Estudo da Produção de Cumeno na Refinaria de
Matosinhos
António Manuel Cravo Branco Pires Dias
Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em
Engenharia Química
Orientadores:
Prof. João Bordado
Eng. Renato Fernandes
Júri
Prof. Sebastião Alves (Presidente)
Eng. Renato Fernandes
Prof. Carlos Henriques
Maio de 2020
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i
Agradecimentos
Ao professor João Bordado, que não só me deu a oportunidade de realizar este trabalho,
como esteve sempre presente e disponível para me aconselhar e guiar neste precurso. Fico-lhe
imensamente grato por ter confiado em mim para aceitar o desafio que me foi feito de ir para o
Porto realizar o estágio.
Ao eng. Renato Fernandes, que me acompanhou durante o estágio na Refinaria de
Matosinhos e teve sempre tempo para me ajudar com todas as dúvidas e obstáculos que
apareceram. Não só se preocupou com a evolução do meu trabalho, como fez questão que de
me envolver noutros trabalhos e experiências, que me permitiram aprender muito mais fora do
trabalho que realizei.
Ao eng. Hugo Carabineiro, agradeço pela ajuda durante o processo de preparação do
estágio, e apesar de não ter estado presente em Matosinhos, fez sempre questão de saber como
estava a ser a evolução da tese.
Aos meus pais e à minha irmã, que me apoiaram imenso durante estes anos, e que me
ajudaram a conseguir alcançar os meus objetivos. Agradeço-lhes por terem acreditado sempre
em mim.
Aos meus tios, com quem vivi durante o estágio em Matosinhos, com toda a sua
paciência e amabilidade. Fui muito bem recebido por eles e ajudaram a tornar a experiência
ainda mais memorável. Agradeço-lhes imenso pela hospitalidade com que me acolheram.
A todos os meus amigos e colegas, que se mantiveram em contacto comigo enquanto
estive um pouco mais longe que o habitual, pelos conselhos e pelo apoio que me deram.
Por fim, à Cristiana, que me deu todas as forças e todo o apoio possível e imaginável,
esteve sempre presente quando eu mais precisei, lidou com os meus melhores e piores
momentos, sem nunca desistir de mim. Foi ela que me manteve focado nos periodos mais
difíceis, e que me inspirou para concluir o meu trabalho. Não queria outra pessoa ao meu lado
neste precurso, e por isso devo-lhe tudo pelo apoio que me deu.
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ii
Abreviaturas
Abreviações Descrição
∆Cp Variação de capacidade calorífica na reação (kJ/mol.ºC)
∆h Altura adicional (m)
∆Hentrada Entalpia à entrada do reator (kJ/h)
∆HR Entalpia de reação (kJ/mol)
∆Hsaida Entalpia à saída do reator (kJ/h)
∆P Perda de carga no leito (Pa;bar)
∆T Diferença entre temperatura de entrada e saída do leito do reator (ºC)
∆Tln Diferença logarítmica de temperaturas (ºC)
µcaixa Viscosidade da corrente do lado da caixa (Pa.s)
µ Viscosidade do fluído (Pa.s)
µw Viscosidade da água (Pa.s)
A Área de transferência de calor (m2)
a Área específica da partícula (m-1)
Ap Área superficial da partícula (m2)
BE Break-even Point
BPA Bisfenol A
Ca Concentração de propileno (mol/L)
Cb Concentração de benzeno (mol/L)
CEPCI Chemical Engineering Plant Cost Index
CF Cash-Flow(s)
COVID-19 Coronavírus
Cpmistura Capacidade calorífica da mistura (kJ/mol.ºC)
Cpprodutos Capacidade calorífica dos produtos (kJ/mol.ºC)
Cpreagentes Capacidade calorífica dos reagentes (kJ/mol.ºC)
D Diâmetro do tanque/esfera (m)
D Capital Alheio
Db Diâmetro de feixe dos tubos (m)
deq Diâmetro equivalente do lado da caixa (m)
deq Diâmetro equivalente da partícula (m)
di Diâmetro interior dos tubos (m)
DIPB Di-isopropilbenzeno
do Diâmetro exterior dos tubos (m)
Ds Diâmetro da caixa do ebulidor (m)
dt Diâmetro do tubo do leito catalítico (m)
E Capital Próprio
EMDE’s Mercados Emergentes e Economias em Desenvolvimento
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iii
f’ Fator de atrito
Fa,0 Caudal molar de entrada do reagente limitante (kmol/h)
FAR Fábrica de Matosinhos
FCC Fluid Catalytic Cracking
fm Fator de correção do coeficiente parcial do lado da caixa
Fs,total Caudal molar à saída do leito (kmol/h)
g Aceleração gravítica (m2/s)
GPL Gás de Petróleo Liquefeito
h2 Carga de vapor através do prato (m)
h3 Altura de líquido na conduta descendente (m)
Hcoluna Altura da coluna (m)
hD Perda de carga seca (m)
hG Carga de líquido na entrada no prato (m)
hi Coeficiente parcial de transferência de calor do lado dos tubos (W/m2.ºC)
hl Cargas de líquido nos pratos (m)
hL Perda de carga devido à altura de líquido (m)
ho Coeficiente parcial de transferência de calor do lado da caixa (W/m2.ºC)
ho’ Coeficiente parcial do lado da caixa corrigido (W/m2.ºC)
htot Perda de carga do líquido na conduta descendente (m)
htot,mist Perdas de carga totais ajustadas à mistura (m)
hw Cargas de líquido nos pratos (m)
hσ Perda de carga associada à tensão superficial
IMO Organização Marítima Internacional
IR Índice de Rentabilidade
IRP Impostos sobre o Rendimento do Período
jH Fator de transferência de calor do lado da caixa
k Condutividade térmica da corrente do lado da caixa (W/m.ºC)
K1 Parâmetro com base na disposição dos tubos e nº de passagens
KA Ketone Alcohol
Ka Constante de adsorção de propileno
Kb Constante para pitch triangular
kL Condutividade
ko’ Constante de velocidade (h-1)
kw Condutividade térmica dos tubos (W/m.ºC)
Lacumulador Comprimento do acumulador (m)
l Espessura dos pratos (m)
Ltubos Comprimento dos tubos (m)
Lleito Comprimento do leito (m)
lb Espaçamento entre chicanas (m)
mcatalisador Massa de catalisador necessária (kg)
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iv
MMA Metil Metacrilato
MTO Methanol to Olefins
N1 Parâmetro com base na disposição dos tubos e nº de passagens
Nb Número de chicanas
NCI Índice de Complexidade de Nelson
nformato Quantidade de produto formado (mol/h)
npassagens Número de passagens do lado dos tubos
Npratos Número de pratos
NPSH Net Pump Suction Head
NR Fator de correção associado ao escoamento
ntubos Número de tubos
OPP On-purpose Propene
P Pressão da mistura (bar)
PB Payback Period (Período de Retorno)
Pc Pressão crítica da mistura (bar)
PIB Produto Interno Bruto
PIPB Poli-isopropilbenzeno
PMMA Polimetil Metacrilato
Prcaixa Número de Prantl para o lado da caixa
PT Pitch (m)
q Calor transferido (W)
qc Fluxo de calor no ebulidor (W/m2)
qcb Fluxo de calor para o feixe de tubos (W/m2.ºC)
Qm,total Caudal mássico total da corrente (kg/h)
Qreação Calor de reação (kJ/h)
Qtrocado Calor trocado no reator (kJ/h)
Qv Caudal Volumétrico (m3/dia)
Qv,tubos Caudal volumétrico da corrente nos tubos (m3/s)
ra Velocidade de reação (mol/h.kg)
rD Custos de Capital Alheio
Re’ Número de Reynolds modificado para leitos porosos
Recaixa Número de Reynolds para o lado da caixa
Ri’’ Índice de sujidade do lado dos tubos (m2.ºC/W)
rK Custo de Capital Próprio
RLP Resultados Líquido do Período
RM Refinaria de Matosinhos
Ro’’ Índice de sujidade do lado da caixa (m2.ºC/W)
RS Refinaria de Sines
SPA Ácido Fosfórico Sólido
t Tempo de residência (dias)
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v
tpratos Espaçamento entre pratos (m)
T Temperatura de reação (ºC)
Tbi Temperatura da corrente líquida que entra no ebulidor (ºC)
Tbo Temperatura da mistura de vapor à saída do ebulidor (ºC)
TIPB Tri-isopropilbenzeno
TIR Taxa Interna de Rentabilidade
Tmédia Temperatura média da corrente nos tubos (ºC)
TPS Transportation Planning System
U Coeficiente global de transferência de calor (W/m2.ºC)
u Velocidade superficial do fluído (m/s)
utubos Velocidade da corrente nos tubos (m/s)
uv Velocidade do vapor na caixa (m/s)
Vacumulador Volume do acumulador (m3)
VAL Valor Atual Líquido
Vcabeças Volume das cabeças toristéricas (m3)
Vesfera Volume da esfera (m3)
Vp Volume da partícula (m3)
Vreator Volume do reator (m3)
Vreator,sobredim. Volume do reator sobredimensionado (m3)
VRI Valor Residual do Investimento
Vtanque Volume do tanque (m3)
WACC Custo Médio Ponderado do Capital
Wc Caudal mássico do condensado (kg/s)
WHSV Weight Hourly Space Velocity (h-1)
z Nível de líquido proveniente da coluna (m)
Γh Fator associado à quantidade de condensado a circular
ε Porosidade do leito catalítico
λ Calor latente da mistura J/kg
ρcatalisador Densidade do catalisador (kg/m3)
ρG Densidade do gás a circular nos tubos (kg/m3)
ρL Densidade do líquido a circular nos tubos (kg/m3)
ρl Densidade do fluído (kg/m3)
ρmist Densidade da mistura
σ Tensão superficial (N/m)
φ Espaço livre entre nível de líquido proveniente da coluna e Ds (m)
φ Esfericidade
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Conteúdos
Agradecimentos ............................................................................................................................. i
Abreviaturas ................................................................................................................................... ii
Conteúdos ..................................................................................................................................... vi
Índice de Figuras ........................................................................................................................... ix
Índice de Tabelas .......................................................................................................................... x
1. Resumo ................................................................................................................................ xii
2. Abstract ............................................................................................................................... xiii
3. Introdução .............................................................................................................................. 1
3.1. Introdução e Enquadramento .................................................................................... 1
4. O Produto .............................................................................................................................. 5
5. Análise de Mercado ............................................................................................................. 12
5.1. Indústria: Panorama global e tendências ................................................................ 12
5.2. Matérias Primas ....................................................................................................... 13
Benzeno................................................................................................................... 13
Propileno.................................................................................................................. 15
5.3. Produtos e Derivados .............................................................................................. 16
Fenol ........................................................................................................................ 16
Acetona .................................................................................................................... 18
Cumeno ................................................................................................................... 20
6. O Processo .......................................................................................................................... 22
7. Dimensionamento do Equipamento .................................................................................... 31
7.1. Tanques e Esferas de armazenamento .................................................................. 31
7.2. Acumuladores de balanço e de refluxo ................................................................... 32
7.3. Colunas de destilação ............................................................................................. 33
7.4. Equipamentos de transferência de calor ................................................................. 36
7.4.1. Permutadores de caixa e tubos ........................................................................... 36
7.4.2. Condensadores ................................................................................................... 39
7.4.3. Ebulidores ............................................................................................................ 40
7.5. Reatores .................................................................................................................. 43
7.5.1. Reator de Alquilação ............................................................................................... 43
7.5.2. Reator de Transalquilação ...................................................................................... 49
8. Integração de Equipamentos .............................................................................................. 52
8.1.1. D-0403: Acumulador dos Produtos de Topo da T-0401 ......................................... 53
8.1.2. D-0301: Acumulador de Refinado ........................................................................... 54
8.1.3. D-0302: Acumulador do Produto de Topo da T-0303 ............................................. 55
8.1.4. D-0303: Acumulador de Mistura da Alimentação de Extrato .................................. 56
8.2.1. T-0306: Coluna de Extrato ...................................................................................... 57
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8.3.1. E-0308 B .................................................................................................................. 58
8.3.2. E-0403 A .................................................................................................................. 59
8.4.1. TK-6101 A/B/C/D/E: Esferas de Armazenamento de Propano ............................... 59
8.4.2. TK-0811 e TK-0812: Tanques de Armazenamento de Benzeno ............................ 60
8.4.3. TK-0819 A/B: Tanque de Armazenamento de Para-Xileno (Teste) ........................ 61
8.4.4. TK-0817: Tanque de Armazenamento de Para-Xileno ........................................... 62
8.4.5. TK-0822: Tanque de Armazenamento de Para-Xileno ........................................... 63
9. Análise Económica .............................................................................................................. 65
9.1. Preço de matéria prima e de produtos .................................................................... 66
9.1.1. Matérias Primas ................................................................................................... 66
9.1.2. Produtos .............................................................................................................. 66
9.2. Análise Económica para o Projeto de Raiz ............................................................. 66
9.2.1. Estimativa de Investimento Total ............................................................................ 66
9.2.1.1. Capital Fixo .......................................................................................................... 67
9.2.1.1.1. Custos Diretos ..................................................................................................... 67
9.2.1.1.2. Custos Indiretos ................................................................................................... 69
9.2.1.2. Capital Circulante ................................................................................................ 70
9.2.2. Custos de produção ................................................................................................ 72
9.2.3. Demonstração de Resultados ................................................................................. 75
9.2.4. Cash Flow Provisional ............................................................................................. 76
9.3. Comparação entre Projeto de Raiz e Projeto com Integração de equipamentos ... 77
9.4. Critérios de Rentabilidade ....................................................................................... 79
9.4.1. Valor Atual Líquido (VAL) .................................................................................... 79
9.4.2. Taxa Interna de Rentabilidade (TIR) ................................................................... 79
9.4.3. Prazo de Retorno de Investimento ou Payback Period (PB) .............................. 80
9.4.4. Índice de Rentabilidade do Projeto (IR) .............................................................. 80
9.4.5. Break-Even Point (BE) ........................................................................................ 80
10. Troubleshooting ............................................................................................................... 82
10.1. Armazenamento de propileno ................................................................................. 82
11. Conclusão ........................................................................................................................ 84
12. Referências ..................................................................................................................... 87
13. Anexos ............................................................................................................................. 93
13.1. Anexos A – Dados de Dimensionamento ............................................................... 93
13.1.1. Anexo A1 – Dimensionamento dos tanques e esferas de armazenamento ....... 93
13.1.2. Anexo A2 – Dimensionamento dos acumuladores de balanço e refluxo ............ 93
13.1.3. Anexo A3 – Dimensionamento das colunas de destilação ................................. 94
13.1.4. Anexo A4 – Dimensionamento dos permutadores de caixa e tubos .................. 94
13.1.5. Anexo A5 – Dimensionamento dos condensadores ........................................... 95
13.1.6. Anexo A6 – Dimensionamento dos ebulidores ................................................... 96
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viii
13.1.7. Anexo A7 – Dimensionamento das bombas centrífugas do processo ................ 96
13.1.8. Anexo A8 – Dimensionamento dos reatores de alquilação e transalquilação .... 97
13.2. Anexos B – Dados da Análise Económica .............................................................. 97
13.2.1. Anexo B1– Percentagem de cada tipo de equipamento no Custo de
Equipamento Base .............................................................................................................. 97
13.2.2. Anexo B2– Tabelas de Cash-flows para projeto com integração de equipamento.
98
13.3. Anexos C – Esferas de Armazenamento: Cumprimento de Distâncias para
instalação de novas esferas de armazenamento .................................................................... 99
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Índice de Figuras
Figura 1: Cadeia de valor do Cumeno, desde o Petróleo até aos produtos finais ........................ 9
Figura 2: Consumo de benzeno, por produto (2020)[44] – Consumo global de Benzeno: 53 433
kton.[45] ................................................................................................................................................................................................................... 14
Figura 3: Consumo de benzeno, por região (2018)[44] Consumo global de Benzeno: 53 433
kton.[45] ................................................................................................................................................................................................................... 14
Figura 4: Consumo de propileno, por produto (2015)[46]. Consumo global de Propileno: 106 000
kton.[47] ................................................................................................................................................................................................................... 15
Figura 5: Consumo de propileno, por região (2019).[48] Consumo global de Propileno: 106 000
kton.[47] ................................................................................................................................................................................................................... 16
Figura 6: Consumo de fenol, por produto (2015)[51]. Consumo global de Fenol: 56 200 kton.[52]17
Figura 7: Consumo de fenol, por região (2017). [49] Consumo global de Fenol: 56 200 kton. [52] 18
Figura 8: Consumo de acetona, por produto (2015).[51] Consumo global de Acetona: 37 100
kton. [52] .................................................................................................................................................................................................................. 19
Figura 9: Consumo de acetona, por região (2017).[54] Consumo global de Acetona: 37 100 kton. [52] ............................................................................................................................................................................................................................... 20
Figura 10: Consumo de cumeno, por região (2017).[60] Consumo global de Cumeno: 15 400
kton.[60] ................................................................................................................................................................................................................... 21
Figura 11: Esquema do reator de alquilação (via Aspen). .......................................................... 25
Figura 12: Esquema do reator de transalquilação (via Aspen). .................................................. 26
Figura 13: Esquema do despropanizador (via Aspen) ................................................................ 27
Figura 14: Esquema da coluna de destilação para separação do benzeno (via Aspen). ........... 28
Figura 15: Esquema da coluna de destilação para separação do produto final (via Aspen). ..... 29
Figura 16: esquema de um ebulidor kettle, com utilização de Hot oil como utilidade................. 40
Figura 17: Esquema da secção do ebulidor kettle. ..................................................................... 41
Figura 18: Desenho técnico do acumulador D-0403 ................................................................... 53
Figura 19: Desenho técnico do acumulador D-0301 ................................................................... 54
Figura 20: Desenho técnico do acumulador D-0302 ................................................................... 55
Figura 21: Desenho técnico do acumulador D-0303 ................................................................... 56
Figura 22: Desenho técnico da coluna de destilação T-0306 ..................................................... 57
Figura 23: Desenho técnico de esfera de armazenamento de propano TK-6101. ..................... 60
Figura 24: Desenho técnico do tanque de armazenamento TK-0811. ....................................... 61
Figura 25: Desenho técnico do tanque de armazenamento TK-0819. ....................................... 62
Figura 26: Desenho técnico do tanque de armazenamento TK-0817. ....................................... 62
Figura 27: Desenho técnico do tanque de armazenamento TK-0822. ....................................... 63
Figura 28: Percentagem de cada tipo de equipamento no Custo de Equipamento Base, para o
Projeto de raiz ............................................................................................................................. 68
Figura 29: Percentagem de cada tipo de equipamento no Custo de Equipamento Base, para o
Projeto com Integração de Equipamento, excluindo a integração das Esferas de
Armazenamento .......................................................................................................................... 97
Figura 30: Percentagem de cada tipo de equipamento no Custo de Equipamento Base, para o
Projeto com Integração de Equipamento, incluindo a integração das Esferas de
Armazenamento .......................................................................................................................... 98
Figura 31: Distâncias entre a zona disponível para instalação de novas esferas de
armazenamento e o perímetro de instalação e edifícios habitados ............................................ 99
Figura 32: Vista aérea da Refinaria de Matosinhos e Parque de Perafita ................................ 100
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x
Índice de Tabelas
Tabela 1: Balanço mássico ao reator de alquilação.................................................................... 25
Tabela 2: Balanço mássico ao reator de transalquilação. .......................................................... 26
Tabela 3: Balanço mássico ao despropanizador. ....................................................................... 27
Tabela 4: Balanço mássico à segunda coluna de destilação do processo. ................................ 28
Tabela 5: Balanço mássico da terceira coluna de destilação do processo. ................................ 29
Tabela 6: Compatibilidade entre os principais compostos do processo e os materiais de
construção utilizados ................................................................................................................... 30
Tabela 7: Valores tabelados da razão altura/diâmetro para gamas de volume de tanques de
armazenamento.[65] ..................................................................................................................................................................................... 31
Tabela 8: Resultados do dimensionamento dos tanques e esferas de armazenamento. .......... 32
Tabela 9: Resultados do dimensionamento dos acumuladores de balanço e refluxo. ............... 33
Tabela 10: resultados, obtidos a partir do software Aspen, necessários para o
dimensionamento das colunas .................................................................................................... 33
Tabela 11: Resultados do dimensionamento dos permutadores de caixa e tubos..................... 38
Tabela 12: Resultados do dimensionamento dos condensadores ............................................. 40
Tabela 13: Valores de constantes cinéticas fornecidos pelo artigo, e valores do Ka obtido para
o mecanismo em questão ........................................................................................................... 45
Tabela 14: massa de catalisador utilizada em cada leito e correspondente WHSV (weight hourly
space velocity) ............................................................................................................................. 46
Tabela 15: Características e propriedades do catalisador QZ-2001........................................... 46
Tabela 16: Volume total dos leitos, com respetivo sobredimensionamento e massa de
catalisador final............................................................................................................................ 47
Tabela 17: Cálculo do número de Reynolds modificado para cada leito. ................................... 48
Tabela 18: Perdas de carga ao longo do reator, em bar. ........................................................... 49
Tabela 20: Características físicas do catalisador QZ-2000 ........................................................ 50
Tabela 21: Volume total, com respetivo sobredimensionamento e massa de catalisador final. 50
Tabela 22: Dimensões finais do reator e configuração dos tubos .............................................. 50
Tabela 23: Resultados das perdas de carga por cada passagem dos tubos e valor total de
perdas de carga no reator ........................................................................................................... 51
Tabela 24: Comparação entre as características técnicas do acumulador a integrar D-0403 e o
acumulador dimensionado D-1001. ............................................................................................ 53
Tabela 25: Comparação entre as características técnicas do acumulador a integrar D-0301 e o
acumulador dimensionado D-3003. ............................................................................................ 54
Tabela 26: Comparação entre as características técnicas do acumulador a integrar D-0302 e o
acumulador dimensionado D-3005. ............................................................................................ 55
Tabela 27: Comparação entre as características técnicas do acumulador a integrar D-0303 e o
acumulador dimensionado D-3004. ............................................................................................ 56
Tabela 28: Comparação entre as características técnicas da coluna a integrar T-0306 e a
coluna de destilação dimensionada T-3003 ................................................................................ 57
Tabela 29: Capacidade e condições de design do permutador de calor E-0308 B .................... 58
Tabela 30: Capacidade e condições de design do permutador de calor E-0403 A .................... 59
Tabela 31: Capacidade e condições de design das esferas de armazenamento de propano ... 59
Tabela 32: Capacidade e condições de design dos tanques de armazenamento de benzeno. 60
Tabela 33: Capacidade e condições de design dos tanques de armazenamento de para-xileno
TK-0819 A/B ................................................................................................................................ 61
Tabela 34: Capacidade e condições de design dos tanques de armazenamento de para-xileno
TK-0817. ...................................................................................................................................... 62
Tabela 35: Capacidade e condições de design do tanque de armazenamento de para-xileno
TK-0822. ...................................................................................................................................... 63
Tabela 36: Características e condições de design das bombas que serão integradas no
processo de produção de cumeno. ............................................................................................. 64
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xi
Tabela 37: Preços atualizados das matérias primas do processo, em euros por tonelada
métrica. ........................................................................................................................................ 66
Tabela 38: Preço dos produtos obtidos, em euros por tonelada métrica. ................................... 66
Tabela 39: Índices CEPCI utilizados na Análise Económica. ..................................................... 67
Tabela 40: Custo dos equipamentos do processo, em milhares de euros ................................. 68
Tabela 41: Valores das parcelas dos Custos Diretos, em milhares de euros ............................. 69
Tabela 42: Valores das parcelas dos Custos Diretos, em milhares de euros ............................. 70
Tabela 43: Cálculo do Capital Fixo, em milhares de euros ......................................................... 70
Tabela 44: Valores das parcelas do Capital Circulante, em milhares de euros.......................... 71
Tabela 45:Cálculo do Capital Próprio e Alheio a partir do Investimento Total, em milhares de
euros ............................................................................................................................................ 71
Tabela 46: Custo anual das matérias primas do processo, para uma taxa de ocupação de
100%, em milhares de euros por ano ......................................................................................... 72
Tabela 47: Custo anual das utilidades do processo, em milhares de euros por ano ................. 73
Tabela 48: Método de cálculo das parcelas dos Custos de Fabrico Diretos .............................. 73
Tabela 49: Valores anuais das parcelas dos Custos de Fabrico Fixos, em milhões de euros por
ano. .............................................................................................................................................. 74
Tabela 50: Valores das parcelas dos Custos de Produção referentes ao 10º ano de produção,
em milhares de euros .................................................................................................................. 74
Tabela 51: Parcelas da Demonstração de Resultados e Custos de Produção associados a cada
parcela. ........................................................................................................................................ 75
Tabela 52: Demonstração de Resultados para os 10 anos de vida útil do projeto, em milhões de
euros por ano. ............................................................................................................................. 75
Tabela 53: Cash Flows para os 10 anos de vida útil do projeto, em milhões de euros por ano. 77
Tabela 54: Custos em Equipamento Base e Investimento Fixo para cada alternativa de projeto.
