Capítulo I - Introdução e Desenvolvimento do Projeto de Desenho | Engenharia | Economia
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DISCIPLINA DE PLANEJAMENTO E PROJETOS DA INDÚSTRIA QUÍMICA
DOCENTE: CAMILO MOREJÓN
RESUMO DOS CAPÍTULOS I E II – TIMMERHAUS
BRUNO HENRIQUE TAVARES BORBOREMA
Desenho de Plantas de Engenharia Química
Desenvolvimento do Desenho de Processo
1.2. Estimativas de Custo
1.3. Fatores que Afetam a Lucratividade dos Investimentos
1.4. Desenho Ótimo
1.4.1. Desenho Econômico Ótimo
1.4.2. Desenho Ótimo de Operação
1.4.3. Considerações Práticas no Desenho
Desenvolvimento do Desenho do Processo
Procedimento do Design do Projeto
Escolha e o Design do Equipamento
Comparação de Processos Diferentes
Design e Especificações dos Equipamentos
Scale-up no Design
Figura 1 – Diagrama de fluxo qualitativo para a produção do
dodecilbenzeno sulfonato de sódio (Fonte: TIMMERHAUS, 1991)
Figura 2 – Diagrama de fluxo quantitativo para a produção do
Figura 3 – Diagrama de equipamentos simplificado para a produção de
Figura 4 – Folha de especificações para trocadores de calor (Fonte:
Tabela 1 – Especificações dos equipamentos utilizados na alquilação (Fonte:
Tabela 2 – Estimativa do preço dos equipamentos para a alquilação (Fonte:
Tabela 3 – Estimativa do custo dos equipamentos de todo o processo (Fonte:
Tabela 4 – Estimativa de investimento de capital fixo (Fonte: TIMMERHAUS,
1. Introdução Ao longo dos tempos, notou-se que pessoas das mais diversas áreas eram criadores de tecnologias revolucionárias, cada uma em sua devida época, na qual estes criadores as desenvolveram com ou sem o consentimento das ciências fundamentais e das matérias relacionadas à engenharia. Porém, hoje em dia o desenvolvimento de novos produtos e serviços tem sido algo restrito às empresas, que são compostas por cidadãos de vários nichos.
Uma parte desses nichos restringe aos engenheiros, que devem possuir a habilidade de aplicar todo o conhecimento às situações práticas da empresa, com a finalidade de realizar algum produto ou serviço benéfico à sociedade. Contudo, para a aplicação de determinada inovação, o engenheiro deve reconhecer os impasses econômicos e proceder adequadamente, analisando os limites impostos pelas condições industriais.
O desenvolvimento de uma nova planta ou processo de um conceito de avaliação até uma realidade rentável é complexo. Um projeto de planta- desenho condiz a uma série de etapas:
 Início;
 Avaliação preliminar da economia e mercado;
 Desenvolvimento das informações necessárias ao desenho final;
 Avaliação econômica final;
 Desenho de engenharia detalhado;
 Aquisições;
 Construção/ Edificação/ Instalação;
 Start-up e testes;
 Produção.
A planta-desenho envolve uma gama de competências, nas quais pode- se citar a investigação, análise de mercado, desenhos de peças individuais de equipamentos, estimativas de custo, programação, dentre outras.
O termo desenho de plantas incluem todos os aspectos de engenharia
envolvidos no desenvolvimento tanto de plantas industriais novas, modificadas
ou expandidas.
O engenheiro químico deverá fazer avaliações econômicas de novos
processos, desenhando peças individuais de equipamentos para o novo empreendimento proposto, ou desenvolvendo um layout da planta para a
coordenação do funcionamento global.
1.1.1. Desenvolvimento do Desenho de Processo São várias as etapas para o desenvolvimento de um desenho de processo, sendo que a primeira deve ser a introdução da ideia básica podendo se originar em qualquer parte da empresa, como por exemplo no departamento de vendas, como resultado de um pedido de um cliente, ou para competir com um concorrente. Pode ser um resultado de um programa de investigação ou uma ramificação de um programa da companhia. Pode até mesmo acontecer com alguém que esteja familiarizado com os objetivos e necessidades da empresa.
Se a análise inicial indica que a ideia pode ter possibilidades de desenvolvimento dentro de um projeto interessante, uma pesquisa preliminar ou programa de investigação será iniciado.
Um levantamento geral das possibilidades de um processo bem sucedido é feito considerando as operações químicas e físicas envolvidas, bem como os aspectos financeiros.
