Trabalho Cinetica 1 corrigido

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PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE MINAS GERAIS
Curso de Graduação em Engenharia Química
Caroline Aparecida Souza Soares
Gabriela Lara Ferreira
Guilherme Coutinho Ferreira Gomes
Ivo Miguel Vieira
Lucas Scalioni de Souza
Mounib Tarmago Assis Mendes de Castro
TRABALHO DE CINÉTICA DE REATÓRES I
Dimensionamento de reatores para produção de amônia
Belo Horizonte
2021
Caroline Aparecida Souza Soares
Gabriela Lara Ferreira
Guilherme Coutinho Ferreira Gomes
Ivo Miguel Vieira
Lucas Scalioni de Souza
Mounib Tarmago Assis Mendes de Castro
TRABALHO DE CINÉTICA DE REATÓRES I
Dimensionamento de reatores para produção de amônia
Trabalho apresentada ao Curso de Graduação em Engenharia Química da Pontifícia Universidade Católica de Minas Gerais, como requisito para a aprovação na disciplina de Cinética de Reatores I 
Orientador(a): Dra. Laura Hamdan de Andrade
Área de concentração: Engenharia
Belo Horizonte
2021
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO	5
2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO ESTUDADO	6
3. CRITÉRIOS DE CÁLCULO	8
3.1 Dados do processo	8
3.1.1 Capacidade de produção da planta escolhida	8
3.1.2 Parâmetros operacionais da etapa de reação	8
3.2 Cinética da reação escolhida	8
4. CONDIÇÕES DE SEGURANÇA OPERACIONAL	10
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS	12
1. INTRODUÇÃO
A amônia é um dos produtos de vasta aplicação na produção industrial moderna, sendo um composto produzido através de uma mistura de nitrogênio e hidrogênio em um reator em temperatura controlada e com altas pressões. (CHAGAS, 2006). 
Em 1908 Fritz Haber patenteou um processo catalítico a alta pressão, o qual combinava nitrogênio atmosférico e gás hidrogênio. Após cinco anos, Carl Bosch e sua equipe estudaram, em escala industrial o processo de Haber e construíram a primeira fábrica de amônia. Com isso Haber-Bosch desenvolveram a técnica mais utilizadas para a produção desse produto (CARVALHO, 2016).
O consumo da amônia produzida anualmente em geral, está dividida nas seguintes aplicações: Aproximadamente 10% é utilizado na fabricação de plásticos e fibras sintéticas; 5% na fabricação de explosivos, como a nitrocelulose, a nitroglicerina, nitrato de amônio e o trinitrotolueno (TNT) e os outros 85%, é aplicado na produção de fertilizantes (CARVALHO, 2016).
O Brasil é considerado um dos mais imponentes produtores agrícolas do mundo, com isso, a produção de fertilizantes para o país é de extrema importância e relevância. No território brasileiro, pode-se encontrar algumas fontes onde possuem uma vasta quantidade de compostos importantes para a produção desse insumo agrícola, como por exemplo o solo territorial, o mesmo possui uma vasta reservas de fósforo e potássio, (elementos utilizados como matérias-primas na produção de fertilizantes fosfatados e potássicos) e o pré-sal, nessa reserva petrolífera, encontra-se fontes básicas para a realização de compostos nitrogenados. Com isso a promoção e a ampliação de fertilizantes no Brasil tornam-se bem vantajosas (COSTA, et. al., 2012). 
Com o levantamento das informações sobre a produção da amônia, o presente trabalho tem como finalidade dimensionar um reator para produção de amônia líquida, e incorporar posteriormente o composto produzido em fertilizantes para uma possível empresa estudada.
2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO ESTUDADO
O processo de produção de amônia utilizado é conhecido como processo de Haber-Bosch, desenvolvido em 1900 na Alemanha. O processo consiste na combinação química dos gases hidrogênio e nitrogênio (reação 1) a alta temperatura e alta pressão na presença de um catalizador, sendo o mais utilizado o Ferro (RIBEIRO, 2013).
