"Redução da Produção de uma Unidade de Anidrido Ftálico"

Introdução:

Você foi recentemente contratado por uma Indústria Química, cujo maior negócio é a produção de anidrido ftálico a partir de naftaleno. A produção de anidrido ftálico é integrada em um grande complexo químico no qual o naftaleno é produzido e onde o anidrido ftálico é imediatamente usado para a produção de resinas poliéster. Nos últimos anos, alguns clientes se queixaram da qualidade das resinas produzidas e transferiram seus negócios para outras companhias, que produzem o anidrido ftálico a partir do o-xileno. Desta forma, a planta que foi projetada para produzir 100.000 toneladas por ano (tpa) de anidrido ftálico, a partir de naftaleno, teve sua produção reduzida para 80.000 tpa.

Recentemente perdeu-se um grande cliente e o Departamento de Marketing informa que outros clientes poderão ser perdidos. Apesar do Departamento de Pesquisas estar trabalhando no desenvolvimento de um catalisador para a reação com o-xileno, os resultados finais são esperados para não menos de um ano, existindo portanto, uma necessidade imediata de se determinar como reduzir a escala de operação da planta em 50% da capacidade atual de produção (40.000 tpa). Deseja-se conseguir isso sem efetuar uma parada na unidade, já que esta não está prevista para os próximos meses.

Entretanto, se uma redução de 50% não puder ser realizada sem uma parada, precisa-se saber qual a redução possível de ser feita imediatamente. Especificamente, deve-se determinar a redução máxima possível até 50% da produção, sob condições operacionais plausíveis, e definir quais são essas condições operacionais. Além disso, deve-se determinar que condições operacionais são requeridas e que despesas de capital serão necessárias, caso existam, para que a planta seja reduzida a 50% da capacidade atual. Quaisquer sugestões para a melhoria da planta que possam ser implementadas durante a sua parada são encorajadas. Deve-se portanto, definir claramente as conseqüências de qualquer modificação recomendada para esse processo e as conseqüências que essas mudanças poderão acarretar em outros processos do complexo. Deve-se ressaltar que um cenário possível é operar a planta na capacidade atual por 6 meses do ano e pará-la por 6 meses remanescentes. Embora essa solução técnica funcione, é inviável dispensar os operadores por meio ano e comprar armazenamento adicional visando estocar anidrido ftálico suficiente para atender os clientes durante os 6 meses em que a planta estiver parada. Não se deve, portanto, considerar essa opção.

Produção de Anidrido Ftálico:

A unidade industrial produz cerca de 80.000 tpa de anidrido ftálico. As alimentações são constituídas essencialmente de naftaleno puro e ar em excesso. Estas são pressurizadas, aquecidas e vaporizadas (naftaleno) e reagem em um reator de leito fluidizado na presença de catalisador de óxido de vanádio suportado em sílica gel.

As reações envolvidas nesse processo são as seguintes:

C₁₀H₈ + 9/2 O₂ --> C₈H₄O₃ + 2 H₂O + 2 CO₂
(naftaleno + oxigênio --> anidrido ftálico + água + gás cabônico)

C₁₀H₈ + 6 O₂ --> 2 C₄H₂O₃ + 2 H₂O + 2 CO₂
(naftaleno + oxigênio --> anidrido maleico + água + gás cabônico)

C₁₀H₈ + 3/2 O₂ --> C₁₀H₆O₂ + H₂O
(naftaleno + oxigênio --> naftoquinona + água)

Adicionalmente, ocorrem também as reações de combustão completa e incompleta do naftaleno. O elevado calor de reação gerado é removido através de sal fundido, que circula através de serpentinas colocadas no reator. O sal fundido é então usado para produzir vapor d'água de alta pressão. A conversão total de naftaleno é próxima de 100%.

Os produtos da reação são levados a um conjunto de equipamentos conhecidos como condensadores switch. Os condensadores serão descritos em detalhe, a seguir. O projeto e a operação desses equipamentos são fornecidos por contrato pela empresa CONDENSEX. Ela garante que os seus condensadores podem operar em qualquer outra capacidade de produção, fornecendo a mesma separação que a obtida na capacidade atual, desde que a pressão e a composição da porção condensável da Corrente 10 permaneça constante. Como resultado da operação dos condensadores switch tem-se que todos os gases leves e água, com pequenas quantidades de anidridos maleico e ftálico, saem como vapor e os anidridos remanescentes com a naftoquinona saem como líquidos. A pressão do líquido é então reduzida para a realização da destilação a vácuo.