..................................................................................................................................................... 78
Tabela 55: Cash Flow Líquido Acumulado, correspondente ao último ano de projeto, para cada
alternativa, em milhões de euros ................................................................................................ 78
Tabela 56: Comparação dos Critérios de Rentabilidade e Break-Even Point para cada Análise
Económica. .................................................................................................................................. 80
Tabela 57: Condições de design dos tanques e esferas de armazenamento dimensionados ... 93
Tabela 58: Condições operatórias e de design dos acumuladores de balanço e de refluxo
dimensionados ............................................................................................................................ 93
Tabela 59: Dimensões das colunas de destilação dimensionadas ............................................. 94
Tabela 60: Condições operatórias e de design das colunas de destilação dimensionadas ....... 94
Tabela 61: Condições operatórias e composições das correntes quente e fria dos permutadores
de caixa e tubos dimensionados ................................................................................................. 94
Tabela 62: Organização de caixa e tubos dos permutadores, incluindo número de passagens
em cada lado e número de tubos ................................................................................................ 95
Tabela 63: Condições operatórias e composições das correntes quente e fria dos
condensadores dimensionados ................................................................................................... 95
Tabela 64: Organização de caixa e tubos dos condensadores, incluindo número de passagens
em cada lado e número de tubos ................................................................................................ 95
Tabela 65: Condições operatórias e composições das correntes quente e fria dos ebulidores
dimensionados ............................................................................................................................ 96
Tabela 66: Organização de caixa e tubos dos ebulidores, incluindo número de passagens em
cada lado e número de tubos ...................................................................................................... 96
Tabela 67: Resultados do dimensionamento das bombas centrífugas do processo .................. 96
Tabela 68: Resultados do dimensionamento dos reatores, incluindo dimensões, massa de
catalisador total necessária e condições de design. ................................................................... 97
Tabela 69: Cash- Flows para Projeto com integração de equipamento, excluindo as esferas de
armazenamento .......................................................................................................................... 98
Tabela 70: Cash- Flows para Projeto com integração de equipamento, incluindo as esferas de
armazenamento .......................................................................................................................... 99
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
xii
1. Resumo
Neste trabalho pretende-se avaliar a viabilidade da produção de cumeno na Refinaria de
Matosinhos. Estudou-se a cadeia de valor do cumeno e os principais mercados dos compostos
associados a esta, o processo de produção e dimensionamento dos equipamentos necessários,
analisou-se a integração no projeto de equipamentos de unidade desativadas da refinaria e
finalizou-se com a análise económica ao projeto, com e sem integração de equipamento. A
reutilização dos equipamentos permite uma redução de 67% nos custos em equipamento base,
em que as esferas de armazenamento representam 50% dessa redução. Os Cash-Flows
acumulados obtidos para a análise sem e com reutilização de equipamento foram -5,8 e 14
milhões de euros, respetivamente. Concluíu-se que o projeto é viável caso se recorra à
integração de equipamentos desativados, com destaque para as esferas de armazenamento da
refinaria. No entanto, estas não estão disponíveis para ser utilizadas e deve-se procurar uma
alternativa para resolver o problema, por exemplo a utilização do Parque de Perafita, da Pérgas.
Keywords: Produção de Cumeno; Processo Q-max; Refinaria de Matosinhos; Integração de
Equipamento.
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xiii
2. Abstract
Evaluation of the viability of cumene production at the Matosinhos Refinery. The cumene
value chain and the main markets for the compounds associated with it were studied, the
production process and the sizing of necessary equipment, the integration of equipment from
decommissioned production units in the refinery was evaluated and the work was finalized with
the economic analysis to the project, considering two cases: with and without equipment
integration. The reuse of the equipment allows a 67% reduction in equipment costs, where the
spherical vessels represent 50% of this cost reduction. The accumulated Cash-Flows, without
and with reuse of equipment, were -5,8 and 14 million euros, respectively. It was concluded that
the project is only viable with integration of decommissioned equipment, with emphasis on the
refinery's spherical vessels. However, these might not be available for use and an alternative
must be sought to solve the problem, for example resorting to the Perafita Park, from Pérgas.
Keywords: Cumene Production; Q-max Process; Matosinhos Refinery; Equipment Integration.
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1
3. Introdução
3.1. Introdução e Enquadramento
O projeto desenvolvido no âmbito da dissertação procurou complementar a sua vertente
académica com uma abordagem à realidade da Refinaria de Matosinhos (RM) e ao contexto
empresarial da Galp Energia. Deste modo, o processo escolhido baseou-se na disponibilidade
de matéria prima por parte da Galp e na existência de equipamento desativado na refinaria, para
integração no processo, juntamente com a análise de mercado do cumeno e respetivos
derivados, para prever as tendências do produto.
Este capítulo tem o objetivo de apresentar o contexto empresarial e estratégico da
empresa, as unidades desativadas de interesse para o projeto, presentes na Fábrica de
Aromáticos (FAR) da RM, tal como a disponibilidade das matérias primas necessário para o
funcionamento da unidade que se pretende instalar.
3.1.1. Galp Energia: empresa e estratégia
A Galp apresenta-se atualmente como um grupo integrado de produtos petrolíferos e gás
natural. Para além da exploração e produção de petróleo e gás natural, a Galp é ainda
responsável pela refinação e distribuição de produtos petrolíferos, tal como pela distribuição e
venda de gás natural e geração de energia elétrica.[1]
Atualmente presente em 11 países e 4 continentes, exportando os seus produtos para
mais de 50 países, a Galp é uma das maiores empresas a nível nacional, detentora de 50% do
comércio de combustíveis em Portugal. A Galp controla a totalidade da capacidade refinadora
do país e 20% da capacidade refinadora ibérica, a partir das suas refinarias em Sines e
Matosinhos, que têm uma capacidade conjunta de refinação de 330 mil barris de crude por dia.[2]
As refinarias estão integradas de modo a maximizar a sua margem de refinação, e apresentam
um índice de complexidade Nelson (NCI) combinado de 8,6. Este valor permite avaliar a
complexidade de uma refinaria tendo em conta as unidades presentes e o seu custo
comparativamente à unidade de destilação de crude (fator 1,0). Quanto maior o NCI, maior o
custo da refinaria e mais valorizado é a gama de produtos fabricados.
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
2
3.1.2. Refinaria de Matosinhos
A RM é um complexo industrial, situado na costa noroeste de Portugal, ativo desde 1969.
O complexo é composto pela refinaria de hydroskimming, com capacidade de destilação de 110
mil barris por dia, pela fábrica de aromáticos, fábrica de óleos base e fábrica de lubrificantes. A
refinaria é ainda complementada com uma central de cogeração alimentada a gás natural, para
produção de energia elétrica e vapor. A refinaria é caracterizada pela sua elevada flexibilidade e
variedade de produção de produtos petrolíferos refinados de elevada qualidade, garantindo o
abastecimento da região norte de Portugal.[2]
A localização geográfica é bastante favorável para o abastecimento e distribuição dos
produtos, através da sua ligação ao porto de Leixões através de vários oleodutos, da pipeline de
abastecimento para o aeroporto Francisco Sá Carneiro e ainda uma instalação para enchimento
de veículos cisterna.
3.1.3. Fábrica de Aromáticos e Unidades Desativadas U300 e U400
A Fábrica de Aromáticos da RM iniciou a sua atividade em 1981, sendo a única fábrica
de aromáticos do país. Com uma produção anual de 440 kton de benzeno, tolueno, xileno e
outros solventes, que são distribuídos tanto a nível nacional como internacional, as unidades
presentes nesta fábrica recebem o reformado proveniente da Fábrica de Combustíveis e da
Refinaria de Sines (RS), que juntamente com uma alimentação de mistura de xilenos, servem de
matéria-prima para os processos realizados nas unidades.[3]
Em 2012, a FAR foi submetida a um revamping com o objetivo de melhorar a eficiência
energética de algumas das unidades existentes. Para além destas ações, procedeu-se à
desativação das unidades U300 e U400, associadas aos processos PAREX e ISOMAR,
respetivamente. Estas unidades não dispunham de um sistema de integração energética
eficiente, muito dependentes da utilização de fornalhas, pelo que os processos deixaram de ser
economicamente viáveis. As unidades foram isoladas e inertizadas, mas estando os
equipamentos sujeitos a degradação ao longo dos anos, é possível que seja realizado o
desmantelamento num futuro próximo.
No âmbito deste estudo, considerou-se que os equipamentos destas unidades estão
disponíveis para serem integrados num novo processo, sujeitos a uma avaliação do estado e
das suas condições para reutilização.
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3.1.4. Disponibilidade de Matérias-Primas
• Benzeno
A partir de uma análise realizada entre 2014 e 2016, concluiu-se que a produção de
Benzeno na RM ronda as 53 kton/ano, proveniente da unidade de Arosolvan (U-0200). Este
processo consiste numa extração líquido-líquido combinada com uma destilação extrativa, em
que o objetivo é produzir benzeno de alta pureza. O benzeno produzido na refinaria já tem
tanques dedicados ao seu armazenamento, pelo que serão apenas necessários ajustes para
adaptar os tanques e montagem de uma linha de alimentação à nova unidade, com possibilidade
de aproveitar as linhas existentes nas unidades desativadas.
• Propileno
O propileno necessário para o processo é produzido na RS, na unidade FCC (Fluid
Catalytic Cracking). Esta unidade produz, segundo a mesma análise realizada para o benzeno,
cerca de 33 kton/ano, e recebe gasóleo de vácuo e resíduo atmosférico que, através de cracking
catalítico, se transforma em gasolina e GPL (gás de petróleo liquefeito), de onde será separado
o propileno. O propileno está armazenado em 3 esferas, com 2200 m3 cada, que vai ser
transportado por navio via TPS (Transportation Planning System) para o porto de Leixões. Os
navios usados para a exportação do propileno em Sines têm uma capacidade de
aproximadamente 900 toneladas, e a transferência da matéria prima para a refinaria é feita com
recurso à linha de propano já existente, apenas sujeito a alterações protocolares para a receção
do propileno. Na RM existem atualmente 5 esferas alocadas para armazenamento de propano,
com 450 toneladas cada. As necessidades de armazenamento de propileno exigem que 3
esferas sejam dedicadas a este composto: uma esfera para alimentar a unidade e duas esferas
para receber o propileno proveniente do navio. Uma vez que as duas restantes esferas são
insuficientes para o serviço de propano, será necessário equipamento adicional de
armazenagem.
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4
3.1.5. Enquadramento COVID-19
Este subcapítulo serve para apresentar uma breve contextualização entre o trabalho
realizado e a situação atual devido à pandemia do vírus Covid-19. É importante esclarecer que
a análise de mercado realizado no capítulo 5 teve em conta a situação económica global pré-
pandemia, e apesar de ser relevante para esse período, o mesmo não pode ser dito após os
últimos 4 meses.
Segundo o Fundo Monetário Internacional (FMI)[93],a queda do PIB global expectável
para 2020 é de -4,9%, com os EUA e a Europa a destacarem-se com quedas no PIB de -8% e -
10,2%, respetivamente.
Apesar da falta de informação e dados sobre o mercado do cumeno durante a crise
pandémica, segundo uma análise de mercado recente[94], a procura global de cumeno sofreu
uma leve queda, com expectativas de recuperação no primeiro trimestre de 2022. No entanto,
segundo outras análise de mercado[95][96], a procura de cumeno pode sofrer um aumento
significativo devido à utilização de isopropanol na produção de gel desinfetante, uma vez que o
isopropanol pode ser produzido a partir de acetona. Apesar de a produção de isopropanol a partir
de propileno ser mais comum, a utilização de acetona para produzir isopropanol está a ganhar
destaque devido à necessidade global de gel desinfetante, o que pode ser determinante para
manter o mercado do cumeno essencial no período da pandemia.
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1. O Produto
1.1. Cumeno
O cumeno (C9H12), também denominado de iso-propilbenzeno, é um composto
aromático, não corrosivo, líquido à temperatura e pressão ambientes, e é um constituinte natural
do Petróleo Bruto. É um composto altamente inflamável, com elevado risco de incêndio caso seja
exposto a fontes de ignição como chamas ou faíscas, e reage violentamente com ácidos e
oxidantes fortes.[4]
Produzido quase exclusivamente pela reação de alquilação de benzeno com propileno,
o cumeno é considerado um dos intermediários com maior importância na indústria petroquímica,
principalmente por ser utilizado na sua maioria para coprodução de fenol e acetona. Neste
processo, o cumeno sofre oxidação para formar hidroperóxido de cumeno, seguida de uma
hidrólise em meio ácido para formar o fenol e a acetona. O cumeno é ainda utilizado em
quantidades pouco significativas na produção de compostos como α-metilestireno, acetofenona
peróxido de dicumilo.[4]
O cumeno é geralmente armazenado em tanques de teto cónico fixo (o cumeno tem
baixa volatilidade, pelo que não se justifica usar teto flutuante).[5]
1.2. Propano
O propano (C3H8) é um hidrocarboneto gasoso incolor, facilmente liquefeito, pelo que se
encontra disponível no mercado na forma de propano liquefeito ou como constituinte maioritário
de GLP. O seu odor dificilmente detetável em baixas concentrações obriga a que se adicione um
produto com forte odor característico para se tornar mais percetível a sua presença, por questões
de segurança. O propano é separado em grandes quantidades do gás natural, petróleo leve e
de gases de refinaria, como subproduto. No processo de produção de cumeno, o propileno
alimentado ao processo vem misturado com uma pequena quantidade de propano, que é
separada da corrente de processo, após alquilação, num despropanizador.[6][7]
O propano é usado numa enorme diversidade de aplicações, como sistemas de fornalhas
e aquecimento de água, para uso industrial ou para uso doméstico, aplicações na indústria
metalúrgica, nos transportes ou na construção.[8]
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1.3. Matérias Primas
1.3.1. Benzeno
O benzeno (C6H6) é um composto aromático, líquido em condições normais de pressão
e temperatura, altamente volátil e inflamável, com um odor reminiscente da gasolina. Encontra-
se naturalmente como componente do petróleo bruto e é um constituinte comum da gasolina.[9][10]
Uma das primeiras formas de obtenção de benzeno consistia na destilação de alcatrão
de hulha, ou alcatrão de carvão, um líquido escuro e viscoso proveniente da pirólise do carvão.
No topo da coluna de destilação saem os compostos mais voláteis, entre eles o benzeno, para
posterior separação. Desde os anos 50 que este método foi substituído por processos como o
cracking de petróleo bruto, reforming de nafta, e ainda desalquilação ou transalquilação de
tolueno (o tolueno tem um valor de mercado mais baixo do que o benzeno ou o xileno, daí se
converter este composto em aromáticos mais favoráveis).[11][12][13]
Mais de metade do benzeno produzido a nível mundial é aplicado na produção de
estireno, sendo cerca de 20% utilizado na produção de cumeno. O estireno é usado na produção
de poliestireno (plástico com uma vasta gama de aplicações) e no fabrico de diversos plásticos
e borrachas sintéticas, com diferentes características e propriedades. O benzeno é ainda
utilizado na produção de anilinas (para síntese de corantes) e ciclo-hexanos (produção de
nylon).[14]
O transporte de benzeno, mais comum por via marítima, é realizado com recurso a
contentores selados, de modo a que o composto esteja em boas condições e sem hipótese de
fuga de líquido. Para além destas precauções, o transporte deve ser feito com especial cuidado
na proteção contra possíveis fontes de ignição. O seu armazenamento é geralmente feito em
tanques.[15]
1.3.2. Propileno
O propileno (C3H6) é um hidrocarboneto, que à temperatura ambiente é um gás incolor,
não tóxico e bastante inflamável. Geralmente é transportado na forma de GPL, à sua pressão de
vapor, e pode causar queimaduras por frio caso entre em contacto com a pele. Como o propileno
é bastante inflamável e mais denso que o ar, o seu transporte e armazenamento devem ser feitos
com atenção adicional.[16][17]
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O propileno é produzido principalmente através de cracking a vapor de nafta e de
cracking catalítico de petróleo bruto, no processo de refinação do petróleo. Ambos os processos
produzem mais compostos, onde se destaca o etileno. A elevada procura de propileno obrigou a
uma forte investigação para descobrir métodos de obtenção de propileno sem formação de
etileno, conhecidos como processos OPP (on-purpose propene), onde se destacam o cracking
catalítico de propano, MTO (produção de olefinas a partir de metanol) com recurso a zeólitos
tratados com ácidos para aumentar a seletividade em propileno, reações de etileno com butenos
e produção via singas e etanol.[16][17]
Grande parte da produção mundial de propileno é utilizada na formação de polipropileno,
um polímero termoplástico com uma elevada gama de aplicações em diversos ramos (têxtil,
automóvel, armazenamento de alimentos). O principal ponto de interesse das propriedades do
polipropileno é a possibilidade de ser utilizado como substituto ao vidro, metais e outros
polímeros. O propileno é ainda utilizado na produção de ácido acrílico e acrilonitrila, para
posterior polimerização, na produção de cumeno e também na produção de epoxipropano e
butanal, para produção de vários solventes.[16][18]
1.4. Derivados do cumeno
1.4.1. Fenol
O fenol é um composto aromático, sólido cristalino a temperatura e pressão ambiente,
combustível, volátil e corrosivo.[19] O fenol é geralmente armazenado, em estado líquido, a
temperaturas acima dos 50ºC (o ponto de fusão do fenol é de 40ºC), em tanques com isolamento
para manter a temperatura nos níveis desejados.[20]
O fenol, tal como já foi referido, é produzido maioritariamente através de cumeno. De
modo a agilizar esta produção, as fábricas de cumeno e de fenol (e acetona) encontram-se
integradas por escolha das empresas que produze os compostos, como é o caso da INEOS
Phenol.[23] Apesar do processo de produção de fenol e acetona através de cumeno ser dominante
na indústria química, a eficiência económica do processo deixa a desejar, uma vez que o
interesse do mercado no fenol é superior ao interesse na acetona. Assim, têm surgido métodos
de produção de fenol ou de fenol com outros subprodutos, em que não há formação de acetona,
como a oxidação de benzeno com óxido nitroso (N2O). Ainda não foi construída nenhuma fábrica
com base neste processo, tendo sido feitos apenas os testes piloto.
O fenol é utilizado na produção de diversos polímeros e plásticos, com destaque para o
bisfenol A (BPA), as poliamidas (ou nylons), policarbonatos e resinas fenólicas. Tem ainda
algumas aplicações na indústria farmacêutica, como a sua utilização para evitar o crescimento
de bactérias em vacinas.[21]
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1.4.2. Acetona
A acetona é um líquido incolor, volátil e extremamente inflamável, que é produzido
através do cumeno ou através de isopropanol, ambos produzidos através de propileno.
A utilização do processo de cumeno em vez de isopropanol para produção de acetona
deve-se principalmente aos baixos custos e problemas de corrosão no segundo processo, em
contraste com o primeiro.