Posteriormente, inicia-se a pesquisa do processo, que inclui estudos preliminares do mercado, experimentos em escalas laboratoriais e produção de amostras do produto final.
Estabelecida as potencialidades do processo, o projeto passa para a fase de desenvolvimento, na qual uma planta piloto poderá ser construída.
As informações do desenho e outras informações do processo são obtidas durante a fase de desenvolvimento que serão utilizadas como base para as etapas adicionais do projeto do desenho.
Uma análise completa do mercado é feita, e amostras do produto final são enviadas aos consumidores para determinar se o produto é satisfatório e se há um bom potencial de venda.
Estimativas de custo de capital para a planta são feitas, os prováveis retornos de investimento são determinados e uma completa análise de custo- benefício do processo é desenvolvida.
Com todos os passos até agora discutidos, será verificado o aspecto econômico e em caso de ser satisfatório, a fase final do desenho do processo será iniciada.
Todos os detalhes do desenho serão trabalhados nesta fase (inclui-se controles, serviços, layouts de tubulações, cotações de preços, especificações e desenhos de peças individuais de equipamentos, etc). O desenho de uma construção completa é feito com desenhos das elevações, arranjos do layout da planta e outras informações adicionais exigidas para a construção da planta. Por fim, adquire-se os equipamentos, constrói-se a planta, dá-se o start-up, fazem-se melhorias operacionais, desenvolvem-se procedimentos operacionais que fornecem os melhores resultados para a empresa.
Após a finalização do desenho do processo final, pode-se fazer as estimativas de custos detalhadas utilizando as informações da indústria e dos
equipamentos previamente disponíveis, considerando todos os fatores ao analisar os custos.
Primeiramente, deve-se ter em mente que os diretores têm a função primordial de maximizar os lucros em longo prazo na indústria, sendo que as decisões sobre o investimento de capital devem ser feitas com cautela.
O dinheiro é a força motriz para uma empresa manter-se ativa, e quando
a mesma investe dinheiro, ela espera receber um retorno durante o período em que o dinheiro esteja sendo usado sendo que o retorno depende do grau de risco que é assumido, podendo depender do processo a ser usado, do produto
a ser produzido, das vendas, etc.
Define-se por desenho ótimo o desenho dos equipamentos e métodos que darão os melhores resultados para a empresa, cabendo esta responsabilidade para ao(s) engenheiro(s) químico(s) escolher o melhor
A base para um desenho econômico ótimo é determinada a partir do
método em que se obtêm menos custos com o mesmo resultado final.
Em alguns casos pode ser que não tenham produtos finais conforme o esperado, tornando-se necessário considerar a qualidade do produto ou da operação tanto quanto a parte de custos.
Como vários processos requerem condições específicas de operação para obter-se o melhor resultado, o engenheiro químico deve lembrar que considerações econômicas acabam determinando a maioria das decisões quantitativas.
Fora da idealidade, ou seja, em questões reais, o engenheiro químico não deve perder o senso das limitações práticas envolvidas em um desenho.
No desenvolvimento do layout da planta, o engenheiro deve analisar os espaços ocupados pelos equipamentos; as válvulas de controle, em que devem estar presentes onde elas possam ser facilmente acessadas pelos operadores; deve haver espaço suficiente para a realização de manutenções, etc.
A principal responsabilidade do engenheiro químico é o design,
construção e operação de plantas químicas, sendo que o profissional deve pesquisar informações adicionais constantemente a fim de incrementar estas funções, além de sempre estar disposto a considerar novos designs, na
tentativa de entender os fatores que controlam o processo, tanto químicos quanto físicos, com o objetivo de sempre melhorar a tecnologia empregada.
As informações necessárias são disponíveis em diversas fontes, como
publicações recentes de dados de operação de processos químicos, laboratoriais e de plantas-piloto.
O engenheiro deve se questionar em relação a determinadas decisões,
como segue alguns exemplos: "Quais são os melhores métodos que garantem segurança e viabilidade dos dados?"; "Quais são suficientes e quais são confiáveis?"; "Existe alguma correlação entre os dados a ser utilizada, particularmente as que permitem uma melhor extrapolação?".
2.1. Procedimento do Design do Projeto
O desenvolvimento do design do projeto sempre inicia com uma ideia ou
um plano, sendo que esta ideia deve ser clara e concisa a fim de definir o objetivo do projeto.
