Estudo de Caso - Processo de Produção de Ácido Sulfúrico

PQI 3221 EXERCÍCIO 1 PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ÁCIDO SULFÚRICO O processo industrial convencional para produção de ácido sulfúrico é denominado Processo de Contato Na primeira etapa desse processo o enxofre elementar é fundido a temperaturas entre 130 e 140oC em tanques providos de serpentinas de vapor Em seguida o enxofre S é queimado com ar O2 produzindo dióxido de enxofre SO2 REAÇÃO 1 Esta reação libera muita energia que é utilizada na unidade industrial para geração de vapor Na sequência o dióxido de enxofre produzido é oxidado a trióxido de enxofre ou anidrido sulfúrico REAÇÃO 2 em reatores de leito fixo com catalisadores sólidos baseados em pentóxido de vanádio V2O5 Neste processo uma mistura de gases secos contendo 10 de SO2 e 11 a 14 de O2 é aquecida até cerca de 450 oC e passa pelo conversor de um ou mais leitos catalíticos onde se forma o SO3 à pressão de operação de 1 a 2 atmosferas Podem ser empregados dois ou mais leitos catalíticos conversores dispostos em série sendo retirado o calor de reação por trocadores de calor dispostos entre os conversores intercoolers gerando vapor A temperatura varia entre 500 e 600oC para máximo rendimento da oxidação de SO2 a SO3 sem decomposição do SO3 Os rendimentos de conversão do SO2 a SO3 em uma planta típica oscilam entre 96 e 97 Por fim o trióxido de enxofre produzido reage com água H2O REAÇÃO 3 na forma de uma solução diluída de ácido sulfúrico com a formação de ácido sulfúrico concentrado a 9899 em massa Esta terceira reação é realizada em torre de absorção com recheios de cerâmica Nesta etapa os gases procedentes da catálise são resfriados até cerca de 100oC e alimentam a torre de absorção A reação por dissolução direta do SO3 em água não é viável devido a sua alta exotermicidade causando a formação de grande quantidade de névoa gotículas do ácido suspensas no gás Por isso se procede à absorção do SO3 em H2SO4 dissolvido em água Na saída dessa etapa os gases residuais atravessam uma segunda torre onde o SO3 restante é lavado com ácido sulfúrico a 98 de concentração que absorve o SO3 para formar oleum H2S2O7 que é então diluído com água formando o ácido sulfúrico final desejado Os gases residuais passam por um sistema de remoção da névoa formada na absorção demisters e são descarregados na atmosfera PERGUNTAS a Com base no texto elabore um fluxograma do processo representando as operações por retângulos e as correntes por setas Identifique claramente as correntes de entrada e de saída as operações e sua sequência Associe a cada corrente os compostos principais nela presentes e demais informações quando possível Identifique no seu esquema em quais partes do processo há implicações ambientais Escreva as equações das reações quiímicas 1 2 e 3 descritas no texto b para uma unidade produtora de 500 tdia de H2SO4 98 calcule a taxa de consumo de enxofre em tdia supondo as seguintes eficiências em cada etapa do processo Etapa 1 combustão do enxofre 100 etapa 2 conversão a SO3 97 etapa 3 absorção 995 Massa molecular S 32 O 16 H 1 c admitindo que as entalpias de reação das reações 1 2 e 3 no processo valem respectivamente 709 235 e 328 kcal por mol de H2SO4 produzido calcule a taxa de geração de energia dessa unidade industrial d supondo que o enxofre não transformado em produto seja emitido para a atmosfera qual a taxa de emissão de compostos de enxofre para a atmosfera em kgdia e em kg por kg de enxofre consumido Sabendo que os limites estabelecidos pela CETESB para essas emissões são de 20 kg de SO2 e de 015 kg de SO3 por tonelada de H2SO4 100 verifique se a taxa de emissão dessa unidade industrial ultrapassa ou é coerente com esses limites e conforme um dos slides apresentados em aula o valor total estimado dos equipamentos principais de processo para uma unidade produtora de H2SO4 98 com capacidade de 90 mil tano era de 4 milhões de dólares em 2003 CEPCI 402 Quanto seria esse valor