planta de amonia
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Universidade Federal do Espírito SantoDECOM/CEUNES
Proposta de Instalação de uma Planta de Amônia no Brasil
Ferreira,A.M.1 ; Ferreira,T.D. 2; Pontin,V.M.3; Salvador, F.F.4; Xavier,H.B.5
[email protected] – Engenharia de Produção;[email protected] – Engenharia Química;[email protected] – Engenharia de Produção;[email protected] – Engenharia Química;[email protected] – Engenharia Química;
• Introdução;• Revisão Bibliográfica;
– Análise do Cenário Nacional e Internacional de Produção de Amônia;
– Matérias-primas usadas;– Descrição do Processo;– Fluxograma do Processo;– Dados da Planta a ser instalada;– Análise da viabilidade econômica da Planta;
• Justificativa;• Objetivo;• Metas Futuras;• Referências Bibliográficas.
Introdução Amônia:
– Gás incolor com forte odor;– Fórmula Molecular: NH3;
– Massa Molecular: 17.0306 g/mol;– Ponto de Fusão e Ebulição: -77ºC e -33ºC;– Ótimo solvente;
Introdução (Breve Histórico)• 1774 - a amônia foi obtida pela primeira vez
por J.B.Priestley;• 1809 - W.Henry concluiu que a fórmula
química da amônia era NH3.
• 1909 - Fritz Haber e Carl Bosch descobriram o processo industrialmente usado hoje;
• 1913 - Instalação da 1° planta de amônia na Alemanha;
• 1917 - Instalação da 2° planta de amônia, também na Alemanha;
Introdução (Breve Histórico)• 1ª plantas de amônia usavam N2 proveniente
da destilação fracionada do ar e H2 obtido por eletrólise da água;
• Melhoramentos:– H2 obtido a partir do gás natural;
– Uso de catalisadores para aumentar a eficiência da reação;
– Altas temperaturas (aproximadamente 500°C) e pressões (aproximadamente 20MPa).
Revisão Bibliográfica• Análise do Cenário Internacional de Produção
de Amônia:– Vendas globais de amônia em 2008: US$103,5
bilhões;– Existem, atualmente, centenas de plantas de
amônia no mundo, espalhadas em mais de 80 países, onde 85% de toda produção é destinada ao setor do agronegócio (QuantumSphere);
– Previsão de aumento em 1,4% da produção de fertilizantes no mundo (QuantumSphere).
Revisão Bibliográfica
• Análise do Cenário Nacional de Produção de Amônia:
Revisão Bibliográfica
• Indústrias que usam amônia em seu processo:– Indústria química;– Indústrias do frio, papel e alimentar;– Indústria metalúrgica;– Indústria têxtil; – Indústria petroquímica.
• Indústrias que produzem amônia:– Fosfértil;– Petrobras.
Revisão Bibliográfica• Matérias-primas:
– Gás natural; – Hidroeletricidade;– Nafta;– Óleo combustível;– Carvão.– Gás natural apresenta vantagens sobre as demais– Planta de amônia que processa gás natural
apresenta menor investimento (ESPÍNDULA, 2008).
Revisão Bibliográfica• Descrição do Processo:
– Gases usados para produção de amônia: H2 e N2;
– Mistura desses dois gases: gás de síntese e precisa ser processado antes de reagir (SHREVE, 1997)
– Obtenção do gás de síntese:• Dessulfurização do gás natural;• Reformador Primário: gás natural (metano ou outro
hidrocarboneto leve) é exposto a vapor de água a altas temperaturas, originando monóxido de carbono e hidrogênio:
CxHy (g) + H2O (g) → x CO (g) + (x + 0,5y) H2 (g) ΔH > 0
CH4 (g) + H2O (g) ↔ CO (g) + 3 H2 (g) ΔH = 206 kJ/mol
Revisão Bibliográfica• Descrição do Processo:
– Obtenção do gás de síntese:• Reformador Secundário: adição de ar ao processo
(inserção de N2 e combustão do metano residual):
CH4 (g) + ar (g) ↔ CO (g) + 2 H2 (g) + N2 (g)
• Conversor de deslocamento: Shift Converter – obtenção de H2 adicional:
CO (g) + H2O (g) ↔ CO2 (g) + H2 (g)
• Remoção de CO2: com solução aquosa absorvedora de carbonato de potássio ou MEA (BAKEMEIER et al, 1994, apud GEROSA, 2007).
