Secagem: Utiliza o calor (normalmente fornecido pela queima de parte da madeira), gua evapora da madeira.ii. Pirlise: Acima de 270C (calor normalmente fornecido pela queima de parte da madeira) a estrutura qumica da madeira se decompe. Carvo vegetal e gases semelhantes aos de petrleo so criados. iii. Combusto (oxidao): Acontece com uma quantidade controlada/limitada de ar.a. Parte do carbono oxidado para formar dixido de carbono,b. Hidrognio oxidado para formar gua,c. Grande quantidade de calor liberado (temperaturas superiores a 1400C)iv. Reduo: Necessita de uma grande quantidade de calor (fornecida pela etapa anterior)a. Carbono reage com CO2 e o converte a monxido de carbono,b. Carbono reage com H2O roubando o oxignio e produzindo monxido de carbono e hidrognio,c. Uma parte do carbono tambm reage com hidrognio produzindo metano, e parte do monxido de carbono reage com hidrognio formando metano e gua.1.2.2.2. Processo de Hokanson e RowellA primeira etapa do processo a gaseificao, nesta etapa a madeira carregada no topo do reator, uma corrente de ar e vapor de gua alimentada prxima a base do reator. A reao ocorre em etapas, e a cada etapa a temperatura do reator ajustada. Ao trmino da reao as cinzas so descarregadas no fundo do reator.A composio de sada do reator normalmente constituda pelas fraes mostradas no Quadro 6.Quadro 6. Composio da sada do reatorMaterialFrao Molar

Hidrognio18,00%

Monxido de Carbono22,80%

Dixido de Carbono9,20%

Metano2,50%

Hidrocarbonetos0,90%

Oxignio0,50%

Nitrognio45,80%

1.2.2.2.1. Purificao do gs e reao de ShiftO gs de sada purificado para eliminar todos os componentes que no hidrognio e o monxido de carbono. Essa mistura ento reagida para converter parte do CO em H2 para que a mistura final tenha a proporo de 2 molculas de hidrognio para uma de monxido de carbono. Nesta reao molculas adicionais de dixido de carbono so geradas e precisam ser removidas antes da sntese de metanol.1.2.2.2.2. Processo detalhadoAps o reator o gs passa por um lavador (2) refrigerando o gs at cerca de 32C e removendo o alcatro e cidos.O gs ento comprimido a cerca de 100 psig (3) e depois tratado em 2 estgios para remover o dixido de carbono. No primeiro estgio (4), uma soluo quente de carbonato de potssio reduz a quantidade de dixido de carbono para cerca de 300 ppm. No segundo estgio (5), monoetanoamina (MEA) utilizado para reduzir a quantidade de CO2 para cerca de 50 ppm.O gs passa ento por um sistema criognico (6), o qual remove o dixido de carbono adicional juntamente com o vapor de gua, o metano e outros hidrocarbonetos e tambm o nitrognio.O gs purificado uma mistura de hidrognio (44%) e monxido de carbono (56%), e requer um processo adicional para produzir um gs com a razo necessria para produo de metanol.Seguindo a purificao criognica, o gs comprimido (7) para 400 psig para a reao de shift. Parte do monxido de carbono reage com vapor de gua na presena de catalisador para formar mais hidrognio (8) para que o gs de sada contenha razo de 2 para 1 de H2 e CO.Como a reao de shift tambm produz CO2, necessrio que o gs volte a passar por um sistema de absoro contendo carbonato de potssio (9).