			N2 + 3H2↔2NH3 			 (1)
O gás hidrogênio utilizado no processo é obtido a partir do processo de reforma a vapor do gás metano (reações 2 e 3), alternativamente pode ser obtido a partir da eletrólise da água. O gás nitrogênio utilizado é o atmosférico. A reação direta (1) é de natureza exotérmica e para que não haja aumento expressivo da temperatura, são usados trocadores de calor no processo (RIBEIRO, 2013).
			CH4+H2O↔CO+H2				(2)
			CO + H2O↔CO2 + H2			(3)
 	O gás natural passa por dessulfurização, em seguida é adicionado vapor à corrente gasosa e a mistura resultante é encaminhada para o reformador primário, onde ocorre as reações 2 e 3, posteriormente, o gás segue para o reformador secundário para redução da fração molar de CH4 ainda presente (10 a 12%) para menos de 1%. Após o reformador, a mistura gasosa segue para o reator shift de alta temperatura (HTS), para redução da fração molar de CO presente (10%) para entre 2 e 3% . Na saída do reatore shift tem-se uma fração molar de CO2 aproximada de 18%, a qual pode ser parcialmente eliminada por adsorção química ou física.(CARVALHO, 2016)
	Por fim, após as etapas de purificação, tem-se a realização do processo de enfoque do presente trabalho, descrito pela Reação 1. O princípio de Le Chatelier determina que, quanto maior a pressão, maior deslocamento no sentido da contração do volume, assim, o equilíbrio da reação desloca-se no sentido de formação dos produtos . Dessa forma, para que uma maior eficiência seja atingida, o processo deve ser realizado com pressões elevadas e a uma temperatura mais baixa possível, uma vez que temperaturas muito baixas reduzem a velocidade da reação. Para que tais condições favoráveis sejam alcançadas, os gases purificados H2, N2 mais os inertes são comprimidos até atingir alta pressão e aquecidos, para posterior alimentação de um reator catalítico.(CHAGAS, 2007)
	Após o término da reação, tem-se a separação de NH3 pelos diferentes pontos de ebulição dos componentes resultantes (amônia, dinitrogênio e di-hidrogênio). O produto de interesse é condensado e os gases que ainda não reagiram são recirculados para uma maior eficiência do processo, uma vez que a conversão em amônia por passe no reator é de aproximadamente 20% (RIBEIRO, 2013).
Figura 1 – Fluxograma do processo de produção da amônia
Fonte: Próprio autor, 2021.
3. CRITÉRIOS DE CÁLCULO
3.1 Dados do processo
Os dados utilizados no presente trabalho foram baseados na produção de amônia, na qual seria instalada uma planta de produção do produto na Fábrica de Fertilizantes Nitrogenados (Fafen), localizada Camaçari – BA (PETROBRAS, 2021).
3.1.1 Capacidade de produção da planta escolhida
Foi Assinado, no dia 21/11/2019 o arrendamento das fábricas de fertilizantes nitrogenados da Bahia (Fafen-BA) para a empresa Proquigel Química S.A, que terá o controle das unidades por um período de dez anos, renováveis por mais dez (PETROBRAS, 2019).
A Fafen-BA é uma unidade de fertilizantes nitrogenados com capacidade de produção total 900.000 t/ano amônia (PETROBAS, 2021).
3.1.2 Parâmetros operacionais da etapa de reação
O sistema, foi simulado com os seguintes parâmetros, de acordo sobre o projeto da Fafen-BA (AMARO, 2014): 
· Temperatura: variam de 380 a 500 °C;
· Pressão: 148kgf/cm²;
· Catalisadores a base de ferro;
Em relação aos catalisadores, seu uso não irá afetar o equilíbrio da reação, somente irá aumentar a velocidade da reação para se atingir o equilíbrio, permitindo que possam ser utilizadas temperaturas menores (SARTORE, 2014).