Revisão Bibliográfica• Descrição do Processo:
– Obtenção do gás de síntese:• Purificação final: remoção de compostos oxigenados e
evitar o congelamento da corrente gasosa:
– Metanação:
CO (g)+ 3 H2 (g) ↔ CH4 (g) + H2O (g)
CO2 + 4 H2 (g) ↔ CH4 (g) + 4 H2O (g)
– Limpeza (Liquid Nitrogen Wash): remoção de impurezas (restos de CO, argônio e CH4) e ajuste da razão estequiométrica da reação de síntese de amônia (1 N2 : 3 H2).
Revisão Bibliográfica• Descrição do Processo:
– Processo Haber-Bosch:• Compressão do gás de síntese;• Reação no conversor de síntese:
N2 (g) + 3H2 (g) ↔ 2NH3 (g)
• Condensação da amônia (produto) e separação da mesma dos componentes que não reagiram;
• Estocagem da amônia em tanques;• Reciclo do N2 e H2 que não reagiram.
Revisão Bibliográfica
• Descrição do Processo:– Considerações do Processo
• Catalisador: processo mais rápido;• Conversão: 15% em volume (em média) em um só
passe e 98% fazendo reciclo;• Temperatura: mais branda favorece a síntese. Está
entre 400 - 450°C;• Pressão: quanto maior, melhor é a conversão. Limitada
pela resistência dos equipamentos.
Eliminadorde enxofre
Reformador secundário
Compressor
Absorvedor de CO2
Compressor
SeparadorConversor da síntese
Separador
Tanque de produto
Reformadorprimário
Conversor dedeslocamento
Metanador
Ar
Gás natural
Amônia
H2 + N2
Shift converter
CO2
MEA
H2S
CO, Argônio e CH4
Fluxograma do Processo
Revisão Bibliográfica
• Dados da Planta a ser instalada:– Capacidade de processamento da planta:
980.000m3 de gás natural por dia;– Capacidade de produção de amônia: 1.250t/dia;– Investimento inicial: R$700.000.000,00;– Localização: Município de Linhares – ES
Revisão Bibliográfica• Análise da viabilidade econômica da Planta:
Retorno entre 4 e 5 anos.
Conforme tabela 2, vê-se que no período 6 o projeto teria recuperado o investimento inicial, remuneraria o investidor se aplicado à uma TMA de 8,75% a.a. e sobraria, um valor superior a R$14,2 milhões (excesso de caixa).
Revisão Bibliográfica• Análise da viabilidade econômica da Planta:
Sistema Francês para prestações de R$96.500.000,00 quando captado capital no mercado a uma taxa de 8,75% a.a. ~SELIC
Justificativa• Amônia é a principal matéria-prima para
produção de fertilizantes;• Segundo o Ministro da Agricultura Reinhold
Stephanes, o Brasil importa 71% de toda amônia que consome;
• Em relação a localização (Linhares): possui ofertantes de gás natural e um grande mercado consumidor potencial;
• Projeto economicamente viável (VPL > 0, payback = 5 e baixa taxa de mercado).
Objetivo
• Elaborar uma proposta de instalação de uma nova indústria produtora de amônia no Brasil, baseada em dados nacionais reais de produção cujo insumo seja o gás natural.
Metas Futuras
• Desenvolvimento de um fluxograma de engenharia que apresente detalhes químicos e energéticos do processo;
• Descrição dos balanços de massa e energia do processo;
• Dimensionamento dos equipamentos e estimação dos custos relacionados a eles;
• Apresentação de uma maquete .
Referências Bibliográficas1- GEROSA, T. M. O estudo da utilização do gás natural como insumo para a
indústria química e petroquímica: modelagem de uma planta gás-química. 2007. Dissertação (Mestrado em energia) - Programa Interunidades de Pós-graduação em Energia, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007.
2- SHREVE, R. N., BRINK Jr, J. A. Indústrias de processos químicos. 4. ed. Rio de Janeiro: McGraw-Hill, 1997.
3- Welcome to QuantumSphere, Inc. Advanced Catalysts for Low Pressure Ammonia Synthesis. Disponível em: <http://www.qsinano.com/apps_ammonia.php>. Acesso em: 30 abr. 2010.
4- ESPÍNDULA, M. O. G. Estudo da viabilidade técnica e econômica do aproveitamento da energia vertida turbinável da Usina Hidrelétrica de Itaipu para a síntese de amônia. Dissertação (Mestrado em Planejamento de Sistemas Energéticos) - Pós Graduação da Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Estadual de Campinas, Campinas, 2008.