Uma vez que muitos compostos orgânicos dissolvem rapidamente em acetona, este
produto é um dos solventes mais importantes a nivel mundial, correspondendo a quase metade
da sua produção mundial. Para além desta aplicação, a acetona é também utilizada na produção
de BPA, que necessita adicionalmente de fenol para se formar. Para além disso, destaca-se a
produção de ciano-hidrinas, usada para a formar acrílico, um plástico termoplástico com
aplicações como substituto de vidro em janelas de automóveis e ecrãs de telemóveis.[22]
1.5. Segurança
Em ambiente industrial, os espaços devem estar devidamente ventilados para minimizar
a exposição ao cumeno. Caso seja inalado é rapidamente metabolizado e removido, sem indícios
de presença a longo prazo no organismo, mas caso a inalação seja prolongada ou intensa, o
cumeno pode causar irritação no nariz e na garganta. Em contacto com a pele e com os olhos
causar irritação nessas zonas. Se ingerido, pode causar irritação gastrointestinal e vómitos. O
cumeno é classificado como “possivelmente cancerígeno” para humanos.[23]
Em termos ambientais, o cumeno existe na atmosfera quase exclusivamente em fase
gasosa. A reação com radicais hidroxilo fotoquimicamente gerados é a sua principal forma de
degradação neste caso. A degradação do cumeno existente em água é possível através de
micro-organismos existentes nesses sistemas. O cumeno é adsorvido moderadamente pelo solo,
com mobilidade relativamente reduzida, sendo rapidamente bio degradado em condições
aeróbias.[23]
O benzeno é um composto tóxico, podendo causar danos no sistema neurológico e na
medula óssea, e carcinogénico, associado ao risco de desenvolvimento de leucemia e de outros
tipos de cancro.[10]
A acumulação de propileno em locais pouco ventilados pode causar asfixia, e caso
exposto a quantidades moderadas de propileno, o ser humano corre o risco de sofrer de tonturas,
sonolência, e perda de sentidos, ainda que a curto prazo.[17]
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O principal perigo do fenol para a saúde está associado ao contacto com a pele, devido
ao caráter corrosivo e tóxico do fenol, apesar de ser prejudicial caso seja inalado ou engolido.[24]
A acetona é um composto com baixa toxicidade, podendo causar irritação no nariz e
garganta caso seja inalado, e na pele e olhos se entrar em contacto com estes.[25]
1.6. Cadeia de Valor e Produtos Finais
O cumeno, sendo um dos compostos petroquímicos intermédios mais importantes na
indústria, integra uma cadeia de valor que abrange uma grande variedade de produtos finais. A
cadeia de valor permite identificar esses produtos finais e a partir de que compostos é que estes
se formam. O fenol e a acetona, principais compostos que utilizam o cumeno como matéria
prima, são responsáveis pela produção de diversos produtos finais, com as mais variadas
aplicações.
Figura 1: Cadeia de valor do Cumeno, desde o Petróleo até aos produtos finais.
Um dos compostos a jusante com maior destaque na cadeia de valor é o BPA (BPA),
uma vez que é produzido a partir da condensação de acetona com fenol, na presença de um
catalisador ácido. Para além disso, cerca de metade do consumo de fenol e 25% do consumo
de acetona são destinados à produção deste composto.[26] O BPA é um orgânico sintético,
utilizado na produção de plásticos de policarbonato e de resinas sintéticas, materiais que se
encontravam principalmente em diversas embalagens para armazenamento de comida e
bebidas, como garrafas de água ou enlatados.[27]
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Parte do BPA é também utilizado diretamente nestas aplicações, ainda que seja em
quantidades cada vez menores. O BPA é considerado um composto prejudicial à saúde,
principalmente em crianças, pelo que a sua utilização em armazenagem de produtos alimentares
tem sido cada vez mais reduzida e até banida em algumas cadeias de produção (o BPA pode
migrar do material para os alimentos).[28]
Os policarbonatos são atualmente utilizados em vários equipamentos de segurança, por
serem um termoplástico com elevada resistência química, ao calor e ao impacto, boa estabilidade
e bastante transparente, pelo que pode ser um substituinte do vidro em certas aplicações. Os
policarbonatos são um material com importantes aplicações no ramo automóvel, eletrónico e da
construção.[29]
As resinas epóxi são um dos polímeros termofixos mais utilizados na indústria, pela sua
elevada resistência, rigidez e principalmente pela sua versatilidade nas propriedades que pode
tomar. A presença do anel epóxi (anel com um átomo de oxigénio ligado a dois átomos de
carbono já unidos) e a diversificada estrutura molecular permitem que a combinação com
agentes de cura lhes atribua as propriedades desejadas para uma determinada aplicação. Por
estas razões, as resinas epóxi podem apresentar características únicas e complexas, sendo
aplicadas principalmente nos ramos da construção, no ramo automóvel e na indústria
aeroespacial, a partir da combinação de resinas e fibras para tornar as estruturas de compósitos
mais complexas.[30]
A segunda maior aplicação industrial do fenol é a produção de resinas fenólicas,
englobando cerca de 30% do consumo mundial de fenol. As resinas fenólicas foram o primeiro
plástico a ser comercialmente vendido, representado o início da era dos polímeros.[31] As resinas
são produzidas a partir da reação de ativação do fenol com formaldeído seguida de polimerização
por condensação, onde o tipo de catalisador utilizado é determinante no tipo de resinas fenólicas
obtidas: as novolacas, resinas sólidas preparadas com excesso de fenol em relação ao
formaldeído e catalisador ácido, e as resinas em estado líquido, resol, que são obtidas com um
rácio de formaldeído/fenol superior a 1 e na presença de catalisador básico. [32] As resinas
fenólicas são utilizadas na impregnação de tecidos e papéis, revestimentos, fabrico de adesivos,
produção de vernizes, e têm um vasto conjunto de aplicações na indústria aeroespacial e de
transportes, graças à sua baixa inflamabilidade, resistência à corrosão e a altas temperaturas.[33]
Os alquilfenóis, tal como o nome indica, são obtidos pela alquilação de fenóis (cerca de
8% do consumo de fenol tem esta finalidade). É principalmente utilizado como composto
intermediário para formação de derivados ou de polímeros, de modo a reduzir o seu efeito
prejudicial ao ser humano e ao ambiente. Assim, é um intermediário na produção de aditivos
para plásticos, antioxidantes e estabilizadores para óleo lubrificante e na produção de automóvel,
mais especificamente na borracha dos pneus.[34]
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O caprolactam é um composto orgânico sólido, produzido a partir de ciclo-hexanona, um
intermediário que pode ser obtido a partir da hidrogenação catalítica de fenol. Cerca de 7% do
consumo de fenol é utilizado para produzir caprolactam. A principal aplicação deste composto é
a produção de nylon-6, a partir de uma polimerização por abertura de anel. O caprolactam
também utilizado na síntese de vários medicamentos.[35]
O ácido adípico é o ácido dicarboxílico mais importante a nível industrial, formado através
da oxidação de uma mistura de ciclo-hexanona e ciclo-hexanol, denominada de KA-oil (ketone-
alcohol oil), com ácido nítrico.[36] Tanto a ciclo-hexanona como o ciclo-hexanol podem ser obtidos
via hidrogenação de fenol, que tem cerca de 2% do seu consumo destinado a este processo.
Este composto é maioritariamente aplicado (cerca de 90% do seu consumo global) na formação
de nylon-6,6 a partir de uma reação de policondensação com hexametilenodiamina.[37] O ácido
adípico é também utilizado, ainda que em menor quantidade, na produção de poliuretano.
O nylon-6 e nylon-6,6 são as poliamidas com maior utilização a nível mundial. Os dois
compostos apresentarem diversas diferenças, no entanto têm várias características em comum:
boa resistência e rigidez a alta temperatura, boa resistência ao impacto, abrasão e desgaste e
bom isolamento térmico. O nylon-6, quando comparado ao nylon-6,6, apresenta melhor rigidez,
viscosidade mais baixa, menor estabilidade hidrolítica e menor resistência ao desgaste e ao
calor. Entre as suas principais aplicações, destacam-se o uso como alternativa ao metal em
peças de automóveis, aplicações na indústria eletrónica e embalagens de alimentos.[38]
Para além da sua aplicação na produção de BPA, a acetona é usada em grande parte
como solvente, principalmente para plásticos, fibras sintéticas e em produtos de limpeza, ainda
com destaque na indústria cosmética e de higiene pessoal. A utilização de acetona como
solvente ou na produção de solventes corresponde a cerca de metade do consumo mundial de
acetona. O BPA é produzido consumindo cerca de 25% da acetona disponível, sendo o restante
utilizado quase na sua totalidade para produzir ciano-hidrinas.[39]
As ciano-hidrinas são utilizadas na produção de metil metacrilato (MMA), que tem como
principal aplicação (75% do consumo global de MMA) a produção do correspondente polímero,
polimetil metacrilato (PMMA), também conhecido por acrílico. Este polímero é usado como
ligantes, em cirurgias de atroplastia do quadril ou de joelho.[40]
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2. Análise de Mercado
2.1. Indústria: Panorama global e tendências
A economia global sofreu um crescimento de 2,6% ao longo de 2019, mais lento quando
comparado com os anos anteriores (3,0 em 2018 e 3,1 em 2017). Esta desaceleração deve-se
principalmente às crescentes tensões nas trocas comerciais entre a China e os Estados Unidos,
ao impacto económico do Brexit na União Europeia e ao baixo investimento em mercados
emergentes e economias em desenvolvimento (EMDE’s).[41]
Espera-se que em 2020 o crescimento volte a recuperar para valores na ordem dos
2,7%, principalmente devido aos progressos na resolução dos conflitos nas trocas comerciais
entre a China e os Estados Unidos e ao desenvolvimento de melhores condições financeiras
esperado em vários países em desenvolvimento. No entanto, a tensão crescente entre os
Estados Unidos e o Irão pode ser um fator determinante na economia global durante 2020, devido
à recente subida do preço do petróleo em 4%, e ao possível corte de certas rotas de transporte
marítimas na região do Médio Oriente. Caso o conflito se mantenha, será acompanhado por um
agravamento das medidas referidas, resultando na redução do fornecimento de petrolífero e num
aumento ainda mais acentuado dos preços do petróleo.[42]
Apesar da incerteza em relação a este conflito, os fatores positivos são predominantes,
pelo que se mantém a tendência de que 2020 será um ano de recuperação e estabilização
relativamente a 2019.
Nos Estados Unidos é esperada um forte abrandamento no crescimento económico, de
2,5 em 2019 para 1,7 em 2020, resultado da diminuição do estímulo fiscal no país. O aumento
das tarifas impostas no último ano são um fator determinante neste abrandamento, mas o
crescimento continua a ser suportado pela política monetária, que aparenta ser favorável, e o
aumento da produtividade e da participação de mão-de-obra.
O crescimento económico na China tem sido gradualmente menos acentuado ao longo
dos últimos dois anos, devido à constante tensão nas trocas comerciais com os Estados Unidos
e à redução nos níveis de exportações, mas espera-se que comece a estabilizar em 2020. Após
uma queda no crescimento económico de 6,6 para 6,2, entre 2018 e 2019, o valor deve
estabilizar nos 6,1% em 2020. É importante referir que a situação atual do país devido ao surto
de COVID-19 pode ser determinante nas previsões para a evolução da economia chinesa.
A Índia deverá manter relativamente constante o seu elevado nível de crescimento,
devido à elevada procura doméstica na região. Em 2019, o crescimento económico da Índia
cifrou-se nos 7,5% e deve manter-se próximo desse valor nos próximos anos.
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
13
A zona Euro sofreu uma forte redução nos valores de crescimento económico dos últimos
dois anos, com uma evolução de 2,4% em 2017 para 1,2% em 2019. Esta redução deve-se
principalmente ao declínio nas exportações para o continente asiático e à leve diminuição da
procura doméstica, levando a menores taxas de ocupação nas fábricas. Algumas das principais
potências pertencentes à zona Euro acordaram planos para estimular o crescimento económico
europeu, e o Banco Central Europeu concedeu crédito low-cost a alguns bancos. Assim, espera-
se que em 2020 o crescimento económico da zona Euro atinja os 1,4%.
Segundo as projeções do Banco de Portugal, espera-se que a economia portuguesa
evolua no mesmo padrão que a zona Euro. Em 2019, o produto interno bruto (PIB) esteve
próximo dos 2%, e prevê-se que este atinja os 1,7% em 2020. Estes valores representam um
crescimento económico como resposta à recente recessão a que o país esteve sujeito, e a
tendência deve manter-se graças ao aumento dos níveis de exportação e ao turismo abundante
no país. No entanto, a diminuição da procura externa vai levar a um leve abrandamento nos
níveis de crescimento, seguindo as previsões apontadas à zona Euro.
2.2. Matérias Primas
• Benzeno
Sendo um subproduto proveniente de compostos como o petróleo bruto, a gasolina e o
xileno, o benzeno globalmente produzido depende fortemente das flutuações na procura desses
compostos, tornando o mercado de benzeno possivelmente instável. O benzeno é utilizado
principalmente na produção de estireno (52%), cumeno (16%), ciclo-hexanos e anilinas, com
diversas aplicações nos setores automóvel, eletrónico e da construção. Mais especificamente, o
benzeno é utilizado para produzir plásticos e polímeros com variadas características e
propriedades. A ExxonMobil, a Sinopec, a Dow e a Shell são algumas das principais produtoras
de benzeno a nível mundial.[43]
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Benzeno, consumo por região (%)
1% 4%
17% 30%
20%
28%
China Resto Asia Europa USA America Sul Resto Mundo
Figura 2: Consumo de benzeno, por produto (2020)[44] – Consumo global de Benzeno: 53 433 kton.[45]
O benzeno é consumido maioritariamente na China, na Europa e nos Estados Unidos,
com destaque para outros países do continente asiático, como o Japão e a Coreia do Sul, que
começaram mais recentemente a investir na produção para consumo doméstico. Este consumo
tem sofrido nos últimos anos uma transição, com uma estabilização do consumo na Europa e
nos Estados Unidos, acompanhada por um crescimento significativo no continente asiático e
médio oriente. A redução na produção de gasolina em território americano e europeu vai ter um
impacto negativo na oferta interna de benzeno. A China, por exemplo, apresenta desde 2013
uma taxa de crescimento de consumo de benzeno próxima de 9% por ano, tornando-se no maior
consumidor do composto aromático a nível mundial.
Figura 3: Consumo de benzeno, por região (2018)[44] Consumo global de Benzeno: 53 433 kton.[45]
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• Propileno
O propileno é o segundo composto químico mais produzido a nível mundial. Espera-se
que o seu consumo continue a sofrer um aumento nos próximos anos, graças ao crescimento do
mercado asiático na produção de propileno, especialmente na China, que é o seu principal
consumidor.[17] As alterações no consumo de combustível e os regulamentos associados ao IMO
(Organização Marítima Internacional) 2020 são alguns dos fatores chave que podem modificar
as projeções de produção do propileno. O polipropileno continuará a ser a principal aplicação do
propileno (67%), enquanto que o epoxipropano (7%), acrilonitrila (6%), ácido acrílico (5%) e o
cumeno (5%) se mantém com alguns dos restantes produtos em que o propano é utilizado como
matéria prima.[46]
Figura 4: Consumo de propileno, por produto (2015)[46]. Consumo global de Propileno: 106 000 kton.[47]
Durante 2018 observou-se uma ligeira queda nos preços do propileno, dado ao
crescimento da sua oferta e diminuição na procura dos seus derivados. No entanto, 2019 viu
uma recuperação na produção de propileno, com destaque para os Estados Unidos, onde se
observou um aumento substancial dos stocks comparativamente a 2018. Com receio de uma
escassez de oferta devido aos períodos de manutenção planeados para o início do segundo
semestre do ano, os principais mercados europeus aumentaram os níveis de importação de
propileno proveniente dos Estados Unidos. No continente asiático, o investimento em novas
unidades de produção de propileno foi o principal foco para 2019, com um aumento estimado de
capacidade de produção na China na ordem das 1,2 milhões de toneladas de propileno por ano.
Esta capacidade adicional deve-se ao início de funcionamento de duas unidades de
desidrogenação de propano, ambas com 600 toneladas métricas de capacidade anual,
permitindo uma maior oferta para consumo doméstico e reduzindo as importações.[48]
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16
Figura 5: Consumo de propileno, por região (2019).[48] Consumo global de Propileno: 106 000 kton.[47]
2.3. Produtos e Derivados
• Fenol
O crescimento do mercado do fenol deve-se principalmente à crescente procura dos
seus produtos, principalmente nylons, BPA e resinas fenólicas. Como resposta às necessidades
do mercado, espera-se que as capacidades de fenol continuem a aumentar em 2020,
principalmente no continente asiático, de modo a equilibrar os mercados do cumeno e do fenol.[49]
O fenol é aplicado na sua maioria na produção de BPA, produção influenciada pelos
mercados dos seus dois principais produtos, os policarbonatos, um dos termoplásticos mais
utilizados a nível mundial e do as resinas epóxi, um dos plásticos termofixos mais importantes
na indústria química. A segunda maior aplicação do fenol é a produção das resinas fenólicas,
seguido do caprolactam (utilizado na produção de nylon-6), que tem sido uma das aplicações do
fenol com maior crescimento nos últimos anos como alternativa ao metal no ramo automóvel, e
alquilfenóis.[50]
Os mercados das aplicações do fenol variam principalmente com as flutuações no ramo
automóvel e da construção, onde a maior parte dos polímeros produzidos são utilizados. Como
estes ramos são mercados chave a nível mundial, espera-se um crescimento da sua procura dos
produtos nos próximos anos.
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17
Figura 6: Consumo de fenol, por produto (2015)[51]. Consumo global de Fenol: 56 200 kton.[52]
A região em que se espera observar o maior crescimento do mercado de fenol é na
China, o país com maior consumo do produto a nível mundial, e onde existe uma grande fonte
de cumeno para aumentar esse consumo. Para além disso, a China é uma das maiores potências
mundiais no ramo automóvel, onde são aplicados em grande parte os produtos obtidos a partir
do fenol.
O mercado europeu do fenol é dominado pela INEOS Phenol, a maior produtora de fenol
e acetona a nível mundial, com uma produção próximas dos 1,5 milhões de toneladas de fenol
por ano na Europa.[53] A INEOS Phenol é também um dos produtores com maior importância no
mercado do fenol nos Estados Unidos. Nestas duas regiões o mercado do fenol está bastante
consolidado, pelo que é expectável que o crescimento na Europa e nos Estados Unidos seja
baixo ou mesmo nulo, sendo mais provável que se observe um período de estabilidade nestes
mercados.
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Figura 7: Consumo de fenol, por região (2017). [49] Consumo global de Fenol: 56 200 kton. [52]
• Acetona
Uma vez que aproximadamente 96% da acetona produzida a nível mundial é proveniente
da sua coprodução com fenol, pelo que a evolução do mercado do fenol e do mercado da
acetona vão seguir tendências semelhantes. A acetona é utilizada principalmente na produção
de BPA e de solventes. Em relação ao mercado do BPA, é importante realçar que, apesar da
coprodução de fenol e acetona formar estes produtos numa proporção de 2:1, o BPA consome
fenol e acetona num rácio de 3 para 1. Outra aplicação da acetona que deve ser destacada é a
produção de ciano-hidrinas, que tem sofrido uma mudança nas tecnologias utilizadas nas novas
unidades de produção instaladas, com processos que não utilizam acetona como matéria prima,
mas sim etileno e metano, que são matérias primas obtidas ou até produzidas com custos
bastante baixos. Estas são as principais razões que justificam o excesso de oferta observado no
mercado da acetona.[53]
Apesar deste excesso de oferta, a procura continua a ser significativa. Esta procura é
dependente do estado dos mercados dos produtos finais da acetona, principalmente nos ramos
dos cuidados de higiene pessoal (mais especificamente na cosmética), construção, eletrónica e
automóvel. Estes são mercados que se encontram em crescimento, apesar de não satisfazerem
o excesso de oferta de acetona. O ramo da cosmética, uma das principais aplicações finais de
solventes de acetona, é propício a crescer nos próximos anos devido à preocupação com a pele
e procura por produtos antienvelhecimento.[54]
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Figura 8: Consumo de acetona, por produto (2015).[51] Consumo global de Acetona: 37 100 kton. [52]
O consumo de acetona está centrado no sudeste asiático, mais especificamente China
e Japão, seguido dos Estados Unidos e do oeste europeu.
A região asiática, mais especificamente a China, Coreia do Sul e Japão, apresenta a
maior cota de consumo de acetona a nível mundial, devido aos baixos custos de produção e de
mão de obra. Outra das razões para o consumo nesta região ser tão elevado devem-se ao
crescimento da produção dos ramos dos ramos da cosmética, produtos para o lar e do ramo da
eletrónica.
Nos Estados Unidos, o mercado da acetona é principalmente movimentado pela indústria
automóvel, eletrónica, da construção e das pinturas e revestimentos. No entanto, os mercados
dos produtos farmacêuticos e da cosmética têm sofrido um crescimento tanto pelo aumento no
interesse pelos cuidados com a higiene pessoal como pelo investimento de grandes empresas
nesses ramos. No entanto, o Canadá apresenta perspetivas de crescimento pelas características
vantajosas em termos de preço das matérias primas, o que se espera que leva a várias empresas
com unidades de produção nos Estados Unidos a transitar os seus planos de produção para o
Canadá.
Na região europeia, as unidades de produção de acetona têm vindo a sofrer cortes nas
suas taxas de ocupação devido à diferença entre os custos de matérias primas a montante da
cadeia na região asiática e na Europa. Esta diferença levou a um aumento nos níveis de
importação de BPA da Coreia do Sul para a Europa, com vários dos fornecedores a mostrar
interesse em construir tanques de armazenamento no território europeu.[56]
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Figura 9: Consumo de acetona, por região (2017).[54] Consumo global de Acetona: 37 100 kton. [52]
• Cumeno
O cumeno, sendo um composto intermediário, tem um mercado diretamente dependente
dos seus produtos, principalmente devido ao consumo quase exclusivo de cumeno para
produção de fenol e acetona.
O continente Europeu é um dos maiores consumidores de cumeno, devido
principalmente aos níveis elevados de produção de fenol e acetona já verificados anteriormente
na região. Os níveis de exportações na Europa chegaram aos 757 milhões de dólares em 2017,
enquanto que as importações quase atingiram 1 bilião de dólares.[57] É importante salientar que
que cerca de 23% e 22% das importações e exportações a nível mundial, respetivamente,
correspondem às trocas comerciais de cumeno entre a Bélgica e a Holanda. Os valores elevados
das importações aumentaram o interesse das empresas de produção de fenol e acetona em
montar unidades integradas. A INEOS Phenol decidiu, em julho de 2019, aumentar a capacidade
e expandir a sua unidade de produção de cumeno em Marl, na Alemanha, de 260 para 750 mil
toneladas métricas por ano, para realizar o fornecimento direto de cumeno às suas fábricas de
fenol e acetona em Gladbeck (Alemanha) e Antuérpia (Bélgica).[58]
Na região asiática, a dominância dos mercados do fenol e da acetona e o crescimento
dos ramos da construção e automóvel promovem a necessidade de cumeno em países como a
China, Indonésia, Japão e Índia.[59]
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Figura 10: Consumo de cumeno, por região (2017).[60] Consumo global de Cumeno: 15 400 kton.[60]
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3. O Processo
3.1. Descrição do processo
O processo de produção de cumeno[61] inicia-se no reator de alquilação, de leito fixo,
onde ocorre a reação exotérmica e em fase líquida de benzeno com propileno. O reator está
dividido em dois leitos, onde o benzeno é alimentado na sua totalidade ao reator no 1º leito,
enquanto que a alimentação de propileno é dividida e feita separadamente em cada leito. A
temperatura de reação é controlada através da corrente de propileno, que é alimentada ao reator
a uma temperatura mais baixa, e com recurso a um intercooler entre os leitos, compensando
assim o aumento de temperatura no 1º leito do reator.