3.2 Cinética da reação escolhida
O primeiro modelo cinético para a síntese de amônia, o qual ainda é considerado o mais utilizado encontra-se na equação de TEMEKIN e PYZHEV (1940). Esse modelo teve como base a etapa determinante da reação a adsorção do nitrogênio atômico (CARVALHO, 2016).
	Com a seguinte equação modelo (CARVALHO, 2016):
 (1)
	Onde: 
· Kd=constante de taxa de reação direta=1,78954x104 e-20800/(RT)(kmol/m³ hora)
· Kr=constante de taxa de reação reversa=2,5714x1016 e-47400/(RT) (kmol/m³ hora)
· rNH3=taxa de reação (kmol/m³ hora)
· α= 0,5 (para o catalisador de Ferro)
· P=Pressão parcial de cada componente (bar)
· T= Temperatura (Kelvin)
· R=Constante universal dos gases= 1,987 cal K-1 mol-1
· Composição da alimentação: 75% de gás Hidrogênio () (1,97 ) e 25% degás Nitrogênio () (0,66 ), com contaminação de cerca de 0,3% mol de argônio na corrente de reciclo (SARTONE, 2014).
Como produtos deste sistema são gerados 3670 de amônia quente (29,6ºC e 27,02 ) e 29,4 de amônia fria (-33,6ºC e 1,02 ), ambos com pureza acima de 99% de amônia (SARTONE, 2014).
Partindo desses princípios, calcularam-se as concentrações iniciais de cada reagente, como abaixo:
4. CONDIÇÕES DE SEGURANÇA OPERACIONAL
O Hidróxido de Amônia ou Amônia (NH3), é um gás sintetizado industrialmente a partir do Nitrogênio (N) e do Hidrogênio (H). Este método é conhecido como (processo Haber-Bosch) e é fundamental para a fabricação de produtos agrícolas como por exemplo os fertilizantes e para a indústria da refrigeração industrial (CONFOR, 2021). Já o Hidróxido de Amônio (NH4OH) é uma substância obtida a partir da reação entre Amônia Anidra (NH3) e água, com pressão e temperatura controladas. Essas substâncias tem efeitos negativos para a saúde humana, como por exemplo sufocamento e irritação nas mucosas se exposto a um determinado período de tempo (MORSCH, 2020).
Apesar da ampla gama de aspectos positivos e usabilidade da amônia, o processo e a armazenagem trazem também riscos pois a amônia liquefeita sob pressão em locais de refrigeração quando liberada no ambiente sem a intenção, transforma-se em um aerossol, que é uma mistura de líquido e de vapor, transformando-se em hidróxido de amônia. Em contato com o ar, a amônia se transforma em uma espécie nevoa e pode se deslocar através de uma fábrica inteira ou até mesmo para além dela, se tornando ameaça aos trabalhadores e para as pessoas aos arredores. Portanto a existência da segurança do trabalho e das boas práticas em industrias e fabricas é de suma importância para preservar o bem estar de todos aqueles que tem contato com esse processo de produção, em questão do hidróxido de amônia e garantir que os mesmos estejam protegidos e possam exercer suas funções com tranquilidade e proteção (MORSCH, 2020).
O conceito de risco se baseia em medidas de perda econômica e ou de danos à vida humana, resultante da combinação entre as frequências de ocorrência e a magnitude das perdas e danos. Todos os riscos da atividade devem ser levados em consideração e atualizados com constância para que todas as medidas de controle sejam conhecidas e colocadas em prática por todos envolvidos no processo de manuseio da amônia (NH3). Afim de evitar essa combinação de situações indesejadas (MORSCH, 2020).