Figura 17. Produo de metanol a partir da biomassa1.2.2.3. Rotas alternativasEarl(1978) descreve um processo em que oxignio utilizado no lugar do ar na etapa de gaseificao. Isso requer uma planta de separao de ar no comeo do processo, mas elimina a separao criognica descrita por Hokanson e Rowell.Mundo e Wehner (1979) sugerem que a planta de produo seja localizada perto de uma hidroeltrica, isso traria grandes vantagens. Oxignio e Hidrognio podem ser separados pela hidrlise da gua e podem ser utilizados respectivamente na gaseificao e no ajuste da razo de H2/CO2 na produo do syngas ao invs de utilizar a reao de shift. Alm disso, o transporte da madeira poderia ser fluvial, diminuindo o custo de transporte.Osler (1979) reporta uma produo de metanol no Canada, comparando o processo simples de gaseificao da madeira com um processo hibrido que utiliza hidrognio ou metano. Para produzir 1 tonelada de metanol, necessita de ou 2,33 toneladas de madeira ou 0,9 toneladas de madeira e 0,12 toneladas de hidrognio ou ainda 0,4 tolenadas de madeira e 867 metros cbicos de gs natural.Rooker (1980) detalha que a produo de metanol no Brasil a partir da madeira de eucalipto, para produo de 2000 toneladas por dia de metanol, requeriria um investimento de 275 milhes de dlares.Haider (1989) aborda a produo de metanol, incluindo termidinamica, catalise e cintica, bem como descrio dos processos de baixa, mdia e alta presso para converter gs de sntese em metanol.1.2.3. Produo de MetanolO gs de sntese comprimido e entra num reator, na presena de catalisador, para produzir metanol. O efluente do reator contm ainda 18% de gua, metano, etanol, alcois pesados, cetonas e teres, separados por processo de destilao, que consiste em uma primeira unidade para remover os leves, e uma segunda que remove gua e alcois pesados. O gs de sntese no reagido reciclado para o reator, resultando numa eficincia de converso de 99%. O diagrama de blocos da produo de metanol apresentado na Figura 18.

Figura 18. Diagrama de blocos da produo MetanolTodos os processos de produo de metanol utilizam catalisadores base de cobre que possuem alta seletividade (aproximadamente 99,5%). Existem duas rotas: uma em fase gasosa, que domina o mercado, e outra em fase lquida, introduzida recentemente pela Air Products. ICI, atual Syntex, e a Lurgi so os maiores detentores de tecnologias em fase gasosa utilizadas no mundo. O reator constitudo por um leito fixo, com tubos aquecidos cheios de catalisador[11].1.3. Aspectos tcnico-econmicosA demanda mundial de metanol foi de aproximadamente 38 milhes de toneladas em 2007, e dever continuar com seu crescimento histrico de 4,5% ao ano. A Methanex o principal fornecedor com aproximadamente 19% do mercado, seguida de longe pela MHTL (Methanol Holdings Trinidad Limited) e Sabic (Saudi Basic Industries Corporation), que tm 8,5% e 7,5% respectivamente.O desenvolvimento das tecnologias e de suas interfaces o principal desafio exigido ao sistema baseado em metanol. A busca pelo tamanho de escala eficiente s ser possvel quando houver uma melhor definio quanto aos seus usos, principalmente na rea energtica, que contribuir com maior demanda. Desde os anos 1960, a indstria vem se tornando cada vez mais competitiva e o preo (interferido por oferta, procura e custos de produo, entre outros) e a qualidade regulam cada um dos inmeros mercados. As empresas buscam diminuir os custos de produo e vo na direo da escolha da matria-prima e na obteno de economias de escala.A economia de escala das plantas de metanol tende a seguir a regra de Williams ou regra dos 2/3, comum nas indstrias de processos qumicos. Segundo essa regra, os investimentos aumentam proporcionalmente em relao s escalas das plantas segundo um fator de escala da ordem de 0,6. Portanto, se uma planta para 100 ton custa 1000, uma de 200 ton custar por volta de 1500 que 25% menor que os 2000 que seriam gastos se fossem construdas duas plantas, isto ganho em escala e diminuio de custo de produo.i) Existem 182 plantas de metanol instaladas atualmente no mundo, com capacidade produtiva total de 54.734 mil ton/ano. As 20 maiores so listadas no Quadro 7. As plantas com maiores capacidades se encontram localizadas principalmente em Trinidad e Tobago, Iran, Chile e Arbia Saudita, o que torna estes pases potenciais locais para a produo mundial de metanol, pois possuem disponibilidade de gs natural, matria-prima utilizada em todas essas plantas.ii) Exceo deve ser feita ao Chile, onde as quatro unidades da Methanex dependem 60% do gs natural oriundo da Argentina, que devido a sua crise energtica em 2007, cortou o suprimento para esta indstria. O desabastecimento foi suprido pela praticamente concomitante entrada em operao das unidades em Trinidad e Tobago e Iran. Conforme o Quadro 7, observa-se que das 20 maiores unidades, 13 entraram em operao nos ltimos 10 anos, mostrando a tendncia do crescimento das escalas de produo do metanol.As atuais 182 plantas foram divididas por faixas de capacidade de produo, e so apresentadas no Quadro 8.Visando facilitar a compreenso do papel da escala na economia do metanol foi feita a seguinte classificao, baseada na capacidade de produo de cada unidade:iii) Megaplantas: assim chamadas, por possurem capacidades produtivas superiores a 1500 mil ton/ano;iv) Plantas grandes: 1500 500 mil ton/ano v) Plantas pequenas: Abaixo de 500 mil ton/anoQuadro 7. As 20 maiores plantas de metanol no mundo.