Para além da reação principal, com a formação de cumeno, ocorre ainda a reação
secundária de formação de di-isopropilbenzeno, ou DIPB, produto da alquilação indesejada do
cumeno.
𝐶3𝐻6 + 𝐶6𝐻6 → 𝐶9𝐻12 (1)
𝐶3𝐻6 + 𝐶9𝐻12 → 𝐶12𝐻18 (2)
Adicionalmente, o DIPB pode sofrer uma alquilação adicional para formar tri-
isopropilbenzeno (TIPB).
𝐶3𝐻6 + 𝐶12𝐻18 → 𝐶15𝐻24 (3)
Alguns dos contaminantes das correntes de alimentação, nomeadamente a corrente de
benzeno, sofrem reações durante o processo de alquilação[62]. O catalisador do processo, ao
conseguir operar a temperaturas relativamente mais baixas, reduz as reações de oligomerização
e a formação de produtos pesados. Assim, a formação de produtos não desejados é residual e
quase desprezável. No entanto, consideraram-se as reações secundárias que envolvem o
etileno, buteno e ciclopropano, para formação de etilbenzeno, butilbenzeno e n-propilbenzeno,
respetivamente.
𝐶2𝐻4 + 𝐶6𝐻6 → 𝐶8𝐻10 (4)
𝐶4𝐻8 + 𝐶6𝐻6 → 𝐶10𝐻14 (5)
𝐶3𝐻6 + 𝐶6𝐻6(𝑐𝑖𝑐𝑙𝑜𝑝𝑟𝑜𝑝𝑎𝑛𝑜) → 𝐶9𝐻12(𝑛 − 𝑝𝑟𝑜𝑝𝑖𝑙𝑏𝑒𝑛𝑧𝑒𝑛𝑜) (6)
O efluente segue para o despropanizador, onde o propano introduzido no processo com
a alimentação de propileno é separado. A corrente segue para uma segunda coluna de destilação
onde o benzeno vai ser separado para reciclagem ao processo. O resíduo resultante é
alimentado a uma última coluna, onde será retirado o cumeno, como produto final do processo.
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
23
Desta destilação resulta também uma corrente com DIPB e TIPB, que será alimentada
ao reator de transalquilação. O transalquilador é um reator multitubular, de leito fixo e adiabático,
onde ocorre uma reação entre o benzeno reciclado a este reator e o DIPB/TIPB para formar
cumeno adicional.
𝐶6𝐻6 + 𝐶12𝐻18 → 2𝐶9𝐻12 (7)
𝐶6𝐻6 + 𝐶15𝐻24 → 𝐶9𝐻12 + 𝐶12𝐻18 (8)
O efluente resultante da reação é misturado com a corrente que sai da base do
despropanizador, para posterior separação do benzeno.
3.2. História do processo Q-max[62]
O cumeno é produzido em termos comerciais através da alquilação de benzeno com
propileno. Uma das principais variantes ao longo dos anos, no que toca à reação referida, é o
tipo de catalisador utilizado no alquilador. A UOP apresenta, em 1933, o ácido fosfórico sólido
(SPA), um catalisador que iria permitir o desenvolvimento e produção em grande escala de
combustíveis com elevados índices de octano. Durante a 2ª Guerra Mundial, a produção destes
combustíveis para abastecer os aviões de combate foi crucial para as forças Aliadas
conseguirem uma vantagem em termos de superioridade aérea, uma vez que havia uma grande
escassez destes combustíveis para as forças inimigas. Atualmente a sua presença em
combustíveis é acidental, como subproduto da reação inevitável em certos processos de refinaria
como o cracking a vapor, ou reforming catalítico.[63]
Apesar de ter sido bastante vantajoso durante a época em que foi usado, o SPA possuía
algumas limitações, como a significativa oligomerização do propileno e formação de alquilados
pesados durante a reação e o facto de o catalisador não ser regenerável.
O crescente interesse em melhorar a qualidade do fenol e da acetona para produção de
policarbonatos e nylon obrigou os produtores de cumeno a tentar desenvolver cumeno com
melhor qualidade. Com o objetivo de eliminar as limitações do SPA, a UOP investiu no
desenvolvimento de um catalisador que fosse regenerável e com melhor seletividade para a
produção de cumeno. Em 1992, a UOP apresenta um catalisador regenerável, baseado em
zeólitos-beta – o catalisador QZ-2000, capaz de otimizar o processo de produção do cumeno,
denominado neste caso de processo Q-max. Para além das características referidas, o
catalisador favorece um menor caudal de benzeno na reação de alquilação e temperaturas mais
baixas que outros catalisadores.
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
24
O contínuo investimento em desenvolvimento e investigação por parte da UOP levou a
introdução do catalisador QZ-2001, em 2001. Uma versão melhorada do seu antecessor, o QZ-
2001 substituiu o QZ-2000 no reator de alquilação, passando o segundo a fazer parte apenas da
transalquilação. Mais recentemente, em 2013, a UOP voltou a apresentar uma nova geração de
catalisadores com a introdução no mercado do QZ-2500H, um catalisador capaz de operar com
um menor rácio benzeno/propileno e a temperaturas mais baixas que os catalisadores antes
referidos, o que se reflete num consumo elétrico mais reduzido.
3.3. Balanço Mássico
Sabendo a disponibilidade das matérias primas, e com base na patente do processo[61],
foi feito o balanço mássico ao processo – ver Anexos: Flowsheet e Diagrama P&I (estes ficheiros
são referentes a um projeto académico realizado anteriormente, acerca da produção de cumeno,
no âmbito da cadeira de Projeto de Engenharia Química II).
Foram feitas as seguintes considerações para o balanço mássico inicial ao
processo:
3.3.1. Os caudais de matérias primas alimentados ao processo foram
definidos com base nos dados de produção de benzeno e propileno
entre 2014 e 2016;
3.3.2. O rácio de benzeno/propileno na alimentação ao alquilador é de 1,5;
3.3.3. A conversão de propileno no alquilador é de 99,91%; mais
especificamente, as conversões em cumeno, DIPB, Oligomeros e TIPB
são 91,8%, 7,2%, 0,3% e 0,6%, respetivamente;
3.3.4. Em relação ao transalquilador, considerou-se uma razão
benzeno/DIPB de 3, com uma conversão de DIPB em cumeno de 90%,
tal como a conversão de TIPB;
3.3.5. A pureza do produto final do processo é superior a 99,95%;
3.3.6. Remoção da última coluna de separação (coluna de separação
de pesados), uma vez que se considera que a formação de pesados é
desprezável;
3.3.7. A formação de impurezas e venenos do catalisador é
residual, mesmo sabendo que os catalisadores têm elevada tolerância
aos mesmos.
A partir destes valores, definiu-se no simulador Aspen Plus V9 as correntes, os
equipamentos relevantes para o processo e a partir dos dados de alimentação das matérias
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
25
primas foi possível correr a simulação. Definem-se de seguida os balanços mássicos para os
principais equipamentos (reatores e colunas).
O primeiro equipamento a analisar é o reator de alquilação, dividido em dois leitos com
o intercooler entre os leitos para colmatar o aumento de temperatura na reação. O reator de leito
fixo, em fase líquida, opera a 160ºC e 35 barg, e a reação exotérmica provoca um aumento de
temperatura de 30ºC por leito. Tal como já foi referido na descrição do processo, o benzeno é
alimentado na sua totalidade logo no primeiro leito, enquanto que o propileno é alimentado
separadamente ao primeiro e segundo leito.
Figura 11: Esquema do reator de alquilação (via Aspen).
Tabela 1: Balanço mássico ao reator de alquilação.
Entrada Intercooler Saída
B-201 P-201 P-202 C-201 C-202 C-203
Temperatura (ºC) 160 39 39 190 160 190
Pressão (barg) 35 35 35 35 35
Caudal (ton/dia)
Benzeno 219,3 0 0 146,5 73,4
Propileno 0 41,0 41,0 0,2 0,2
Propano 0,1 9,1 9,1 9,2 18,2
Cumeno 0,1 0 0 107,7 215,7
M-DIPB 0 0 0 2,8 5,7
P-DIPB 0 0 0 2,8 5,7
TIPB 0 0 0 0,4 0,8
Outros <0,01 0 0 <0,01 <0,01
Total 319,7 269,6 319,7
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
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Para além do alquilador, o processo tem também um reator de transalquilação. São
alimentados ao transalquilador os produtos secundários da alquilação – DIPB e TIPB – que são
separados do cumeno na última coluna de destilação do processo, e uma parte do benzeno que
sai do das correntes fresca e de reciclagem de benzeno. A corrente de saída do reator vai ser
misturada com a corrente de saída de fundo do despropanizador para alimentação à segunda
coluna de destilação do processo. O transalquilador é um reator multitubular, de leito fixo e
adiabático, que opera em fase líquida, a 200ºC e 35 barg.
Figura 12: Esquema do reator de transalquilação (via Aspen).
Tabela 2: Balanço mássico ao reator de transalquilação.
Entrada Saída
B-107 DIPB-201 B-202 C-205
Temperatura (ºC) 160 269 204 204
Pressão (barg) 35 35 35 35
Caudal (ton/dia)
Benzeno 18,0 0 18,0 12,6
Propileno 0 0 0 0
Propano <0,01 0 <0,02 <0,01
Cumeno <0,01 <0,01 <0,01 16,2
M-DIPB 0 5,6 5,6 0,6
P-DIPB 0 5,6 5,6 0,6
TIPB 0 0,8 0,8 0,1
Outros 0 <0,01 <0,01 <0,01
Total 30,0 30,0 30,0
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A corrente que sai do reator de alquilação segue para o despropanizador depois de sofrer
arrefecimento e descompressão, para a remoção do propano do processo, a partir da corrente
de topo da coluna, para armazenamento na forma de GPL nas esferas com esse propósito. A
corrente de fundo segue para a coluna de separação do benzeno, juntamente com a corrente de
saída do transalquilador. O despropanizador tem 12 andares, atinge os 258ºC e opera a 14 barg.
A corrente de alimentação entra no 4º andar do equipamento.
Figura 13: Esquema do despropanizador (via Aspen).
Tabela 3: Balanço mássico ao despropanizador.
Entrada Saída
C-301 PROP-301 C-302
Temperatura (ºC) 131 44 257
Pressão (barg) 14 14 14
Caudal (ton/dia)
Benzeno 73,4 73,3 0,1
Propileno 0,2 0 0,2
Propano 18,2 0,1 18,1
Cumeno 215,7 215,7 0
M-DIPB 5,7 5,7 0
P-DIPB 5,7 5,7 0
TIPB 0,8 0,8 0
Outros <0,01 <0,01 0
Total 319,7 319,7
A segunda coluna de destilação realização a separação de benzeno, na corrente de topo,
para ser misturado com a corrente fresca de benzeno para ser reciclado ao processo. A corrente
de resíduo vai ser alimentada à terceira e última coluna, para separação do produto final e da
alimentação dos poli-isopropilbenzenos (PIPB) ao transalquilador. Esta coluna, com 18 pratos,
opera a 4 barg e atinge os 229ºC. A corrente de entrada é alimentada à coluna pelo 7º prato do
equipamento.
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Figura 14: Esquema da coluna de destilação para separação do benzeno (via Aspen).
Tabela 4: Balanço mássico à segunda coluna de destilação do processo.
Entrada Saída
C-305 B-301 C-306
Temperatura (ºC) 150 142 229
Pressão (barg) 4 4 4
Caudal (ton/dia)
Benzeno 85,9 85,9 0
Propileno 0 0 0
Propano 0,1 0,1 0
Cumeno 231,9 0,1 231,8
M-DIPB 6,3 0 6,3
P-DIPB 6,3 0 6,3
TIPB 0,9 0 0,9
Outros <0,01 0 <0,01
Total 331,4 331,4
A terceira e última coluna de destilação do processo tem como objetivo a separação do
cumeno, que é depois preparado para o armazenamento como produto final, e dos DIPB e TIPB
que são alimentados ao transalquilador. A coluna possui 20 andares, e opera a 262ºC e a 2 barg.
A entrada da corrente de alimentação é feita no 8º andar da coluna.
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Figura 15: Esquema da coluna de destilação para separação do produto final (via Aspen).
Tabela 5: Balanço mássico da terceira coluna de destilação do processo.
Entrada Saída
C-308 C-309 DIPB-301
Temperatura (ºC) 130 200 262
Pressão (barg) 2 2 2
Caudal (ton/dia)
Benzeno <0,02 <0,02 0
Propileno 0 0 0
Propano 0 0 0
Cumeno 231,8 231,8 <0,01
M-DIPB 6,3 0,1 6,2
P-DIPB 6,3 <0,01 6,3
TIPB 0,9 0 0,9
Outros <0,01 0 <0,01
Total 245,3 245,3
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3.4. Materiais de Construção
Na escolha dos materiais a utilizar na construção dos equipamentos do processo, foi
necessário realizar uma análise rigorosa à compatibilidade dos materiais a utilizar com os
compostos do processo[64], e concluir se as propriedades mecânicas dos materiais selecionados
suportam as condições operatórias dos equipamentos nos quais são utilizados.
As correntes e equipamentos principais do processo podem ser construidos com aço-
carbono, enquanto que a circulação de água de arrefecimento tem que ser feita com recurso ao
aço inoxidável. As compatibilidades referidas podem ser verificadas na tabela 6.
Tabela 6: Compatibilidade entre os principais compostos do processo e os materiais de construção utilizados.[64]
Composto \ Material Carbon Steel Stainless Steel SS304
Benzeno A B
Propileno A B
Cumeno B B
Água de Arrefecimento C A
Em relação às propriedades mecânicas do aço-carbono, estas suportam as condições
operatórias de todo o processo. Nos reatores, correspondentes à zona do processo com
condições operatórias mais exigentes, o aço carbono suporta com facilidade as condições
operatórias do equipamento – o stress mecânico suportado à temperatura de 190ºC é muito
superior à pressão operacional dos reatores de 35 barg.
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4. Dimensionamento do Equipamento
A escolha do equipamento que se considerou adequado para reutilizar no processo foi
precedida do dimensionamento do equipamento baseado na simulação realizada. Para esta
seleção é necessário o cálculo das dimensões e das condições operatórias para os diferentes
equipamentos do processo.
4.1. Tanques e Esferas de armazenamento
O dimensionamento dos tanques e esferas de armazenamento foi realizado com base
nas fórmulas apresentadas[65][66] (equações 9 a 11). Os volumes foram cálculados a partir do
caudal volumétrico da corrente a alimentar ao processo, no caso das matérias primas, ou da
corrente a armazenar proveniente do processo, no caso dos produtos obtidos (QV) ou compostos
removidos do processo, e do tempo de residência (t) definido para cada equipamento. Ao volume
obtido é aplicado um sobredimensionamento de 20%.
𝑉𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒/𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 = 1,2 × 𝑄𝑣 × 𝑡 (9)
Para os tanques, teve-se em conta os rácios altura/diâmetro recomendados na tabela 7,
correspondentes a diferentes gamas de volumes. Recorrendo às equações, chegam-se aos
valores de altura e diâmetro dos tanques, e de diâmetro nas esferas.
Tabela 7: Valores tabelados da razão altura/diâmetro para gamas de volume de tanques de armazenamento.[67]
Até 100 m3 100 – 10 000 m3 Mais de 10 000 m3
Altura/Diâmetro 3 - 4 1 1/5 – 1/6
𝑉 𝐷𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒
2
𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 = 𝐻 × 𝜋 ( 2
) (10)
𝑉 4 𝐷𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎
3
𝑒𝑠𝑓𝑒𝑟𝑎 = 3
× 𝜋 ( 2
) (11)
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O benzeno já se encontra armazenado na refinaria, e sabe-se que a sua disponibilidade
satisfaz as necessidades do processo com base no balanço de massa realizado. O propano
separado do processo considerou-se apto para ser armazenado nas esferas de propano com
esse objetivo, já existentes na refinaria. Por essa razão, foi apenas necessário dimensionar os
tanques para armazenamento de cumeno dentro e fora de especificação, e as esferas de
armazenamento do propileno. Também foram definidas as condições operatórias para estes
equipamentos – Anexo A1.
Tabela 8: Resultados do dimensionamento dos tanques e esferas de armazenamento.
Volume (m3) Diâmetro (m) Altura (m) Tempo de Residência
Propileno, p/esfera (3
esferas)
928 6,1 - 7 dias
Cumeno, p/ tanque (2
tanques)
1200 11,4 11,4 7 dias
Cumeno (fora de
especificação)
1000 10,7 10,7 3 dias
4.2. Acumuladores de balanço e de refluxo
Antes de cada coluna, e na junção das correntes fresca e de reciclagem de benzeno,
utilizam-se acumuladores de balanço que permitem controlar os caudais nas principais fases do
processo. Para além dos acumuladores de balanço, são também necessários acumuladores de
refluxo no topo dos colunas.
Os acumuladores foram dimensionados com base nas fórmulas apresentadas (equações
12 e 13). Os cálculos são semelhantes aos realizados para os tanques de armazenamento, com
algumas diferenças:
4.2.1. O tempo de residência considerado foi de 20 minutos;
4.2.2. Considerou-se um rácio comprimento/diâmetro (L/D) de 3;
4.2.3. O Volume das cabeças torisféricas é calculado segundo a equação 12:
𝑉𝑐𝑎𝑏𝑒ç𝑎𝑠 = 2 × 0,778 × 𝐷3 (12)
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𝑉𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 = 1,2 × 𝑄𝑣 × 𝑡 (13)
𝑉 = 𝐿 𝐷 2
(14) 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 𝑎𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟 × 𝜋 (
2) + 𝑉𝑐𝑎𝑏𝑒ç𝑎𝑠
Calcularam-se as dimensões dos acumuladores, e definiram-se as condições
operatórias e de design destes equipamentos – Anexo A2.
Tabela 9: Resultados do dimensionamento dos acumuladores de balanço e refluxo.
Acumuladores Nomenclatura Volume (m3) Diâmetro (m) Altura (m)
Balanço
Alimentação
Benzeno D-1001 5,0 1,3 3,9
Coluna 1 D-3001 7,5 1,5 4,5
Coluna 2 D-3003 8,0 1,5 4,4
Coluna 3 D-3005 5,5 1,3 4,0
Refluxo
Coluna 1 D-3002 30 2,3 7
Coluna 2 D-3004 7 1,4 4,3
Coluna 3 D-3006 18 2 5,9
4.3. Colunas de destilação
As colunas de destilação do processo foram dimensionadas com base nos cálculos
sugeridos na literatura[68]. O processo de dimensionamento das colunas consiste em:
4.3.1. Cálculo do Diâmetro da Coluna;
A partir do software Aspen Plus, foram definidos alguns parâmetros iniciais para cada
coluna, necessários para a simulação (os valores estão apresentados na tabela 10).
Tabela 10: resultados, obtidos a partir do software Aspen, necessários para o dimensionamento das colunas.
Condensador Nº de pratos Prato Entrada Razão de Refluxo Razão Destilado/Alimentação
T-3001 Total 12 4 2,2 0,06
T-3002 Total 18 7 2,2 0,26
T-3003 Total 20 8 2,2 0,95
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Na secção Column Internals associada às opções de configuração das colunas, é
possível obter valores simulados de diâmetro da zona de retificação e da zona de esgotamento,
caudais e parâmetros termodinâmicos ao longo dos pratos, que vão ser utilizados para os
cálculos do diâmetro das colunas. Estes valores são depois comparados com os diâmetros
simulados para verificar se estão concordantes, e posteriormente comparados entre secções,
para verificar se a coluna deve ter duas secções com diferentes diâmetros. Não se justifica, em
nenhum dos casos, o dimensionamento das colunas para diferentes diâmetros, e considerou-se
apenas o diâmetro calculado de maior dimensão.
4.3.2. Cálculo do Altura da Coluna- Anexo A3;
A altura da coluna foi calculada a partir da fórmula da literatura (equação 15[68]) em que
se considerou o nº de pratos (Npratos), espassamento entre os pratos (tpratos), altura adicional no
topo e na base da coluna (∆h) e espessura dos pratos (l).
𝐻𝑐𝑜𝑙𝑢𝑛𝑎 = (𝑁𝑝𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 − 1) × 𝑡𝑝𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 + ∆ℎ + 𝑁𝑝𝑟𝑎𝑡𝑜𝑠 × 𝑙 (15)
4.3.3. Verificação da ocorrência de Inundação na Coluna;
A inundação é um problema derivado da acumulação excessiva de líquido numa região
específica – um prato, por exemplo – ou mesmo em toda a coluna. Consequentemente, a
capacidade máxima da coluna pode diminuir, tal como a pressão diferencial e a eficiência da
separação no processo. Este fenómeno pode ocorrer por diversas razões: se a velocidade do
gás for demasiado alta, pode levar a arrastaento de líquido para o andar superior; se a altura do
canal de descida (orienta o fluxo de líquido para o prato abaixo na coluna) ou do weir do prato
(pequena barreira no limite do prato que controla o nível de líquido no prato) não for a adequada,
os tempos de retenção do líquido nos pratos pode provocar a inundação dos mesmos.
Assim, verificaram-se as perdas de carga, tal como recomendado na literatura e com
base nas equações 16 a 20[68], ao longo da coluna.
ℎ𝑡𝑜𝑡 = ℎ3 + (ℎ𝑙 + ℎ𝑤) (16)
Em que htot é a perda de carga de líquido na conduta descendente, obtida através da
soma da altura do líquido na conduta descendente (h3) e as cargas de líquido nos pratos (hl e
hw). O valor de h3 é calculado somando a carga do líquido à entrada do prato (hG) com a carga
do vapor através do prato (h2).
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ℎ3 = ℎ𝐺 + ℎ2 (17)
O cálculo da carga de líquido à entrada do prato, hG, é dividido e três parcelas: perda de
carga seca (hD), a perda de carga devido à altura do líquido (hL) e a perda de carga associada à
tensão superficial (hσ).
