UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
SETOR DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA
ALICE PINTO BARREIROS
GABRIELLE LUIZI KERKHOFF
ISABELLA PAULINI
PAULA GONÇALVES
PRODUÇÃO DE ÁCIDO ACRÍLICO
CURITIBA
ALICE PINTO BARREIROS
GABRIELLE LUIZI KERKHOFF
ISABELLA PAULINI
PAULA GONÇALVES DE OLIVEIRA
PRODUÇÃO DE ÁCIDO ACRÍLICO
CURITIBA
2013
Trabalho apresentado como requisito parcial para aprovação da disciplina TQ156 – Projetos de Indústria Química II, do curso de graduação em Engenharia Química, Setor de Tecnologia da Universidade Federal do Paraná.
Orientador: Profa. Dra. Regina Weinschutz.
AGRADECIMENTOS
Agradecemos à Professora orientadora Regina Weinschutz pela confiança no nosso trabalho e pelo conhecimento compartilhado.
A todos os professores que conosco compartilharam seu conhecimento técnico, ajudando-nos a resolver os problemas no decorrer do projeto.
Aos nossos familiares por todo incentivo e amor.
A todos os nossos amigos que souberam compreender os momentos de ausência.
A todos os colegas da disciplina pela importante cooperação durante o desenvolvimento do projeto.
E finalmente, a todos que de alguma forma contribuíram no desenvolvimento deste trabalho.
RESUMO
O objetivo geral deste projeto é a produção de 20 000 t/ ano de acido acrilico bruto (AAB) empregando a rota de oxidação catalítica do propeno com ar, tendo como intermediário a acroleína. O projeto da unidade de produção prevê sua implatação no Polo petroquimico de Triunfo –RS, devido à proximidade da matéria-prima, principal limitação em termos de logistica. O ácido acrílico pode ser vendido em duas diferentes formas: ácido acrílico bruto (AAB) - com pureza entre 96% a 97% - e ácido acrílico glacial (AAG) - com pureza superior a 99%. O ácido acrílico e os acrilatos são monômeros com capacidade de gerar polímeros e copolímeros com um amplo leque de propriedades. Tais propriedades propiciam a utilização desses produtos em diversas aplicações, destacando-se: revestimentos, tintas, têxteis, adesivos, plásticos, produtos de higiene (fraldas e absorventes), detergentes, dispersantes, floculantes, etc. Comercialmente, o acido acrilico é vendido no mercado nacional a um preço que varia entre U$ 2,00 – U$ 2,50 / kg. Neste custo ja estão inseridas as taxas de importação, uma vez que este produto ainda não produzido no Brasil. Fazendo a analise econômica da Unidade de Produção proposta, tem-se que o preço mínimo que o acido acrílico deveria ser vendido é cerca de 38% mais alto que o preço do acido acrílico do mercado (U$3,459/kg – preço minimo). O projeto em questão, com as hipóteses que foram consideradas e na atual conjuntura de mercado, não será, portanto, competitivo, e muito menos rentável. Afim de encontrar alternativas de rentabilidade para a continuidade deste projeto, deve-se pensar em possibilidades como outros mercados, outras configurações da unidade, como unidades anexas por exemplo, outras rotas de produção, ou até mesmo outro momento de mercado para o acido acrílico, em que seu valor agregado se torne mais atrativo.
Palavras Chave: Acido acrílico; Aplicações; Unidade de Produção; Detalhamento; Analise Econômica; Rentabilidade; Mercado; Alternativas;
LISTA DE FIGURAS
FIGURA 1 - APLICAÇÕES DO ÁCIDO ACRILICO BRUTO. ... 29
FIGURA 2 - DIAGRAMA DE BLOCOS (ROTA 1). ... 38
FIGURA 3 - DIAGRAMA DE BLOCOS (ROTA 2). ... 38
FIGURA 4 - DIAGRAMA DE BLOCOS DO PROCESSO. ... 40
FIGURA 5 - POLO PETROQUIMICO DO SUL - TRIUNFO - RS... 48
FIGURA 6 - TEMPERATURA DE SAIDA DO GAS DE COMBUSTÃO NA SEÇÃO DE RADIAÇÃO. ... 52
FIGURA 7 - MECANISMO DE REAÇÃO. ... 63
FIGURA 8 - MECANISMO DA SEGUNDA REAÇÃO. ... 65
FIGURA 9 - VARIAÇÃO DA CONVERSÃO COM A MASSA DE CATALISADOR. ... 73
FIGURA 10 - RELAÇÕES ENTRA MASSA DE VAPOR E MASSA DE LÍQUIDO DO DOWTHERM A (CATÁLOGO). ... 77
FIGURA 11 - VAZÕES DE CADA COMPONENTE AO LONGO DO TUBO. ... 78
FIGURA 12 - PERFIL DE TEMPERATURA AO LONGO DO REATOR. ... 79
FIGURA 13 - SELETIVIDADE EM FUNÇÃO DA MASSA DE CATALISADOR... 80
FIGURA 14 - PERDA DE CARGA NO REATOR. ... 81
FIGURA 15 - CONVERSÃO EM FUNÇÃO DA ALTURA (M). ... 81
FIGURA 16 - VARIAÇÃO DA CONVERSÃO (R-620) COM A MASSA DE CATALISADOR.88 FIGURA 17 - VARIAÇÃO DA CONVERSÃO. ... 89
FIGURA 18 - RECUPERAÇÃO DE ACIDO ACRILICO VERSUS NUMERO DE ESTAGIOS. ... 97
FIGURA 19 - RECUPERAÇÃO DE ÁCIDO ACRILICO VERSUS TEMPERATURA DE AGUA. ... 98
FIGURA 20 - PERDA DE PRODUTO VERSUS TEMPERATURA DE ENTRADA DA AGUA. ... 98
FIGURA 21 - RECUPERAÇÃO DE ACIDO ACRILICO VERSUS VAZÃO DE SOLVENTE. . 99
FIGURA 22 - ESCOLHA DE DISTRIBUIDORES PARA LIQUIDO - CATALOGO SULZER. ... 103
FIGURA 23 - GRADE SUPORTE PARA RECHEIO MODELO TEB/TSB. ... 104
FIGURA 24 - ELIMINADOR DE NEVOA. ... 105
FIGURA 25 - TAMPOS TIPO CÚPULA. (A) HEMISFÉRICO (B) ELIPSOIDAL (C) TOROESFÉRICO (FONTE: COULSON, 2005). ... 107
FIGURA 26 - FUNDO DA COLUNA. ... 111
FIGURA 28 - COLETOR DE LIQUIDO: VANE COLLECTOR SULZER. ... 116
FIGURA 29 - DIAGRAMAS TERNARIOS - ESCOLHA DO SOLVENTE ... 122
FIGURA 30- RECHEIO ESTRUTURADO SULZER SMV PLASTICO ... 127
FIGURA 31 -RR X NUMERO DE ESTÁGIOS TEÓRICOS T-420 ... 136
FIGURA 32-PUREZA ACIDO ACRILICO X ESTAGIO DE ALIMENTAÇÃO T-420 ... 137
FIGURA 33- PERFIL DE TEMPERATURA NOS ESTÁGIOS T-420 ... 138
FIGURA 34 - DISTRIBUIDOR DE CALHAS MODELO VEP/VEPW. ... 141
FIGURA 35 - RR X NUMERO DE ESTÁGIOS TEÓRICOS T-430 ... 147
FIGURA 36 - PUREZA ACIDO ACRÍLICO X ESTAGIO DE ALIMENTAÇÃO T-430 ... 148
FIGURA 37- NÚMEROS DE K PARA BOCAIS DE ENTRADA E SAÍDA ... 170
FIGURA 38 - CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO VALVULAS DE CONTROLE ... 173
FIGURA 39 - FIGURA CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA, UTILIZANDO-SE DE UMA CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INERENTE TIPO IGUAL PORCENTAGEM ... 177
FIGURA 40 - ESCOLHA DA BOMBA P-420 A/B ... 193
FIGURA 41 - ESCOLHA DA BOMBA P-422 A/B ... 195
FIGURA 42 - ESCOLHA DA BOMBA P-432 A/B ... 197
FIGURA 43 - GRÁFICO PARA A ESCOLHA DO TIPO DE COMPRESSOR ... 198
FIGURA 44 - EFICIÊNCIA DE UM COMPRESSOR ... 200
FIGURA 45 - COMPRESSOR SÉRIE H, ATLAS COPO ... 202
FIGURA 46 - TORRE DE RESFRIAMENTO DE AGUA WTD ... 205
FIGURA 47 - CALDEIRA ICAVI ... 208
FIGURA 48 - VARIAÇÃO DA VELOCIDADE DO VENTO DURANTE UM DIA NA CIDADE DE TRIUNFO-RS. ... 227
FIGURA 49 - REGRA NOMENCLATURA DE TUBULAÇÕES ... 228
FIGURA 50 - DIMENSÕES DE ESTACIONAMENTO COLETIVO. ... 235
FIGURA 51 - DIREÇÃO DO VENTO NA CIDADE DE TRIUNFO. ... 240
FIGURA 52 - DISTRIBUIÇÃO DE CUSTOS REFERENTE A AQUISIÇÃO DE EQUIPAMENTOS ... 276
FIGURA 53 - DISTRIBUICAO DE CUSTOS UTILIDADES ... 279
FIGURA 54 - DISTRIBUIÇÃO DE CUSTOS REFERENTE AO CAPITAL DE GIRO ... 282
FIGURA 55 - VARIACAO COTACAO DOLAR COMERIAM NO ULTIMO ANO ... 284
FIGURA 56 - BREAK EVEN POINT ... 285
FIGURA 57 - ANALISE FLUXO DE CAIXA CUMULATIVO ... 289
FIGURA 58 - FLUXO DE CAIXA PARA O PREÇO MINIMO DE ENDA DO ACIDO ACRILICO ( BREAK EVEN POINT) ... 289
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Propriedades físicas do ácido acrílico. ... 28