Quadro 8. Classificao das unidades existentes no mundo em funo da sua capacidade instalada.

O Quadro 8 mostra a distribuio das plantas segundo a classificao proposta, mantendo as faixas de capacidades, para sua melhor visualizao. Observa-se que das megaplantas, apenas 1,7% do nmero total de unidades detm 9,4% da capacidade de produo mundial de metanol, enquanto 76,1% delas, sua grande maioria, as pequenas plantas, so capazes de produzir somente 36,7% da capacidade produtiva. Observa-se interferncia das grandes escalas na produo de metanol, assim como a flexibilidade das capacidades produtivas. Listam-se 130 novos projetos de plantas de metanol (ICIS, 2008). Selecionaram-se para anlise apenas os que esto em estgio de engenharia bsica ou de construo, resultando numa amostra de 37 projetos. A maioria destes projetos est localizada na China, Ir, Malsia, Arbia Saudita e Egito. Posteriormente, foram classificados usando a mesmo critrio adotado no Quadro 8, e agrupadas no Quadro 9. Observa-se uma crescente evoluo do papel escala, pois as megaplantas com apenas seis unidades, vo contribuir com 39% de aumento da capacidade mundial de produo de metanol.Quadro 9. Classificao dos novos projetos existentes no mundo em funo da sua capacidade instalada

A escala mdia mundial atual (capacidade de produo total/n unidades) est na ordem de 301 mil ton/ano enquanto nos novos projetos de 710 mil ton/ano, outro dado que aponta a tendncia de crescimento das escalas. No Quadro 10 so apresentadas as medianas das capacidades das plantas atuais e dos novos projetos mundiais, conforme previamente selecionados, assim como os respectivos quartis.Quadro 10. Estatsticas bsicas das plantas e projetos de construo de plantas de Metanol no mundo