Existe também o que chamamos de NR (normas regulamentadoras). As normas regulamentadoras foram criadas para proteger os funcionários durante o expediente de trabalho e devem ser aplicadas por todas as empresas do Brasil. Neste contexto, é papel da medicina ocupacional orientar empregadores e empregados a fim de garantir a saúde e a segurança no ambiente de trabalho. No caso do processo industrial da amônia, duas normas regulamentadoras podem ser citadas a NR36 E A NR15, onde a NR36 vêm exigir das indústrias, a implementação de maior controle na operação dos sistemas de refrigeração por amônia, para fins de evitar danos e riscos aos trabalhadores, o que já correu em épocas anteriores. Dentro dos maiores riscos observados são as precauções no manuseio da amônia e o tratamento das causas de possíveis vazamentos do líquido usado para refrigeração. A Normativa NR 15 também deve ser consultada e é importante na relação de limites de exposição ao gás amônia durante o período de trabalho (MORSCH, 2020).
Portanto para evitar danos aos trabalhadores e a vizinhança, é necessário que exista sempre a manutenção dos equipamentos, máquinas e afins para evitar situações de risco. Além de treinamento devido os colaboradores para manuseio do maquinário, armazenagem, protocolos e normas a serem seguidos em cada etapa dos processos. Treinamentos para uma possível situação de emergência. Uso obrigatório de EPI (equipamento de proteção individual) e EPC (equipamento de proteção coletiva) também de forma correta se faz necessário. Sendo importante o cumprimento diário das medidas e normas regulamentadoras estabelecidas para que o resultado de tais medidas seja satisfatório e eficaz para a proteção de todos (MORSCH, 2020).
5. DIMENSIONAMENTO DE REATORES IDEAIS (BATELADA, CSTR, PFR)
A seguir serão apresentados os cálculos referentes ao dimensionamento dos reatores batelada, CSTR e PFR (nas formas integral e diferencial) para produção de amônia em escala industrial, de acordo com os dados citados anteriormente.
5.1 Cálculo da alimentação e saída dos reatores
	Anteriormente, determinou-se que a produção diária de amônia seria de 900000 toneladas (1500.106 g/dia).
Os cálculos seguintes foram feitos considerando o N2 como reagente limitante, segundo a Reação 1.
 (1)
· Vazões molares de entrada
Tomando 
 		 	 (4)
em que , representa os coeficientes estequiométricos de cada espécie e (conversão determinada anteriormente), tem-se:
2
Substituindo , e na Equação 4, calculou-se :
Para calcular a vazão molar de entrada de H2, fez-se a seguinte proporção, de acordo com as frações molares de entrada, também já determinadas anteriormente ( e ):
 ----- 0,25
 ----- 0,75
· Vazões molares de saída:
Calcularam-se as vazões de saída de nitrogênio e hidrogênio, de acordo com a Equação 4:
5.2 Reator batelada
5.3 Reator CSTR
5.4 Reator PFR
5.4.1 Cálculo através da equação de projeto na forma integral
Para o cálculo do volume do meio reacional:
	
Neste caso, assumiu-se um fator de segurança de 10% para o cálculo do volume do reator PFR.
Para o cálculo do tempo de residência, primeiramente calculou-se a vazão volumétrica, em :
Em seguida, substituíram-se dividiu-se o valor do volume do meio reacional pela vazão volumétrica:
· Volume do meio reacional: 1,2.1011 L
· Tempo de reação: 1.368 min
5.4.2 Cálculo através da equação de projeto na forma diferencial
	Como calculado anteriormente, a velocidade de reação do consumo do reagente limitante é dada por:
 (10)
Para o cálculo do volume do meio reacional para um reator PFR através da equação de projeto na forma diferencial, utilizou-se o método de Euler:
Considerando
Considerando um incremento , pelo método de Euler, encontrou-se uma aproximação do volume do meio reacional, com o auxílio de uma planilha no Excel.
Também se assumiu um fator de segurança de 10% para o cálculo do volume do reator PFR.