ℎ𝐺 = ℎ𝐷 + ℎ𝐿 + ℎ𝜎 (18)
O valor de htot obtido corresponde a uma mistura de líquido e espuma com bolhas de
vapor. Isto significa que as perdas de carga na conduta são maiores devido à instabilidade da
mistura. Por essa razão, deve-se considerar o valor da densidade da mistura (ρmist=0,5 segundo
a literatura) para ajustar o valor das perdas de carga (htot,mist):
ℎ𝑡𝑜𝑡,𝑚𝑖𝑠𝑡 = ℎ𝑡𝑜𝑡
𝜌𝑚𝑖𝑠𝑡 (19)
Para se admitir que não ocorre inundação, deve-se cumprir a seguinte condição:
ℎ𝑡𝑜𝑡,𝑚𝑖𝑠𝑡 < 𝑡
2 (20)
Em que t se refere ao espaçamento entre pratos. Após os cálculos, confirmou-se que a
condição é cumprida e não ocorre inundação em nenhuma das colunas.
4.3.4. Verificação da ocorrência de Gotejamento de Líquido;
O gotejamento de líquido ocorre quando o vapor circula a um caudal baixo o suficiente
para o líquido gotejar através dos furos do prato, reduzindo a eficiência da destilação. Concluiu-
se que as colunas não tinham problemas com gotejamento de líquido.
4.3.5. Verificação da ocorrência de Arrastamento de Vapor.
O arrastamento de vapor ocorre quando o líquido arrasta consigo algum do vapor para
o prato inferior, sendo que o vapor acaba por diluir o líquido e diminuir a eficiência da separação.
Confirmou-se que não ocorria arrastamento de vapor nas colunas.
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4.4. Equipamentos de transferência de calor
4.4.1. Permutadores de caixa e tubos
Os permutadores de caixa e tubos vão realizar as principais operações de transferência
de calor no processo. O dimensionamento dos permutadores – Anexo A4 – considerou os
seguintes pressupostos[66]:
• para a utilidade fria (água de arrefecimento), assume-se uma diferença de
temperatura de 5ºC;
• a velocidade da água ou de outra corrente orgânica nos tubos deve-se encontrar
entre 0,9 e 2,4 m/s, e na caixa entre 0,3 e 1 m/s;
• a água de arrefecimento, quando utilizada, vai circular nos tubos de modo a
cumprir com a gama de velocidades na caixa permitida;
• uma vez que a água circula nos tubos, a disposição triangular dos tubos é a mais
favorável
• definiu-se que os permutadores iriam funcionar em contracorrente para
aumentar a eficiência da transferência de calor;
• a velocidade do vapor (de alta pressão) deve estar 5 e 10 m/s;
• aos equipamentos é aplicado um fator de sobredimensionamento de 20%;
• a razão entre o comprimento dos tubos e o diâmetro da caixa deve-se encontrar
entre 5 e 15, preferencialmente entre 8 e 12[67];
• uma vez que se utiliza água de arrefecimento na maioria destes equipamentos,
as tubagens desses permutadores foram construídas com aço inoxidável, de
modo a evitar a corrosão.
Para o dimensionamento dos permutadores, foi necessário retirar as propriedades físicas
das correntes de entrada e saída e o calor transferido (q) no equipamento, com recurso ao Aspen,
e arbitrar um valor inicial para o coeficiente global de transferência de calor (U) com base na
literatura[66]. Considerou-se o coeficiente global inicial para arrefecedores com solventes
orgânicos e água de arrefecimento como fluídos quente e frio, respetivamente (entre 250 e 750,
logo 500 W/m2.ºC. No entanto, o primeiro permutador considerado utiliza vapor de água para
aquecer a corrente, pelo que o valor inicial de U se cifrou em 750 W/m2.ºC. Os dados são depois
utilizados para calcular a área de transferência de calor (A) a partir da equação de projeto
(equação 21[66]):
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𝑞 = 𝑈𝐴∆𝑇𝑙𝑛 (21)
Em que ∆Tln é a diferença logarítmica de temperaturas.
Sabendo a área, e arbitrando um comprimento inicial para os tubos (Ltubo), é necessário
definir as restantes dimensões e número de tubos e as suas passagens, tal como as dimensões
da caixa do permutador. Para tal, recorre-se ao catálogo do fabricante[67]: definem-se quais os
diâmetros interno e externo (di e do) e o pitch dos tubos de acordo com as dimensões disponíveis
no catálogo; de seguida, com base no número mínimo de tubos necessários, escolhem-se o
número de tubos (ntubos) e o número de passagens (npassagens), aos quais vai estar associado um
diâmetro de caixa.
Deve-se verificar se a velocidade da corrente que circula nos tubos (vtubos – equação
22[64]) cumpre com as gamas definidas para o dimensionamento, e caso a velocidade não se
encontre dentro dos limites impostos, testa-se outro número de tubos e correspondente número
de passagens.
𝑣 = 𝑄𝑉,𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 (22)
𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 𝑑𝑖 2
𝑛𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
𝜋( 2
) ×𝑛𝑝𝑎𝑠𝑠𝑎𝑔𝑒𝑛𝑠
Em que QV,tubos corresponde ao caudal volumétrico da corrente que circula nos tubos.
Com base no comprimento dos tubos e em valores heurísticos, definiram-se o número
de chicanas (Nb) e espaçamento entre as mesmas (lb), com base na equação 23[66].
𝑁𝑏 = 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜 − 1 (23)
𝑙𝑏
É necessário agora recalcular o coeficiente global de transferência de calor para avaliar
o erro relativo ao U arbitrado inicialmente. Este cálculo é feito através da equação da soma das
resistências individuais (equação 24[66]).
1 =
1 + 𝑅′′ + 𝑑
ln(
𝑑𝑜)
× 𝑑𝑖
+ 𝑑𝑜 × 𝑅′′ +
𝑑𝑜 × 1
(24)
𝑈 ℎ𝑜 𝑜 𝑜 2𝑘𝑤 𝑑𝑖 𝑖 𝑑𝑖
ℎ𝑖
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Em que ho e hi correspondem aos coeficientes parciais de transferência de calor do lado
da caixa e do lado dos tubos, respetivamente e Ro’’ e Ri’’ são os índices de sujidade do lado da
caixa e do lado dos tubos, respetivamente. Os índices de sujidade e a condutividade dos tubos
(kw) são retiradas da base de dados[66], com base no material utilizado (aço inoxidável 304).
Os coeficientes parciais são calculados a partir das correlações da literatura (equações
25 e 26[66]).
4200(1,35+0,02𝑇𝑚é𝑑𝑖𝑎)𝑢0,8
ℎ𝑖 = 0,2 𝑖
𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 (25)
ℎ𝑜𝑑𝑒𝑞,𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 = 𝑗 𝑅𝑒 𝑃𝑟0,33 𝜇𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 0,14 (26)
𝑘 𝐻 𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 𝑐𝑎𝑖𝑥𝑎 × ( ) 𝜇𝑤
Para o cálculo dos coeficientes é necessária a temperatura média da corrente que circula
nos tubos (Tmédia), o diâmetro equivalente para pitch triangular, número de Reynolds e de Prantl
do lado da caixa (deq,caixa, Recaixa e Prcaixa, respetivamente), a condutividade térmica (k) da corrente
a circular na caixa e o fator de transferência de calor do lado da caixa (jH, obtido a partir da figura
disponível na literatura[66]). A parcela das viscosidades no cálculo do ho é desprezável uma vez
que em todos os casos considerados, a viscosidade da corrente que circula na caixa (µcaixa),
constituída por compostos orgânicos, era semelhante à viscosidade da água (µw).
Para terminar, caso o erro relativo do coeficiente global for aceitável (inferior a 20%),
pode-se avançar para o sobredimensionamento do permutador e terminar os cálculos com a
correção das perdas de carga.
Tabela 11: Resultados do dimensionamento dos permutadores de caixa e tubos.
Corrente Fria (tubos) Corrente Quente (caixa) q (kW)
H-1001 Orgânicos Medium Pressure Steam 444
H-2001 Água de Arrefecimento Orgânicos 221
H-2002 Água de Arrefecimento Orgânicos 512
H-3001 Água de Arrefecimento Orgânicos 921
H-3002 Água de Arrefecimento Orgânicos 646
H-3003 Água de Arrefecimento Orgânicos 844
𝑑
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ℎ
4.4.2. Condensadores
Os condensadores no topo das colunas são dimensionados de forma semelhante aos
permutadores de caixa e tubos – Anexo A5. Optou-se por condensadores horizontais, onde a
condensação ocorre do lado da caixa.
No entanto, a ocorrência de condensação obriga a alterações no processo de
dimensionamento:
• o valor inicial do coeficiente global de transferência foi cifrado a 850 W/m2.ºC
(valor médio para condensadores com vapores orgânicos como fluído quente e água de
arrefecimento como fluído frio).
• no cálculo da média logarítmica da temperatura, as temperaturas de entrada e
saída da corrente quente são substituidas pela temperatura de saturação uma vez que o calor
sensível é desprezável em relação ao calor latente. Desta maneira, apenas se considera o calor
cedido pela corrente quente para a mudança de fase.
• o cálculo do espaçamento entre chicanas, em vez de ser 20 a 50% do diâmetro
da caixa, passa a ser igual ao diâmetro da caixa.
• O cálculo do coeficiente parcial da transferência de calor do lado da caixa, ho,
passa a considerar a ocorrência de condensação – equação 27[66]:
ℎ = 0,95 × 𝑘
1
[ 𝜌𝐿(𝜌𝐿−𝜌𝐺)𝑔
]3 𝑁
−1
6 (27) 𝑜 𝐿 𝜇𝐿Γℎ 𝑅
em que, para além de algumas das propriedades da corrente quente, tanto líquida como
gasosa, é necessário saber o valor do fator Γh, associado à quantidade de condensado em cada
tubo (equação 28[66]), e NR que é o fator de correção ao tipo de escoamento. Esse fator de
correção é desprezado uma vez que o fluído a circular é muito pouco viscoso.
Γ = 𝑊𝑐
𝐿n𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 (28)
Na equação apresentada, WC é o caudal mássico do condensado.
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Tabela 12: Resultados do dimensionamento dos condensadores.
Corrente Fria (tubos) Corrente Quente (caixa) q (kW)
C-3001 Água de Arrefecimento Orgânicos 206
C-3002 Água de Arrefecimento Orgânicos 1190
C-3003 Água de Arrefecimento Orgânicos 2413
4.4.3. Ebulidores
Os ebulidores do processo, presentes no fundo de cada coluna de destilação, foram
escolhidos como ebulidores kettle. Este tipo de ebulidor é, de certo modo, semelhante a um
permutador de caixa e tubos. Contudo, o formato da caixa e dos tubos é alterado (ver figura 16):
a corrente sai do fundo da coluna e entra no ebulidor; na zona dos tubos, que se dispõem em U,
o líquido sofre ebulição, o vapor é realimentado à coluna e o restante líquido segue para o resto
do processo.
Figura 16: esquema de um ebulidor kettle, com utilização de Hot oil como utilidade.
Em relação à utilidade a usar nos ebulidores, escolheu-se hot oil. A utilização de vapor
de água não se apresentou como uma opção viável devido às elevadas temperaturas atingidas
para ocorrer ebulição.
Para o dimensionamento destes equipamentos, foi necesssário retirar o calor trocado,
propriedades físicas, caudais e temperaturas das correntes que circulam no ebulidor, a partir do
Aspen. O procedimento inicial é semelhante ao utilizado para os permutadores de caixa e tubos,
com a utilização da equação de projeto, a definição do valor inicial do coeficiente global de
transferência de calor (escolheu-se 100 W/m2.ºC).
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Passando ao dimensionamento relacionado com os tubos, escolheu-se um pitch
triangular, 1,5 vezes superior ao diâmetro exterior dos tubos, proporcionando mais espaço para
evitar a cobertura de vapor. A escolha do número de tubos tem em conta a dobra mínima dos
tubos, dependentes do diâmetro e espessura dos mesmos (considerou-se 3 vezes o diâmetro
exterior), e as tabelas específicas para este formato e pitch[69]. Uma vez que o ebulidor kettle tem
uma estrutura bastante específica, é necessário calcular o diâmetro do feixe de tubos (Db) que
vai ser utilizado no equipamento. Com base na disposição dos tubos e número de passagens,
escolhem-se os parâmetros K1 e n1, e calcula-se o valor de Db (equação 29[66]).
D𝑏
= 𝑑𝑜
( 𝐾1
n𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
1
)𝑛1 (29)
Calcula-se também o número de tubos na fileira central, que se vai subtrair ao número
total de tubos, para se contabilizar o formato em U dos tubos dos ebulidores.
Para o dimensionamento da caixa do ebulidor (Ds), definiu-se primeiro a razão entre o
diâmetro da caixa do ebulidor e o diâmetro da caixa do permutador (Db), com base nos valores
dados pela literatura. A partir dessa razão é possível calcular o Ds e definir o espaço livre (ɸ)
entre o nível de líquido proveniente da coluna (z) e o diâmetro Ds, de acordo com a figura 17 (o
valor de ɸ deve ser no mínimo 0,25 metros).
Figura 17: Esquema da secção do ebulidor kettle.
Após ter todas as dimensões definidas, verifca-se a ocorrência de arrastamento de vapor
através do cálculo da velocidade do vapor na caixa (uv). O valor máximo que o vapor pode atingir
é definido pela equação 30:
𝜌𝐿−𝜌𝑉
0,5
u𝑣 < 0,2 ( ) 𝜌𝑉
(30)
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O cálculo do novo coeficiente global de transferência de calor é feito a partir dos
coeficientes parciais. O coeficiente do lado dos tubo foi fixado em 8000 W/m2.ºC, o valor tipico
para a circulação de vapor de água nos tubos[66]. Do lado da caixa, utilizou-se a correlação para
“ebulição em lago” (equação 31[66]), em que é necessário saber a pressão crítica da mistura (Pc)
e o fluxo de calor do ebulidor (qc).
ℎ = 0,104𝑃0,69𝑞0,7 𝑃 0,17
𝑃 1,2
𝑃 10
(31) 𝑜 𝑐 (1,8 ( )
𝑃𝑐 + 4 ( )
𝑃𝑐 + 10 ( ) )
𝑃𝑐
A correlação utilizada só é válida para misturas com pontos de ebulição menores a 5ºC,
pelo que se utiliza um fator de correção (fm – equação 32[66]), em que Tbo e Tbi correspondem à
temperatura da mistura em vapor a sair do ebulidor e à temperatura da corrente líquida que entra
no ebulidor, respetivamente.
ℎ𝑜′ = ℎ𝑜 × 𝑓𝑚 , 𝑓𝑚 = exp(−0,083(𝑇𝑏𝑜 − 𝑇𝑏𝑖)) (32)
O valor do coeficiente de sujidade do lado da caixa escolhido corresponde ao valor dos
líquidos orgânicos e do lado dos tubos utilizou-se um valor dentro da gama recomendada para
vapor de água (5000 e 8000 W/m2.ºC, respetivamente).
Calculou-se ainda o fluxo de calor máximo para o feixe de tubos (equação 33[66])
considerado depois com um fator de segurança de 70%. Para a ebulição ser estável, o fluxo de
calor deve ser inferior ao máximo considerado com o fator de segurança. É necessário saber o
valor da constante Kb para o pitch triangular, o calor latente da mistura (λ) e a tensão superficial
(σ).
𝑞 𝑃𝑇
𝜆 [ (
) 2]0,25
𝑐𝑏 = 𝐾𝑏 (𝑑 ) (
𝑛0,5 ) 𝜎𝑔 𝜌𝐿 − 𝜌𝑉 𝜌𝑉 (33) 𝑜 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠
Termina-se os cálculos da mesma maneira que nos permutadores, com a determinação
do novo coeficiente global, verificação do desvio em relação ao valor inicialmente arbitrado e
sobredimensionamento final – Anexo A6.
𝑐
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Tabela 13: Resultados do dimensionamento dos ebulidores.
Corrente Fria (caixa) Corrente Quente (tubos) q (kW)
RB-3001 Orgânicos Hot Oil 206
RB-3002 Orgânicos Hot Oil 1190
RB-3003 Orgânicos Hot Oil 2413
4.5. Reatores
4.5.1. Reator de Alquilação
A partir da informação fornecida acerca do reator de alquilação na patente[61] e em artigos
acerca do processo da UOP[62], é sugerido que o reator de alquilação seja um reator de leito fixo,
com vários leitos em série (considerou-se que para a escala de produção justificava a utilização
de dois leitos em série). Uma vez que a reação é altamente exotérmica, e também por sugestão
do artigo, decidiu-se utilizar um permutador para arrefecimento intermédio (intercooler) com o
objetivo de controlar a temperatura máxima de reação. Outra característica do processo para
controlo de temperatura, tal como já foi referido na descrição do processo, é a alimentação do
propileno separadamente a cada leito, enquanto que o benzeno é alimentado na sua totalidade
ao primeiro leito.
Ao correr a simulação, foram obtidos os caudais de cada leito, necessários para definir
as condições da reação.
Para o cálculo das condições da reação, começou-se por fazer o balanço entálpico aos
leitos (equação 34). Os leitos do reator são adiabáticos e o intercooler realiza as trocas de calor
necessárias, pelo que o calor trocado é nulo.
∆𝐻𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎 + 𝑄𝑡𝑟𝑜𝑐𝑎𝑑𝑜 = ∆𝐻𝑠𝑎í𝑑𝑎 + 𝑄𝑟𝑒𝑎çã𝑜 (34)
O calor de reação, Qreação, (equação 35) é calculado a partir da entalpia da reação de
alquilação (∆Hr) e da quantidade de produto formado a partir da reação de alquilação (nformado). A
entalpia da reação foi calculada, para as temperaturas requeridas, a partir da Lei de Kirchhoff
(equação 36[70]), e com recurso ao valor da literatura da entalpia da reação a 250 ºC[70]. A
quantidade de produto formado, como a estequiometria da reação é 1:1, corresponde ao caudal
molar de propileno uma vez que se considera a conversão total do propileno.
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𝑄𝑟𝑒𝑎çã𝑜 = 𝑛𝑓𝑜𝑟𝑚𝑎𝑑𝑜 × ∆𝐻𝑟 (35)
∆𝐻 (𝑇 ) = ∆𝐻 (𝑇 ) + ∫𝑇2 ∆𝐶 𝑑𝑇 (36)
𝑟 2 𝑟 1 𝑇1 𝑝
Em que ∆Cp é calculado a partir da equação 37, a partir das capacidades caloríficas dos
reagentes e produtos da reação de alquilação, valores retirados do software Aspen:
∆𝐶𝑝 = ∑ 𝐶𝑝,𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜𝑠 − 𝐶𝑝,𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 (37)
A variação de temperatura de cada leito foi calculada (equação 38) a partir do calor da
reação, da capacidade calorífica da mistura e o caudal molar de saída de cada leito. É a partir
desta variação que se obtém a temperatura de saída das correntes dos leitos, e posteriormente
a temperatura média nesses mesmos leitos (equação 38).
∆𝑇 = 𝑄𝑟𝑒𝑎çã𝑜
𝐶𝑝,𝑚𝑖𝑠𝑡𝑢𝑟𝑎×𝐹𝑠,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
(38)
Os valores obtidos à saída de cada leito, ligeiramente acima dos 200 ºC, justificam a
utilização de um intercooler, de modo a controlar a temperatura. Sem este equipamento, a
temperatura poderia atingir valores que levassem à vaporização do propileno, dificultando a
reação em fase líquida.
Passando à cinética da reação, considerou-se que a reação ocorre segundo um
mecanismo de Rideal-Eley, com base num artigo científico[71] sobre a reação de alquilação do
benzeno com propileno em reatores de leito fixo, com base na equação 39[71]:
𝑘′𝑜 × 𝐾𝑎 × 𝐶𝑎
𝑟𝑎 = (1 + 𝐾 × 𝐶𝑎 )
(39) 𝑎
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Em que ra é a velocidade de reação, k’0 é a constante de velocidade, Ka a constante de
adsorção do propileno e Ca a concentração de propileno no reator. O artigo[71] fornece ainda as
constantes cinéticas da reação, apresentadas na tabela 13.
Tabela 14: Valores de constantes cinéticas fornecidos pelo artigo[71], e valores do Ka obtido para o mecanismo em questão.
Temperatura (ºC) 160 180 200 220
k0’ (h-1) 14,4 31,3 97,9 166,7
KaCb (mol h-1) 36,7 15 3,1 2,9
Ka 5,2 2,1 0,4 0,4
Com estes dados, foi possível definir expressões para obter o valor das constantes com
base na temperatura da reação (equações 40 e 41[71]):
𝑘′0 = 149442 × 𝑒 −1492
𝑇 (40)
1639
𝐾𝑎 = 0,0002 × 𝑒− 𝑇 (41)
Com as temperaturas médias de cada leito, calcularam-se as constantes cinéticas e a
partir da equação 42, referente ao reator pistão, foi possível obter a massa de catalisador
necessária para a reação:
𝑥𝑎=0
𝑚𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 = ∫ 𝑑𝑥𝑎
(42) 𝐹𝑎,0
𝑥𝑎=𝑥𝑎 𝑟𝑎
Em que Fa,0 é o caudal molar de propileno. A partir do caudal mássico total à entrada de
cada leito, e da massa de catalisador obtida, calculou-se o weight hourly space velocity (WHSV).
O valor total deste parâmetro deve estar dentro da gama fornecida no artigo[72] (total entre 2 e 10
h-1).
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𝑚𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟 =
𝑄𝑚,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (42)
𝑊𝐻𝑆𝑉
Tabela 15: massa de catalisador utilizada em cada leito e correspondente WHSV (weight hourly space velocity).
mcatalisdador (kg) WHSV (h-1)
1º leito 838 13,7
2º leito 637 21,3
Total 1 476 8,4
Com todos os parâmetros determinados da cinética, procedeu-se ao cálculo das
dimensões dos leitos – Anexo A8, a partir das propriedades conhecidas do catalisador[73] QZ-
2001, apresentadas na tabela 15.
Tabela 16: Características e propriedades do catalisador QZ-2001.
Catalisador QZ-2001
Forma Esférica
Diâmetro nominal (mm) 2,2
Densidade (média) (kg/m3) 645
A partir da equação 43, calculou-se o volume total dos dois leitos (Vreator), que foi
posteriormente sobredimensionado, para se obter a massa de catalisador final para o novo
volume – ver tabela 16.
𝑉𝑟𝑒𝑎𝑡𝑜𝑟 = 𝑚𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟,𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝜌𝑐𝑎𝑡𝑎𝑙𝑖𝑠𝑎𝑑𝑜𝑟
(43)
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𝑒𝑞
Tabela 17: Volume total dos leitos, com respetivo sobredimensionamento e massa de catalisador final.
Vreator (m3) 2,3
Sobredimensionamento (%) 20
Vreator, sobredim. (m3) 2,7
mcatalisador, final (kg) 1 771
Para terminar o dimensionamento, é necessário definir a geometria dos leitos e as perdas
de carga associadas. A geometria escolhida deve maximizar o número de Reynolds e permitir o
fluxo turbulento nos leitos, de modo a minimizar os efeitos das limitações difusionais externas à
transferência de massa junto do catalisador.
