Planta de amonia

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:


• 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


– 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).


– 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).


– 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.


• 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


• 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.

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