E DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS

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DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS 
 
 
 Conhecidas as vazões a serem trabalhadas na indústria, a partir das 
considerações feitas para a realização dos balanços, realiza-se o 
dimensionamento dos equipamentos que irão operar dentro da planta. Todos 
os equipamentos possuem especificações que devem ser atendidas, bem 
como limites de operação que devem ser mantidos, fazendo-se assim 
necessário o dimensionamento correto a fim de evitar-se perdas futuras com 
defeitos ou subrendimento. 
 Alguns equipamentos são essenciais dentro de uma indústria química, 
pois farão o transporte e armazenamento de matérias-primas e produtos, bem 
como intermediários. Entre eles, destacam-se as bombas (para transporte de 
líquidos), os compressores (para transporte de gases), e os tanques-pulmão 
(para armazenagem entre processos). 
 Para a indústria de hélio e hidrogênio, se fará o dimensionamento dos 
três equipamentos essenciais citados acima, bem como o dimensionamento do 
reator forno, do leito catalítico de segunda geração, do trocador de calor e dos 
distribuidores de gás hélio. 
 
 
1. Compressores 
 
 O compressor dimensionado está posicionado na entrada do processo 
principal de produção de hélio, empregando-se um compressor centrífugo para 
tal. A coluna de destilação de alta pressão demanda uma pressão de 5,5 MPa 
para a operação ter um bom rendimento, na qual o gás natural irá entrar à 25ºC 
e à uma vazão de 3,79x106 ton/ano. 
 A partir desses dados, assumindo as propriedades do gás natural como 
sendo as do metano, o dimensionamento é feito a partir da vazão volumétrica 
(3969,83 m³/min), obtendo-se dados de pressão e temperatura crítica do 
metano, para determinação do fator de compressibilidade (Z). Tendo-se tais 
valores para as condições de entrada e saída, calcula-se a potência necessária 
para que o compressor realize a operação de transporte e compressão pela 
equação (03) abaixo. 
 
𝑃𝑜𝑡 = −
1
𝜂
ω𝐴
𝑀
𝑘
𝑘 − 1
𝑅𝑇𝐴 [(
𝑃𝑑
𝑃𝑎
)
𝑘−1
𝑘
− 1] (
𝑍𝑎 − 𝑍𝑑
2
) (03) 
 
 Obteve-se, então, uma potência necessária de 408 HP para a realização 
da compressão e transporte do gás natural até a coluna de destilação. 
 
 
 
2. Bombas 
 
 Outro equipamento essencial, a bomba é empregada no transporte da 
etanolamina até o purificador da corrente de gás natural. A bomba mais 
empregada nesse transporte é a bomba centrífuga. A partir da vazão 
empregada de 1,36 x104 ton/ano de etanolamina, assumindo um rendimento de 
81%, para uma altura de elevação de 30 metros, calculou-se a potência da 
bomba pela equação (04). 
 
𝑃𝑜𝑡 =
𝜔𝛾𝐻𝑜
𝜂
 (04) 
 
 Obteve-se, pela equação, uma potência necessária de 21,2 HP para a 
operação de transporte da etanolamina. 
 
3. Tanque-pulmão 
 
 O dimensionamento do tanque-pulmão se dá a partir da vazão de 
entrada e da vazão de saída, ambas de 1,04 x107 ton/ano. Escolhe-se a 
autonomia do tanque (1 dia), a pressão de operação (19,73 atm), e a 
temperatura de armazenamento (-110ºC). A partir desses dados, aplica-se a 
equação (05) para o dimensionamento. 
 
𝑉𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 =
𝜔𝐸𝑅𝑇
𝑀𝑃
 (05) 
 
 Obteve-se um volume necessário de 4,39 x105 m³ de volume para o 
armazenamento necessário. Para diminuir os custos, recomenda-se a 
montagem de um banco de tanques, arbitrando-se o emprego de 15 tanques-
pulmão menores. Assim, cada tanque menor terá um volume de 2,93 x104 m³. 
Arbitrando-se uma altura de 25 m, o diâmetro empregado deverá ser de 39 m. 
 