atualmente para a capacidade de produção de H2SO4 98 de 500 tano Qual o valor atual estimado para o investimento total nessa unidade industrial Informe as hipóteses adotadas para essa estimativa f Sabendo que o enxofre custa cerca de 150 dólarest e o produto ácido sulfúrico 98 em massa custa cerca de 90 dólarestonelada vale a pena produzir ácido sulfúrico a Com base no texto elabore um fluxograma do processo representando as operações por retângulos e as correntes por setas Identifique claramente as correntes de entrada e de saída as operações e sua sequência Associe a cada corrente os compostos principais nela presentes e demais informações quando possível Identifique no seu esquema em quais partes do processo há implicações ambientais Escreva as equações das reações químicas 1 2 e 3 descritas no texto Ss Vapor serpentina Fusão do enxofre elementar 130140C TANQUE DE FUSÃO Sl Combustão do enxofre reação 1 FORNO Ar O2g SO2g O2g 450C Oxidação do dióxido de enxofre reação 2 500600C REATOR CATALÍTICO SO3g Absorção do trióxido de enxofre reação 31 TORRE DE ABSORÇÃO 1 H2SO4l diluído H2SO4l 98 H2SO4l gases residuais Absorção do trióxido de enxofre não reagido reação 31 TORRE DE ABSORÇÃO 2 SO3g H2S2O7l H2S2O7l Diluição do ácido pirossulfúrico reação 32 H2Ol ATM H2SO4l As reações indicadas no diagrama do processo ocorrem conforme seguem Reação de combustão do enxofre elementar SlO2gSO2g reação 1 Nessa reação a principal implicação ambiental é a própria emissão potencial de dióxido de enxofre que deve ser controlada Reação de oxidação do dióxido de enxofre 2SO2gO2 g2SO3g reação 2 Durante a reação de oxidação a emissão potencial de dióxido ou trióxido de enxofre também deve ser controlada Reação de absorção do trióxido de enxofre SO3 g H 2SO4 l H 2S2O7l reação 31 Durante a absorção de trióxido de enxofre há a formação do ácido pirossulfúrico podendo ainda conter dióxido ou trióxido de enxofre não convertido que deve ter sua emissão controlada Uma outra etapa da conversão total de trióxido de enxofre em ácido sulfúrico envolve a diluição do ácido pirossulfúrico conforme a reação H 2S2O7l H 2Ol 2 H 2SO4l reação 32 A reação direta do trióxido de enxofre com água apesar de ser evitada conforme descrito no enunciado devido ao ser alto caráter exotérmico pode ser descrita por SO3 g H 2Ol H 2SO4l reação 3 Os gases residuais que incluem reagentes não convertidos e inertes devem passar por um processo de purificação com demisters para evitar a formação de névoa ácida antes de serem descarregados para a atmosfera portanto as etapas destacadas em amarelo são todas passíveis de impacto ambiental se as medidas de purificação não forem tomadas A utilização de filtros adicionais para reter particulado também podem ser utilizados e o monitoramento contínuo dos gases deve ser feito para garantir a conformidade com as regulamentações ambientais locais b para uma unidade produtora de 500 tdia de H2SO4 98 calcule a taxa de consumo de enxofre em tdia supondo as seguintes eficiências em cada etapa do processo Etapa 1 combustão do enxofre 100 etapa 2 conversão a SO3 97 etapa 3 absorção 995 Massa molecular S 32 O 16 H 1 Considerando a pureza do ácido sulfúrico produzido podemos calcular a massa de H2SO4 produzida m H2SO 4098500 t dia 490t diade H 2SO4 Passando para a base molar com a massa molar do ácido sulfúrico de MM H 2SO498kgkmol temos nH 2SO4 mH 2SO4 MM H 2SO4 490000kgdia 98kgkmol 5000kmoldia de H 2SO4 Com a estequiometria da reação 32 de 12 para a formação de ácido sulfúrico a partir da diluição de ácido pirossulfúrico com água podese dizer que a vazão de ácido pirossulfúrico necessária para a vazão de ácido sulfúrico calculada é de nH 2S2O7nH 2SO4 2 5000 kmoldia 2 2500kmoldia de H 2S2O7 m H2S 2O7nH2 S2O 7MM H 2S2O72500kmoldia 178kgkmol445t dia de H 2S2O7 Agora para a reação 31 devese considerar a estequiometria de 11 para a formação de ácido pirossulfúrico a partir do trióxido de enxofre cuja massa molar é de MM SO380kgkmol além de considerar a