Calculou-se então o volume (Vp), a área superficial das partículas do catalisador (Ap) e o
diâmetro equivalente (deq), para se obter a esfericidade (φ), área superficial das partículas do
leito (a) e a porosidade do leito (ε)[74] (equações 44 a 46[74]).
𝜑 = 𝜋 × 𝑑2
𝐴𝑝
(44)
𝑎 = 𝐴𝑝
𝑉𝑝
(45)
𝜀 = (0,1504 + 0,2024
) + 𝜑
𝑑 1,0814
2 (46)
( 𝑡 𝑑𝑒𝑞
+ 0,1226)
Em que dt/deq corresponde à razão entre o diâmetro do tubo (este valor foi arbitrado para
o dimensionamento) e o diâmetro das particulas do catalisador. Foram ainda calculados o
comprimento total dos leitos, com base no volume e na diâmetro dos mesmos, e a área da secção
do tubo para obter a velocidade superficial do fluído nos leitos.
A existência de dois leitos exige o cálculo das perdas de carga e das características da
circulação do fluído separadamente para cada leito. Calculou-se o número de Reynolds
modificado para leitos porosos, mais adequado para a verificação do regime do fluxo para o caso
em questão:
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𝑅𝑒′ = 𝑢𝜌𝑙
𝑎(1 − 𝜀)
(47)
Para obter o número de Reynolds modificado é necessário saber a densidade e
viscosidade do fluído em cada leito (valores retirados a partir do Aspen), e a velocidade
superficial do fluído (u).
Tabela 18: Cálculo do número de Reynolds modificado para cada leito.
1º leito 2º leito
u (x10-3 m/s) 6,17 7,33
µ (x10-4 Pa/s) 1,44 0,89
ρ (kg/m3) 708 619
Re’ 17 29
Após a verificação do número de Reynolds, procedeu-se ao cálculo das perdas de carga
em cada leito do reator de alquilação. Para tal, utiliza-se a equação de Ergun para leitos porosos
(equação 48). Como o diâmetro do tubo é muito superior ao diâmetro equivalente das partículas,
o efeito de parede na perda de carga é desprezável.
∆𝑃 −
𝐿𝑙𝑒𝑖𝑡𝑜
= 150
𝜇𝑢(1 − 𝜀)2
2
𝜑(𝑑𝑝𝑒) 𝜀3
𝜌 𝑢2(1 − 𝜀) + 1,75 𝑙
𝜑𝑑𝑝𝑒𝜀3
(48)
Para além da expressão apresentada, existe outra forma da equação de Ergun que
recorre ao fator de atrito (f’), calculado a partir do Reynolds modificado (equações 49 e 50). A
utilização desta alternativa permite verificar se os resultados são semelhantes nos dois casos.
𝑓′ = 4,17
+ 0,29 (49) 𝑅𝑒′
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49
∆𝑃 −
𝐿𝑙𝑒𝑖𝑡𝑜
𝑓′𝑎(1 − 𝜀)𝑢2𝜌𝑙 =
𝑎(1 − 𝜀)𝜇
(50)
Tabela 19: Perdas de carga ao longo do reator, em bar.
1º leito 2º leito
Ergun, eq. 48
∆P (bar) 0,02 0,02
∆P, total (bar) 0,04
Ergun, eq. 50
∆P (bar) 0,02 0,02
∆P, total (bar) 0,04
As perdas de carga são basicamente iguais para os dois casos, e pelo valor obtido, é
desprezável quando comparada com a pressão a que ocorre a reação (35 barg).
É importante acrescentar que, em relação ao comprimento do reator, foram adicionados
20 cm ao topo e à base do equipamento, para instalar os suportes do catalisador e as entradas
e saídas do reator.
4.5.2. Reator de Transalquilação
O dimensionamento do reator de transalquilação foi feito com base na informação
fornecida pela patente. Apesar da falta de dados acerca do dimensionamento do transalquilador,
sabe-se que a reação ocorre num reator de leito fixo, em regime adiabático – o calor libertado na
reação é quase nulo – e com um valor de WHSV de 2 h-1, que foi arbitrado com base nos limites
impostos pelo artigo da patente.
O dimensionamento do reator de transalquilação segue o mesmo procedimento que o
do alquilador, com a obtenção dos caudais e cálculo do volume do reator com base na massa
de catalisador necessária. Para tal, foi necessário utilizar os dados referentes às características
do catalisador utilizado na reação, o QZ-2000.
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Tabela 20: Características físicas do catalisador QZ-2000.
Catalisador QZ-2000
Forma Extrudido
Diâmetro nominal (mm) 1,6
Densidade (média) (kg/m3) 550
Em relação à forma do catalisador, um produto extrudido tem uma forma predefinida por
uma matriz, onde o produto é forçado a adquirir um formato na secção transversal, que é
constante.
Tabela 21: Volume total, com respetivo sobredimensionamento e massa de catalisador final.
V (m3) 1,1
Sobredimensionamento (%) 20
Vsobredim. (m3) 1,4
mcatalisador, final (kg) 751
Devido aos baixos valores dos caudais a circular no processo, a geometria do reator
exige um diâmetro de tubo muito reduzido para controlo das perdas de carga e aumento do
número de Reynolds. Por essa razão, optou-se por dimensionar um reator multitubular, sem
trocas de calor, para proporcionar um aumento no número de Reynolds sem por em causa o
comprimento do leito.
Após o cálculo das características adicionais para os tubos, entre elas as dimensões,
número de tubos e passagens (com base nos dados das tabelas[68]), calculam-se as dimensões
da caixa e a velocidade nos tubos, com base numa razão entre diâmetro da caixa e comprimento
de tubos de 3. É importante referir que a falta de informação sobre este reator pode obrigar a
futuras alterações no seu dimensionamento – Anexo A8.
Tabela 22: Dimensões finais do reator e configuração dos tubos.
Reator de Transalquilação R-2002
Comprimento (m) 1,2
Diâmetro (m) 0,4
Nº tubos 140
Nº passagens 4
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Tal como no capítulo anterior, foram calculadas as perdas de carga ao longo do reator,
através das mesmas fórmulas utilizadas (equação de Ergun), obtendo os valores para cada
passagem e o valor total de perda de carga – tabela 23.
Tabela 23: Resultados das perdas de carga por cada passagem dos tubos e valor total de perdas de carga no reator.
Por passagem Total
Ergun, eq. 48
∆P (bar) 0,12 0,46
Ergun, eq. 50
∆P (bar) 0,11 0,46
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5. Integração de Equipamentos
O principal ponto de interesse neste estudo é a possibilidade de integração no processo
de equipamentos presentes em unidades agora desativadas, uma vez que esta integração pode
resultar numa redução significativa no investimento necessário. A FAR possui duas unidades
desativadas (U300 e U400) onde se realizavam dois processos patenteados pela UOP,
denominados de ISOMAR e PAREX.
O processo ISOMAR (U400) consiste na isomerização de meta-xileno, e na conversão
de etilbenzeno em benzeno e xileno, para formar para e orto-xileno, resultando numa mistura de
isómeros deste composto em equilíbrio. A unidade recebe a corrente já isente de para-xileno do
processo PAREX, que entra no reator de isomerização. O efluente, composto por uma mistura
em equilíbrio dos isómeros de xileno, segue para um Deheptanizer, onde são separados no topo
da coluna os hidrocarbonetos leves presentes na corrente. O produto de fundo resultante é
alimentado ao splitter de xilenos, onde a corrente de topo é reciclada à unidade PAREX, e a
corrente de fundo é alimentada a um separador onde os orto-xilenos são separados dos
aromáticos mais pesados.
Na unidade U300 é realizado o processo Parex, onde o para-xileno é separado da
mistura de xilenos via adsorção seletiva. Os sólidos presentes nas colunas do processo vão
adsorver o para-xileno presente na corrente proveniente do splitter. O para-xileno é
posteriormente desadsorvido com recurso a uma lavagem usando para-dietilbenzeno –
denominado por desadsorvente –, um hidrocarboneto com um ponto de ebulição mais alto,
resultando numa maior afinidade com o para-xileno relativamente aos outros isómeros.
Uma vez que o movimento do adsorvente sólido poderia provocar danos no equipamento
por erosão, e dificultar as condições de fluxo dentro do equipamento, recorre-se a uma simulação
desse movimento. A simulação é obtida a partir de uma válvula rotativa que modifica de forma
alternada e cíclica a entrada de alimentação (ou desadsorvente) e a saída de refinado (ou
extrato) dos vários leitos ao longo dos adsorvedores.
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5.1. Acumuladores
5.1.1. D-0403: Acumulador dos Produtos de Topo da T-0401
O D-0403 é um acumulador cilíndrico horizontal que funcionava como acumulador de
refluxo do Deheptanizer T-0401. Esta coluna recebia a corrente proveniente do reator R-0401, e
separava os hidrocarbonetos leves, formados durante o craqueamento, da corrente de processo.
Durante a inspeção técnica de 2012, foram realizadas reparações nos maciços e fixos
do apoio do acumulador, devido à existência de fissuras e destacamentos de betão. A proteção
anticorrosiva estava ligeiramente degradada. O equipamento foi considerado apto para serviço.
Este acumulador vai ser integrado no processo no lugar do acumulador que mistura a
corrente de alimentação fresca de benzeno com a corrente de benzeno recuperado no topo da
coluna de destilação T-0302.
Tabela 24: Comparação entre as características técnicas do acumulador a integrar D-0403 e o acumulador dimensionado D-1001.
D-0403 D-1001
Diâmetro (m) 1,6 Diâmetro (m) 1,3
Altura (m) 4,3 Altura (m) 3,9
Capacidade (m3) 9,4 Capacidade (m3) 5
Pressão design (kg/cm2.g) 8,1 Pressão design (kg/cm2.g) 5,8
Temperatura design (ºC) 121 Temperatura design (ºC) 99
Figura 18: Desenho técnico do acumulador D-0403.
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5.1.2. D-0301: Acumulador de Refinado
O D-0301 é um acumulador cilíndrico horizontal, que recebia a corrente de alimentação
da coluna de refinado T-0303.
Segundo o relatório de inspeção referente à paragem técnica de 2012, o equipamento
não apresentava perda de espessura assinalável, apesar da proteção anticorrosiva estar já
totalmente degradada. Procedeu-se no decorrer da inspeção à pintura do equipamento e à
substituição integral do isolamento térmico. O equipamento foi considerado apto para serviço.
Este acumulador vai ser utilizado no lugar do acumulador de balanço do
despropanizador, D-0303.
Tabela 25: Comparação entre as características técnicas do acumulador a integrar D-0301 e o acumulador dimensionado D-3003.
D-0301 D-3003
Diâmetro (m) 1,9 Diâmetro (m) 1,5
Altura (m) 5,2 Altura (m) 4,5
Capacidade (m3) 15,9 Capacidade (m3) 5,5
Pressão design (kg/cm2.g) 10,6 Pressão design (kg/cm2.g) 5,8
Temperatura design (ºC) 205 Temperatura design (ºC) 175
Figura 19: Desenho técnico do acumulador D-0301.
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5.1.3. D-0302: Acumulador do Produto de Topo da T-0303
O D-0302 é um acumulador cilíndrico horizontal que recebia o produto de topo
proveniente da coluna de refinado T-0303.
Na paragem técnica de 2012 registaram-se perdas significativas por corrosão externa no
equipamento, tal como a existência de dois poros, um na soldadura de tubuladuras e outro na
ligação de tubuladuras. Pintou-se a proteção anticorrosiva, que estava totalmente degradada,
realizou-se a substituição do isolamento térmico do acumulador e repararam-se as peças onde
se detetaram os poros. O equipamento encontra-se apto para o serviço, no entanto ficaram
anotadas como recomendações a substituição de várias tubuladuras e a medição de espessuras
numa futura paragem para avaliar a taxa de corrosão do equipamento.
O acumulador D-0302 vai ser reutilizado como acumulador de balanço na terceira coluna
de destilação.
Tabela 26: Comparação entre as características técnicas do acumulador a integrar D-0302 e o acumulador dimensionado D-3005.
D-0302 D-3005
Diâmetro (m) 2,3 Diâmetro (m) 1,3
Altura (m) 7,5 Altura (m) 4
Capacidade (m3) 33,5 Capacidade (m3) 7
Pressão design (kg/cm2.g) 3,5 Pressão design (kg/cm2.g) 3,8
Temperatura design (ºC) 200 Temperatura design (ºC) 168
Figura 20: Desenho técnico do acumulador D-0302.
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5.1.4. D-0303: Acumulador de Mistura da Alimentação de Extrato
O acumulador cilíndrico horizontal D-0303 servia como acumulador da corrente de
extrato antes desta ser alimentada à coluna T-0306.
Na inspeção técnica de 2012, observou-se uma ligeira perda de espessura no corpo e
nas tubuladuras do acumulador, tendo sido substituída a proteção anticorrosiva, tal como o
isolamento térmico. Também se procedeu à reparação de fissuras nos maciços de apoio do
equipamento. No final da inspeção, o acumulador foi considerado apto para serviço.
Este equipamento vai ser integrado no processo como o acumulador de refluxo da
segunda coluna de destilação.
Tabela 27: Comparação entre as características técnicas do acumulador a integrar D-0303 e o acumulador dimensionado D-3004.
D-0303 D-3004
Diâmetro (m) 1,6 Diâmetro (m) 1,4
Altura (m) 4,6 Altura (m) 4,3
Capacidade (m3) 9,9 Capacidade (m3) 7,5
Pressão design (kg/cm2.g) 10,6 Pressão design (kg/cm2.g) 5,8
Temperatura design (ºC) 210 Temperatura design (ºC) 168
Figura 21: Desenho técnico do acumulador D-0303.
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5.2. Colunas de destilação
5.2.1. T-0306: Coluna de Extrato
A coluna T-0306 era a coluna de Extrato do processo Parex.
Durante a paragem técnica de 2012, verificou-se que algumas virolas e cutelos inferiores
apresentavam redução de espessura, e as pernas de suporte encontravam-se bastante
corroídas. Constatou-se ainda a falta de campânulas em quase todos os pratos, estando alguns
parafusos de fixação ausentes ou desapertados. Realizou-se a pintura e a colocação de
isolamento novo na coluna, tal como reparação com chapas de reforço. A falta de campânulas e
de parafusos de fixação foi retificada durante o fecho dos pratos. Foi recomendado que se
substituíssem as pernas de fixação e de alguns cutelos, tal como a realização de um recalculo
do equipamento. Concluiu-se que a coluna se encontrava em condições e sem nenhuma
situação de risco para o meio ambiente ou para o equipamento.
Esta coluna vai ser integrada no processo no lugar da terceira coluna de destilação, que
separa o cumeno do processo, T-3003.
Tabela 28: Comparação entre as características técnicas da coluna a integrar T-0306 e a coluna de destilação
dimensionada T-3003.
T-0306
Diâmetro (m) 2,8
Altura (m) 35
Pressão design (kg/cm2.g) 3,5
Temperatura design (ºC) 288
Número de Pratos 50
Prato de Alimentação (nº) 25
T-3003
Diâmetro (m) 1,8
Altura (m) 14,4
Pressão design (kg/cm2.g) 3,8
Temperatura design (ºC) 287
Número de Pratos 20
Prato de Alimentação (nº) 8
Figura 22: Desenho técnico da coluna de destilação T- 0306.
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Em termos das alterações necessárias à coluna a integrar, segundo a Inspeção da RM
e com base no API 510 (American Petroleum Institute), destacam-se as seguintes:
• Abertura e inspeção completa do equipamento. A coluna está fora de serviço há
vários anos, pelo que a sua reutilização exige este procedimento.
• Corte de parte superior da coluna. A coluna T-0306 têm uma altura/nº de pratos
muito superior ao necessário.
• Criação de um novo nozzle para a entrada lateral da corrente de alimentação.
• Teste e certificação de equipamento.
A reutilização desta coluna é uma opção económica, uma vez que estas alterações
e verificações são possíveis de realizar, no entanto os custos de uma coluna mais pequena, feita
e testada no fabricante de origem, podem ser mais baixos que as alterações referidas.
Nesta situação, pode-se então decidir efetuar as alterações à coluna, acompanhadas
das devidas ispeções, ou a utilização de uma coluna nova. No caso de se optar pela segunda
alternativa, é possível aproveitar a sapata já existente. Esta reutilização é aplicável uma vez que
a nova coluna é mais pequena e mais leve que a existente.
5.3. Permutadores de calor
5.3.1. E-0308 B
O permutador de calor E-0308 B era utilizado no arrefecimento da corrente de fundo de
para-xilenos. Pretende-se utilizar este permutador como condensador no despropanizador.
Segundo a inspeção técnica realizada em 2012, obsevou-se alguma degradação e
corrosão no corpo do permutador, perda de espessura nas tubuladoras e presença de resíduos
processuais no feixo tubular. Os ensaios realizados apresentaram resultados satisfatórios, pelo
que está apto para serviço dentro das condições para as quais foi projetado. Recomendou-se a
monitorização da perda de espessura e a substituição da tubuladura com perda de espessura.
Tabela 29: Capacidade e condições de design do permutador de calor E-0308 B.
E-0308 B
Capacidade (m3) 1000
Pressão design (kg/cm2.g) 21
Temperatura design (ºC) 50
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5.3.2. E-0403 A
O permutador de calor E-0403 A era utilizado na condensação de hidrocarbonetos.
O equipamento era de elevado interesse para integração no processo de produção de
cumeno como condensador da corrente de topo de despropanizador, no entanto foi concluído
que o equipamento não estava em condições de ser utilizado para serviço, tendo sido
recomendada a substituição completa do permutador. Isto deveu-se principalmente ao severo
estado de degradação e de corrosão observado no interior e exterior da antecâmara e do corpo
do equipamento, aos resíduos encontrados e aos tubos tamponados e degolados do
equipamento.
Tabela 30: Capacidade e condições de design do permutador de calor E-0403 A.
E-0403 A
Capacidade (m3) 1000
Pressão design (kg/cm2.g) 21
Temperatura design (ºC) 50
5.4. Tanques de Armazenamento
5.4.1. TK-6101 A/B/C/D/E: Esferas de Armazenamento de Propano
As esferas TK-6101 são utilizadas no armazenamento de propano.
Tabela 31: Capacidade e condições de design das esferas de armazenamento de propano.
TK-6101
Capacidade (m3) 1000
Pressão design (kg/cm2.g) 21
Temperatura design (ºC) 50
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Figura 23: Desenho técnico de esfera de armazenamento de propano TK-6101.
5.4.2. TK-0811 e TK-0812: Tanques de Armazenamento de Benzeno
Os tanques TK-0811 e TK-0812 são utilizados para armazenar o benzeno produzido na
refinaria, e onde se irá montar a linha necessária para alimentar a matéria prima ao processo.
Tabela 32: Capacidade e condições de design dos tanques de armazenamento de benzeno.
TK-0811
Capacidade (m3) 3900
Pressão design (kg/cm2.g) atm.
Temperatura design (ºC) 100
TK-0812
Capacidade (m3) 600
Pressão design (kg/cm2.g) atm.
Temperatura design (ºC) 100
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Figura 24: Desenho técnico do tanque de armazenamento TK-0811.
5.4.3. TK-0819 A/B: Tanque de Armazenamento de Para-Xileno (Teste)
Os tanques de teste TK-0819 A e B eram utilizados para armazenar para-xileno
proveniente do processo PAREX. O objetivo será utilizar os tanques para armazenar cumeno
fora de especificação.
O TK-0819 A encontra-se, de momento, fora de serviço. De acordo com inspeção, é
necessário realizar reparações no fundo do tanque.
O TK-0819 B está a ser utilizado para receção de mistura de xilenos, no entanto pode
ser alocado para receção de cumeno, fazendo uma mudança das linhas, caso seja necessário.
Tabela 33: Capacidade e condições de design dos tanques de armazenamento de para-xileno TK-0819 A/B.
TK-0819 A/B
Capacidade (m3) 1000
Temperatura design (ºC) 100
Pressão design (kg/cm2.g) atm.
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Figura 25: Desenho técnico do tanque de armazenamento TK-0819.
5.4.4. TK-0817: Tanque de Armazenamento de Para-Xileno
O tanque TK-0817 era utilizado para armazenamento de para-xileno da unidade.
Pretende-se integrar os tanques no processo para armazenamento do produto final, o cumeno.
Tabela 34: Capacidade e condições de design dos tanques de armazenamento de para-xileno TK-0817.
TK-0817
Capacidade (m3) 6000
Temperatura design (ºC) 100
Pressão design (kg/cm2.g) atm.
Figura 26: Desenho técnico do tanque de armazenamento TK-0817.
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5.4.5. TK-0822: Tanque de Armazenamento de Para-Xileno
O tanque TK-0822, tal como o tanque TK-0817, era utilizado para armazenamento de
para-xileno, e tal como o tanque TK-0817, é uma opção viável para ser integrado como tanque
de armazenamento de cumeno.
Tabela 35: Capacidade e condições de design do tanque de armazenamento de para-xileno TK-0822.
TK-0822
Capacidade (m3) 7935
Temperatura design (ºC) 100
Pressão design (kg/cm2.g) atm.
Figura 27: Desenho técnico do tanque de armazenamento TK-0822.
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5.5. Bombas
Durante o estudo para a reutilização de bombas, teve-se em conta que as bombas
disponíveis estavam em bom estado, o que se confirmou durante a visita às unidades U300 e
U400. Na análise de integração de equipamentos concluiu-se que seriam reutilizadas as bombas
P-0405, P-0407, P-0474 e P-0475, para integrarem o processo na alimentação de benzeno (P-
0405) e no refluxo das correntes de topo das colunas (P-0407, P-0474 e P-0475) – Anexo A7.
Esta integração teve em conta o cumprimento dos valores requeridos de caudal mínimo,
NPSH e condições operatórias habituais (pressão e temperatura).
Tabela 36: Características e condições de design das bombas que serão integradas no processo de produção de cumeno.
Bomba P-0405 P-0407 P-0474 P-0475
Caudal mínimo (m3/h) 0,9 0,9 10,0 1,5
NPSH requerido (m) 1,4 1,4 1,1 1,5
Pressão descarga (kg/cm2.g) 6,1 24,3 8,4 5,8
Temperatura (ºC) 80 80 230 205
Differencial Head (m) 22,5 22,5 105,0 38,2
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6. Análise Económica
A análise económica é o fundamento principal na decisão de investimento num
projeto. Este estudo é essencial para determinar a viabilidade económica do projeto em causa.