A escala da metade das maiores plantas instaladas, est compreendida entre 165 mil ton/ano e 1700 mil ton/ano. A anlise dos projetos para construo de novas plantas mostra um fato que chama a ateno. A mediana, quartil 1 e quartil 3, apresentam capacidades muito superiores nos projetos, o que parece indicar que a tendncia atual de construo de plantas maiores do que as em operao. Apesar da tendncia ao aumento das escalas, observa-se a partir do Quadro 9, que quando se olha o nmero de unidades em projeto ou construo, h ampla maioria em unidades pequenas e mdias. Isso demonstra a flexibilidade de capacidade produtiva na produo do metanol. Pode-se optar por plantas pequenas e grandes, para suprimento da demanda de regies prximas, como o caso da China, ou megaplantas, para o suprimento da demanda mundial, como em Trinidad e Ir. O metanol uma commodity, portanto qualquer retrao de sua demanda em determinada regio ou em funo de aplicao especfica, provocar excedente, que poder ser facilmente alocado em outra regio ou uso, que esteja com aumento de consumo. possvel ainda ajustar o tamanho da jazida escala, o que propiciar um aumento na flexibilidade do sistema proposto. Na Europa e nos EUA, a construo de novas unidades praticamente no ocorreu a partir dos anos 1980. Os investimentos em metanol passaram a ser feitos na Amrica Central e do Sul, Oriente Mdio e sia, em megaplantas, acima de 1000 mil ton/ano, pois nestas regies h grande disponibilidade de gs natural a baixo custo. A China, por outro lado, tem optado por construir um maior nmero de plantas com capacidades na faixa de 400 a 600 mil ton/ano, objetivando o abastecimento regional, e sua matria-prima o carvo [11].Justificativas e definies1.4. Escolha do processoDiante dos inmeros processos apresentados, constatou-se que a produo de metanol via biomassa, apesar de ser uma proposta sustentvel, no economicamente vivel, pois apresenta rendimentos muito inferiores produo a partir do gs natural. Isso faz com que o custo de produo do metanol por essa rota no seja competitiva no mercado Brasileiro (apesar dos recentes avanos na tecnologia de pirlise de biomassa). Vale pena salientar que toda produo brasileira de metanol utiliza o gs natural como matria-prima (Cosenor e Prosint, ambas pertencentes ao Grupo Peixoto Castro).A descoberta de potenciais novas jazidas de combustveis fsseis, com o pr-sal, compe um fator adicional na direo da escolha do gs natural como matria-prima de nosso processo.Portanto escolheu-se a rota de produo de metanol a partir do gs natural.1.5. Capacidade de produoEstima-se que a utilizao de metanol no Brasil em 2011 ser superior a 600 mil ton/ano[2]. Alm disso, o mercado de resinas, principal utilizador de metanol no Brasil, apresenta demanda crescente de metanol com taxas de crescimento entre 30% e 40% nos prximos dois anos [20]. Atualmente no Brasil so produzidos cerca de 300 mil ton/ano de metanol, ou seja, 300 mil ton/ano de metanol ainda so importadas. Sabemos ainda que quanto maior a capacidade produtiva da planta, menor ser o preo de produo do metanol, j que existe um custo fixo embutido nas utilidades presentes na planta [1].Levando em conta as estimativas de produo de metanol em 2011, a demanda crescente de metanol como insuma na indstria de resinas e a quantidade de metanol importado no Brasil, decidiu-se por projetar uma planta qumica para a produo de metanol com uma capacidade produtiva (capacidade instalada) de 200 mil ton/ano, buscando competir com o metanol importado e substitu-lo por um nacional.1.6. Limites de bateriaO processo de produo de metanol escolhido envolve, alm do projeto dos principais processos, o projeto de diversas utilidades, trocadores de calor, compressores e purificadores. Tendo em vista os objetivos da disciplina de projetos e de sua carga horria, decidiu-se prezar pelo projeto dos principais componentes do processo, envolvendo o reator de reforma, o reator de sntese de metanol e o processo de purificao do metanol (colunas de destilao). Considerou-se a pr-existencia da etapa de desulfurizao e das utilidades necessrias. Compressores e trocadores de calor sero projetados de maneira simplificada (mtodos shortcut).Fluxograma e Balanos de Massa e EnergiaO fluxograma e os balanos de massa e energia do processo escolhido so apresentados no Anexo 1.1.7. Descrio do ProcessoA corrente de alimentao (1) est a 110C e 20 atm e composta por metano, etano, propano, nitrognio e sulfeto de hidrognio. Ela passa pelo absorvedor [1], para retirar o sulfeto de hidrognio na corrente (4), a fim de evitar o envenenamento dos catalisadores. A corrente (3) composta por soluo de hidrxido de sdio e utilizada para absorver o sulfeto de hidrognio no absorvedor.A corrente gasosa de sada do absorvedor (2) misturada com uma corrente de vapor de gua (5) a 20 atm e uma temperatura a cerca de 524C. A corrente de mistura (6) aquecida a 537C no trocador de calor [2]. A corrente aquecida (7) alimenta o reator de reforma a vapor [3] que converte os hidrocarbonetos e a gua em monxido de carbono, dixido de carbono e hidrognio (gs de sntese). Como a reao endotrmica, o reator deve ser aquecido para favorecer a converso dos reagentes. O reator opera a uma presso de 20atm e temperatura de 915C. Nestas condies, as converses de metano, etano e propano so, respectivamente, 84,4%, 100% e 100% em mol.A corrente de sada do reator de reforma (8) passa por uma seo de separao composta de trocadores de calor e colunas de destilao. Essa seo tem por objetivo retirar o excesso de gua do processo, com a finalidade de aumentar a eficincia da reao de produo de metanol no reator de sntese de metanol [12], pois desloca o equilbrio da reao no sentido da formao de metanol. A corrente (8) resfriada no trocador de calor [4] a 124C. Uma parte da gua separada no tambor flash [5]. Sua corrente gasosa (10) resfriada a 90C no trocador de calor [6]. A corrente resfriada (12) alimentada no tambor flash [7]. A corrente gasosa de sada de [7], com nmero de identificao (13), alimenta o tambor flash [8]. A corrente gasosa de sada (15) do tambor flash [8] alimenta o ltimo tambor flash desta seo [9].A corrente de gs de sntese desidratada (17) comprimida em uma srie de compressores com trs estgios [10] para atingir a presso de operao do reator de sntese de metanol [12]. O processo de compresso, alm de aumentar a presso, retira mais gua da corrente (17). O gs de sntese , ento, aquecido temperatura de entrada do reator de sntese de metanol [12], 243C, no trocador de calor [11] e misturado com a corrente de refluxo (29) antes de entrar no reator, na corrente [23].O reator de sntese de metanol converte grande parte do gs de sntese em metanol e o restante em gua, butanol, dimetil ter e acetona. A reao exotrmica e o reator opera a uma presso de 102 atm e temperatura de 270C. A corrente de sada do reator (24) contm 27% de metanol, 37% de gs hidrognio, 16% de metano, 3% de nitrognio, 6% de gua, 6% de gs carbnico, 5% de monxido de carbono e traos de butanol, acetona e dimetil ter, em massa.A corrente de sada do reator passa por um processo de separao, onde grande parte do gs hidrognio no convertido separado e volta para o reator na corrente de refluxo. Esse processo de separao utiliza o trocador de calor [13] que resfria a corrente (24) a 105C. Um tambor flash subseqente [14] retira 95% em massa do gs hidrognio, na corrente (26). Uma parte de (26) retirada numa corrente de purga (28) e a outra parte a corrente de reciclo do reator.A corrente lquida de sada do tambor flash (27), rica em metanol, passa por um processo de purificao, que utiliza 3 colunas de destilao. Para tal, (27) despressurizada em uma turbina [15] a 8,5atm e aquecida a 55C em um trocador de calor [16]. A primeira coluna [17] retira pelo topo (32) boa parte dos gases volteis (metano, CO2 e CO). As demais colunas [19 e 20] retiram principalmente gua pelas correntes (36) e (38). A corrente de topo da terceira coluna (37) contm 99,9% em massa de metanol, que segue para o armazenamento.Pr-dimensionamento1.8. IntroduoNeste trabalho, o pr dimensionamento dos principais equipamentos foi feito de duas formas diferentes, utilizando o software ASPEN ICARUS e livros de projetos de equipamento[21,22,23].1.8.1. Trocadores de calorEspecificamente para o dimensionamento dos trocadores de calor, foi utilizado o Sieder et. al. (2003) como principal referncia. O mtodo adotado por estes autores utiliza vrios parmetros para determinar o tamanho e custo do equipamento. Dentre os mais importantes esto: o calor trocado (Q, kJ/h), o coeficiente global de troca de calor (U) e a presso interna do equipamento (P) e rea de troca (A) [22,23]. Utilizando os valores do calor trocado, uma estimativa de U e a mdia logartmica das temperaturas (MLDT) pode-se calcular a rea de troca do equipamento utilizado (equao 2). (2)Sieder et. al. (2003) apresenta a equao 3, que utilizada para estimar o custo (US$) do trocador de calor baseado no tipo de material utilizado (FM), comprimento do trocador (FL), presso interna (FP) e rea de troca (CB). (3)Sendo que estes fatores podem ser calculados de acordo com as equaes 4, 5, 6 e 7. (4)Os parmetros a e b variam de acordo com o material escolhido, e o termo A deve ser dado em ps quadrados (ft2). Para o ao carbono estes valores so iguais a zero. (5)Sendo L o comprimento do trocador em ps (ft). (6)O valor de P deve ser dado em psi. (7)Sendo que o termo Adado em ft2 (equao vlida para trocadores tipo U).1.8.2. Tanques FlashDe acordo com Towler e Sinnott (2008) a estimativa do tamanho de um tanque flash, deve seguir certas regras heursticas utilizadas na indstria. Assim, primeiramente temos que determinar a velocidade de entrada do gs dentro do flash (ut) equao 8. (8)As densidades () do lquido e do vapor devem ser dadas em kg/m3, e o valor de ut obtido em m/s.Para calcular o dimetro do tanque (Dv), utilizamos outra equao heurstica apresentada por Towler e Sinnott (2008) equao 9. (9)O termo Qv representa o a vazo volumtrica de vapor presente na corrente de sada do tanque flash (m3/s).Tendo estes valores, pode-se estimar a altura que corresponde a presena de vapor no flash (Figura 19).