2.1.1. Tipos de Design
Os métodos para a realização do design do projeto pode ser divido nas
 Designs preliminares ou designs de estimativas rápidas: são base para determinar se o serviço será feito no processo proposto. É um método com resultados aproximados, com poucos detalhes inclusos e um gasto mínimo de tempo em cálculos. Se os resultados do desenho preliminar mostrar que o serviço é justificado, então parte-se às estimativas detalhadas.
 Designs de estimativas detalhadas: Potencial de custo-benefício é determinado pela análise e cálculos detalhados. As especificações exatas de equipamentos não são dadas, e é gasto o mínimo de tempo com o design.
Se for determinado que o projeto proposto seja comercialmente viável, parte- se aos desenhos detalhados.
 Design detalhados: As especificações completas são apresentadas para todos os componentes da planta e valores corretos (atualizados) são obtidos a partir de cotações de preços.
2.1.2. Estudo de Viabilidade Antes de qualquer trabalho detalhado do design seja feito, os aspectos técnicos e econômicos do processo em questão devem ser examinados. As reações e processos físicos envolvidos devem ser considerados, bem como as condições de potencial de mercado para o produto em vista.
Abaixo é apresentada a lista de itens que devem ser considerados numa pesquisa de viabilidade:
 Materiais (disponibilidade, quantidade, qualidade, custo);
 Termodinâmica e cinética das reações químicas envolvidas (equilíbrio, taxas, condições ótimas);
 Serviços e equipamentos disponíveis no momento;
 Serviços e equipamentos que devem ser incorporados;
 Estimativa do custo de produção e investimento total;
 Lucros (provável e ótimo, por quilograma de produto por ano, retorno do investimento);
 Materiais de construção;
 Considerações de segurança;
 Mercado (oferta e demanda, novos usuários, usuários atuais, quantidade de clientes);
 Competição (estatísticas de produção global, comparação de vários processos de produção, especificação dos competidores);
 Propriedades dos produtos (físicas e químicas);
 Vendas e métodos de vendas (métodos de vendas e distribuição, serviços técnicos requeridos);
 Restrições navais e de containers;
 Localização da planta;
 Situação de patentes e restrições legais.
2.1.3. Desenvolvimento do Processo
Em diversos casos, uma pesquisa preliminar de viabilidade indica que uma pesquisa adicional nos ramos de dados laboratoriais ou da planta-piloto são necessários, e um plano para obter estas informações deverão ser iniciados, a fim de se ter dados do processo precisos, como balanços de massa e energia e condições de operação do processo.
2.1.4. Design Se a empresa tiver informações suficientes disponíveis, um design preliminar poderá ser desenvolvido em conjunto com a pesquisa de viabilidade, com a finalidade de obter um processo de produção trabalhável. Deve-se conhecer as especificações do produto e a disponibilidade da matéria-prima.
Como mencionado no item 2.1.3., deve-se fazer um balanço de massa. Deve-se também saber quais os equipamentos e suas respectivas especificações, apresentando-as em tabelas e no relatório do desenho final, sendo que estas tabelas devem conter os seguintes dados:
 Colunas de destilação: número de pratos, condições operacionais, diâmetro da coluna, material de construção, layout, etc.;
 Tanques: tamanho, material de construção, embalagem, etc.;
 Reatores: tipo de catálise, diâmetro e altura, trocas de calor, ciclos e regenerações, material de construção, etc.;
 Trocadores de calor: variação de temperatura, percentual de vaporização, pressão, material de construção, etc.;
 Bombas e compressores: tipo, potência, pressão, energia, gravidade, viscosidade, etc.;
 Instrumentos: função e qualquer exigência particular;
 Equipamento especial: separações mecânicas, misturadores, secadores, etc.
2.1.5. Construção e Operação
Quando é decidido de proceder com a construção da planta, começa a demanda pelo rápido startup da mesma. Longos atrasos podem ser encontrados na fabricação de peças de equipamentos, na qual poderá
acarretar no atraso das entregas. Estes fatores devem ser considerados no desenvolvimento também.
2.2. Diagramas de Fluxo
O engenheiro químico utiliza os diagramas de fluxo para apresentar a sequência dos equipamentos, bem como as operações unitárias de todo o processo, para simplificar a visualização e para indicar a quantidade de material e energia percorridos no projeto. Estes diagramas podem ser divididos em três classes:
 Qualitativo: indica o fluxo de materiais, operações unitárias envolvidas, equipamentos necessários e informações de operação;
 Quantitativo: mostra as quantidades de materiais exigidos para a operação do processo;
 Detalhado/Combinado: mostra a localização de reguladores de temperatura e pressão, tanto quanto a localização de válvulas controladoras e instrumentos especiais, sendo que cada parte do equipamento é mostrada e designada por um código numérico.