O primeiro passo foca-se no cálculo investimento inicial para a construção da unidade,
onde se incluem os custos relativos ao equipamento, tubagens e respetiva montagem, gastos
em desenvolvimento e fiscalização do projeto, juntamente com o capital circulante, que engloba
os gastos operacionais (reservas de matérias-primas, fundo de maneio, entre outros), e ainda os
juros intercalares relativos ao empréstimo bancário.
Os gastos associados ao período de vida útil do projeto, como os custos de produção do
cumeno, estão incluídos nas contas de exploração provisionais. É nesta fase da análise
económica que são obtidos os Cash Flows Provisionais do projeto, correspondentes ao
excedente líquido obtido ao longo do tempo de vida do projeto, derivado das receitas e despesas
da empresa nesse âmbito. Os cálculos associados ao custo de produção são essenciais para
descobrir o Break-even point do processo, correspondente ao valor de taxa de ocupação da
unidade a partir do qual o projeto começa a gerar lucros.
Com estes dados, é possível calcular os critérios de rentabilidade, parte fulcral das
conclusões referentes à viabilidade do investimento, complementado as mesmas com uma
análise de sensibilidade a possíveis variações nos principais parâmetros do projeto.
• A análise económica teve em conta os seguintes pressupostos, aplicados da
mesma maneira para as diferentes abordagens realizadas:
• O projeto tem um tempo de vida de 10 anos;
• Considerou-se que no ano 0 a fábrica é construída e no ano 1 inicia o seu
funcionamento;
• A capacidade de produção aumenta de forma constante até ao seu valor
máximo, nos primeiros 6 anos de funcionamento;
• O preço das matérias primas e dos produtos mantém-se constantes ao longo do
tempo de vida do projeto;
• Os stocks de matérias primas e de produto acabado foi definido para 7 dias;
• Um ano de fabrico foi aproximado a 330 dias.
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6.1. Preço de matéria prima e de produtos
6.1.1. Matérias Primas
Os preços de venda de benzeno e propileno foram calculados com base nos valores
disponibilizados nos relatórios da Argus Media[77][78], para janeiro de 2018. A atualização dos
preços para outubro de 2019 teve em conta os índices disponíveis no site da S&P Global[79][80].
Tabela 37: Preços atualizados das matérias primas do processo, em euros por tonelada métrica.
Matéria Prima Preço, €/tonne
(jan/18) Índice (jan/18) Índice (out/19)
Preço, €/tonne
(out/19)
Benzeno 792 910 626 570
Propileno 890 993 822 737
6.1.2. Produtos
O preço do cumeno foi obtido a partir da base de dados da companhia Echemi[81], para
o mês de outubro, e o preço do propano, tal como para as matérias primas, foi calculado com
base num relatório da Argus Media[82]. Por falta de dados, não foi possível atualizar o seu preço,
mas não será determinante nos valores finais da análise económica, uma vez que é removido
do processo uma pequena quantidade de propano.
Tabela 38: Preço dos produtos obtidos, em euros por tonelada métrica.
Produto Preço, €/tonne Data
Cumeno 1040 Outubro, 2019
Propano 467 Janeiro, 2018
6.2. Análise Económica para o Projeto de Raiz
6.2.1. Estimativa de Investimento Total
O primeiro passo da análise económica passa pela determinação do investimento inicial
necessário para arrancar o projeto. Este cálculo engloba o Capital Fixo, dividido em Custos
Diretos e Indiretos, e o Capital Circulante.
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6.2.1.1. Capital Fixo
O Capital Fixo de um projeto corresponde ao investimento necessário para a instalação
do projeto de engenharia. Este divide-se em: Custos Diretos, que são os custos associados aos
equipamentos, tubagens, montagens, entre outros, e os Custos Indiretos, que não estão
diretamente relacionados com a produção em si e onde se incluem os gastos no desenvolvimento
do projeto, fiscalização, empreitada e possíveis imprevistos.
6.2.1.1.1. Custos Diretos
O primeiro passo para o cálculo dos Custos Diretos é estimar o custo dos equipamentos
base. Recorreu-se a curvas de custo genéricas para os diversos equipamentos[83], em função de
variáveis associadas aos mesmos. Uma vez que as curvas datam de janeiro de 2002, recorreu-
se ao índice CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost Index) para atualizar os preços de acordo
com a taxa de inflação. Este índice é de caráter geral, pelo que foi aplicado da mesma forma em
todos os equipamentos considerados. Assim, aos preços obtidos aplicou-se a razão entre o
CEPCI de setembro de 2019 e janeiro de 2002. Para os equipamentos que não tinham uma
curva de custo disponível, como as esferas de armazenamento, foi utilizado o site Matches[84]
(preços de 2014), e nos casos em que a capacidade do equipamento não estava dentro da gama
de valores disponíveis nas curvas de custo, recorreu-se à regra de Williams para fazer o ajuste,
tendo em conta os expoentes adequados. Os custos de transporte e seguro dos equipamentos
foram englobados no custo aplicando um fator de 1,1 ao valor final obtido.
Tabela 39: Índices CEPCI utilizados na Análise Económica.
Data Índice CEPCI
Janeiro 2002 395,6
Janeiro 2014 576,1
Setembro 2019 603,4
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Equipamento Base - 8,5 Milhões € 3% 4%
3%
13%
60% 18%
Tanques e Esferas de Armazenamento
Colunas
Acumuladores
Reatores
Reboilers
Outros
De modo a justificar alguns dos cálculos realizados foram tomadas as seguintes
considerações:
• O custo do alquilador foi tirado a partir de uma fórmula específica para reatores
de leito fixo[85], enquanto que o custo do transalquilador foi associado à curva de preços dos
permutadores de caixa e tubos, uma vez que se trata de um reator multitubular.
• No custo de cada bomba, teve-se em conta a existência de uma segunda bomba
disponível para realizar a mesma operação.
Tabela 40: Custo dos equipamentos do processo, em milhares de euros.
Equipamento Quantidade Preço (Milhares €)
Reatores (+ catalisador) 2 1 495
Acumuladores (Balanço + Refluxo) 7 258
Colunas 3 1 116
Condensadores 3 91
Ebulidores 3 270
Permutadores de Calor 6 161
Bombas 6 60
Tanques de armazenamento 3 933
Esferas de armazenamento 3 4 135
Total 8 517
Figura 28: Percentagem de cada tipo de equipamento no Custo de Equipamento Base, para o Projeto de raiz.
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Os custos com tanques e esferas de armazenamento representam mais de metade do
custo total em equipamentos, com destaque para as esferas de armazenamento que englobam
mais de 80% da parcela dos custos de equipamento de armazenamento.
A partir do custo de equipamento base, recorreu-se ao Método dos Fatores para
determinar os restantes custos necessários, conforme os intervalos percentuais sugeridos na
literatura.[86] A escolha dos fatores dentro dos intervalos considerados foi feita tendo em conta
que a unidade será relativamente pequena e sem equipamentos de grande complexidade. O
custo dos sistemas de produção e distribuição de utilidades, tal como o custo dos edifícios e
instalações elétricas, foram considerados nulos, uma vez que são já parte integrante da refinaria.
Assim, para além dos custos em equipamento base, foram considerados os custos de
montagem, tubagem, instrumentação e controlo, preparação do terreno e isolamentos térmicos
para o cálculo dos custos diretos.
Tabela 41: Valores das parcelas dos Custos Diretos, em milhares de euros.
Custos Diretos Custo (Milhares €)
Equipamento Base 8 517
Montagem 3 833
Tubagens 5 536
Controlo 1 703
Preparação do Terreno 1 916
Isolamentos Térmicos 852
Total 22 358
6.2.1.1.2. Custos Indiretos
Os custos indiretos são calculados com base no valor dos custos diretos, a partir de
fatores associados às seguintes parcelas: o custo do projeto e fiscalização, associados em
grande parte aos gastos logísticos com o projeto e monitorização de todo o processo até ao
arranque da fábrica, o custo de empreitada e as provisões para imprevistos. Na escolha dos
fatores a utilizar considerou-se o “worst case scenario”, uma vez que se podia optar pelo cálculo
a partir do valor dos custos diretos ou a partir dos custos de equipamento base.
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Tabela 42: Valores das parcelas dos Custos Diretos, em milhares de euros.
Custos Indiretos Custo (Milhares €)
Projeto e Fiscalização 3 354
Empreitada 3 354
Imprevistos 5 900
Total 12 607
Tabela 43: Cálculo do Capital Fixo, em milhares de euros.
Custo (Milhares €)
Custos Diretos 22 358
Custos Indiretos 12 607
Capital Fixo 34 965
6.2.1.2. Capital Circulante
O capital circulante é necessário para assegurar que operações e funcionamento da
fábrica se mantém com normalidade. Dentro deste capital, estão incluídas as reservas de
matérias primas e de produtos fabricados, os produtos em vias de fabrico, condições de crédito
associadas ao intervalo para entrega de produto e aos serviços recebidos para o funcionamento
da fábrica, e o fundo de maneio para quaisquer atrasos ou quedas nas vendas de produtos.
Consideraram-se os seguintes pressupostos:
• O cálculo das reservas de matérias primas e de produtos fabricados foi feito
assumindo os tanques de armazenamento completamente cheios.
• Assumiu-se para o cálculo dos produtos em vias de fabrico que o tempo passado
nas tubagens corresponde a 50% do ciclo de fabrico nos equipamentos. O valor
dos custos de fabrico será abordado num capítulo mais adiante.
• As condições de crédito foram consideradas para 30 dias de produção.
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Tabela 44: Valores das parcelas do Capital Circulante, em milhares de euros.
Capital Circulante Custo (Milhares €)
Reservas de Matérias Primas
Produtos em vias de fabrico
Reservas de Produtos Fabricados
Condições de crédito oferecidas
Condições de crédito obtidas
Fundo de Maneio
Total
5 152
44
7 331
7 535
- 4 950
5 464
20 575
Sabendo o Capital Fixo e Circulante, é possível chegar ao valor estimado para o
Investimento Total. Os Juros Intercalares, que também integram este valor, foram calculados
como parte das Despesas Gerais (ver capítulo 7.2.2.).
O Capital Próprio e Capital Alheio são calculados com base no valor de
Investimento Total. O Capital Próprio representa o património líquido da empresa,
correspondente à diferença entre os seus ativos e passivos financeiros. Considerou-se que este
será 35% do Investimento Total estimado. O Capital Alheio corresponde a quaisquer
financiamentos que sejam obtidos por fontes externas à empresa, onde se destacam os
empréstimos de financiamento. O Capital Próprio é necessário no cálculo dos Cash Flows
financeiros.
Tabela 45:Cálculo do Capital Próprio e Alheio a partir do Investimento Total, em milhares de euros.
Custo (Milhares €)
Capital Fixo 34 965
Capital Circulante 20 575
Juros Intercalares 132
Investimento Total 56 862
Capital próprio 19 902
Capital Alheio 36 960
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6.2.2. Custos de produção
O cálculo dos custos de fabrico e de produção é o primeiro passo na obtenção das
Contas de Exploração Previsionais. É neste cálculo que se determina quais serão os gastos
necessários no processo de fabrico (Custos de fabrico) e venda do produto, tal como atividades
da empresa relacionadas com a produção (Despesas Gerais).
𝐶𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢çã𝑜 = 𝐶𝑓𝑎𝑏𝑟𝑖𝑐𝑜 + 𝐷𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑎𝑠 𝐺𝑒𝑟𝑎𝑖𝑠 (51)
Os custos de fabrico dividem-se em três parcelas: custos de fabrico diretos, indiretos e
fixos.
Dentro dos custos de fabrico diretos, incluem-se as matérias primas, utilidades,
manutenção dos equipamentos, royalties associadas à patente do processo, custos de
catalisadores entre outros fornecimentos necessários. No contexto real deste projeto, não se
consideraram custos com mão de obra, uma vez que seriam mobilizados trabalhadores já
existentes na refinaria para a mão de obra de fabrico, e o controlo do processo seria feito na
central de controlo destacada para a Fábrica de Aromáticos.
O custo das matérias primas é calculado a partir das quantidades anuais necessárias
para o processo e do seu respetivo preço. Uma vez que no primeiro ano de produção, a unidade
não irá operar na sua capacidade máxima, considerou-se que nesse mesmo ano, a taxa de
ocupação será de 70%, com um aumento anual de 5% até ao 6º ano, em que se atingi a taxa de
ocupação máxima da fábrica.
Tabela 46: Custo anual das matérias primas do processo, para uma taxa de ocupação de 100%, em milhares de
euros por ano.
Matéria Prima Preço (€/tonne) Consumo (tonne/ano) Custo anual, ocupação
100% (milhares €/ano)
Benzeno 570 52 800 30 091
Propileno 737 33 065 24 363
Total 54 454
Os custos das utilidades foram calculados a partir de uma equação disponível num
artigo[87] publicado na revista Chemical Engineering, onde se aborda o cálculo de custos de
utilidades.
𝐶𝑆,𝑢 = 𝑎(𝐶𝐸𝑃𝐶𝐼) + 𝑏(𝐶𝑆,𝑓) (52)
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Onde CS,u é o custo unitário da utilidade, a e b são coeficientes calculados a partir de
fórmulas presentes no artigo, em função de parâmetros da utilidade em questão, o índice CEPCI,
que já foi aplicado na Estimativa de Investimento Total (ver tabela 34), e o CS,f é o preço
energético do combustível. Esse preço energético foi calculado a partir do preço do
combustível[88], que se converteu depois em preço energético. A partir do software Aspen Plus e
dos cálculos realizados no dimensionamento, retiraram-se as quantidades de utilidades
necessárias ao processo, e calculou-se o custo anual para cada uma dessas utilidades.
Tabela 47: Custo anual das utilidades do processo, em milhares de euros por ano.
Utilidade Custo (Milhares €/ano)
Água de Arrefecimento 995
Medium Pressure Steam (MPS) 359
Hot Oil 617
Eletricidade 18
Total 1 990
Os custos de manutenção dos equipamentos são calculados a partir do valor de
investimento fixo, e estes custos aumentam gradualmente ao longo do tempo de vida do projeto.
Já o custo de royalties da patente, valor pago anualmente em função do volume de produção, é
dependente do custo de fabrico e calculado a partir deste.
Os catalisadores utilizados têm um ciclo de vida superior ao tempo de vida do projeto,
pelo que os custos de fabrico apenas incluem o custo dos catalisadores no primeiro ano de
atividade. O custo destes foi definido a partir de valores aproximados fornecidos pela UOP.
Os fornecimentos para outros materiais e operações necessárias ao longo do período de
funcionamento da unidade são contabilizados a partir do valor dos custos de manutenção.
Tabela 48: Método de cálculo das parcelas dos Custos de Fabrico Diretos.
Custos de Fabrico Diretos
Manutenção (3 a 7% do Investimento Fixo)
Royalties (3% do Investimento Fixo)
Catalisadores (1º ano) 310 000 €
Fornecimentos Diversos (15% do custo de manutenção)
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Os custos de fabrico indiretos, relacionados com a mão de obra e manutenção, foram
estimados a partir dos custos de manutenção calculados. Considerou-se que correspondiam a
70% dos custos de manutenção.
Os custos de fabrico fixos dividem-se em: amortizações, correspondentes à
desvalorização considerada linear do projeto (3 anos) e dos equipamentos (10 anos), devido ao
uso, degradação e avanços tecnológicos; os seguros de risco, pagos anualmente e impostos
locais, dependentes da localização da fábrica.
Tabela 49: Valores anuais das parcelas dos Custos de Fabrico Fixos, em milhões de euros por ano.
Custos de Fabrico Fixos Custo (Milhares €/ano)
Amortização (Projeto, 3 anos) 1 208
Amortização (Equipamentos, 10 anos) 1 050
Seguros (1% Investimento Fixo) 350
Impostos Locais (1% Investimento Fixo) 350
As despesas gerais apenas englobam neste caso os serviços de marketing, venda e
distribuição e os encargos financeiros. A primeira parcela contém todos os gastos logísticos no
processo de armazenamento para transporte e distribuição, venda do produto e respetivas
comissões. Assumiu-se que esta parcela correspondia a 10% dos custos de produção para cada
ano. Os encargos financeiros, que correspondem ao pagamento anual do capital em dívida ao
longo do período de vida útil da fábrica. Estes englobam ainda os juros de empréstimo e imposto
de selo[89]. Considera-se um período de carência de 2 anos seguidos de um período de
reembolso de 10 anos.
Tabela 50: Valores das parcelas dos Custos de Produção referentes ao 10º ano de produção, em milhares de euros.
Custos (referentes ao 10º ano) Custo (Milhares €)
Custos de Fabrico Diretos 60 307
Custos de Fabrico Indiretos 1 713
Custos de Fabrico Fixos 1 749
Despesas Gerais 9 431
Custos de Produção 73 200
Os custos de fabrico diretos representam mais de 80% dos custos de produção, onde as
matérias primas são a principal fonte de gastos.
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6.2.3. Demonstração de Resultados
A representação dos resultados que se esperam obter durante o período de vida útil do
projeto permite avaliar o desempenho financeiro anual previsto do projeto. Optou-se por fazer a
demonstração de resultados na forma de naturezas, isto é, em que os resultados calculados são
obtidos com os proveitos e os custos agrupados pela sua natureza. Com este propósito, cada
parcela dos custos de produção foi associada a uma das linhas da demonstração de resultados:
Tabela 51: Parcelas da Demonstração de Resultados e Custos de Produção associados a cada parcela.
Demonstração de Resultados Custo (Milhares €/ano)
CMVMC (custo de mercadorias
vendidas e matérias consumidas) Matérias primas
FSE (fornecimentos e serviços
externos)
Utilidades, catalisadores, fornecimentos
diversos, manutenção, vendas, custos indiretos
Outros rendimentos e gastos Seguros e impostos locais
Gastos e Reversões de
depreciação/amortização Amortizações
Juros e gastos similares Encargos Financeiros
Os impostos sobre o rendimento do período (IRP) foram considerados 25% do resultado
obtido antes de se descontar os mesmos impostos.
Tabela 52: Demonstração de Resultados para os 10 anos de vida útil do projeto, em milhões de euros por ano.
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76
Observa-se um crescimento do resultado obtido com o aumento da taxa de ocupação da
fábrica, e uma suave estabilização nos anos em que a unidade opera com capacidade máxima.
6.2.4. Cash Flow Provisional
Os Cash Flows permitem obter o saldo entre as entradas e saídas de capital no projeto,
a partir do qual se mede a rentabilidade do mesmo. O cálculo desse excedente financeiro líquido
ao longo do tempo de vida do projeto é feito num Mapa de Fluxos, onde se registam os dados
necessários para o cálculo dos fluxos de caixa.
A avaliação dos Cash Flows do projeto considerou a ótica do investidor, em que se
determina a valia financeira do projeto, de modo a considerar os capitais alheios. No Mapa de
Fluxos, são consideradas duas parcelas: o Cash Flow de exploração e o Cash Flow de
investimento. A primeira parcela refere-se ao fluxo financeiro gerado do projeto para os sócios e
investidores, obtido através da soma dos resultados líquido do período (RLP) calculados na
Demonstração de Resultados com as amortizações, e subtrai-se a amortização da dívida por ser
um pagamento necessário. A parcela de investimento provém da entrada de sócios juntamente
com o capital gerado pelo projeto, e no último ano de vida do projeto considera-se o valor residual
do investimento (VRI), que geralmente corresponde a valor inicial do capital circulante somado
com o valor não amortizado do investimento fixo.
Os Cash Flows obtidos necessitam de ser atualizados para o ano correspondente, de
modo a acompanhar a evolução da moeda ao longo dos anos. Recorreu-se ao Custo Médio
Ponderado do Capital (WACC – equação 53[90]), como taxa de atualização, que corresponde à
média ponderada das taxas referentes a diferentes fontes de financiamento.
𝑊𝐴𝐶𝐶 = 𝑟
𝐸 + 𝑟
(1 − 𝐼𝑅𝐶(%)) (53) 𝑘 𝐷+𝐸 𝑑
𝐸+𝐷
Onde rk e rd são os custos de capital próprio e capital alheio, respetivamente, e E e D são
o capital próprio e alheio do projeto. O cálculo foi feito com base em valores da literatura[90] e
considerando o valor de IRC em Portugal para atividades de natureza industrial[91], chegou-se a
um WACC de 8,6%.
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77
Tabela 53: Cash Flows para os 10 anos de vida útil do projeto, em milhões de euros por ano.
A inviabilidade do projeto começa a ser cada vez mais evidente nesta fase da análise.
Os valores dos fluxos de caixa acumulados ao longo do tempo de vida do projeto mostram que
o excedente líquido obtido ao longo desse tempo não é sequer suficiente para compensar o
investimento inicial realizado.
6.3. Comparação entre Projeto de Raiz e Projeto com Integração de
equipamentos
Seguiram-se os mesmos passos para a análise económica considerando a integração
de equipamento. Esta integração vai levar a menos custos com equipamento base e outras
parcelas do investimento fixo calculadas a partir desses custos – Anexo B1. Consideraram-se
duas situações diferentes em que se justificou analisar a viabilidade económica: a integração dos
equipamentos incluindo as esferas de armazenamento e excluindo a integração das esferas.
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Tabela 54: Custos em Equipamento Base e Investimento Fixo para cada alternativa de projeto.
Equipamento Base
(Milhões €)
Investimento Fixo
(Milhões €)
Projeto de Raiz
8,5
35,0
Integração de Equipamento
(excluindo Esferas) 7,1 32,0
Integração de Equipamento
(incluindo Esferas) 2,8 16,2
A integração das esferas de armazenamento leva a uma redução significativa nos custos
do Equipamento Base e consequentemente no Investimento Fixo. Considerando que os custos
de produção são semelhantes para os 3 casos, os valores obtidos na Demonstração de
Resultados e nos Cash-Flows vão ser diretamente influenciados pelo valor do Investimento Fixo.
Assim, é importante comparar os valores dos Cash-Flows acumulados até ao último ano
para as várias opções e de seguida verificar os critérios de rentabilidade para concluir acerca
dos casos que se podem considerar viáveis em termos económicos – Anexo B2.
Tabela 55: Cash Flow Líquido Acumulado, correspondente ao último ano de projeto, para cada alternativa, em milhões de euros.