A primeira coluna remove a impureza anidrido maleíco pelo topo e a segunda coluna remove o produto anidrido ftálico também pelo topo. Os resíduos orgânicos são queimados para se aproveitar seu valor combustível. O ar sujo da Corrente 11 deve ser tratado. Os anidridos são lavados com água, que é enviada à estação de tratamento de efluentes líquidos.

Objetivo:

Seu objetivo será fornecer recomendações para a máxima redução de escala de produção possível e, se houver, que modificações serão necessárias para a redução de 50 % da produção. Você deve sugerir também outras modificações que podem ser feitas para a melhoria do desempenho da unidade. Tendo em vista que a planta deverá ter a parada anual em alguns meses, deseja-se obter as recomendações específicas do que será necessário fazer àquela ocasião e o custo das eventuais alterações ou modificações.

Especificamente, você deverá preparar:

1. O relatório escrito detalhando a redução máxima possível da produção, e como atingir 50% de redução, com as recomendações e os custos associados a essa redução na unidade. Esse relatório deverá conter também as condições operacionais correspondentes.
2. A lista dos novos equipamentos a serem comprados, incluindo o tamanho, o custo e os materiais de construção.
3. A análise das alterações dos custos operacionais gerados pelas mudanças recomendadas.
4. O conjunto dos cálculos realizados, apresentados de forma compreensível e organizada, justificando as suas recomendações, incluindo as hipóteses assumidas e referências bibliográficas consultadas.

Outras Informações:

Tabela sumário das correntes da planta de produção de anidrido ftálico nas condições operacionais atuais:

Corrente No	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18*
Temperatura (oC)	200,0	25,0	200,0	164,0	400,0	240,0	263,0	263,0	360,0	160,0	131,0	131,0	131,0	141,0	241,0	190,0	241,0	350,0
Pressão (atm)	0,80	1,01	3,35	3,10	2,85	2,85	2,75	2,25	2,00	1,70	1,40	1,40	0,15	0,11	0,30	0,05	0,20	3,00
Fração molar de vapor	0,0	1,0	0,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	1,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0
Vazão mássica (t/h)	12,82	144,25	12,82	144,25	12,82	144,25	157,07	157,07	157,07	157,07	145,00	12,07	12,07	1,61	10,47	10,06	0,40	1.624,72
Vazão molar (kmol/h)
Naftaleno	100,0	-	100,0	-	100,0	-	100,0	100,0	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Oxigênio	-	1.050,0	-	1.050,0	-	1.050,0	1.050,0	1.050,0	469,0	469,0	469,0	-	-	-	-	-	-	-
Anidrido ftálico	-	-	-	-	-	-	-	-	70,0	70,0	0,7	69,0	69,0	0,69	69,0	68,0	0,69	-
Anidrido maleico	-	-	-	-	-	-	-	-	16,0	16,0	0,8	15,0	15,0	15,0	0,015	0,015	-	-
Naftoquinona	-	-	-	-	-	-	-	-	2,0	2,0	-2,0	2,0	0,08	1,9	0,002	1,91	-	-
Dióxido de Carbono	-	-	-	-	-	-	-	-	306,0	306,0	306,0	-	-	-	-	-	-	-
Monóxido de Carbono	-	-	-	-	-	-	-	-	50,0	50,0	50,0	-	-	-	-	-	-	-
Nitrogênio	-	3.950,0	-	3.950,0	-	3.950,0	3.950,0	3.950,0	3.950,0	3.950,0	3.950,0	-	-	-	-	-	-	-
Água	-	-	-	-	-	-	-	-	238,0	238,0	238,0	-	-	-	-	-	-	-
Total (kmol/h)	100,0	5.000,0	100,0	5.000,0	100,0	5.000,0	5.100,0	5.100,0	5.101,0	5.101,0	5.014,0	86,0	86,0	16,0	71,0	68,0	2,60	17.660,0