2.3. Descrição de Um Problema
Uma conservadora companhia de petróleo foi recentemente reorganizada e a nova gerência decidiu que a companhia deveria diversificar as operações dentro da área petroquímica se ela deseja competitividade. A divisão de pesquisa da companhia sugeriu que uma área promissora seria o desenvolvimento e produção de detergentes sintéticos biodegradáveis usando alguns dos hidrocarbonetos intermediários atualmente disponíveis na refinaria. Uma pesquisa da divisão de mercado indicou que a companhia poderia esperar obter 2,5% do mercado de detergentes se uma planta com produção anual de
15 milhões de kg fosse construída. O grupo de desenho foi instruído a proceder primeiro com um desenho preliminar e uma estimativa de custos atualizada para uma produção de detergente não-biodegradável similar.
2.3.1. Pesquisa Literária Uma pesquisa na literatura revela que a maioria dos detergentes não- biodegradáveis são sulfatos de alquilbenzenos (ABS). Existem diversos esquemas para a produção do "ABS". A grande parte destes são variações do
processo de produção do dodecilbenzeno sulfonato de sódio, que é mostrado na Figura 1.
Figura 1 – Diagrama de fluxo qualitativo para a produção do dodecilbenzeno sulfonato de sódio (Fonte: TIMMERHAUS, 1991).
As reações básicas que ocorrem no processo são de alquilação, sulfonação e neutralização, respectivamente mostradas abaixo.
A literatura indica que os rendimentos de 85 a 95% foram obtidos na alquilação, enquanto que no processo de sulfonação são de 100% e na neutralização, tem-se no mínimo 95%.
As condições de operação para este processo descriminados na
literatura variam de alguma forma em relação ao processo escolhido.
escolhido para a produção do
biodegradável é essencialmente contínuo, embora os passos de alquilação, sulfonação e neutralização são semicontínuos.
As provisões para possíveis paralisações para reparos e manutenção são incorporadas ao design do processo, especificando a operação da planta para 300 dias por ano. Supondo um rendimento de 90% na alquilação e que o produto sulfonado de dodecilbenzeno de sódio seja 85% ativo com 15% de sulfato de sódio como inerte, o balanço de massa fica:
Balanço de enxofre:
O balanço de massa mostrado na Figura 1 pode ser moldado a fim de determinar uma base diária de massa no processo, ilustrado na Figura 2.
Figura 2 – Diagrama de fluxo quantitativo para a produção do dodecilbenzeno sulfonato de sódio (Fonte: TIMMERHAUS, 1991).
Após feito um balanço de massa completo, os valores quantitativos de massa são usados para calcular os balanços de energia em cada equipamento.
2.3.1.2. Escolha e o Design do Equipamento
O design do equipamento para a avaliação preliminar do processo envolve a determinação do tamanho do equipamento (em termos de volume), fluxo por unidade de tempo, ou área superficial.
Para a escolha de um volume para um determinado reator, assume-se primeiramente o tempo de operação e as condições de operação. Recomenda- se adicionar 10% no volume devido ao chamado "fator de segurança".
Para a escolha de um determinado trocador de calor, utilizam-se conceitos de termoquímica e termodinâmica para determinar a área de troca térmica.
Para os tanques de armazenamento, é necessário saber o tempo em que o produto permanecerá nos tanques. Com isso, calcula-se o volume necessário.
Após escolhido cada equipamento e suas características, cria-se uma tabela detalhando os equipamentos. Vide exemplo na Tabela 1.
Tabela 1 – Especificações dos equipamentos utilizados na alquilação (Fonte: TIMMERHAUS, 1991).
A Figura 3 mostra um diagrama de equipamentos simplificado para o processo proposto e inclui o tamanho específico ou a capacidade de cada parte do processo.
Figura 3 – Diagrama de equipamentos simplificado para a produção de dodecilbenzeno sulfonato de sódio (Fonte: TIMMERHAUS, 1991).
Estimando-se o preço dos equipamentos para a alquilação, cria-se uma outra tabela, representada pela Tabela 2.
Tabela 2 – Estimativa do preço dos equipamentos para a alquilação (Fonte: TIMMERHAUS, 1991).
equipamentos para as outras áreas do processo, como consta na Tabela 3, porém este método empregado apresenta um erro de aproximadamente 30%.
Tabela 3 – Estimativa do custo dos equipamentos de todo o processo (Fonte: TIMMERHAUS,
Após estimado o custo de todos os equipamentos do processo, é hora de estimar o custo de capital de investimento, ou seja, toda a quantia a ser investida na empresa, seja na parte operacional, seja na parte administrativa, na parte de equipamento, no terreno, nas contas e etc. Esta estimativa encontra-se na Tabela 4.
Tabela 4 – Estimativa de investimento de capital fixo (Fonte: TIMMERHAUS, 1991).
2.4. Comparação de Processos Diferentes
Os seguintes itens devem ser considerados em comparações:
 Fatores técnicos:
a. flexibilidade do processo;
b. operação contínua;
c. controles especiais envolvidos;
d. eficiência comercial;
e. dificuldades técnicas envolvidas;
f. exigências de energia;
g. possibilidades de desenvolvimentos futuros;
h. saúde e segurança.
 Matérias-primas:
a. disponibilidade presente e futura;
b. exigência de processamento;
c. capacidade de estocagem;
d. problemas com manuseio de materiais.
 Subprodutos:
a. quantidade produzida;
b. valor;
c. potencial de mercado e usos;
d. maneiras de descartes;
e. aspectos ambientais.
 Equipamentos:
b. material de construção;
c. custos iniciais;
d. custos de instalação e manutenção;
e. exigências de reposições;
f. desenhos especiais.
 Localização da planta:
a. quantidade de terra necessária;
b. facilidades de transportes;
c. mercado consumidor próximo e recursos de matérias-primas
 Custos:
disponibilidade de serviços e energia;
disponibilidade laboratorial;
outros custos fixos;
necessidades laboratoriais;
estado real;
direitos e patentes;
 Fator tempo:
a. finalização do projeto;
b. necessidade de desenvolvimento do processo;
c. tempo de mercado;
d. valor do dinheiro.
 Considerações do processo:
a. disponibilidade tecnológica;
b. matérias-primas comuns com outros processos;
c. consistência do produto com a companhia;
d. objetivos gerais da companhia.
2.5. Design e Especificações dos Equipamentos
Para desenvolver e apresentar uma planta completa, na qual possa operar com uma eficiência industrial, o engenheiro químico deve ser capaz de combinar as características de vários equipamentos em uma única planta operacional.
O engenheiro que está desenvolvendo o design de um processo deve aceitar a responsabilidade de preparar as especificações para cada equipamento. A importância da correta escolha dos materiais dos equipamentos deve ser conhecida.
2.5.1. Scale-up no Design Quando dados precisos não são disponíveis na literatura, recomenda- se criar uma planta piloto para poder adquirir os dados para os equipamentos da planta. Os resultados destes testes devem ser redimensionados à capacidade da planta. Esse redimensionamento (que geralmente é para aumentar) é denominado scale-up.
Na Tabela 6 do capítulo 2 do livro Plant Design And Economics For Chemical Engineers, escrito por TIMMERHAUS, apresenta uma análise de fatores importantes de scale-up e design de equipamentos a partir de uma planta piloto.
2.5.2. Fatores de Segurança
Cada equipamento utilizado na planta tem sua respectiva função, na qual caso alguma incerteza governa algum equipamento, aplica-se o fator de segurança.
2.5.3. Especificações
O engenheiro químico pode não ser um perito em todos os tipos de equipamentos utilizados em plantas industriais, porém pode muito bem utilizar
a sabedoria alheia.
Antes de se comunicar com o fabricante, o engenheiro deve avaliar as necessidades do design e preparar um documento demonstrando a especificação primária para o equipamento em vista, na qual deva contar com:
 Materiais suportados;
 Dados básicos de desenho;
 Requisitos de isolamento;
 Tolerâncias permitidas;
 Informações especiais e detalhes pertinentes ao equipamento em particular, como material de construção, instalação, data de entrega necessária, suporte, e outros comentários importantes. Um exemplo deste documento para as especificações de um trocador de calor é mostrado na Figura 4.
Figura 4 – Folha de especificações para trocadores de calor (Fonte: TIMMERHAUS, 1991).
2.5.4. Materiais de Construção Os efeitos de corrosão e erosão devem ser considerados no design dos equipamentos e da planta. A resistência química e as propriedades físicas dos materiais de construção são importantes para a escolha do design do equipamento, devendo ser resistentes à ação corrosiva.
[1] TIMMERHAUS, K. D.; PETERS, M. S.; Plant Design And Economics For Chemical Engineers; 4 th edition; McGraw-Hill; United States of America.