Tabela 2 - Importações anuais de ácido acrílico e seus respectivos preços. ... 31
Tabela 3 - Composição do catalisador na primeira reação. ... 36
Tabela 4 - Composição do catalisador da segunda reação... 37
Tabela 5- Dados para dimensionamento do forno ... 50
Tabela 6- Dimensões da seção radiativa ... 53
TABELA 7 - DIMENSÕES DE FORNOS PROPOSTAS POR KERN,1999. ... 53
Tabela 8-Iterações na seção radiativa do forno ... 55
Tabela 9 - Dimensões finais da zona de radiação ... 56
Tabela 10 – Valores calculados para a seção convectiva ... 58
Tabela 11-Perda de carga no F-610 ... 59
Tabela 12 - Área superficial dos catalisadores. ... 61
Tabela 13-Tipos de envenenamento industrial... 66
Tabela 14 - Parâmetros operacionais do reator (R-610). ... 67
Tabela 15 - Influência da temperatura no reator 1. ... 72
Tabela 16- Dimensões do primeiro reator. ... 74
Tabela 17 - Características construtivas R-610. ... 75
Tabela 18 - Dimensões R-610. ... 82
Tabela 19 - Condições operacionais do R-620. ... 85
Tabela 20 - Dimensões do segundo reator. ... 90
Tabela 21 - Características construtivas R-620. ... 90
Tabela 22 - Dimensões com overdesign de 15%. ... 92
Tabela 23 - Parâmetros da alimentação da T-310. ... 96
Tabela 24 - Fator de fluxo da T-310. ... 100
Tabela 25 - Recheios Randômicos. ... 100
Tabela 26 - Dimensionamento da T-310. ... 101
Tabela 27 - Fator de tensão. ... 108
Tabela 28 - Tempo de controle em função do destino do produto. ... 111
TABELA 29 - ESPESSURA DE PAREDE DE VASO DE PRESSÃO ATMOSFÉRICA. ... 112
Tabela 31 - Vazão específica de líquido da T-310. ... 115
Tabela 32 - Resumo das espessuras dos tampos. ... 118
TABELA 33- RESULTADOS COLUNA DE EXTRAÇÃO ... 124
TABELA 34 - BM COLUNA DE EXTRAÇÃO... 125
Tabela 35 - LISTA DE VARIÁVEIS – ROTINA DE CÁLCULO DIMENSIONAMENTO COLUNA EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO. ... 129
TABELA 36 – BOCAIS DA COLUNA ... 133
TABELA 37. BOCAIS DE VISITA ... 133
Tabela 38 - DIMENSÕES FINAIS COLUNA DE EXTRAÇÃO T-410. ... 135
Tabela 39 - Parâmetros de Fluxo. ... 139
Tabela 40 - Dimensionamento da coluna para diferentes recheios. ... 139
Tabela 41 - Vazão Específica de Líquido por estágio. ... 140
Tabela 42 - ESPESSURA DOS TAMPOS... 143
Tabela 43 - Tempo de controle em função do destino do produto. ... 145
Tabela 44 - Espessura de Parede. ... 146
Tabela 45 - Parâmetros de Fluxo. ... 150
Tabela 46 - Dimensionamento da coluna para diferentes recheios. ... 151
Tabela 47 - Vazão Específica de Líquido por estágio. ... 152
Tabela 48 - Resultados do Eliminador de Nevoa. ... 152
Tabela 49 - Fator de Tensão. ... 153
Tabela 50 - Espessuras dos Tampos. ... 154
Tabela 51 - Tempo de controle em função do destino do produto. ... 156
Tabela 52 - Espessura da parede. ... 157
Tabela 53 - SELEÇÃO DO TIPO DE ISOLANTE. ... 162
Tabela 54 - ESPECIFICAÇÃO DO ISOLANTE. ... 163
Tabela 55 - ESPESSURA ÓTIMA DE ISOLAMENTO. ... 163
Tabela 56 - ESPECIFICAÇÃO DAS TUBULAÇÕES DA ZONA DE REAÇÃO – 600. ... 164
Tabela 57 - ESPECIFICAÇÃO DAS TUBULAÇÕES DA ZONA DE SEPARAÇÃO – 300. ... 164
Tabela 58 - ESPECIFICAÇÃO DAS TUBULAÇÕES DA ZONA DE PURIFICAÇÃO - 400. ... 165
Tabela 59 - COEFICIENTES DE DILATAÇÃO LINEAR MATERIAIS
CONSTITUINTES DAS TUBULAÇÕES. ... 167
Tabela 60 - CARACTERÍSTICAS DAS LINHAS E RESULTADOS – CALCULO FLEXIBILIZAÇÃO. ... 167
Tabela 61 - CARACTERÍSTICAS DAS LINHAS E RESULTADOS – CALCULO FLEXIBILIZAÇÃO. ... 168
Tabela 62 - VALORES DE K PARA ACESSÓRIOS ... 169
Tabela 63 - VALORES DE KC – COEFICIENTE DE DILATAÇÃO INCIPIENTE .... 181
Tabela 64 - VALORES DAS CONSTANTS NUMERICAS ... 182
Tabela 65 - CARACTERÍSTICAS LINHAS - CALCULO VÁLVULAS DE CONTROLE ... 185
Tabela 66 - CÁLCULO DO HEAD DA BOMBA P-420 A/B ... 192
Tabela 67 - CÁLCULO DO HEAD DA BOMBA P-422 A/B ... 194
Tabela 68 - CÁLCULO DO HEAD DA BOMBA P-432 A/B ... 196
Tabela 69 - TEMPERATURA MAXIMA EM COMPRESSORES ... 199
Tabela 70 - RESULTADOS PARA O COMPRESSOR C-01 ... 201
Tabela 71 - CONSUMO DE AGUA DE RESFRIAMENTO POR EQUIPAMENTO .. 203
Tabela 72 - TEMPERATURAS AGUA E TEMPERATURA DE BULBO ÚMIDO ... 203
Tabela 73 - TORRE DE RESFRIAMENTO SELECIONADA – CARAVELA AMBIENTAL ... 205
Tabela 74 - VAZÃO TOTAL DE VAPOR CONSUMIDA NO PROCESSO ... 206
Tabela 75 - DADOS DE OPERAÇÃO DA CALDEIRA ... 207
TABELA 76 - DADOS TÉCNICOS DA CALDEIRA ESCOLHIDA ... 207
TABELA 77 - PARÂMETROS PARA LANÇAMENTO DE EFLUENTES ... 212
TABELA 78 - DIMENSIONAMENTO DO TANQUE DE EQUALIZAÇÃO ... 214
TABELA 79 - DIMENSIONAMENTO DO TANQUE DE NEUTRALIZAÇÃO ... 215
TABELA 80 - DIMENSIONAMENTO DO TANQUE DE AERAÇÃO ... 217
TABELA 81 - NECESSIDADE DE OXIGÊNIO NO TANQUE DE AERAÇÃO... 218
TABELA 82 - NECESSIDADE DE AR NO TANQUE DE AERAÇÃO ... 219
TABELA 83 - QUANTIDADE DE NUTRIENTES ... 220
TABELA 84 - DIMENSIONAMENTO DO DECANTADOR DE LODO ... 221
TABELA 85 - EXCESSO DE LODO ... 221
TABELA 87 - DIMENSIONAMENTO DO TANQUE DE LODO ... 222
Tabela 88 - Composição da corrente de efluente gasoso. ... 225
Tabela 89 - Fatores de periculosidade de poluente. ... 227
TABELA 90 - MEDIDAS RELACIONADAS A FIGURA 48. ... 235
Tabela 91 - Distâncias Mínimas de Layout. ... 237
Tabela 92 - FATOR DE MÓDULO ... 258
Tabela 93 - Estimativa de capital investido para utilidades (CE = 560,4) ... 259
Tabela 94 - Valores fator de material ... 267
Tabela 95 - Valores para fator de comprimento ... 268
Tabela 96 - Valores fator FT Bomba Centrifuga ... 269
Tabela 97 - Fator de material FM ... 270
Tabela 98 - Fator de correção para motores elétricos ... 270
Tabela 99 - Fator de material para vasos cilindricos sem internos ... 271
Tabela 100 - Tabela custo de recheio para colunas ... 273
Tabela 101 - Custo total do Modulo ... 274
Tabela 102 - Custo Utilidades ... 277
Tabela 103 - CUSTO MATÉRIAS-PRIMA CAPITAL DE GIRO 40 DIAS ... 278
Tabela 104 - CUSTOS UTILIDADES DO PROCESSO – GIRO DE 40 DIAS ... 279
Tabela 105 - DISTRIBUIÇÃO DE FUNCIONARIOS E RESPECTIVOS SALARIOS ... 280
Tabela 106 - RESULTADO CUSTO MAO DE OBRA MENSAL ... 281
Tabela 107 - FATURAMENTO CONSIDERANDO CUSTO DE VENDA DO ACIDO ACRILICO COMO U$ 3,8 /KG ... 286
Tabela 108 - PARCELAS ANUAIS EMPRESTIMO BNDES... 287
Tabela 109 - LUCRO BRUTO ANUAL ... 288
Tabela 110 - LUCRO LIQUIDO ANUAL ... 288
Tabela 111 - TAXA DE RETORNO E TEMPO DE RETORNO DE CAPITAL ... 290
Tabela 112 - ATRATIVIDADE MíNIMA DO INVESTIMENTO ... 290
Tabela 113 – LISTA DE REATORES DO PROCESSO ... 299
Tabela 114 – LISTA DOS VASOS PULMao e tambores de refluxo do processo.... 300
Tabela 115 – lista de colunas de separacao e purificacao do processo – colunas de recheio ... 301
Tabela 117 - Lista de válvulas de controle da Zona de Reação ... 304
Tabela 118 - Lista de válvulas de controle Zona de Separação ... 305
Tabela 119 - Lista de válvulas de controle Zona de Purificação ... 306
Tabela 120 - Lista bombas da zona de reação ... 307
Tabela 121 - Lista bombas da zona de separação ... 307
Tabela 122 - LISTA BOMBAS DA ZONA DE PURIFICAÇÃO ... 307
NOMENCLATURA
LISTA DE SIGLAS
AA – Ácido Acrílico
AAB – Ácido Acrílico Bruto BEP – Break Even Point