conversão da reação de absorção de 995 nSO3 nH 2S2O7 995 2500 099525126kmoldiade SO3 mSO3nSO3MMSO325126 kmoldia 80kgkmol201008t diade SO3 Da mesma forma para a reação 2 considerando a estequiometria de 22 podemos calcular a massa de dióxido de enxofre necessária para a reação sendo a sua massa molar de MM SO264kgkmol e a conversão de SO2 a SO3 de 97 nSO2 nSO3 9725126 097 25903kmoldiade SO2 mSO2nSO2 MMSO225903kmoldia64kgkmol1658t diade SO2 E por fim para a reação 1 de combustão do enxofre temos uma estequiometria de 11 e uma conversão de 100 nS nSO2 10025903 1 25903kmoldiade SO2 Portanto a taxa de consumo de enxofre é de mSnS MMS25903kmoldia 32kg kmol829t dia deenxofre c admitindo que as entalpias de reação das reações 1 2 e 3 no processo valem respectivamente 709 235 e 328 kcal por mol de H2SO4 produzido calcule a taxa de geração de energia dessa unidade industrial Para calcular a taxa de geração de energia da unidade devese considerar Taxa deenergiaΔH reaçãoTaxa dereação Sendo a taxa de reação nesse caso a vazão molar de H2SO4 produzida Assim para a reação 1 Taxa deenergiadareação1709 kcal mol 5000 kmol dia 354500 Mcaldia Para a reação 2 Taxa deenergiadareação2235 kcal mol 5000 kmol dia 117500 Mcaldia Para a reação 3 Taxa deenergiadareação3328 kcal mol 5000 kmol dia 164000 Mcaldia Ao todo a taxa de geração de energia do processo é de 636000 Mcaldia d supondo que o enxofre não transformado em produto seja emitido para a atmosfera qual a taxa de emissão de compostos de enxofre para a atmosfera em kgdia e em kg por kg de enxofre consumido Sabendo que os limites estabelecidos pela CETESB para essas emissões são de 20 kg de SO2 e de 015 kg de SO3 por tonelada de H2SO4 100 verifique se a taxa de emissão dessa unidade industrial ultrapassa ou é coerente com esses limites Para a reação 1 temos uma conversão de 100 portanto não há compostos de enxofre não convertidos nessa etapa Para a reação 2 caso a conversão fosse de 100 teríamos uma vazão de dióxido de enxofre de nSO2nSO325126 kmoldia de SO2 mSO2nSO2 MMSO225126kmoldia64kgkmol1608t diade SO2 Porém como a conversão dessa reação é de 97 a vazão de dióxido de enxofre necessária para a produção desejada é de 1658 tdia como foi calculado no item a Assim a emissão de SO2 não convertido seria de Emissãode SO2165816085t dia5000kgdiade SO2 Para a reação 3 considerando uma conversão de 100 teríamos uma vazão de trióxido de enxofre de nSO3nH 2S2O72500kmoldia deS O3 mSO3nSO3MMSO32500kmoldia80 kgkmol200t dia deS O3 Porém como a conversão dessa reação é de 995 a vazão de dióxido de enxofre necessária para a produção desejada é de 201 tdia como foi calculado no item a Assim a emissão de SO3 não convertido seria de Emissãode SO32010082001t dia1008kgdia deS O3 Ao todo teríamos uma emissão de compostos de enxofre de 6008 kgdia Considerando o enxofre consumido calculado no item a de 829 tdia teríamos então uma emissão de 007 kg de compostos de enxofre por kg de enxofre consumido Para comparar aos limites estabelecidos pela CETESB temos que considerar a emissão de dióxido e trióxido de enxofre em função da tonelada de ácido sulfúrico 100 produzido Portanto para uma vazão de 490 tdia de ácido sulfúrico puro produzido conforme calculado no item a as taxas de emissão seriam Emissãode SO2 5000kgdia de SO2 490t dia de H 2SO4 102kgde SO2 por ton de H2SO4 Emissãode SO3 1008kgdia de SO3 490t dia de H 2SO4 206kg de SO3 por tonde H2SO4 Portanto a taxa de emissão dessa unidade industrial ultrapassa os limites estabelecidos pela CETESB e conforme um dos slides apresentados em aula o valor total estimado dos equipamentos principais de processo para uma unidade produtora de H2SO4 98 com capacidade de 90 mil tano era de 4 milhões de dólares em 2003 CEPCI 402 Quanto seria esse valor atualmente para a capacidade de produção de H2SO4 98 de 500 tano Qual o valor atual estimado para o investimento total nessa unidade industrial Informe as hipóteses adotadas para essa estimativa Acredito que o valor seja 500 tdia 165 