Quanto ao tempo de residência, utilizou-se a Equação 13:
· Volume do meio reacional aproximado: 290.103 L
· Volume do reator aproximado: 319.103 L ou 320.103 L
· Tempo de residência aproximado: 1,9 min
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
AMARO, R. A INFLUÊNCIA DOS FATORES HUMANOS NA UTILIZAÇÃO DOS PROCEDIMENTOS OPERACIONAIS EM UMA EMPRESA PETROQUÍMICA.
 (Salvador): UFBA 2014. Disponível em: <https://repositorio.ufba.br/ri/bitstream/ri/16991/1/RICARDO%20AMARO%20-%2005%20de%20outubro%20%20final.pdf>. Acesso: 7 de março de 2021.
CARVALHO, MARIANA. Análise de desempenho de um reator de síntese de amônia. Rio de Janeiro: Dissertação (Mestrado em Engenharia Química), Universidade Federal do Rio de Janeiro, pag 99, 2016.
CHAGAS, A. P. A síntese da amônia: Alguns aspectos históricos. Campinas: Quím. Nova, vol.30 no.1, 2007. Disponível em: <http://repositorio.unicamp.br/bitstream/REPOSIP/202432/1/S0100-40422007000100039.pdf >. Acesso em 7 de março de 2021.
CONFOR. Gás de amônia em ambientes industriais. São Paulo: Quím. 2021. Disponível em: <https://www.confor.com.br/upload/produtos/itens/amonia%20news_2018111495014.pdf>. Acesso em 7 de março de 2021.
COSTA, L. M; SILVA, M. F. O. A indústria química e o setor de fertilizantes. (S.I): BNDES, Biblioteca digital, 2012. Disponível em: <https://web.bndes.gov.br/bib/jspui/bitstream/1408/2025/1/A%20indústria%20qu%C3%ADmica%20e%20o%20setor%20de%20fertilizantes_P_A.pdf>. Acesso: 7 de março de2021.
MORSCH. J. A. Normas Regulamentadoras (NR): Guia completo. (S.I), 2020. Disponível em <://telemedicinamorsch.com.br/blog/guia-completo-com-as-principais-normas-regulamentadoras>. Acesso 14 de Março. 2021.
PETROBRAS. Fertilizantes nitrogenados. (S.I): Audiência pública, Comissão de agricultura e reforma agrária do Senado Federal, 2009. Disponível em: < http://www.senado.leg.br/comissoes/CRA/AP/AP20090414_Dr_Fernando_Fernandes_Martinez.pdf>. Acesso em 9 de março de 2021.
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PETROBRAS. Arrendamos fábricas de fertilizantes nitrogenados na Bahia e em Sergipe por dez anos. (SI): 2019. Disponível em: <https://petrobras.com.br/pt/nossas-atividades/principais-operacoes/fabricas-de-fertilizantes/fabrica-de-fertilizantes-nitrogenados-fafen.htmAcesso: 7 de março de 2021.
RIBEIRO, D. Processo haber-bosch. (S.I): Revista de ciência elementar, vol. 1, n. 1, 2013. Disponível em: <https://www.fc.up.pt/pessoas/jfgomes/pdf/vol_1_num_1_26_art_processoHaberBosch.pdf>. Acesso: 7 de março de 2021.
SARTONE, P. E. Otimização energética de uma planta de produção de amônia. (Rio de Janeiro): Dissertação de Mestrado, UFRJ, 2014. Disponível em: < http://tpqb.eq.ufrj.br/download/otimizacao-energetica-de-uma-planta-de-producao-de-amonia-ufn-v.pdf>. Acesso: 7 de março de 2021.
TEMKIN, M. I; PYZHEV, V. Kinetics of the synthesis of ammonia on promoted iron catalysts. Zhur. (S.I): Fiz. Khim, v. 13, p. 851-867, 1939.
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