Figura 19. Altura do tanque flash relativa ao dimetro Dv.Para calcular o volume de lquido, e conseqentemente a altura relativa ao mesmo, devemos utilizar a suposio que o liquido dever permanecer no mximo dez minutos (10min ou 600s) dentro do tanque. Assim podemos fazer o clculo do volume lquido pela equao 10. (10)Sendo que o termo QL representa a vazo volumtrica do lquido presente no tanque (m3/s), o termo VL representa o volume relativo ao lquido. Assim podemos calcular o volume total do flash equao 11. (11) Para estimativas de custos, calculamos a massa de material utilizado na construo tanque e seu preo de mercado. Para esta determinao utilizamos dados de presso interna do flash e resistncia do material. Maiores informaes podem ser obtidas em um livro de projetos mecnicos, ou em livros de design de engenharia (Towler e Sinnott, 2008).1.8.3. Outros equipamentosNo presente trabalho a estimativa dos demais equipamentos foi feita utilizando o software ASPEN ICARUS. Este software utiliza algoritmos prprios pra estimar a dimenso e custo dos equipamentos baseando-se em modelos (blocos) definidos pelo usurio (Figura 20).

Figura 20. Interface do software ASPEN com o mdulo de estimativa de custos ativadoOs equipamentos dimensionados no ASPEN ICARUS foram: 3 Colunas de Destilao 1 Coluna de Absoro 1 Compressor Multiestgio 2 Reatores 1 Turbina 1 Bomba centrfuga 1 Tanque de armazenamentoDimensionamento1.9. Colunas de DestilaoDe acordo com Towler e Sinnott (2008) o projeto de colunas de certo modo ainda nebuloso, pois as correlaes existentes na literatura no apresentam bons resultados para qualquer tipo de projeto. Os autores aconselham que sempre que possivel, o projeto de uma coluna deve se basear em dados experimentais ou em um projeto j existente.Um importante parmetro para o dimensionamento de colunas de destilao a eficincia dos pratos, pois para processos reais a suposio de idealidade (equilbrio de fases em cada prato) no pode ser assumida. Sendo assim diversas estimativas estimativas podem ser encontras na literatura para estimar estimar as eficincias de cada prato. 1.9.1. EficinciaTowler e Sinnott (2008) apresentam diversas correlaes para o clculo de eficincias. Entretanto, as correlaes apresentadas so apenas estimativas grosseiras para o valor real.

Uma rpida estimativa da eficincia global da coluna pode ser obtida a partir da correlaodada por O'Connell (1946), que mostrado na Figura 21. A correlao apresentada para o clculo da eficincia global relaciona o produto da volatilidade relativa (a) (componente leve , light key, em relao ao componente pesado, heavy key) e a viscosidade mdia molar (a) da alimentao, estimada na temperatura mdia da coluna. A correlao foi baseada principalmente em dados obtidos com os sistemas de hidrocarbonetos, mas inclui alguns valores de cloro solventes e misturas lcool-gua. O mtodo no leva em em conta os parmetros de design da placa e inclui apenas duas propriedades fsicas variveis.

Figura 21. Correlao utilizada para o clculo da eficincia global dos pratos de colunas de destilaoA correlao de O'Connell (1946) tambm pode ser apresentada em forma de equao 12.