BNDES – Banco Nacional do Desenvolvimento CE – Chemical Engineering Plant Cost Index CEI - Cadastro de Empreendimentos Industriais
CF – Custos Fixos CG – Capital de Giro
Ci - Custo do bem depreciável
CLT – Consolidação das Leis do Trabalho
Cofins - Contribuição para Financiamento da Seguridade Social
CONAMA – Conselho Nacional do Meio Ambiente
CTD – Cadastro para Tratamento e Disposição Final de Resíduos CTDe – Capital Total Depreciavel
CTM – Custo Total do Modulo
CTND – Capital Total Não Depreciavel DBO – Demanda Biológica de Oxigênio DQO – Demanda Química de Oxigênio ETA – Estação de Tratamento de Água ETE – Estação de Tratamento de Efluentes
HETP – Height Equivalent to Theorical Plate IAP – Instituto Ambiental do Paraná
ICMS – Imposto sobre circulação de mercadorias IPI – Imposto sobre produtos industrializados IR – Imposto de Renda
IUPAC – União Internacional de Química Pura e Aplicada LLL – Nível de Líquido Mínimo
LTI - Linha de Tangência Inferior
MPMEs - Micro, Pequenas e Médias empresas
NBM/SH - Nomenclatura Brasileira de Mercadorias – Sistema Harmonizado NCM - Nomenclatura Comum do Mercosul
NR – Normas Regulamentadoras
NRTL-HOC – Non radom two liquid Hayden-O'Connell PCI- Poder calorífico inferior
PFR – Plug Flow Reactor
PIS - Programa de Integração Social
RLA – Requerimento de Licenciamento Ambiental
SEMA – Secretaria do Meio Ambiente e Recursos Hídricos VR - Valor residual do bem previsto no fim de sua vida útil
LISTA DE SÍMBOLOS
A – área
Ac- área da seção catalítica
Af – altura física da chaminé
ap - área especifica do recheio
ap – área específica do recheio
At – altura teórica da chaminé
Cp – fator de tampo
Cs – parâmetro de tampo toroesférico De – diâmetro do eliminador de névoa
dvs - Velocidade característica da gota
e – espessura
E – pluma da chaminé Ɛ – porosidade do leito
Ekg – carga da velocidade no bocal de entrada f – fator de tensão
F- fator de troca térmica
FL – Fator de comprimento
Fm – Fator de Material FM – Fator de Modulo Fp – Fator de pressão
J – fator de tampo elipsoidal k12 – parâmetro binario UNIQUAC
L – vazão mássica de líquido pi – pressão interna
Q – vazão volumétrica
R – Constante dos gases ideais r - parâmetro volumétrico UNIQUAC
Rc – diâmetro interno T – temperatura t - tempo
tc – tempo de controle
Uc - Velocidade superficial da fase continua
Ud - Velocidade superficial da fase dispersa
V – vazão mássica de gás v– velocidade
X – parâmetro de fluxo
xI1 - é a fração molar do componente 1 na fase rica em componente 1
Zp - Altura de recheio entre os distribuidores
α – absortividade ΔP – perda de carga
Δρ - Diferença de densidade entre os dois líquidos μc – Viscosidade da fase continua
μd – Viscosidade da fase dispersa μw – Viscosidade de referência ρ – densidade do fluido
ρc – Densidade da fase continua ρc-densidade do catalisador
ρd – Densidade da fase dispersa
σ – tensão interfacila entre dois liquidos φ – Emissividade
– Diâmetro da partícula – viscosidade do fluido
SUMÁRIO
1 OBJETIVO ... 26
1.1 OBJETIVO GERAL ... 26
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 26
2 INTRODUÇÃO ... 28
2.1 APLICAÇÕES E COMERCIALIZAÇÃO DO ÁCIDO ACRÍLICO ... 28
2.2 MERCADO DO ÁCIDO ACRÍLICO E PRODUÇÃO ... 30
3 ROTAS DE PRODUÇÃO OBSOLETAS ... 32
3.1 ACETILENO-PROCESSO REPPE ... 32
3.2 PROCESSO REPPE À ALTA PRESSÃO ... 32
3.3 PRODUÇÃO A PARTIR DO ETENO ... 33
3.4 PRODUÇÃO A PARTIR DO CETENO ... 33
3.5 HIDRÓLISE DA ACRILONITROLA ... 34
4 ROTA DE PRODUÇÃO EM USO COMERCIAL ... 35
4.1 OXIDAÇÃO DO PROPENO EM UM ÚNICO ESTÁGIO ... 35
4.2 OXIDAÇÃO DO PROPENO EM DOIS ESTÁGIOS ... 35
4.2.1 Condições operacionais para cada reação ... 36
4.2.2 Recuperação e purificação (ROTA 1) ... 37
4.2.3 Recuperação e purificação (ROTA 2) ... 37
5 ROTA DE PRODUÇÃO ADOTADA ... 39
5.1 DIAGRAMA DE BLOCOS ... 40 5.2 DESCRIÇÃO DO PROCESSO ... 41 5.2.1 Área de Reação ... 41 5.2.2 Separação ... 42 5.2.3 Purificação ... 43 6 MODELOS TERMODINÂMICO ... 45
7 LOCALIZAÇÃO DA PLANTA ... 46
CONSIDERAÇÕES E DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS ... 49
8 FORNO F-610 ... 50
8.1 ZONA RADIANTE ... 50
8.2 SEÇÃO CONVECTIVA ... 56
8.3 PERDA DE CARGA NO FORNO ... 58
9 DESCRIÇÃO DOS REATORES ... 60
9.1 OXIDAÇÃO DO PROPENO À ACROLEÍNA ... 60
9.1.1 Cinética de reação e catalisadores ... 61
9.2 OXIDAÇÃO DA ACROLEÍNA À PROPENO ... 64
9.2.1 Cinética da reação ... 64
9.2.2 Desativação dos catalisadores ... 65
10 DIMENSIONAMENTO DOS REATORES ... 67
10.1 REATOR (R-610) ... 67
10.1.1 Taxa da reação ... 68
10.1.2 Equacionamento para o dimensionamento ... 69
10.1.3 Análise do escoamento e características do catalisador ... 71
10.1.4 Resultados preliminares ... 72
10.1.5 Transferência de calor no leito catalítico ... 75
10.1.6 Resultados gerais e análises ... 78
10.1.7 Cálculo dos bocais do reator ... 82
10.1.8 Bocais de visita ... 83
10.1.9 Espessura do reator ... 83
10.2 REATOR (R-620) ... 84
10.2.1 Taxa da reação ... 85
10.2.3 Resultados ... 88
10.2.4 Transferência de calor no leito catalítico ... 90
10.2.5 Cálculo dos bocais do reator ... 93
10.2.6 Espessura do reator (R-620) ... 94
10.2.7 Bocais de visita (R-620) ... 95
11 LAVADORA ... 96
11.1 DIMENSIONAMENTO ... 97
11.2 ANÁLISE DOS INTERNOS ... 99
11.3 DETALHAMENTO GERAL DE VASOS DE PRESSÃO ... 102
11.3.1 Distribuidor de líquido ... 103
11.3.2 Grade de suporte ... 104
11.3.3 Eliminador de névoa ... 104
11.3.4 Bocal de visita ... 106
11.3.5 Escolha do Tampo ... 106
11.3.6 Bocal de saída de vapor ... 109
11.3.7 Bocal de entrada de refluxo ... 110
11.3.8 Bocal de alimentação ... 110
11.3.9 Bocal de visita intermediário ... 110
11.3.10 Bocal de saída do líquido ... 111
11.3.11 Bocal de retorno do Refervedor ... 112
11.3.12 Espessura dos Vasos de Pressão ... 112
11.4 DETALHAMENTO DA T-310 ... 114
11.4.1 Distribuidor de líquido ... 114
11.4.2 Grade de Suporte ... 116
11.4.3 Coletor de líquido ... 116
11.4.5 Eliminador de névoa ... 117
11.4.6 Análise da Calota ... 117
11.4.7 Bocal de Saída do Gás ... 119
11.4.8 Bocal de Entrada Líquido ... 119
11.4.9 Boca de Visita Superior e Inferior ... 119
11.4.10 Bocal de Entrada Vapor ... 120
11.4.11 Bocal de Saída de Líquido ... 120
11.4.12 Espessura do Vaso T-310 ... 120
12 COLUNA DE EXTRAÇÃO LÍQUIDO-LÍQUIDO ... 121
12.1 DETERMINAÇÃO DO EQUILÍBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO – ESTÁGIO TEÓRICOS DE EQUILÍBRIO ... 123
12.2 DIMENSIONAMENTO DA COLUNA DE EXTRAÇÃO ... 125
12.2.1 Escolha do tipo de coluna ... 125
12.2.2 Características do recheio escolhido ... 126
12.2.3 Cálculo da tensão interfacial ... 127
12.2.4 Cálculo do diâmetro da coluna ... 129
12.3 Detalhamento da coluna de extração ... 132
12.3.1 Distribuidores ... 132
12.3.2 Bocais ... 133
12.3.3 Calotas superiores e inferiores ... 134
12.3.4 Espessura do vaso ... 134
12.3.5 Altura da coluna de líquido no fundo e no topo ... 134
12.4 Dimensões finais da coluna ... 135
13. DESTILADORA T-420 ... 136
13.1 DIMENSIONAMENTO ... 136
13.2 ESCOLHA DOS INTERNOS ... 138
13.3.1 Distribuidor de Líquidos ... 140
13.3.2 Grade de suporte ... 141
13.3.3 Coletor de Líquido ... 141
13.3.4 Eliminador de névoa ... 141
