Concurso Brasileiro de Projeto Químico 2003

1. Introdução

A “Companhia São Francisco - CSF” é uma indústria química nacional que faz parte de um grande grupo industrial brasileiro. A CSF conheceu um crescimento razoável nos últimos 20 anos, através do lançamento de unidades de fabricação de produtos químicos que anteriormente eram importados.

Uma destas unidades foi instalada há cerca de 5 anos e produz Acrilato de 2 Etil Hexila (2EHA). A unidade possui uma capacidade de 20.000 t/ano, e a previsão de produção para o ano em curso é de 18.500 t/ano. Este volume corresponde a uma participação de 80% no mercado, o volume restante é importado por um grande produtor mundial de Á cido Acrílico e seus ésteres. Para a produção do 2EHA, a CSF importa o Ácido Acrílico e o 2 Etil Hexanol é fornecido por um produtor local.

Além do 2EHA, outros ésteres importantes do Ácido Acrílico são o Acrilato de Metila, o Acrilato de Etila e o Acrilato de Butila. O 2EHA é um monômero utilizado largamente na produção de homopolímeros e de copolímeros (em combinação com uma grande variedade de monômeros), e também como intermediário de sínteses orgânicas. Normalmente o produto é comercializado com a adição de um inibidor de polimerização. Os polímeros ou copolímeros acrílicos são utilizados como ingredientes de uma grande variedade de produtos, como tintas, revestimentos, adesivos, plásticos e têxteis. O 2EHA confere maior resistência à umidade e às baixas temperaturas nos copolímeros dos quais participa.

2. Processo - Acrilato de 2 Etil Hexila
• Descrição

O 2-Etil Hexanol e Ácido Acrílico vindo da estocagem de matéria prima (correntes 2 e 1) são misturados com a corrente de reciclo de 2-Etil Hexanol e alimentam o Reator de Esterificação. O reator é um vaso agitado operando de forma contínua (CSTR) e possui uma serpentina que supre o calor de reação através da utilização de vapor d'água. Ácido Sulfúrico é utilizado como catalisador. A sua concentração é mantida em torno de 1% (massa).

O 2-Etil Hexanol não reagido e a água gerada na reação formam a corrente de topo do reator que alimenta a Coluna de Secagem. Esta coluna opera sob vácuo e pelo fundo é retirado o álcool que volta para o Reator. A corrente de topo desta coluna é formada pela mistura azeotrópica água / álcool que, após ser condensada, alimenta um decantador onde a água é descartada para efluente e a fase orgânica serve de refluxo para a coluna.

A corrente de fundo do Reator, livre de água, alimenta a Coluna de Álcool, onde o álcool em excesso é retirado pelo topo e reciclado de volta para o reator. A corrente de fundo da Coluna de Álcool é denominada de “éster bruto” e irá alimentar a Coluna de Acrilato.

Na Coluna de Acrilato, os pesados são eliminados pelo fundo e o produto final (99% puro) é extraído pelo topo, resfriado e enviado para a tancagem de produto final.

• Balanço de Massa (20.000 ton/ano)




		kg/hora
	Mol	1	2	3	4	5	6	7
Ácido Acrílico	72,06	1.020	0	0	1.020	0	0	0
2 Etil Hexanol	130,22	0	2.362	0	3.093	732	781	113
Acrilato de 2-Etilhexila	184,28	0	0	0	102	2.601	0	0
Ácido Sulfúrico	98,08	0	0	36	0	36	0	0
Éter Dioctílico	242,40	0	0	0	0	494	0	0
Água	18,00	0	0	0	0	0	281	283
Resíduo	250,00	0	0	0	0	40	0	0
Inibidor	110,10	1	0	0	1	4	0	0
Total		1.021	2.362	36	4.216	3.907	1.062	396