(12)

a=viscosidade molar mdia [cP]a=viscosidade relativa do componente leve em relao ao pesado [-]

O'Connell (1946) tambm estipulou uma correlao (Figura 22) para colunas de absoro. A correlao aprensetada estipula a eficincia em funo das constantes de Henry para componentes (equao 13)

(13)Onde = densidade do solvente [kg/m3]H = constante de Henry no SIM = peso molecular do solvente [g/mol]P = presso total do sistema [N/m2]

Figura 22. Eficincia de pratos para colunas de absoro9. Pratos9. Espaamento de pratosPara o clculo do espaamento dos pratos existem diversar correlaes heursticas, entretanto, de acordo com Towler e Sinnott (2008) adotam-se valores entre 0,15 m e 1,2m. Para pratos que contm alimentao ou qualquer outro tipo de parte mecnica, estas distncias podem ser maiores. 9. DimetroO dimetro de uma coluna de ser estimado a partir de certas condies que devem ser estabelecidas. Sendo assim, o limite superior para a velocidade do vapor do fluido no deve ultrapassar a velocidade de inundao (uf). De acordo com Fair (1961), normalmente o valor adotado para a velocidade nos pratos deve ser em torno de 70% a 95% da velocidade de inundao (equao 14). (14)

Ondeuf = velocidade de inundao [m/s]l= densidade da fase lquida [kg/m3]l= densidade da fase vapor [kg/m3]K1= parmetro relativo ao fluxo de lquido-vapor, obtido em Towler e Sinnott (2008)9. Arranjo dos pratosO arranjo de pratos depender exclusivamente do tipo de lquido e vapor presente na coluna e o diametro das mesmas. De acordo com Towler e Sinnott (2008) pode-se utilizar a Figura 23 para se basear no critrio de escolha.

Figura 23. Critrio de escolha para o arranjo de pratos

O limite inferior da faixa de operao ocorre quando o derramamento de lquido atravs do prato (placa) se torna excessivo. Isso conhecido como o ponto de weep. A velocidade do vapor no ponto de weep o valor mnimo para o qual a operao estvel. A rea do furo deve ser escolhida de modo que o menor fluxo de vapor ainda muito maior do que a vazo para o ponto de weep. Vrias correlaes tm sido propostas para predizer a velocidade do vapor no ponto de weep. Uma correlao simples (equao 15) apresentada por Eduljee (1959).

(15)

uw = velocidade de weep [m/s]dh = dimetro dos furos [mm]K2 = constante relativa ao fluxo do lquido-vapor, obtida em Towler e Sinnott (2008).9. Dimetro dos furosDe acordo com Towler e Sinnott (2008) o dimetro dos furos dos pratos dependem da espeura e material utilizado na construo. Normalmente os valores utilizados variam entre 3 mm e 7 mm.

9. DowncomerPara o downcomer, necessrio especificar a rea ocupada. Este valor est geralmente entre 7 % e 12 % da rea total dos pratos. Como estimativa inicial adota-se o valor de 10% como padro. Caso as propriedades variem muito ao longo da coluna, os valores utilizados devem ser reavaliados a cada estgio.9. Comprimento do pooO comprimento do poo equivalente a distncia do corte do downcomer e a parede da coluna. Os valores utilizados para o clculo da altura do poo so geralmente obtidos regras heursticas, entretanto utiliza-se normalmente como estimativa 80 % do dimetro da coluna.

9. Altura do pooTowler e Sinnott (2008) a altura do poo determina o volume de lquido no prato, e um fator importante na determinao da eficincia dos pratos. A alta altura de poo ir aumentar a eficincia da placa, mas custa de uma maior perda de carga. Para colunas operando acima da presso atmosfrica, a altura de poo estar normalmente entre 40 mm e 90 mm. Para a operao de vcuo, menores alturas de poo so usadas para reduzir a presso; 20 mm a 50 mm.