13.3.5 Bocal de Visita Superior ... 142
13.3.6 Escolha do Tampo ... 142
13.3.7 Bocal de Saída de Topo do Vapor ... 143
13.3.8 Bocal de entrado do refluxo ... 144
13.3.9 Bocal de Alimentação ... 144
13.3.10 Bocal de Saída de Fundo do Líquido ... 144
13.3.11 Bocal de Retorno do Refervedor ... 145
13.3.12 Bocal de Visita de Fundo ... 145
13.3.13 Espessura dos Vasos de Pressão ... 146
14 DESTILADORA T-430 ... 147
14.1 DIMENSIONAMENTO ... 147
14.2 ESCOLHA DOS INTERNOS ... 149
14.3 DETALHAMENTO ... 151
14.3.1 Distribuidor de Líquidos ... 151
14.3.2 Grade de suporte ... 152
14.3.3 Coletor de Líquido ... 152
14.3.4 Eliminador de névoa ... 152
14.3.5 Bocal de Visita Superior ... 153
14.3.6 Escolha do Tampo ... 153
14.3.7 Bocal de Saída de Topo do Vapor ... 155
14.3.8 Bocal de entrada do refluxo ... 155
14.3.10 Bocal de Saída de Fundo do Líquido ... 156
14.3.11 Bocal de Retorno do Refervedor ... 157
14.3.12 Bocal de Visita de Fundo ... 157
14.3.13 Espessura dos Vasos de Pressão ... 157
15 TROCADORES DE CALOR ... 158
16 TUBULAÇÕES ... 159
16.1 CÁLCULO DO DIÂMETRO ... 159
16.2 CÁLCULO DA ESPESSURA ... 160
16.3 ISOLAMENTO TÉRMICO ... 161
16.4 ANÁLISE DE DILATAÇÃO DAS LINHAS – FLEXIBILIZAÇÃO ... 165 16.4.1 Cálculo da flexibilização ... 166
16.5 CÁLCULO DA PERDA DE CARGA NAS LINHAS – MÉTODO 2K’S ... 168 17 VáLVULAS DE CONTROLE... 172
17.1 FUNÇÕES DA VÁLVULA DE CONTRÔLE ... 172
17.2 CARACTERISTICA DE VAZAO DA VÁLVULA ... 173
17.2.1 Linear ... 174
17.2.2 Igual percentagem ... 174
17.2.3 Abertura rápida... 175
17.3 ESCOLHA DE CARACTERÍSTICAS DE VAZÃO ... 175
17.4 CARACTERÍSTICA DE VAZÃO INSTALADA ... 177
17.5 DIMENSIONAMENTO DA VÁLVULA DE CONTROLE ... 178
17.5.1 Coeficiente de vazão – Cv ... 178 17.5.2 Perda de carga na válvula ... 178
17.5.3 Dimensionamento válvulas de controle para fluidos incompressíveis ... 179
17.5.4 Dimensionamento válvulas de controle para fluxos com mistura de fases ... 184
17.6 ESCOLHA DO TIPO DE VÁLVULA DE CONTROLE ... 186
17.6.1 Tipos de corpos ... 186
17.6.2 Tipos de guia ... 187
17.6.3 Tipos de castelo ... 187
17.6.4 Atuadores ... 187
17.7 INSTALAÇÃO DA VALVULA DE CONTROLE ... 188
18 BOMBAS ... 190 18.1 P-420 A/B ... 191 18.2 P-422 A/B ... 193 18.3 P-432 A/B ... 196 19 COMPRESSOR C-01 ... 198 20 UTILIDADES ... 203 20.1 TORRES DE RESFRIAMENTO ... 203
20.1.1 Seleção da Torre de Resfriamento ... 204
20.2 CALDEIRA ... 206
21 TANCAGEM ... 209
21.1 TANQUES DE ARMAZENAMENTO DE PRODUTO ... 209
21.2 TANQUE DE ÁGUA E ÉTER DIISOPROPILICO ... 209
21.3 TANQUE DE HIDROQUINONA ... 209
21.4 TANQUE DE DOWNTHERM A ... 209
21.5 TANQUE DE ÁGUA DE SEGURANÇA ... 210
22 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE ÁGUA (ETA) ... 211
23 ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES LÍQUIDOS ... 212
23.1 TANQUE DE EQUALIZAÇÃO ... 213
23.2 TANQUE DE NEUTRALIZAÇÃO ... 214
23.3.1 Necessidade de Oxigênio ... 217 23.3.2 Necessidade de Ar ... 218 23.3.3 Necessidade de Nutrientes ... 219 23.4 DECANTADOR DE LODO ... 220 23.4.1 Excesso de lodo ... 221 23.4.2 Volume de lodo ... 221 23.4.3 Tanque de Lodo ... 222
24 TRATAMENTO DE EFLUENTES GASOSOS ... 223
24.1 DIMENSIONAMENTO DA ESTAÇÃO DE TRATAMENTO DE EFLUENTES GASOSOS ... 224
25 DIAGRAMA P&ID ... 228
25.1 NOMENCLATURA DAS TUBULAÇÕES ... 228
25.2 NOMENCLATURAS DE ÁREAS ... 228
26 DESCRICAO DO CONTROLE ... 229
26.1 ALIMENTAÇÃO DO PROCESSO ... 229
26.2 FORNO ... 229
26.3 REATORES ... 230
26.4 COLUNA DE ABSORÇÃO DE ACIDO ACRÍLICO... 230
26.5 VASOS PULMÃO ... 231
26.6 COLUNA DE EXTRAÇÃO LIQUIDO-LIQUIDO ... 231
26.7 COLUNAS DE DESTILAÇÃO ... 232
27 PLANO DIRETOR ... 234
27.1 NR´S PARA DEFINIÇÃO DAS DIMENSÕES DE ÁREAS COMUNS ... 234
27.1.1 §24.1 Instalações sanitárias ... 234
27.1.2 §24.2. Vestiários... 234
27.1.3 §24.3. Refeitórios ... 235
28 LAYOUT E PLOT PLAN ... 236
28.1 PIPE RACK ... 236
28.2 DISTÂNCIAS DO PROJETO ... 236
28.3 ELEVAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS ... 238
28.4 DIKE ... 238
28.5 FLARE ... 239
28.5.1 Localização do flare ... 239
28.6 DIREÇÃO DO VENTO ... 240
29 PARADA E PARTIDA DA PLANTA ... 241
29.1 PROCEDIMENTOS GERAIS DE PARTIDA E PARADA ... 241
29.1.1 LAVAGEM DOS TANQUES E VASOS ... 242
29.1.2 VERIFICAÇÃO DAS UTILIDADES ... 242
29.2 PROCEDIMENTOS ESPECÍFICOS DE PARTIDA ... 243
29.2.1 Partida da torre de resfriamento ... 243
29.2.2 Partida da caldeira ... 243
29.2.3 Partida do forno ... 244
29.2.4 Partida de bombas centrífugas ... 245
29.2.5 Partida De Compressores ... 246
29.2.6 Partida De Trocadores De Calor ... 247
29.2.7 Partida Do Reator ... 247
29.2.8 Partida Da Destiladora ... 248
29.2.9 Partida Da Extratora ... 249
29.2.10 Partida Da Absorvedora ... 249
29.3 Ordem De Partida Dos Equipamentos ... 249
29.4 PROCEDIMENTOS ESPECÍFICOS DE PARADA... 251
29.4.2 Parada Da Caldeira ... 251
29.4.3 Parada forno ... 252
29.4.4 Parada De Bombas Centrífugas... 252
29.4.5 Parada De Compressores ... 252
29.4.6 Parada De Trocadores De Calor ... 253
29.4.7 Parada Do Reator ... 253
29.4.8 Parada Da Destiladora ... 254
29.4.9 Parada Da Extratora ... 254
29.4.10 Parada Da Lavadora ... 254
29.5 ORDEM DE PARADA DOS EQUIPAMENTOS ... 255
30 ANALISE ECONôMICA DO PROJETO ... 256
30.1 CUSTOS FIXOS (CF) ... 256
30.1.1 Capital Total Depreciável (CTDe) ... 256
30.1.2 Métodos de Depreciação ... 259
30.1.3. Capital Total Não Depreciável (CTND) ... 260
30.2 CAPITAL DE GIRO (CG) ... 260
30.3 FATURAMENTO ANUAL ... 261
30.3.1 Taxações Legais ... 261
30.4 LUCRO BRUTO ... 262
30.5 EMPRÉSTIMO ... 262
30.5.1 Condições financeiras do empréstimo ... 262
30.5.2 Taxa de juros ... 263
30.6 LUCRO LÍQUIDO ... 263
30.7 ESTIMATIVA DO TEMPO DE CONSTRUÇÃO E IMPLANTAÇÃO DA PLANTA ... 264
30.8 PARÂMETROS DE AVALIAÇÃO ECONÔMICA ... 264
30.8.2 Tempo de Retorno de Capital ... 264
30.8.3 Atratividade mínima do empreendimento ... 265
30.8.4 O break-even point (BEP) ... 265
30.9 RESULTADOS ANÁLISE ECONÔMICA ... 265
30.9.1 Capital Total Depreciável (CTDe) ... 265
30.9.2 Capital Total Não Depreciável (CTND) ... 277
30.9.3 Capital de Giro (GS) ... 278
30.9.4 Capital Total Investido ... 283
30.9.5 Cotação Dólar ... 283
30.9.6 Break Even Point (BEP) ... 284
30.9.7 Faturamento ... 286
30.9.8 Empréstimo ... 286
30.9.9 Lucro Bruto Anual ... 287
30.9.10 Lucro Líquido Anual ... 288
30.9.11 Taxa de retorno e Tempo de retorno de capital ... 290
30.9.12 Atratividade mínima do investimento ... 290
30 CONCLUSÃO DO PROJETO ... 291
31 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ... 292
32 ANEXOS ... 299
32.1 LISTA DE REATORES E FOLHAS DE ESPECIFICAÇAO ... 299
32.2 LISTA DE VASOS E FOLHAS DE ESPECIFICAÇAO ... 300
32.3 LISTA DE COLUNAS DE RECHEIO E FOLHAS DE ESPECIFICAÇAO ... 301
32.4 LISTA EQUIPAMENTOS DE TROCA TÉRMICA E FOLHAS DE ESPECIFICAÇAO ... 302
32.5 LISTA DE COMPRESSORES E FOLHAS DE ESPECIFICAÇAO ... 303
32.6 LISTA DE VALVULAS E FOLHAS DE ESPECIFICAÇAO ... 304
32.8 LISTA DE TANQUES E FOLHAS DE ESPECIFICAÇAO ... 307
32.9 FICHAS LICENCIAMENTO AMBIENTAL ... 309
32.10 DIAGRAMA P&ID ... 310
32.11 LAYOUT/PLANO DIRETOR/PLOT PLAN ... 311