* Sal fundido HiTecTM

Tabela sumário das correntes de utilidades

Corrente No	Vapor para E-701	Condensado do E-701	Vapor para E-707	Condensado do E-707	Vapor para E-705	Condensado do E-705	Água de resfriamento para E-706	Água de resfriamento do E-706	Água de resfriamento para E-704	Água de resfriamento do E-704	Água de caldeira para E-703	Água de caldeira para E-702	Vapor do E-702
Temperatura (oC)	254	254	254	254	254	254	30	45	30	45	91	173	254
Pressão(atm)	42,40	42,40	42,40	42,40	42,40	42,40	5,16	4,86	5,16	4,86	42,40	42,40	42,40
Fração molar de vapor	1,0	0,0	1,0	0,0	1,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	0,0	1,0
Total (t/h)	6,73	6,73	9,36	9,36	1,89	1,89	267,84	267,84	19,62	19,62	104,98	104,98	104,98

Informações Sumárias sobre os Equipamentos:

• Compressor (assumir eficiência independente da vazão):

  C-701 - Centrífugo, 5.670,0 kW, 80% eficiência na vazão normal de projeto e 3.500,0 rpm. Pode operar em dois valores discretos de rpm, como mostrado na curva característica do compressor; linha de bombeamento (surge) também mostrada na curva característica.

• Bombas (assumir eficiência independente da vazão):

  P-701 A/B - Centrífuga, 1,3 kW, 50% de eficiência

  P-702 A/B - Centrífuga, 54,0 kW, 70% de eficiência

  P-703 A/B - Centrífuga, 140,0 kW, 80% de eficiência

  P-704 A/B - Centrífuga, 0,5 kW, 40% de eficiência

  P-705 A/B - Centrífuga, 4,4 kW, 50% de eficiência

  P-706 A/B - Centrífuga, 0,8 kW, 40% de eficiência

• Fornalha de aquecimento (fluido de processo passa por um conjunto de tubos colocados em uma câmara na qual gás natural ou combustível líquido é queimado, fornecendo o calor radiante e convectivo necessários ao aquecimento do fluido à temperatura desejada).

  H-701 - Fornalha de aquecimento, Q = 9.350,0 MJ/h consistindo de quatro bancos de tubos idênticos. Atualmente estão todos em operação e em paralelo. Há tubulações e válvulas que permitem operar qualquer banco de tubos e em qualquer configuração, isto é, série, paralelo, etc. Existe um sistema de controle que mantém constante a temperatura da corrente 5, medindo a sua temperatura e alterando as vazões de ar e combustível.

• Trocadores de calor (todos são de um passe em cada lado, salvo nota em contrário; a resistência da parede do tubo é desprezível, salvo nota em contrário):

  Q = fluxo de calor
  A = área de troca térmica
  U = coeficiente global de troca térmica
  hi = coeficiente de convecção do lado interno do tubo

  E-701 - Utiliza vapor de alta pressão e vapor no casco.

  Q = 11.370,0 MJ/h

  A = 695,0 m2

  U = 112,0 W/m2.oC

  hi = 114,0 W/m2.oC.

  E-702 - Produz vapor de alta pressão e vapor no casco. Vapor de alta pressão supre as necessidades da unidade sendo o excesso de vapor usado em outra unidade do complexo.

  Q = 215.407,0 MJ/h

  A = 539,0 m2

  U = 2.840,0 W/m2.oC

  hi = 3.960,0 W/m2.oC

  E-703 - Pré-aquece a água da caldeira de alta pressão. Água de caldeira passa no casco.

  Q = 36.900,0 MJ/h

  A = 1.519,0 m2

  U = 57,0 W/m2. 0C

  hi = 63,0 W/m2.oC

  E-704 - Condensador total da coluna T-701. Fluido condensante no casco.

  A = 5,52 m2

  U = 600,0 W/m2.oC com toda a resistência no lado da água

  E-705 - Refervedor da coluna T-701.

  A = 50,0 m2

  U = 1.400,0 W/m2.oC com resistências aproximadamente iguais

  E-706 - Condensador total da coluna T-702. Fluido condensante no casco.

  A = 51,0 m2

  U = 600,0 W/m2 com toda a resistência no lado da água

  E-707 - Refervedor de coluna T-702.

  A = 243,0 m2,

  U = 1.400,0 W/m2.oC com resistências aproximadamente iguais

• Reator (leito fluidizado, o que significa que a temperatura do leito é essencialmente constante e igual à temperatura de saída do gás):

  R-701 - Reator de leito fluidizado com catalisador de óxido de vanádio suportado em sílica gel. Sal fundido circula no interior dos tubos retirando o calor de reação gerado. A perda de carga do reator não é afetada pela vazão.

  Q = 2,1540 x 105 MJ/h.