Cash-Flow Líquido Acumulados (ano 10)
Projeto de Raiz
-5,8
Integração de Equipamento
(excluindo Esferas) 0,7
Integração de Equipamento
(incluindo Esferas) 14,0
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6.4. Critérios de Rentabilidade
A análise do projeto consiste na utilização dos valores de Cash Flow calculados para
concluir acerca da viabilidade económica do projeto e causa. Aplicando esses valores em
determinados critérios, cada um com um objetivo concreto, pode-se fazer uma previsão inicial
acerca do desempenho esperado do projeto. Esses critérios compartimentam os pontos fortes e
os pontos fracos do projeto, em termos económicos, e permitem assim decidir se é viável, ou
não, avançar com a construção da unidade. A comparação destes critérios entre as três análises
consideradas é essencial para entender qual o impacto da integração dos equipamentos na
viabilidade económica do projeto em causa.
6.4.1. Valor Atual Líquido (VAL)
O valor atual líquido é o somatório dos Cash Flows atualizados, de onde se retira o
excedente financeiro do projeto, caso o seu valor seja positivo. Se o VAL for superior a 0, significa
que o projeto consegue cobrir o investimento inicial realizado e toda a remuneração mínima
exigida pelo investidor. Se, pelo contrário, o valor atual líquido for negativo, o projeto é
considerado inviável e deve ser rejeitado.
6.4.2. Taxa Interna de Rentabilidade (TIR)
A taxa interna de rentabilidade representa a taxa de atualização para a qual a soma dos
Cash Flows atualizados iguala o valor dos investimentos feitos. Assim, quanto maior a TIR, maior
é a margem em relação a taxa de atualização considerada para o projeto, logo este é mais
rentável.
Esta taxa está diretamente relacionada com o valor atual líquido, uma vez que se o VAL
é positivo, a taxa interna de rentabilidade será superior à taxa de atualização.
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80
6.4.3. Prazo de Retorno de Investimento ou Payback Period (PB)
Este critério corresponde ao tempo necessário para o projeto conseguir recuperar o
investimento em capital fixo. Representando graficamente a variação temporal dos Cash Flows
acumulados, ao longo do tempo de vida do projeto, o prazo de retorno de investimento vai ser
igual ao ponto para o qual os Cash Flows são nulos – o projeto igualou o investimento feito. Para
o projeto se considerar economicamente viável, espera-se que o payback period seja o mais
curto possível, preferencialmente abaixo dos 5 anos de funcionamento da fábrica.
6.4.4. Índice de Rentabilidade do Projeto (IR)
O índice de rentabilidade do projeto, ou rácio custo-benefício, representa a razão entre
a soma dos Cash Flows de exploração atualizados e a soma dos Cash Flows de Investimento
atualizados. A viabilidade do projeto é defendida por este critério caso o índice de rentabilidade
seja superior a 1.
6.4.5. Break-Even Point (BE)
O break-even point corresponde ao valor de taxa de ocupação da unidade para o qual
os custos totais da produção igualam as receitas obtidas a partir desse nível de produção. É uma
variável importante para determinar a taxa de ocupação a que a fábrica deve operar em
momentos diferentes do seu funcionamento.
Tabela 56: Comparação dos Critérios de Rentabilidade e Break-Even Point para cada Análise Económica.
VAL TIR PB IR BE
Projeto de Raiz
-5,8
-2,1%
11 anos
0,6
84%
Integração de
Equipamento
(excluindo Esferas)
0,7
0,3%
10 anos
0,8
77%
Integração de
Equipamento
(incluindo Esferas)
14,0
6,7%
8 anos
1,3
53%
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
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Para o projeto de raiz, todos os critérios de rentabilidade defendem que esta alternativa
não é economicamente viável. O investimento necessário é muito elevado neste caso, devido
principalmente aos custos na compra de equipamento base, pelo que se espera que a integração
dos equipamentos disponíveis seja um fator-chave para conseguir atingir a viabilidade do projeto.
A diferença significativa dos custos do equipamento base entre a segunda e terceira
alternativa é evidenciada nos valores dos critérios de rentabilidade. Apesar de ambos os casos
apresentarem resultados mais favoráveis do que o projeto de raiz, as conclusões tiradas para as
duas alternativas são distintas. Da primeira para a segunda opção, os valores dos critérios
melhoram, mas continuam a prever um projeto economicamente inviável. No entanto, sendo
possível a integração das esferas de armazenamento existentes na refinaria para o projeto, os
valores dos critérios para esta alternativa evidenciam a sua viabilidade económica. De todos
esses critérios, o menos favorável é o prazo de retorno do investimento de quase 8 anos, acima
dos 5 anos definidos como um prazo favorável.
A análise económica termina com apenas uma alternativa de projeto a ser considerada
viável. A integração dos equipamentos anteriormente referidos, incluindo as esferas de
armazenamento, apresenta as condições económicas mais favoráveis para a execução do
projeto. No entanto, a integração de esferas de armazenamento apresenta alguns obstáculos e
possíveis soluções
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7. Troubleshooting
7.1. Armazenamento de propileno
Tal como já foi referido, o propileno necessário para alimentar a nova unidade de
produção de cumeno é transportado via navio da RS para a RM. O processo de transporte e de
transferência do composto via pipeline, do Porto de Leixões para as esferas de armazenamento,
é uma atividade regular quando se faz o mesmo procedimento com propano, por exemplo.
Na RM existem atualmente 5 esferas, de 450 toneladas cada, que estão a ser utilizadas
para armazenamento de propano. Para alimentar a nova unidade de produção de cumeno, seria
necessário alocar 3 dessas esferas para acomodar a receção de propileno proveniente do navio:
uma esfera para alimentar a matéria prima à unidade e duas para receber o propileno a
armazenar. As duas restantes esferas não são suficientes para as necessidades de
armazenamento de propano, pelo que é fundamental disponibilizar armazenagem adicional para
um dos compostos.
A construção de esferas adicionais, para além de envolver custos elevados, deve
respeitar distâncias mínimas de segurança recomendadas, pelo que se analisou o layout do
parque de gases da RM, especificamente junto aos reservatórios de GPL. Existe uma zona
dentro da área dos reservatórios disponível para a construção da esfera, no entanto não cumpre
com as distâncias mínimas consideradas (DEP 80.00.10.11 on onshore facilities) – Anexo C:
• Edifícios ocupados – 100 m;
• Limite de perímetro da instalação (rede) – 60 m.
O não cumprimento destes requisitos vai levar a um processo complicado para conseguir
autorização para a construção das esferas, pelo que se procurou uma alternativa mais viável
para resolver este problema.
O Parque de Perafita, pertencente à Pergás, é um parque de armazenagem de GPL
situado próximo da RM. As cargas de propano e butano provenientes do Porto de Leixões,
alimentadas às esferas presentes no parque, são feitas via pipeline que atravessa todo o
comprimento da Refinaria. Existe assim a hipótese de explorar a transferência do local de
armazenamento do propano presente na Refinaria para o Parque, disponibilizando as esferas da
Refinaria para alocar o propileno proveniente de Sines. A principal razão para explorar esta
alternativa deve-se às esferas presentes no Parque que não estão a ser utilizadas para
armazenamento. A Pergás não está afiliada à Galp, pelo que se pode explorar a possibilidade
do aluguer de esferas presentes no Parque de Perafita. Apesar das necessidades atuais de
armazenamento da Pergás não exigirem que estejam mais esferas a ser utilizadas para além
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
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das ocupadas, é esperado que esta situação seja temporária e que a ocupação das esferas do
Parque seja mais elevada nos próximos meses.
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8. Conclusão
Como foi referido no primeiro capítulo, ao longo da dissertação procurou-se concluir
acerca da viabilidade da implementação de uma unidade de produção de cumeno na RM, com
o objetivo de entender se, com todos os aspetos estudados, a aprovação deste projeto é uma
decisão vantajosa para a Galp.
Para tal, estudaram-se os compostos envolvidos no processo, produtos finais da cadeia
de valor do cumeno e os seus mercados mundiais, com análise por regiões da evolução atual e
projeções futuras às matérias primas e produtos principais resultantes do produto intermediário
em análise, o cumeno. Através dos balanços mássicos e cálculos relativos ao processo,
procedeu-se ao dimensionamento dos principais equipamentos, para verificar se seria possível
utilizar no seu lugar alguns dos equipamentos que se encontram desativados na RM. Finalizou-
se este estudo com a análise económica ao projeto de raíz e ao projeto com integração de
equipamentos para tirar conclusões acerca da viabilidade das duas alternativas, através dos
valores de Cash-Flows acumulados e do estudo dos critérios de rentabilidade.
Avaliaram-se três opções de projeto: sem integração de equipamento, com integração
de equipamento excluíndo esferas de armazenamento e com integração de equipamento
incluíndo esferas de armazenamento. A reutilização dos equipamentos permite uma redução de
17% nos custos em equipamento base, e caso se consigam integrar as esferas de
armazenamento essa redução passa a ser de 67%. Os Cash-Flows acumulados obtidos para
cada caso foram -5,8, 0,7 e 14 milhões de euros, respetivamente. Os critérios de rentabilidade
apresentaram-se desfavoráveis para o primeiro caso, para o segundo caso sofreram uma
melhoria relativa mas sem alcançar resultados que garantissem viabilidade ao projeto, enquanto
que para o terceiro caso os critérios de rentabilidade apresentaram prespetivas razoavelmente
boas para o projeto.
O processo de produção de cumeno, por ser todo ele em fase líquida e sem necessidade
de equipamentos de elevada complexidade, é um processo simples e economicamente não
apresenta custos elevados. No entanto, a capacidade de produção associada ao projeto
discutido é baixa quando comparada com a gama de capacidades das principais unidades de
produção de cumeno a nível global. Uma vez que as flutuações de preço são semelhantes entre
matérias primas e produto, a margem de lucro do projeto fica dependente dos níveis de produção
de cumeno, e se estes níveis não atingirem valores altos o suficiente, podem por em causa a
viabilidade do projeto, como se observou nos resultados para o projeto de raíz (sem integração
de equipamentos).
A viabilidade do projeto fica assim assente na integração de esferas de armazenamento
no processo. O custo associados a aquisição deste tipo de equipamentos é bastante elevado
(cerca de 50% da totalidade dos custos em equipamento base) e esse custo reflete-se nos
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
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resultados obtidos, como se verifica nas tabelas dos Cash-Flows acumulados. Os critérios de
rentabilidade referentes a este caso encontram-se todos dentro dos valores que aprovam a
viabilidade económica do projeto, apesar de não garantirem uma segurança definitiva à
aprovação do projeto. O período de retorno, que geralmente é considerado um bom indicador de
viabilidade caso se encontre abaixo dos 6 anos, apresenta para este projeto um valor próximo
dos 8 anos, pelo que a possível aprovação do projeto deve ser observada com algumas reservas.
Os problemas associados à integração de esferas de armazenamento para o
fornecimento de propileno da RS são evidentes. As esferas existentes na RM estão em utilização
para armazenamento de propano, e para além do espaço reduzido e dos custos elevados para
a instalação de novas esferas, essa mesma instalação implicaria o incumprimento das distancias
mínimas aconselhadas, tornando difícil todo o processo logístico relativo às esferas. O parque
de Perafita foi a principal solução encontrada para este problema, pela existência de esferas que
atualmente não estão a ser utilizadas, e pela existência de uma linha que faz a distribuição via
pipeline desde o Porto de Leixões até ao parque em questão que passa nas instalações da
refinaria. Assim, o propileno proveniente de Sines era enviado para o parque de Perafita, de onde
seria encaminhado para a unidade de produção de cumeno. No entanto, tal como foi verificado,
a Pergás informou que as esferas em questão, apesar de não estarem a ser utilizadas, não estão
desativadas e eventualmente serão necessárias para armazenamento de propano ou butano.
O projeto para a construção da unidade de produção de cumeno apresenta diversas
vantagens para a Galp e para a RM, onde se destaca a rentabilização de equipamento que neste
momento está parado dentro das instalações e que, a partir deste projeto, permite a alocação
desses recursos, que ainda se encontram em condições, em vez de permanecerem parados e
sem qualquer utilidade. No entanto, é fulcral analisar as limitações do mesmo, como a baixa
capacidade de produção e a importância da utilização de esferas de armazenamento já
existentes na zona para a viabilidade económica do projeto. Pode-se explorar, caso se considere
adequado, a integração de uma unidade de produção de fenol, seguindo o exemplo da INEOS
Phenol[21], que integra a sua produção de cumeno com as unidades de produção de fenol na
região da Alemanha. Uma vez que a Ásia tem apresentado o maior foco na construção de novas
unidades de produção de fenol[92], o preço do produto na região é relativamente mais baixo
quando comparado com o mesmo preço no continente europeu. Assim, pode ser vantajoso
instalar uma nova unidade de produção de fenol para aumentar a oferta do produto a nível
europeu.
Para uma futura análise deste projeto, e de modo a complementar os resultados
alcançados neste trabalho, aconselha-se um estudo mais aprofundado aos dados operatórios
das reações de alquilação e transalquilação, tal como a análise de equipamentos que possam
apresentar características mais adequadas para as reações do processo em questão. Na
integração de equipamento, foram apenas analisados os equipamentos presentes nas unidades
U300 e U400 da FAR, pelo que podem existir equipamentos que não estão a ser utilizados em
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diferentes unidades e que seriam de interesse para o projeto. Para finalizar, a análise económica
foi realizada com base em dados fornecidos de forma gratuita ou por cedência autorizada de
algumas entidades, pelo que os resultados obtidos encontram-se associados a um erro derivado
da informação obtida, mas não serão muito afastados da realidade económica para o projeto.
O cumeno é um dos produtos intermediários mais importantes na indústria química
mundial. O seu impacto nos principais mercados de plásticos e em setor de elevada relavância
económica, como o setor automóvel ou eletrónico, fazem com que seja um produto fortemente
estabelecido a longo prazo no panorama global da economia. Assim, apesar das suas limitações,
o projeto analisado na dissertação é, sem dúvida, uma possibilidade realista para o futuro da
Refinaria de Matosinhos, e uma aposta que vai ao encontro dos padrões e objetivos da Galp.
ESTUDO DA PRODUÇÃO DE CUMENO NA REFINARIA DE MATOSINHOS – INSTITUTO SUPERIOR TÉCNICO | MEQ
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92
[93] BIG (Banco de Investimento Global) Research, Newsletter Diária 25-06-2020, p.1.
[94] Global Cumene Market Report 2020 - Sudden Onset of COVID-19 Has Caused Demand
for Cumene to Decline Leading to Low Demand for Phenol and Acetone
https://www.prnewswire.com/news-releases/global-cumene-market-report-2020---sudden-
onset-of-covid-19-has-caused-demand-for-cumene-to-decline-leading-to-low-demand-for-
phenol-and-acetone-301064248.html
[95] Global Cumene Market: Plant Capacity, Production, Operating Efficiency, Demand &
Supply, End Use, Competition, Trade, Customer & Price Intelligence Market Analysis, 2015-
2030 https://www.chemanalyst.com/industry-report/cumene-market-55
[96] Global Iso Propyl Alcohol Market Review 2013-2019 and Forecast to 2030 –
ResearchAndMarkets https://ca.finance.yahoo.com/news/global-iso-propyl-alcohol-market-
103000980.html
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10. Anexos
10.1. Anexos A – Dados de Dimensionamento
10.1.1. Anexo A1 – Dimensionamento dos tanques e esferas de armazenamento
Tabela 57: Condições de design dos tanques e esferas de armazenamento dimensionados.
Temperatura
(ºC) Pressão (bar)
Propileno, p/esfera (3
esferas)
44
15
Cumeno, p/ tanque (2
tanques)
35
1
Cumeno (fora de
especificação)
35
1
10.1.2. Anexo A2 – Dimensionamento dos acumuladores de balanço e refluxo
Tabela 58: Condições operatórias e de design dos acumuladores de balanço e de refluxo dimensionados.
Operação Design
Acumuladores Nomenclatura
Temperatura
(ºC)
Pressão
(barg)
Temperatura
(ºC)
Pressão
(barg)
Balanço
Alimentação
Benzeno D-1001 74 4,0 99 5,8
Coluna 1 D-3001 130 14,0 156 15,8
Coluna 2 D-3003 150 4,0 175 5,8
Coluna 3 D-3005 130 2,0 155 3,8
Refluxo
Coluna 1 D-3002 44 14,0 69 15,8
Coluna 2 D-3004 143 4,0 168 5,8
Coluna 3 D-3006 200 2,0 225 3,8
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10.1.3. Anexo A3 – Dimensionamento das colunas de destilação
Tabela 59: Dimensões das colunas de destilação dimensionadas.
Diâmetro (m) Altura (m)
T-3001 1 9,6
T-3002 1,2 13,2
T-3003 1,8 14,4
Tabela 60: Condições operatórias e de design das colunas de destilação dimensionadas.
Operação Design
Temperatura
(ºC)
Pressão (barg)
Temperatura
(ºC)
Pressão (barg)
T-3001 257,6 14,4 282,6 16,2
T-3002 228,9 4,2 253,9 6,0
T-3003 262,3 2,1 287,3 3,9
10.1.4. Anexo A4 – Dimensionamento dos permutadores de caixa e tubos
Tabela 61: Condições operatórias e composições das correntes quente e fria dos permutadores de caixa e tubos dimensionados.
Corrente Quente Corrente Fria
H-1001
H-2001
H-2002
H-3001
H-3002
H-3003
Composição Temp. (ºC) Pressão (barg) Composição Temp. (ºC) Pressão (barg)
M.P. Steam 175,0 8,5 Benzeno 160,0 4,0
Orgânicos 190,0 35,0 Água (arref.) 25,0 1,0
Orgânicos 190,0 35,0 Água (arref.) 25,0 1,0
Orgânicos 248,0 14,0 Água (arref.) 25,0 1,0
Orgânicos 229,0 4,0 Água (arref.) 25,0 1,0
Cumeno 180,0 2,0 Água (arref.) 25,0 1,0
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Tabela 62: Organização de caixa e tubos dos permutadores, incluindo número de passagens em cada lado e número de tubos.
Caixa Passagens Tubos Passagens Nº tubos
H-1001 Quente 1 Frio 6 74
H-2001 Frio 1 Quente 2 14
H-2002 Frio 1 Quente 1 61
H-3001 Frio 1 Quente 1 55
H-3002 Frio 1 Quente 1 61
H-3003 Frio 1 Quente 1 151
10.1.5. Anexo A5 – Dimensionamento dos condensadores
Tabela 63: Condições operatórias e composições das correntes quente e fria dos condensadores dimensionados.
Corrente Quente Corrente Fria
Composição Temp. (ºC) Pressão (barg) Composição Temp. (ºC) Pressão (barg)
C-3001 Orgânicos 160,0 14,0 Hot Oil 280,0 2,0
C-3002 Orgânicos 216,0 4,0 Hot Oil 280,0 2,0
C-3003 Orgânicos 216,0 2,0 Hot Oil 280,0 2,0
Tabela 64: Organização de caixa e tubos dos condensadores, incluindo número de passagens em cada lado e número de tubos.
Caixa Passagens Tubos Passagens Nº tubos
C-3001 Quente 1 Frio 6 270
C-3002 Frio 1 Quente 2 158
C-3003 Frio 1 Quente 1 406
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10.1.6. Anexo A6 – Dimensionamento dos ebulidores
Tabela 65: Condições operatórias e composições das correntes quente e fria dos ebulidores dimensionados.
Corrente Quente Corrente Fria
Composição Temp. (ºC) Pressão (barg) Composição Temp. (ºC) Pressão (barg)
RB-3001 Orgânicos 61,0 14,0 Água (arref.) 25,0 1,0
RB-3002 Orgânicos 143,5 4,0 Água (arref.) 25,0 1,0
RB-3003 Orgânicos 201,0 2,0 Água (arref.) 25,0 1,0
Tabela 66: Organização de caixa e tubos dos ebulidores, incluindo número de passagens em cada lado e número de tubos.
Caixa Passagens Tubos Passagens Nº tubos
RB-3001 Quente 1 Frio 2 0
RB-3002 Quente 1 Frio 1 68
RB-3003 Quente 1 Frio 1 69
10.1.7. Anexo A7 – Dimensionamento das bombas centrífugas do processo
Tabela 67: Resultados do dimensionamento das bombas centrífugas do processo.
Bomba P-1001 P-1002 P-1003 P-3001 P-3002 P-3003 P-3004
Caudal (m3/h) 12,42 8,59 0,67 7,73 5,30 15,50 44,68
NPSH (m) 37,1 22,8 32,1 11,2 30,6 7,1 4,3
Pressão descarga
(kg/cm2.g) 35,0 35,0 35,0 4,0 14,0 4,0 2,0
Temperatura (ºC) 195,0 65,0 265,0 60,0 69,0 168,0 226,0
Differencial Head (m) 328,7 211,4 341,0 39,5 4,6 2,5 3,4
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Equipamento Base (Integração excluíndo as Esferas de Armazenamento) - 7,1 Milhões €
4% 2% 4%
9%
22% 60%
Tanques e Esferas de Armazenamento Reatores
Colunas Reboilers
Acumuladores Outros
10.1.8. Anexo A8 – Dimensionamento dos reatores de alquilação e
transalquilação
Tabela 68: Resultados do dimensionamento dos reatores, incluindo dimensões, massa de catalisador total necessária e condições de design.
Diâmetro (m) Altura (m) mcatalisador (kg) Temperatura (ºC) Pressão (barg)
R-2001 1 3,9 1476 231 36,8
R-2002 0,4 1,2 751 225 36,8
10.2. Anexos B – Dados da Análise Económica
10.2.1. Anexo B1– Percentagem de cada tipo de equipamento no Custo de
Equipamento Base
Figura 29: Percentagem de cada tipo de equipamento no Custo de Equipamento Base, para o Projeto com Integração de Equipamento, excluindo a integração das Esferas de Armazenamento.
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5% 3%
6%
10%
22%
Figura 30: Percentagem de cada tipo de equipamento no Custo de Equipamento Base, para o Projeto com Integração de Equipamento, incluindo a integração das Esferas de Armazenamento.
10.2.2. Anexo B2– Tabelas de Cash-flows para projeto com integração de
equipamento.
Tabela 69: Cash- Flows para Projeto com integração de equipamento, excluindo as esferas de armazenamento.
Reatores Colunas Reboilers PC Tanques Outros
54%
Equipamento Base (Integração incluíndo as Esferas de Armazenamento) - 2,8 Milhões €
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Tabela 70: Cash- Flows para Projeto com integração de equipamento, incluindo as esferas de armazenamento.
10.3. Anexos C – Esferas de Armazenamento: Cumprimento de
Distâncias para instalação de novas esferas de armazenamento
Figura 31: Distâncias entre a zona disponível para instalação de novas esferas de armazenamento e o perímetro de instalação e edifícios habitados.
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Figura 32: Vista aérea da Refinaria de Matosinhos e Parque de Perafita.
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