mil tano considerando um ano com 330 dias produtivos conforme o enunciado anterior Atualizando o valor total estimado para a capacidade de 500 tano e um fator m 23 para um caso geral temos Valor1Valor0 Capac1 Capac0 m 4000000 165000 90000 23 59milhõesde dólaresem2003 Convertendo o valor para os dias atuais com CEPCI 816 em 2022 temos Custo 202259midedólares 816 402US 11 9milhões f Sabendo que o enxofre custa cerca de 150 dólarest e o produto ácido sulfúrico 98 em massa custa cerca de 90 dólarestonelada vale a pena produzir ácido sulfúrico O custo necessário de matériaprima por dia para essa produção seria de Custo por dia150dólarest 829t diade enxofre12435dólaresdia Para uma análise a longo prazo com o custo dos equipamentos de 119 milhões de dólares e desconsiderando o custo de preparação do terreno para a construção do empreendimento e o custo de utilidades portanto sendo o capital total depreciável igual ao custo dos equipamentos com uma reserva de contingência de 18 desse capital total depreciável CTD temos CTD119milhões118US 14milhões Para a estimativa dos custos não depreciáveis podemos considerar como premissa o custo de aquisição do terreno como sendo 2 do CTD os royalties que também são considerados como sendo 2 do CTD e o custo de partida da unidade que é estimado como sendo 10 do CTD Portanto o valor do capital total não depreciável CND obtido foi então de CNDcustodoterrenoroyaltiescustode partida2808402808401404200US 197milhão Para o cálculo do capital de giro CG geralmente considerase o custo operacional envolvendo a obtenção de matériasprimas o custo das utilidades mão de obra manutenção e seguro necessários para manter a unidade em operação durante 40 dias Porém para esse caso vamos desconsiderar os custos de utilidades O custo diário de mão de obra será premissado como sendo cerca de 3 do CTD e os custos diários de seguro como sendo 07 do CTD considerando um ano com 365 dias ano total incluindo os dias de parada Dessa forma CG 40diascustodematéria primacustodemão de obracustode seguro12435 dólares dia 00314 milhões 365 000714milhões 365 40dias12435115026840US 554120 Portanto o capital total investido CTI estimado seria de CTICTDCNDCG14milhões197milhão554120US 165milhões O custo de produção anual CPROD leva em conta os custos diários de obtenção da matériaprima os custos com utilidades desconsiderado para esse caso considerando um tempo de operação anual de 330 dias 35 dias estimados para paradas de manutenção além dos custos mãodeobra e seguro para o ano todo 365 dias Esse custo é calculado então pela equação CPRODcustodematéria primacustodemão de obracustode seguro12435 dólares dia 330 dias 00314 milhões 365 000714milhões 365 365dias41035501150268365US 46milhões A renda bruta RB obtida com a implementação do processo pode ser estimada utilizando o preço de venda do ácido sulfúrico que foi dado como sendo 90 dólarestonelada a produção diária que é de 500 tondia de ácido sulfúrico e os dias de produção que é de cerca de 330 dias desconsiderando os dias de paradas para manutenção O cálculo é feito segundo a equação RBproduçãodias de produção preçodevenda500 ton dia 330dias90 dólares ton US 14 85milhõesano Desconsiderando os impostos ou seja sendo a renda líquida igual à renda bruta podemos calcular a depreciação D considerando uma depreciação linear em 10 anos D CTD 10anos 14 milhões 10 US 14 milhãoano Considerando que o valor total do investimento não será financiado podemos estimar o lucro bruto LB LBRBCPRODD14 85milhões46milhões14 milhãoUS 8 85milhõesano Considerando o imposto de renda de IR 34 e a taxa mínima de atratividade de TMA 20 o lucro líquido é calculado como LB 1IR 885milhões1034 US 584milhõesano Dessa forma a taxa interna de retorno TIR foi de TIR CTI 584 milhões 165milhões 354 Portanto o tempo de retorno para esse investimento seria de aproximadamente T CTI D165milhões 14584 23anos Sendo um bom tempo de retorno para essas premissas portanto valeria a pena produzir ácido sulfúrico nesse caso