32.12 CATALOGOS ... 312
26 1 OBJETIVO
1.1 OBJETIVO GERAL
Desenvolver o projeto de uma unidade industrial para a produção de 20.000 t/a de ácido acrílico.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Os principais tópicos a serem explicitados no projeto da unidade industrial são os seguintes:
Determinação do fluxograma do processo de produção de ácido acrílico, incluindo as áreas de preparo da matéria-prima, reação, separação e refino do produto final;
Definição do fluxograma de engenharia do processo envolvendo noções básicas para o controle da planta;
Realização dos balanços de massa e de energia e consolidação dos resultados obtidos em um memorial descritivo com as metodologias de cálculo adotadas;
Dimensionamento dos principais equipamentos do processo; Elaboração das folhas de especificação dos equipamentos;
Elaboração do layout da unidade de produção e a planta industrial;
Dimensionamento das tubulações do processo e elaboração de uma lista de tubulações;
Determinação do consumo de utilidades do processo, bem como a sua forma de obtenção;
Elaboração do diagrama P&I do processo;
Dimensionamento e especificação de bombas, válvulas e válvulas de controle;
Dimensionamento dos tanques de armazenamento de matérias primas e de produto final;
27 Definição dos sistemas de tratamento de efluentes e licenciamento ambiental
da planta;
Programação de parada e partida da planta; Análise econômica da planta industrial projetada.
28 2 INTRODUÇÃO
O ácido acrílico (AA) ou ácido propenóico pela nomenclatura IUPAC, foi inicialmente produzido em 1930, a partir da oxidação da acroleína. Diversas rotas tecnológicas foram desenvolvidas no século passado e, atualmente, o processo mais empregado tem sido o de oxidação catalítica do propeno, rota que tem como intermediário a acroleína (C3H4O). (BELLO, 2008, p.21)
Nas condições ambientes o ácido acrílico é um líquido, incolor, solúvel em água, álcool, ésteres e outros solventes orgânicos e tem tendência a se polimerizar (BELLO, 2008, p.21). As propriedades físicas do ácido acrílico estão apresentadas na Tabela 1.
TABELA 1 - PROPRIEDADES FÍSICAS DO ÁCIDO ACRÍLICO. Propriedades Ácido Acrílico Fórmula molecular C3H4O2
Peso molecular (g/mol) 72,06 Ponto de ebulição à 101,3 kPa (°C) 141
Ponto de fusão à 101,3 kPa (°C) 13,5 Ponto de fulgor (°C) 54
Densidade (g/cm³) 1.060 (10°C); 1,040 (30°C); 1,018 (50°) Viscosidade à 25°C (mPa.s) 1,149
Temperatura crítica (°C) 380 Pressão crítica (Mpa) 5,06 Calor de vaporização a 101,3 kPa (kJ/mol) 45,6 Calor de combustão (kJ/mol) 1376 Calor de fusão a 13°C 11,1 Calor de neutralização (kJ/mol) 58,2 Calor de polimerização (kJ/mol) 77,5
Pressão de vapor (kPa) 0,31 (0°C); 1,03 (20°C); 2,93 (40°C); 7,2 (60°C); 33,2 (100°C); 63,3 (120°C); 101,3 (141°C) FONTE: Diversas.
2.1 APLICAÇÕES E COMERCIALIZAÇÃO DO ÁCIDO ACRÍLICO
Comercialmente, o ácido acrílico pode ser vendido em duas diferentes formas: ácido acrílico bruto (AAB) - com pureza entre 96% a 97% - e ácido acrílico glacial (AAG) - com pureza superior a 99%. Seus principais derivados são os ésteres
29 produzidos pela reação do ácido acrílico com um álcool, sendo os mais comuns, como se pode observar na figura 1, os acrilatos de metila, etila, butila e 2-etil-hexila e poli(acrilato de sódio) que integra o grupo dos polímeros superabsorventes (SAP). (BELLO, 2008, p.21)
O ácido acrílico e os acrilatos são monômeros com capacidade de gerar polímeros e copolímeros com um amplo leque de propriedades. Tais propriedades propiciam a utilização desses produtos em diversas aplicações (Figura 1), destacando-se: revestimentos, tintas, têxteis, adesivos, plásticos, produtos de higiene (fraldas e absorventes), detergentes, dispersantes, floculantes, etc. (BELLO, 2008, p.22)
FIGURA 1 - APLICAÇÕES DO ÁCIDO ACRÍLICO BRUTO. FONTE: BELLO, 2008.
A vantagem do uso dos acrilatos nas formulações de tintas, apesar do preço superior ao dos revestimentos à base de Poli(álcool vinílico) - PVA, está na maior durabilidade e qualidade conferida às superfícies onde são aplicadas e, dessa forma, promovendo uma melhor relação custo-benefício. Na indústria têxtil os acrilatos competem como ligantes, frente às emulsões de acetato de vinila e copolímeros de EVA (copolímero de etileno acetato de vinila) e são preferíveis quando o produto final tem que apresentar boa maleabilidade, flexibilidade em baixas temperaturas e maior resistência à lavagem. (BELLO, 2008, p.23)
30 No setor de ceras e polimentos, os ésteres acrílicos são incorporados nas formulações de produtos para pisos frios, assoalhos e sapatos e competem com, por exemplo, metacrilato de metila e estireno. Neste caso, destacam-se as vantagens de melhorar tanto a temperatura de transição vítrea da cera como a firmeza de permanência do produto sobre a superfície aplicada. (BELLO, 2008, p.24)
A principal utilização dos polímeros superabsorventes é direcionada para o emprego em fraldas descartáveis e absorventes higiênicos femininos. O poder de absorção do SAP é de 40 vezes o seu peso. Essa vantagem resulta não apenas em produto de menor volume e, consequentemente, maior conforto ao usuário, como também em menor custo devido ao volume a ser utilizado do produto que se reduz a apenas algumas gramas. (BELLO, 2008, p.24)
Em menor escala, o SAP também é aplicado na agricultura, baterias elétricas, isolamento de cabos e uso médico. Na agricultura, o SAP, de maneira oposta as fraldas e absorventes, é usado como um agente de liberação controlada de água nas plantações. A EMBRAPA vem desenvolvendo diversos estudos nessa área. Com relação às baterias elétricas e isolamento de cabos, o uso do SAP visa remover água do meio. (BELLO, 2008, p.24)
2.2 MERCADO DO ÁCIDO ACRÍLICO E PRODUÇÃO
Em termos de capacidade instalada mundial de produção de ácido acrílico bruto e glacial, acrilatos e SAP, três empresas possuem a liderança: BASF, Dow Chemical e Nippon Shokubai. Em todas estas plantas utiliza-se a rota de produção por oxidação do propeno em dois estágios. (BELLO, 2008, p.26)
No Brasil ainda não existem unidades de ácido acrílico, tendo sido a primeira anunciada há algum tempo pela BASF, com previsão de inauguração para o quarto trimestre de 2014 em Camaçari-BA. (BASF, 2011)
Atualmente o ácido acético é importado no Brasil a cerca de US$ 1756,5 (FOB) por tonelada. No ano de 2012 as importações do produto chegaram a 51.695.140 Kg e em 2013, até o mês de julho, já haviam sido importados 31.101.011 Kg de ácido acrílico. Visando produzir aproximadamente 40% da quantidade média de ácido acrílico importada pelo Brasil nos últimos 5 anos, neste trabalho será
31 adotada uma produção anual de 20.000.000 Kg. Na tabela 2 podem ser visualizadas as importações de ácido acrílico nos últimos 5 anos. (AliceWeb, 2013)
TABELA 2 - IMPORTAÇÕES ANUAIS DE ÁCIDO ACRÍLICO E SEUS RESPECTIVOS PREÇOS. Ano US$ FOB/ton Peso Líq. (ton)
2009 1000,58 44.678,89 2010 1505,34 54.120,04 2011 1923,85 54.608,11 2012 1756,45 51.695,14 2013 (até jul) 1656,86 31.101,01 FONTE: ALICEWEB, 2013.
32 3 ROTAS DE PRODUÇÃO OBSOLETAS
Diferentes rotas podem ser utilizadas na produção de ácido acrílico, no entanto muitas delas são obsoletas. Atualmente a maior parte do ácido acrílico comercializado no mundo é obtida pela oxidação parcial do propeno.
As rotas obsoletas são descritas nos itens a seguir.
3.1 ACETILENO-PROCESSO REPPE
O processo REPPE foi descoberto por W.Reppe em 1939, na Alemanha. Ele consiste na síntese estequiométrica do ácido acrílico (e outros ésteres) a partir de acetileno; a reação ocorre à 40ºC e pressão atmosférica, na presença de ácido e Ni(CO)4 (carbonila de níquel).
O processo foi abandonado pela dificuldade de se trabalhar com a carbonila de níquel, altamente tóxica e corrosiva.
3.2 PROCESSO REPPE À ALTA PRESSÃO
Este processo foi muito empregado pela BASF, a reação de obtenção do ácido acrílico se processa à aproximadamente 14 MPa et 200ºC, na presença de um catalisador de níquel, bromo e cobre:
O processo REPPE à alta pressão se tornou não atrativo pelo alto custo, pouca disponibilidade do acetileno e pela elevada toxicidade e natureza corrosiva da carbonila de níquel (Beshouri, 1997). A Basf deixou de utilizar este processo em 1995.
33 3.3 PRODUÇÃO A PARTIR DO ETENO
A Union Carbide (atualmente Dow) possuía um processo de produção de ácido acrílico via óxido de etileno. O método consistia na reação do oxido de etileno, produzido a partir do eteno, com o cianeto de hidrogênio gerando a etileno cianohidrina que era então desidratada e hidrolisada com ácido sulfúrico, conforme indicado a seguir (Wittcoff e Reuben, 1996). A reação pode ser observada abaixo:
Este processo foi também utilizado por Rohm&Hass, mas foi posteriormente abandonado pelos problemas relacionados ao desperdício de HCN e NH4HSO4.
3.4 PRODUÇÃO A PARTIR DO CETENO
A Celanese produzia o ácido acrílico baseada na condensação do ceteno (produzido a partir da pirólise do ácido acético) e do formaldeído gerando a propiolactona que era hidrolisada na presença de ácido fosfórico, conforme apresentado a seguir. O processo parou de ser usado depois da descoberta das propriedades cancerígenas da propiolactona (Bello, 2008).
34 3.5 HIDRÓLISE DA ACRILONITROLA
A hidrólise acida da acrilonitrila em elevadas temperaturas (200-300ºC), produz ácido acrílico, tendo como intermediário a acrilamida (Bello, 2008):
O ácido utilizado é, na maior parte dos casos, o sulfúrico. Este método se tornou não atrativo, pois a conversão é inferior ao processo via propeno e também devido ao alto desperdício de NH4HSO4.
35 4 ROTA DE PRODUÇÃO EM USO COMERCIAL
Atualmente o processo mais empregado para a produção de ácido acrílico é a oxidação do propeno em fase gasosa, a reação é catalisada e envolve ainda ar atmosférico e vapor.
As principais companhias detentoras de tecnologia de produção de ácido acrílico são: Basf, Nippon Shokubai, Mitsubishi, Dow, Sumitomo e LG Chemical (Bello,2008).
4.1 OXIDAÇÃO DO PROPENO EM UM ÚNICO ESTÁGIO
As pesquisas sobre a oxidação do propeno a ácido acrílico na presença de catalisadores começaram nos anos 50, esta reação pode ser feita em um único estágio ou em dois estágios.
A reação em um estágio é mostrada abaixo:
Muitas patentes foram registradas para este processo, no entanto a conversão máxima atingida é de aproximadamente 50% à 60%. Além disso, o catalisador usado no processo possui um curto período de vida útil devido à sublimação do óxido de telúrio, um promotor da reação, natemperatura de operação [Bello,2008].
4.2 OXIDAÇÃO DO PROPENO EM DOIS ESTÁGIOS
A reação em dois estágios baseia-se na oxidação do propeno à acroleína (primeiro estágio), e sua posterior oxidação em ácido acrílico (segundo estágio). Cada etapa da reação é realizada em diferentes condições operacionais e com
36 diferentes catalisadores, o que permite a otimização do processo e elevação do seu rendimento [Bello,2008].
Ambas as reações são exotérmicas e podem ser observadas logo abaixo:
4.2.1 Condições operacionais para cada reação
Os catalisadores utilizados no primeiro estágio possuem uma vida útil de aproximadamente três anos (Bello,2008). Eles são predominantemente formados por uma mistura de óxidos metálicos de molibdênio, bismuto, tungstênio, ferro e oxigênio, dentre outros.
TABELA 3 - COMPOSIÇÃO DO CATALISADOR NA PRIMEIRA REAÇÃO.
Composição do catalisador Rendimento (acroleina) Temperatura (ºC) Mo12BiFe2Co3NiP2KO2 88,0% 305
Mo12BiFeW2Co4Si3K06 90,2% 325
A temperatura da primeira reação varia de 300 à 400 ºC, e depende do tipo de catalisador utilizado. O mesmo raciocínio é válido para o tempo de contato, que para diferentes catalisadores varia de 0,2 s (catalisador de óxido cuproso) à 2 segundos (catalisadores de molibdato). A pressão pode variar de 0,1 à 1 Mpa, dependendo do tipo de reator utilizado. O rendimento alcançado na primeira reação é superior à 85%.
A temperatura da segunda reação é inferior à da primeira reação: a oxidação da acroleína à ácido acrílico se processa em temperaturas entre 200 º C e 300 ºC
37 com tempos de contato entre 0,5 segundos e 3 segundos. O rendimento desta reação é superior à 90%.
Os catalisadores utilizados no segundo estágio de oxidação são predominantemente formados por uma mistura de óxidos metálicos de molibdênio, vanádio, oxigênio e uma pequena quantidade de tungstênio, dentre outros. A tabela abaixo mostra os catalisadores patenteados que possuem alta atividade e geram altos rendimentos de reação:
TABELA 4 - COMPOSIÇÃO DO CATALISADOR DA SEGUNDA REAÇÃO. Composição do catalisador Conversão (%) Rendimento(%) Temperatura
Mo12V4Cu2W24Cr6 100 98 220
Mo12V3WCe3 100 96,1 288
Mo12V2W2Fe3 99% 91 230
FONTE: BETTAHAR, 1996.
4.2.2 Recuperação e purificação (ROTA 1)
Como o gás efluente do reator contém uma grande quantidade de vapor, uma solução aquosa de 20% à 70% de ácido acrílico em massa é obtida. Esta corrente é então resfriada à 200 ºC e segue para uma lavadora. A corrente de fundo da lavadora, rica em água e ácido acrílico seguirá para a extração com solvente orgânico.
Após a extração e recuperação do solvente (via destilação), tem-se a última etapa: destilação do ácido acético e do ácido acrílico. Com este processo é possível obter ácido acrílico com pureza de cerca de 97%.
4.2.3 Recuperação e purificação (ROTA 2)
Outra rota possível seria, após o segundo reator, realizar a absorção com água e enviar o produto diretamente para uma coluna de destilação azeotrópica. Através deste processo obtém-se ácido acrílico com pureza máxima de 96%.
38
FIGURA 2 - DIAGRAMA DE BLOCOS (ROTA 1).
39 5 ROTA DE PRODUÇÃO ADOTADA
Adotou-se a rota com dois reatores, pois esta apresenta rendimentos em acroleína bem mais elevados do que a rota com apenas um reator. Com dois reatores é possível otimizar as condições de cada reação ( escolher as temperaturas e pressões que permitem maior rendimento, além do catalisador mais seletivo para cada reator).
Optou-se pela rota de extração com solvente orgânico (ROTA 1), por ser a rota mais utilizada e por evitar a destilação azeotrópica ( de maior complexidade).
O propeno é oxidado à acroleína em um primeiro reator, e a acroleína será oxidada à ácido acrílico no segundo reator. O efluente do reator é lavado com água e o fundo da lavadora segue para a extração com solvente orgânico. Após separação e recuperação do solvente, ácido acético e acrílico são destilados.
40 5.1 DIAGRAMA DE BLOCOS
A Figura 4 abaixo representa o Diagrama de Blocos desenvolvido para a unidade.
Unidade de Purificação Unidade de Recuperação
Unidade de Reação
Reator I Reator II Lavadora Extratora
Ar
Vapor
Propileno
Destiladora
Ácido Acrílico Bruto Destiladora
41 5.2 DESCRIÇÃO DO PROCESSO
O processo escolhido é baseado na rota de produção em que se obtém o ácido acrílico a partir da oxidação do propileno. Trata-se de um processo contínuo que pode ser dividido em três áreas: reação, separação e purificação.
5.2.1 Área de Reação
A rota escolhida foi a oxidação do propileno em dois estágios para a formação do ácido acrílico. Em suma, tratam-se de dois reatores heterogêneos em série, os quais operam em condições ligeiramente diferentes em termos de catalisadores e temperatura, sendo que espera-se que com esta rota obtenha-se uma conversão de propileno à ácido acrílico mais elevada.
O primeiro reator (R-610) é alimentando com uma mistura de propileno, ar atmosférico e vapor d’água. Optou-se em trabalhar com ar como fonte de oxigênio, pois, além do custo inferior se comparado ao oxigênio técnico, a presença do N2
ajudará posteriormente na operação do reator, uma vez que trata-se de um composto inerte e as reações que precedem são bastante exótermicas. Quanto ao vapor alimentado nesta corrente, ele serve para favorecer a cinética da reação, uma vez que facilita a difusão do ácido acrílico formado para fora do sítio do catalisador.
As reações correspondentes ao presente processo podem ser visualizadas abaixo:
1° Estágio de Reação : Reator R-610 – Oxidação do propileno à acroleína
Nesta reação o propileno é oxidado à acroleína na presença de um catalisador heterogêneo à base de óxidos de bismuto molibdênio. A faixa de temperatura recomendada para esta reação é entre 300-400°C e a pressão de operação é de 4 bar. Além da reação principal, teremos o CO2, o CO e o ácido
42 acético como reações secundárias. Os produtos de reação do primeiro estágio, bem como os compostos que não reagiram, são conduzidos ao segundo reator.
2° Estágio de Reação : Reator R-620– Oxidação da acroleína à ácido acrílico
Nesta reação, a acroleína obtida no primeiro reator é oxidada à ácido acrílico na presença do catalisador heterogêneo a base de óxidos de vanádio-molibdênio. A faixa de temperatura neste caso é menos elevada, recomendando-se valores entre 250-300°C, com uma pressão de 3,5 bar.
Como tratam-se de reações bastante exotérmicas, a temperatura do reator é controlada utilizando-se o óleo térmico Dowtherm A®. Ele foi escolhido pela maior facilidade no sistema de operação, se comparado a um sal fundido, por exemplo, e também por sua faixa de temperatura de aplicação, a qual condiz com as temperaturas encontradas em nosso processo. Além disso, uma outra vantagem é a baixa pressão de operação para as faixas de temperaturas em questão. Se o sistema fosse resfriado com agua, por exemplo, vapor com pressões de até 80 bar a poderia ser gerado, deixando o sistema pouco operacional e mais susceptível à variações. A desvantagem deste óleo é o seu custo, porém acredita-se que ele será compensado pela operacionabilidade do sistema.
5.2.2 Separação
Após a etapa de reação, os gases efluentes do reator R-602 são conduzidos para a coluna de absorção T-310, para a recuperação do ácido acrílico. O solvente utilizado para esta operação é a água, a qual possui uma boa afinidade com o produto de interesse. A lavagem é feita em contra corrente.
A corrente de fundo da lavagem é composta majoritariamente por água e ácido acrílico, contendo ainda ácido acético e uma pequena concentração dos gases incondensáveis (N2, CO2, ...) que se encontram diluídos.
43 O equipamento é operado à pressão de 1 bar e à temperatura de 200°C. Esses parâmetros foram escolhidos de modo a obter-se uma recuperação máxima de ácido acrílico na fase do solvente, sem que houvesse uma solubilização muito elevada dos gases incondensáveis.
A corrente de topo gasosa é composta basicamente por nitrogênio, gás carbônico, além de uma pequena parcela de ácido acrílico e de propileno não reagido. Optou-se em não recuperar o propileno não reagido da corrente gasosa, já que se trata de uma quantidade pouco significante, não justificando o custo desta instalação.
Uma vez separado o ácido acrílico dos outros gases, a próxima etapa de separação tem por objetivo principal separar o ácido acrílico da água e das impurezas, de modo a obtê-lo na pureza desejada.
A corrente de fundo da lavadora é alimentada numa coluna de extração líquido-líquido T-410, a qual opera na pressão atmosférica. O objetivo desta operação é extrair o ácido acrílico da água com o solvente orgânico éter di-isopropílico, garantindo sua máxima recuperação, já que neste caso processos físicos de separação, como a destilação, não são eficientes.
A corrente de topo da T-410, fase rica em solvente orgânico, segue para a etapa final do processo que tem por objetivo obter o ácido acrílico na pureza requerida. Ela é alimentada numa primeira coluna de destilação T-420, que opera na pressão atmosférica. Esta coluna tem por objetivo separar o solvente orgânico éter di-isopropilico, do ácido acrílico. O éter di-isopropílico recuperado na corrente de topo da destiladora T-420 é reciclado para a coluna de extração. O fundo, já rico em ácido acrílico, é alimentado em uma segunda coluna de destilação, T-430, que tem por objetivo purificar o produto até a concentração desejada.
5.2.3 Purificação
Nesta etapa, a corrente de fundo da coluna de destilação T-420, composta majoritariamente por ácido acrílico, mas ainda com uma pequena concentração de ácido acético e água, é alimentada na segunda coluna de destilação T-430. Diferentemente da coluna anterior, esta opera à pressão atmosférica. No topo da
44 coluna, recupera-se uma corrente rica em ácido acético e água, e no fundo obtém-se o produto de interesse: ácido acrílico na concentração requerida para a comercialização (ácido acrílico bruto 96-97%).
45 6 MODELOS TERMODINÂMICO
Neste trabalho adotou-se o modelo termodinâmico NRTL-HOC. Como a maioria dos equipamentos operam a baixas pressões não há necessidade de utilizar uma equação de estado. O modelo NRTL-HOC difere do modelo convencional NRTL por levar em conta as interações entre ácidos carboxílicos.
Este modelo é baseado em GE, propriedade que depende exclusivamente da temperatura e da composição. O líquido é considerado incompressível, e por isto este modelo é válido apenas para baixas pressões.
O modelo NRTL Hayden-O'Connell, calculará o equilíbrio líquido-líquido pelo modelo NRTL e a fase vapor por Hayden-O'Connell, que prevê a dimerização na fase vapor e a elevada atração entre moléculas polares.
46 7 LOCALIZAÇÃO DA PLANTA
Uma das grandes preocupações quando se pensa em novos investimentos é a escolha do melhor local para a implantação, já que uma má escolha da localização pode prejudicar muito o futuro do projeto.
O estudo do projeto deve definir claramente qual será a melhor localização possível para a unidade de produção. Evidentemente, a melhor localização será a que permitir aumentar a produção e ao mesmo tempo reduzir os custos necessários a essa produção, elevando assim ao máximo os benefícios líquidos do projeto (BUARQUE, 1984, p.72).
Resumidamente o estudo da localização passa por três pontos geográficos diferentes, que são: ponto das fontes de matérias primas, local do processamento e o mercado.
Buarque (1984) cita os principais fatores que devem ser analisados para se obter uma melhor definição do melhor local para a instalação do projeto. Eles são:
Localização das matérias-primas;
Disponibilidade de mão-de-obra;
Terrenos disponíveis, clima, fatores topográficos;
Distância da fonte de combustível industrial;
Facilidade de transportes;
Distância e dimensão do mercado e facilidades de distribuição;
Disponibilidade de energia, água, telefones, redes de esgotos;
Condições de vida, leis e regulamentos, incentivos;
Estrutura tributária.
Tendo em vista a produção do ácido acrílico, tem-se que o fator limitante em termos da logística seria a matéria-prima. A principal matéria-prima da rota escolhida é o propileno, o qual se trata de um petroquímico básico oriundo do processo de craqueamento da Nafta. Os petroquímicos básicos são transportados por meio de dutos às unidades que os consomem, logo tais unidades são estrategicamente localizadas próximo às unidades de craqueamento. Esta integração em termos de
47 logística gera benefícios, sobretudo econômicos, sendo muita vezes decisivo para a rentabilidade do negocio.
Atualmente no Brasil, possuímos quatro polos petroquímicos principais, localizados em São Paulo, Bahia, Rio Grande do Sul e Rio de Janeiro. No Rio Grande do Sul especificamente, temos o polo petroquímico de Triunfo, também chamado Polo Petroquímico do Sul.
O Polo Petroquímico do Sul é um complexo industrial formado por 5 empresas- BRASKEM, INNOVA, LANXESS, OXITENO, E WHITE MARTINS - com aproximadamente 6.300 funcionários. Sua estrutura está localizada na cidade de Triunfo, a 52 quilômetros de Porto Alegre, onde ocupa uma área de 3600 hectares, sendo metade dela um cinturão verde. A inauguração do complexo aconteceu em 4 de fevereiro de 1983. A vista aérea do polo pode ser visualizada na Figura 5.
48
FIGURA 5 - POLO PETROQUÍMICO DO SUL - TRIUNFO - RS.
Trata-se de um polo petroquímico relativamente recente, o qual ainda possui possibilidade de expansão. Especificamente para a produção do ácido acrílico, um contrato de fornecimento devera ser firmado com a empresa BRASKEM, a qual atualmente produz o propeno no polo do sul.
Além disso, outra vantagem de instalar a indústria ao lado do polo é a estrutura já existente, em termos de energia, escoamento de produção, mão-de-obra, estrutura tributária, entre outros.
49 CONSIDERAÇÕES E DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS
50 8 FORNO F-610
Os fornos podem ter diversas funções em indústrias, sendo uma delas a função de aquecer a alimentação de um reator. O forno F-610 está presente na planta de produção de ácido acrílico para a partida da unidade e para o aquecimento da corrente de entrada do reator R-610, após o integrador térmico. O forno foi dimensionado a partir da situação mais crítica e de maior carga térmica: partida da unidade, em que o integrador térmico ainda não opera.
Para se dimensionar o forno F-610 é necessário calcular ambas as zonas do forno (radiativa e convectiva). A literatura apresenta diferentes métodos para o dimensionamento de um forno, o método mais consagrado e que será utilizado neste projeto é o de Lobo & Evans, descrito por KERN (1999).
Os dados utilizados no dimensionamento do forno F-610 podem ser observados abaixo:
TABELA 5- DADOS PARA DIMENSIONAMENTO DO FORNO
Dados Valores Unidade Vazão mássica 18128,5 (kg/h)
Vazão molar 671,3 (kmol/h) Vazão volumétrica 3248,8 (m3/h) Temperatura entrada 132,5 ºC Temperatura de saída 390 ºC cp 41,12 (kJ/kmol.K) Q forno 7107992,92 (kJ/h) Q forno 1974442,48 (J/s) 8.1 ZONA RADIANTE
Para começar os cálculos da zona radiativa deve-se estimar um valor de fluxo médio de calor. Segundo a literatura especializada, para um forno operando com gases à baixas pressões um valor ótimo de fluxo médio a ser adotado é de 10000 Btu/(h.ft2).
51 Estima-se, então, um valor para , seguindo a metodologia de Lobo & Evans:
(8.1)
Deve-se ainda multiplicar a equação acima por 1/F de cada lado:
(8.2)
Os valores de F normalmente se situam entre 0,6 e 0,8, segundo COULSON. Estimou-se um valor inicial de F igual a 0,6 . Obtém-se então um valor
de correspondente à 33333,3 Btu/ (h. ft2).
Estima-se também um valor para a temperatura superficial dos tubos (Tt) na
seção de radiação:
(8.3)
Todos os valores da equação 8.3 devem ser utilizados em ºF, T1
corresponde à temperatura de entrada da corrente no forno, e T2 é a temperatura de
saída. Com uma temperaturade entrada de 270,5 ºF e uma temperatura de saída de 734 ºF chega-se à uma temperatura superficial de 602,25 ºF.
Com os valores calculados acima é possível ler a temperatura que o gás de combustão deixa a zona de radiação no gráfico proposto por KERN (1999) (Figura 6):
52
Figura 6 - Temperatura de saída do gás de combustão na seção de radiação.
Em seguida determinam-se as dimensões do forno. O forno adotado é do tipo caixa, em que os tubos de radiação estão distribuidos na parede lateral, cobertura e parede ponte (partição entre a zona de radiação e a zona de convecção). Após ser aquecida a corrente de saída da zona de radiação entrará na seção de convecção.
Adotou-se uma distância entre os tubos e a parede de 0,5 m. As dimensões da seção radiativa do forno, com 21 tubos de 8 in, podem ser observadas abaixo:
53
TABELA 6- DIMENSÕES DA SEÇÃO RADIATIVA Dados Valores Unidade
Altura do 4,00 m
Largura da seção radiativa 4,00 m Comprimento do forno 5,30 m
Leq 3 m
Leq 9,6 ft
As dimensões do forno seguem a proporção de 1:1:1,3 a qual pode ser aproximada para 1:1:1. Segundo Kern, o comprimento equivalente será calculado pelas relações da tabela abaixo:
TABELA 7 - DIMENSÕES DE FORNOS PROPOSTAS POR KERN,1999.
Calcula-se a seguir a emissividade do gás, que é função da pressão parcial de dióxido de carbono e água e do comprimento equivalente do forno. A pressão parcial é dada por:
(8.4)
Em que x é o excesso de oxigênio empregado na combustão. Pode-se então calcular a emissividade dos gases:
54 (8.5)
Finalmente calcula-se o fator de troca F:
(8.6)
A relação entre a área refratada e área de parede (área total) é dada por:
(8.7)
Com todos estes valores calculados encontra-se um novo valor para , o valor de somatório de Q será o valor de Q calculado para a zona de radiação; já alfa, Acp e F foram calculados anteriormente.
55 Dividindo por 2 um novo fluxo de calor será encontrado, assim como uma nova temperatura para os gases de combustão na saída da seção de radiação. Realiza-se um processo iterativo até que a temperatura do gás permaneça aproximadamente constante:
(8.8)
A tabela com as iterações pode ser observada a seguir:
TABELA 8-ITERAÇÕES NA SEÇÃO RADIATIVA DO FORNO
Dados Unidade Iteração 1 Iteração 2 Iteração 3 Fluxo médio de calor (Btu/h.ft2) 10000,00 10764,99 11764,53
Q/ (alfa.Acp.F) (Btu/h.ft2) 33333,33 21529,98 23529,06 Temperatura de entrada (ºF) ºF 270,50 270,50 270,50
Temperatura de saída (ºF) ºF 734,00 734,00 734,00 Temperatura de parede (ºF) ºF 602,25 602,25 602,25 Temperatura do gás de combustão (ºF) ºF 1550,00 1350,00 1360,00
Entalpia dos gases de combustão Btu/kg 724,29 580,82 587,99 Massa de gases de combustão kg/h 4497,57 4497,57 4497,57
Calor retirado pelos gases de
combustão Btu/h 3257538,47 2612287,39 2644549,94 Q radiação Btu/h 6308013,59 6953264,66 6921002,11 Número de tubos - 22,00 22,00 21,00 Altura do forno m 4,00 4,00 4,00 Largura do forno m 4,00 4,00 4,00 Comprimento m 5,30 5,30 5,30 Altura da parede m 2,50 2,50 2,20 Leq m 3,00 3,00 3,00 Absortividade (alfa) - 0,88 0,88 0,88 Emissividade - 0,69 0,69 0,70 F - 0,82 0,80 0,80 Q/ (alfa.Acp.F) (Btu/h.ft2) 21529,98 23529,06 25776,82 Novo Fluxo médio de calor (Btu/h.ft2) 10764,99 11764,53 12888,41
Finalmente, as dimensões finais da seção radiativa do forno são mostradas abaixo:
56
TABELA 9 - DIMENSÕES FINAIS DA ZONA DE RADIAÇÃO F-610 ( Radiação)
Largura (m) 4
Altura(m) 4
Comprimento (m) 5,3 Número de tubos 21 Diâmetro nominal do tubo (in) 8
8.2 SEÇÃO CONVECTIVA
Para a seção convectiva adotaram-se os mesmos comprimentos e diâmetros de tubo da seção radiativa. Calcula-se inicialmente uma relação entre o calor perdido na chaminé e a quantidade de calor na zona de radiação, desta vez chamada de Qn:
(8.9)
CONSIDEROU-SE QUE 2% DA ENERGIA CEDIDA NA COMBUSTÃO É PERDIDA NAS PAREDES, COMO CITADO ANTERIORMENTE.
Calcula-se, então, a temperatura da corrente de gás de combustão na zona convectiva (Ts):
(8.10)
De posse de Ts, obtém-se a temperatura média do filme de gás na seção de
convecção (Tf):
57 Calcula-se, em seguida, o parâmetro Gf, em que x é o excesso de ar:
(8.12)
E logo depois G, que é a taxa de fluxo de gás efluente, dada em lb/(s.ft2).
(8.13)
Em que AText é a área de troca externa de um tubo, que corresponde à sua
área lateral (π.d.L). De posse de G, encontra-se o coeficiente global de troca térmica:
(8.14)
Sabe-se ainda que :
(8.15)
Em que Qc é o calor cedido pelos gases de combustão na seção convectiva ( Qc=mgás.Hgás), e:
58 ΔTB=Tsg-T2; (A temperatura de saída do gás pode ser obtida por:
Q=m.cp.ΔT).
Já o número de tubos é dado por:
(8.16)
Os valores calculados para a seção convectiva são mostrados na Tabela abaixo:
TABELA 10 – VALORES CALCULADOS PARA A SEÇÃO CONVECTIVA Dados Unidade Valores
Qs/Qn - 0,23 Eficiência - 0,75 z (excesso de ar) - 0,10 a - 0,19 b - 0,00 Ts º F 1305,00 Tf º F 903,51 Gf lb/Btu 3291,11 G lb/s.ft2 0,03 U Btu/ (ft2.º F) 11,20 DELTA T A º F 1089,50 DELTA T B º F 466,00 LMTD º F 734,14 Qc Btu/h 2644549,94 Ac ft2 327,47 A efetiva ft2 29,03 Numero de tubos - 10,00
8.3 PERDA DE CARGA NO FORNO
59
(8.17)
A velocidade de escoamento foi pré-definida nos itens anteriores. Os gases passarão pelos tubos de radiação e convecção, como ambos possuem o mesmo comprimento a distância total percorrida será de 2 x 4,3 metros, ou seja, 8,6 metros.
Já f é calculado por: [( ) ] (8.18) Onde: { [( ) ]} (8.19) ( ) (8.20)
Adotou-se ainda o aço inoxidável AISI 304 como material para o tubo dos fornos, por suportar temperaturas elevadas. A tabela com os parâmetros utilizados no cálculo da perda de carga pode ser observada na Tabela 11:
TABELA 11-PERDA DE CARGA NO F-610 Perda de carga no forno F-610
Propriedades do fluido Características da linha
Densidade (kg/m3): 5,58 Comprimento equivalente (m): 8,60000 Viscosidade (cP) : 0,03 Rugosidade (ε, mm): 0,01500 Rugosidade relativa (ε/D): 0,00007 Dados de processo
Vazão (m3/h): 3248,80 Perda de carga (kgf/cm2): 0,11 Diâmetro do tubo (pol): 8,00 Perda de carga (bar): 0,12 Fator de atrito: 0,01 Velocidade (m/s): 30 No de Reynolds: 1051767,71 Tipo de escoamento Turbulento