		Kg/hora
	Mol	8	9	10	11	12	13	14
Ácido Acrílico	72,06	0	0	0	0	0	0	0
2 Etil Hexanol	130,22	64	49	732	3.062	2.331	731	1
Acrilato de 2-Etilhexila	184,28	0	0	0	373	271	102	2.499
Ácido Sulfúrico	98,08	0	0	0	0	0	0	36
Éter Dioctílico	242,40	0	0	0	0	0	0	494
Água	18,00	2	281	0	1	1	0	0
Resíduo	250,00	0	0	0	0	0	0	40
Inibidor	110,10	0	0	0	0	0	0	4
Total		66	330	732	3.436	2.603	833	3.074




kg/hora   Mol 15 16 17 18 19 Ácido Acrílico 72,06 0 0 0 0 0 2 Etil Hexanol 130,22 4 3 1 0 0 Acrilato de 2-Etilhexila 184,28 10.795 8.296 2.499 0 0 Ácido Sulfúrico 98,08 0 0 0 36 0 Éter Dioctílico 242,40 5 4 1 493 0 Água 18,00 0 0 0 0 0 Resíduo 250,00 1 1 0 40 0 Inibidor 110,10 1 0 4 0 3 Total   10.806 8.304 2.505 569 3



• Fluxograma de processo - produção de acrilato de 2-Etilhexila
  
  
  
• Dados do sistema reacional

O volume útil do CSTR é 17 m 3 e a temperatura de operação atual é controlada em 150ºC.

Nessas condições, ocorrem duas reações: a reação de esterificação, que é a principal, e uma reação indesejada que é a eterificação do álcool. As reações estão apresentadas abaixo, onde A é o 2-Etil Hexanol, B o Ácido Acrílico, Es o 2EHA, E o Éter Dioctílico e W a Água.

A + B		Es + W
A + A		E + W

Expressões das taxas de reação:

Constantes das taxas:

k1 = A1 exp

e k2 = A2 exp

A₁ = 1,3 x 10⁸ mol ^-2 L ² h ^-1
A₂ = 1,69 x 10⁸ h^-1

E₁ = 55 kJ mol ^-1
E₂ = 75 kJ mol ^-1

3. Custos de Produção e Resultados Atuais

Considerando os preços dos insumos e os coeficientes técnicos atuais, o custo variável por tonelada produzida possui a seguinte estrutura:

	Específico (unid/t)	Preço (US$/unid)	Total (US$/t)
2 Etil Hexanol (t)	0,944	900,00	849,60
Ácido Acrílico (t)	0,408	1.344,66	544,54
Inibidor (kg)	1,6	3,00	4,80
Ácido Sulfúrico (t)	0,015	100,00	1,50
Vapor (t)	1,7	20,00	34,00
Energia, Outras Utilidades e Insumos			20,00
TOTAL CUSTO PROPORCIONAL			1.454,44

A depreciação da unidade, os custos fixos ( mão-de-obra, manutenção, laboratório...) e as despesas comerciais totalizam US$ 1,8 milhão. Para os volumes atuais de ocupação da fábrica ( 18.500 t/ano ) temos:

	US$/ano	US$/t
Despesas Comerciais	200.000	10,81
Depreciação da Planta	500.000	27,03
Custo não proporcional	1.100.000	59,46

O resultado econômico da operação ( calculado por tonelada produzida ), para o preço de venda atual do 2EHA e a níveis constantes de estoques, é o seguinte:

	US$/t
Preço Venda	1.600,00
- Custo Proporcional	-1.454,44
= Margem Contribuição	145,56
- Custo Não Proporcional	-59,46
- Depreciações	-27,03
- Despesas Comerciais	-10,81
= Margem	48,26

Essa margem projeta um resultado positivo de US$ 893.000 para o exercício.

4. Cenário

A possível integração do Brasil à ALCA - Área de Livre Comércio das Américas pode significar grandes mudanças no mercado nacional do 2EHA, já que provavelmente ocorrerá a redução ou eliminação do imposto de importação, que hoje é de 13,5 %. Isso pode expor a CSF a uma concorrência maior de importadores, o que pode implicar em redução de preços e na perda de parte do mercado que hoje a CSF atende. Por outro lado, as matérias-primas também tendem a ter seus preços reduzidos, já que hoje o Ácido Acrílico tem uma alíquota de 3,5 % e o 2 Etil Hexanol, de 13,5 %.
A direção da CSF fez um estudo econômico para estimar os impactos que uma eventual eliminação do imposto de importação ( e consequentemente no preços e volumes nacionais ) causaria em seus resultados. A CSF prevê que sua participação de mercado tenderia a cair para algo em torno de 12.500 t/ano. Os preços previstos para uma situação pós-ALCA seriam os seguintes:

Acrilato de 2-Etil Hexila (US$/t)	1.410,00
Ácido Acrílico (US$/t)	1.292,29
2-Etil Hexanol (US$/t)	800,00

Projetando esse cenário para os resultados, temos o seguinte quadro:

	Antes ALCA US$/t	Após ALCA US$/t
Preço Venda	1.600,00	1.410,00
- Custo Proporcional	-1.454,44	-1.342,75
= Margem Contribuição	145,56	67,25
- Custo Não Proporcional	-59,46	-88,00
- Depreciações	-27,03	-40,00
- Despesas Comerciais	-10,81	-16,00
= Margem	48,26	-76,75

Analisando o quadro acima, vemos que os efeitos negativos do preço do 2EHA e a operação da planta com ociosidade (que prejudica a “diluição” dos itens não proporcionais) são superiores à redução do custo proporcional, e a margem fica negativa. Portanto, a conclusão da CSF é que se nada for feito para melhorar a competitividade da planta, o cenário significaria um prejuízo anual estimado em US$ 959.000.

5. Estudo:

Baseado neste diagnóstico, a equipe técnica da CSF foi chamada para levantar algumas possibilidades técnicas de melhoria nos resultados da empresa, seja através da redução dos custos proporcionais, seja através de uma melhor ocupação da capacidade instalada.
Você foi contratado para estudar estas possibilidades e preparar um estudo com suas conclusões.

• Uma das maneiras de reduzir custo consiste em eliminar perdas de matérias-primas ou do próprio produto acabado, ou ainda reduzir consumos de energia, vapor e água. Analisando o fluxograma simplificado do processo, indique os potenciais de economia que você poderia apontar, e sugira, qualitativamente, como essas perdas poderiam ser evitadas.
• Sabe-se que a perda principal de 2-Etil Hexanol ocorre devido à formação do éter correspondente, uma reação que ocorre simultaneamente à reação principal. A equipe operacional sugeriu que a redução da temperatura de reação produz menores quantidades de éter. Investigue essa alternativa, definindo os efeitos colaterais da mudança e recalculando o balanço de massa. Caso você julgue que a idéia é viável, calcule o resultado que a CSF teria se a implementasse (use os preços estimados para a situação pós-ALCA).
• O 2-Etil Hexanol utilizado atualmente é produzido pelo fornecedor com uma pureza mínima de 99,5%. A área de compras identificou um outro fornecedor que oferece, a US$ 700/ton, uma matéria-prima que possui até 5% de n-Hexanol como principal impureza. Discuta os possíveis impactos do uso dessa matéria-prima em lugar da atual, e proponha um roteiro de quais estudos técnicos você julga necessários para detalhamento dessa idéia.
• Um vendedor da CSF trabalhou anteriormente em uma empresa que fornece insumos para produção de aditivos para lubrificantes. Ele sugeriu que a corrente 18 poderia ser usada na formulação de lubrificantes, desde que o Ácido Sulfúrico presente nessa corrente fosse eliminado. Proponha um processo para obter um subproduto constituído unicamente de éter e pesados. Sua proposta deve conter pelo menos uma descrição das modificações em relação ao processo atual, um fluxograma simplificado, uma lista de equipamentos principais e uma estimativa de custo adicional de produção. Indique a fonte de dados utilizados para a estimativa.
• Como a opção (b) está focada em reduzir a geração de éter e a opção (d) está focada, ao contrário, na valorização deste subproduto, a área comercial solicitou um estudo comparativo das duas opções em que você deverá determinar o preço de venda acima do qual a opção (d) é vantajosa.
• Quais são os potenciais de redução de consumo de utilidades por integração energética? Justifique a viabilidade para esse processo e indique quais são os fatores, na sua opinião, que deveriam ser levados em conta para isso.
• Elabore um texto com recomendações para a direção da CSF, orientando como ela deveria se preparar para o cenário indicado considerando as várias melhorias que você estudou. Inclua também um cronograma contendo as etapas necessárias para transformar suas recomendações em realidade.