4. Trocador de calor 
 
 Um equipamento recorrente na produção de hidrogênio e hélio é o 
trocador de calor. Dentre todos os necessários, escolhe-se o trocador de calor 
de resfriamento da corrente de gás após a primeira geração de hidrogênio. 
Dessa forma, tem-se que a corrente de entrada do trocador está a 900ºC, 
enquanto que, na saída, deve-se estar à 30ºC. Considerando-se o resfriamento 
por água, que variará entre 25 e 100ºC antes e depois do trocador, tem-se uma 
temperatura média logarítmica de 797,718 K. 
 Considerando-se um coeficiente global de troca térmica de 150 W/m².ºC, 
e sabendo-se da demanda de 3,55 x105 W de retirada de energia, calcula-se a 
área de troca térmica necessária pela equação (06). 
 
𝐴 =
𝑄
𝑈∆𝑇𝑚𝑙𝑑𝑡
 (06) 
 
 Obteve-se, assim uma área de troca térmica necessária de 2,97 m² para 
o resfriamento da corrente de hidrogênio e gás de síntese saída do reator. 
 
5. Reator forno 
 
 O parâmetro de dimensionamento do reator forno é o seu tamanho, ou 
seja, o volume necessário para a reação. A partir da conversão desejada de 
57%, e tendo-se uma vazão molar de entrada de 2,18 x108 kmol/ano, obtém-se 
a concentração de entrada do reagente limitante (o metano). Sabendo-se que a 
velocidade específica de reação é 0,5, ter-se-á uma velocidade de reação de 
1,15 kmol/m³.min no reator. Pela equação (07), faz-se o dimensionamento do 
reator PFR empregado. 
 
𝑉 =
𝐹𝐴0𝑥
𝑘𝐶𝐴0
2(1 − 𝑥)2
 (07) 
 
 Por fim, obteve-se que o volume necessário para a reação de geração 
de hidrogênio alcançar 57% de conversão é de 108,44 m³. 
 
6. Leito catalítico de segunda geração 
 
 Após sair do reator forno e ser resfriada, a corrente passa por um leito 
catalítico, para a segunda geração de hidrogênio. A partir da conversão 
desejada de 70%, da vazão de 1,24 x108 kmol/ano, obtém-se a concentração 
inicial, que, juntamente com a velocidade específica de reação de 0,5, obtém-
se a velocidade de reação de 0,371 kmol/m³.min. Assim, aplica-se a equação 
(08) para dimensionamento do reator de leito fluidizado. 
 
𝑊 =
𝐹𝐴0𝑥
𝑘′𝐶𝐴0
2 (1 − 𝑥)2
 (08) 
 
 Obteve-se, então, uma massa de catalisador necessária de 234,11 
toneladas/ano para a reação ser bem sucedida. O volume necessário irá 
depender da porosidade do material a ser utilizado na coluna como catalisador. 
 
 
 
7. Distribuidor de hélio 
 
 O distribuidor de hélio será empregado para dividir a corrente de hélio 
puro entre a armazenagem em tanques, em caminhões e em gasodutos para 
esocamento. A partir da vazão de entrada de 1,44 x105 ton/ano de hélio, ter-se-
á uma vazão de 27,44 m³/s. Estipulando-se que 5 m³/s serão distribuídos para 
os tanques, e que a autonomia será de 1 dia, calcula-se o volume dos 
reservatórios pela equação (09). 
 
𝑉 = ∆𝑣 ∗ 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 (09) 
 
 Obteve-se, assim, um volume necessário de 2,11 x105 m³, os quais 
serão distribuídos entre 10 tanques de igual tamanho. Assim, para tanques de 
2,11 x104 m³, estipulando-se 30 m de altura, o tanque deverá ter 29,92 m de 
diâmetro.