1.10. FlashParas os tanques flash, no foram feitas alteraes, j que o dimensionamento feito anteriormente j possui o grau de detalhamento requerido.1.11. Trocador de CalorO dimensionamento e especificao dos trocadores de calor, inclusive refervedores e condensadores, foram realizados utilizando o software Aspen Exchanger Design & Rating.Este software testa automaticamente diversas configuraes de trocadores at definir a configurao mais adequada e define como resultados a geometria e as especificaes de construo dos trocadores calculados. Ele utiliza o mtodo Bell Delaware (otimizao hidrulica) para o dimensionamento dos trocadores, designando a menor e mais simples configurao possvel como resultado.Os parmetros obrigatrios de entrada do software so divididos em duas sees: Problem Definition (definio do problema) e Property Data (propriedades fsicas).Na definio do problema devem-se especificar as seguintes condies das correntes disponveis para a troca de calor: Fluido Principal: deve ser especificada a vazo, temperaturas de sada e de entrada, presso de operao e lado de passagem (casco ou tubos); Fluido Secundrio (utilidade): devem ser especificadas as temperaturas de entrada e sada.Na definio das propriedades fsicas existem algumas opes de obteno das propriedades, que podem ser definidas pelo usurio ou importadas de outras fontes. A opo utilizada foi a importao dos dados de propriedades do prprio Aspen Plus . Nesta seo tambm deve ser escolhido o mtodo de predio das propriedades fsicas. No caso deste projeto utilizou-se o mtodo NRTL-RK para as correntes principais e o mtodo STEAM-TA para o vapor de aquecimento e gua de resfriamento.Os campos de preenchimento dos dados necessrios esto indicados nas Figura 24, 25, 26, 27, 28.

Figura 24. Determinao da localizao dos fluidos

Figura 25. Input de dados das correntes fria e quente

Figura 26. Definio das propriedades e mtodos de predio de propriedades do Aspen Properties

Figura 27. Definio do mtodo de predio de propriedades

Figura 28. Determinao da composio das correntesAps estas definies obrigatrias o software realiza os clculos e define o trocador mais adequado em detalhes. Os Data Sheets e croquis dos trocadores de calor esto localizados nos Apndices.1.12. Dimenses e custoOs valores estimados so mostrados nas tabelas dessa seo. Tabela 1. Dimensionamento dos tambores flashN do EquipamentoVolume total (m3)

F19,22

F26,90

F35,82

F45,17

F516,22

Tabela 2. Dimensionamento dos trocadores de calorN do EquipamentoA (m2)

H1a350,2

H1b411,8

H2a28,4

H2b29,4

H2c80,7

H355,6

H436,9

H577,6

H618,4

Tabela 3. Dimensionamento das colunas de destilaoN do EquipamentoN de PratosTaxa de Refluxo (kg/h)Energia Refervedor (MW)Energia Condensador (MW)

C25183777,0329,08-27,50

C33510088,8710,94-9,93

C465360644,42114,82-116,20

Tabela 4. Dimensionamento de compressores, turbinas e bombasN do EquipamentoTipoPotncia Requerida (MW)

K1Compressor7,68

B1Turbina-0,06

B2Bomba0,01

Tabela 5. Dimensionamento da coluna de absoroN do EquipamentoVolume total (m3)

C12,40

Tabela 6. Dimensionamento dos reatoresN do EquipamentoVolume total (m3)

R15,00

R226,40

A partir dos dados do pr-dimensionamento, pode-se estimar os custos de cada equipamento, esses custos so mostrados na Tabela 7. O custo total dos equipamentos de US$ 14.588.277,67. O custo fixo, calculado pelo ASPEN ICARUS, que a soma dos custos das utilidades, custos da matria prima e custos de manuteno, foi de US$ 25.000.000,00. A renda obtida com a venda do produto, utilizando uma mdia do preo do metanol nos ltimos 5 anos de US$ 80.000.000,00.

Tabela 7. Custo dos equipamentosEquipamentoCusto (US$)

Bomba 4.159,70

Coluna de Destilao 1 2.056.200,00



Compressor 672.776,00

Reator de Reforma 1.350.000,00

Reator de Sntese 421.000,00

Tanque de Armazenamento 689.325,93

Tanque Flash 1 28.510,86





Trocador de Calor 1 230.473,91






Tempo de retornoPode-se calcular uma estimativa do tempo mdio de retorno de investimento da planta a partir de informaes como preo mdio do produto, quantidade produzida, estimativa do preo de implantao do projeto e custos fixos atribudos a manuteno e matrias primas. O tempo mdio de retorno de investimento expresso pela equao 16. (16)Onde:CAE = Custo total de implantao P = Renda obtida com a venda do produtoCOS = Custo de manuteno da plantaI = InflaoUsualmente 2

Projeto Final de Uma Planta de Metanol a Partir de Reforma a Vapor

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