  A = 15.850,0 m2 (banco de tubos paralelos dentro do reator)

  U = 100,0 W/ m2.oC com toda resistência no lado do reator.

• Circuito de sal fundido:

  Sal fundido é usado para remover o calor de reação gerado no reator. Ele circula num circuito fechado e é termicamente regenerado através da produção de vapor de alta pressão em E-702. As propriedades do sal fundido, conhecido como HiTecTM, podem ser encontrados em Perry, 6ª ed., pg. 9-77.

• Condensadores switch:

  SC-701 - Existem três conjuntos de condensadores. Devido à baixa pressão parcial do anidrido ftálico na corrente, ele dessublima ao invés de condensar. Dessa forma, a corrente de processo é resfriada usando óleo a baixa temperatura nos tubos, promovendo a dessublimação. Então, tão logo o sólido carregue suficientemente a superfície de troca térmica, circula-se óleo a alta temperatura nos tubos, de forma a fundir o sólido. Existem três desses equipamentos, um operando no modo de dessublimação, outro operando no modo de fusão e outro em espera (stand-by). O resultado final é uma corrente líquida contendo os condensáveis e uma corrente gasosa (vapor) contendo água e não condensáveis. Esses condensadores são projetados e assistidos tecnicamente sob contrato pela empresa CONDENSEX. Ela garante que a operação em qualquer escala é possível desde que a pressão da corrente 10 permaneça dentro de 10% da condição operacional atual e a composição relativa dos condensáveis permaneça aproximadamente constante.

• Colunas de Destilação (Para ambas as colunas, pode-se assumir que o molhamento (weeping) começa a ocorrer a 35% do afogamento. Ambas utilizam vapor de alta pressão e água de resfriamento no máximo acréscimo de temperatura permissível):

  T-701 - Remove a impureza anidrido maleico pelo topo.
  Razão de refluxo = 0,27
  33 pratos, 40% de eficiência, 12 pol de espaçamento entre pratos, 2 pol de altura de vertedouro
  Diâmetro = 0,84 m, área ativa = 0,75 da área total.
  Calor retirado no condensador Qc = -1.230,0 MJ/h.
  Calor fornecido no refervedor Qr = 3.220,0 MJ/h.

  T-702 - Remove anidrido ftálico produto pelo topo.
  Razão de refluxo = 2,43
  86 pratos, 50% de eficiência, 18 pol de espaçamento entre pratos, 0,75 pol de altura de vertedouro
  Diâmetro = 4,2m, área ativa = 0,75 da área total
  Calor retirado no condensador Qc = -16.810,0 MJ/h.
  Calor fornecido no refervedor Qr = 15.890,0 MJ/h.

• Tambores de Refluxo:

  V-701 - Diâmetro = 0,50 m, comprimento = 1,50 m

  V-702 - Diâmetro = 1,25 m, comprimento = 3,75 m

• Tratamento de ar:

  Os compostos orgânicos da corrente 11 são removidos em um lavador de gases com 10.000,0 kg de água necessária por kg de orgânico, nas condições operacionais atuais. Se o conteúdo de compostos orgânicos na corrente 11 tornar-se mais concentrado, então a quantidade de água necessária aumentará à razão de 100,0 kg por 0,001 de fração mássica de orgânico. A água é enviada para a estação de tratamento de efluentes líquidos do complexo.

Lista de Equipamentos:

P-701 A/B - Bombas de alimentação de naftaleno
C-701 - Compressor de alimentação de ar
H-701 - Pré-aquecedor de ar
E-701 - Fornalha de aquecimento de naftaleno
R-701 - Reator de leito fluidizado
E-702 - Resfriador de sal fundido
P-702 A/B - Bombas de sal fundido
E-703 - Pré-aquecedor de água de caldeira
P-703 A/B - Bombas de água de caldeira
SC-701 - Condensadores switch
T-701 - Coluna de anidrido maleico
E-704 - Condensador de anidrido maleico
V-701 - Tambor de refluxo de anidrido maleico
P-704 A/B - Bombas de refluxo de anidrido maleico
E-705 - Refervedor de anidrido maleico
T-702 - Coluna de anidrido ftálico
E-706 - Condensador de anidrido ftálico
V-702 - Tambor de refluxo de anidrido ftálico
P-705 A/B - Bombas de refluxo de anidrido ftálico
E-707 - Refervedor de anidrido ftálico
P-706 A/B - Bombas de alimentação de anidrido ftálico

Fluxograma do Processo: