I PROJETO FINAL - PLANTA DE HIDROGÊNIO E HÉLIO

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UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ 
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PLANEJAMENTO E PROJETO DE UMA INDÚSTRIA DE HIDROGÊNIO E 
HÉLIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TOLEDO/PR 
2016 
 
 
 
UNIVERSIDADE ESTADUAL DO OESTE DO PARANÁ 
CENTRO DE ENGENHARIAS E CIÊNCIAS EXATAS 
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA 
 
 
 
MATHEUS PIASECKI 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
PLANEJAMENTO E PROJETO DE UMA INDÚSTRIA DE HIDROGÊNIO E 
HÉLIO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TOLEDO/PR 
2016 
Trabalho entregue como requisito parcial 
de avaliação da disciplina de 
Planejamento e Projeto na Indústria 
Química do curso de Engenharia 
Química da Universidade Estadual do 
Oeste do Paraná – Campus Toledo. 
 
Prof. Dr. Camilo Freddy Moreira Morejón 
 
 
 
SUMÁRIO 
 
LISTA DE FIGURAS .......................................................................................... 1 
LISTA DE TABELAS .......................................................................................... 2 
RESUMO............................................................................................................ 3 
ESTUDO DE MERCADO ................................................................................... 4 
1. Mercado fornecedor. ................................................................................ 4 
2. Mercado consumidor. ............................................................................... 5 
3. Mercado concorrente. ............................................................................... 6 
4. Mercado substituto. .................................................................................. 8 
5. Capacidade da planta. .............................................................................. 8 
PROJETO DO PROCESSO ............................................................................... 9 
BALANÇOS DE MASSA E ENERGIA .............................................................. 13 
DIMENSIONAMENTO DE EQUIPAMENTOS .................................................. 18 
1. Compressores. ....................................................................................... 18 
6. Bombas. ................................................................................................. 19 
7. Tanque-pulmão. ..................................................................................... 19 
8. Trocador de calor. .................................................................................. 19 
9. Reator forno............................................................................................ 20 
10. Distribuidor de hélio............................................................................. 20 
EDIFICAÇÕES INDUSTRIAIS ......................................................................... 21 
1. Localização............................................................................................. 21 
11. Tamanho da edificação industrial. ....................................................... 21 
PROJETO DE ESTRUTURAÇÃO .................................................................... 26 
1. Projeto da edificação em três dimensões. .............................................. 26 
2. Projeto das instalações elétricas. ........................................................... 28 
OTIMIZAÇÃO ................................................................................................... 31 
1. Otimização do trocador de calor. ............................................................ 31 
2. Otimização do leito catalítico. ................................................................. 34 
3. Otimização do tanque pulmão. ............................................................... 35 
ANÁLISE DOS ASPECTOS ECONÔMICO-FINANCEIROS ............................ 37 
1. Métodos de investimento de capital. ...................................................... 38 
2. Custo de operação. ................................................................................ 41 
 
 
3. Preço unitário de venda. ......................................................................... 41 
4. SAC. ....................................................................................................... 42 
5. Análises econômicas de viabilidade. ...................................................... 42 
CONCLUSÃO ................................................................................................... 44 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ................................................................. 45 
 
1 
 
LISTA DE FIGURAS 
 
 
Figura 1: Mapa dos gasodutos de gás natural no Brasil. (Fonte: ABEGÁS, 
2016). .......................................................................................................... 5 
Figura 2: Localização das refinarias de petróleo brasileiras. (Fonte: 
Petrodelta, 2006). ........................................................................................ 6 
Figura 3: Principais plantas e distribuidoras da White Martins no Brasil 
(Fonte: Google Maps, 2016). ...................................................................... 7 
Figura 4: Principais plantas e distribuidoras da Air Liquide no Brasil. (Fonte: 
Google Maps, 2016). ................................................................................... 7 
Figura 5: Fluxograma geral da produção de hélio e hidrogênio. ................. 9 
Figura 6: Fluxograma das etapas globais do processo produtivo de 
hidrogênio e hélio. ..................................................................................... 10 
Figura 7: Fluxograma qualitativo detalhado do processo produtivo de 
hidrogênio e hélio. ..................................................................................... 11 
Figura 8: Fluxograma detalhado dos equipamentos no processo produtivo 
de hélio e hidrogênio. ................................................................................ 12 
Figura 9: Volumes de controle para os balanços de massa: (a) Preparação 
do gás natural; (b) Destilação criogênica do hélio; (c) Leito de purificação 
para retirada de enxofre; (d) Reator forno; (e) Leito catalítico de segunda 
geração; (f) Purificação do hélio cru. ......................................................... 14 
Figura 10: Volumes de controle para os balanços de energia. (a) 
Resfriamento para destilação criogênica; (b) Aquecimento para purificação 
do hélio cru; (c) Aquecimento para retirada de enxofre; (d) Aquecimento 
dentro do reator forno; (e) Resfriamento para segunda geração de H2. ... 17 
Figura 16: Exemplo de planta tridimensional de uma indústria de 
hidrogênio projetada em software. (Fonte: 3DPlanta.com) ....................... 27 
Figura 17: Exemplo de planta tridimensional de uma indústria de 
hidrogênio e hélio projetada em software. (Fonte: 3DPlanta.com) ............ 28 
Figura 18: Exemplo de projeto de instalações elétricas. (Fonte: Vectro 
Automação). .............................................................................................. 29 
Figura 19: Exemplo de projeto de instalações elétricas em três dimensões 
(Fonte: VIP Projetos e Instalações). .......................................................... 30 
 
 
 
2 
 
LISTA DE TABELAS 
 
Tabela 1: Composição média do gás natural. ........................................... 13 
Tabela 2: Balanço de massa no volume de controle (a), em ton/ano. ...... 14 
Tabela 3: Balanço de massa no volume de controle (b), em ton/ano....... 15 
Tabela 4: Balanço de massa no volume de controle (c), em ton/ano. ....... 15 
Tabela 5: Balanço de massa no volume de controle (d), em ton/ano. ...... 16 
Tabela 6: Balanço de massa no volume de controle (e), em ton/ano. ...... 16 
Tabela 7: Balanços de energia realizados nos volumes de controle. ........ 17 
Tabela 8: Tamanho dos equipamentos empregados na planta. ............... 22 
Tabela 9: Lista de parâmetros e simbologia para o Trocador de Calor ..... 31 
Tabela 10: Parâmetros avaliados para otimização do leito catalítico ........ 34 
Tabela 11: Parâmetros para análise de otimização do tanque pulmão ..... 35 
Tabela 12: Tabela de SAC para 78 meses. .............................................. 42 
 
 
3 
 
RESUMO 
 
 De grande importância na indústria química em diversas reações, o gás 
hidrogênio possui aplicações em diversas áreas da engenharia, como na 
geração de energia e na engenharia aeroespacial. Empregado também na 
indústria química principalmente como refrigerante, o gás hélio é um gás 
bastante presente na indústria devido ao fato de ser inerte e leve. Dentre os 
diversos processos de produção de hidrogênio e hélio, o de maior destaque é 
pelo processamento do gás natural. Dessa forma, o presente trabalho tem 
como objetivo fazer o planejamento e projeto de uma planta industrial de 
hidrogênio e hélio. Para isso, fez-se o estudo dos aspectos técnicos e 
econômicos do processo produtivo de ambos os gases, detalhando-se o 
processo por meio de balanços de massa e dimensionamento de 
equipamentos e empregando-se métodos de estimativa de custos da planta, 
bem como o estudo da operacionalidade do processo. A partir de uma 
estimativa da demanda, determinou-se uma produtividade de 4,1 km³/ano de 
gás hidrogênio, estimando-se um capital fixo de investimento de 
aproximadamente US$ 47,8 milhões de dólares. Conclui-se ao final do trabalho 
que o processo é de baixa complexidade e fácil dimensionamento, porém 
demanda um alto custo de investimento. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 
 
 
ESTUDO DE MERCADO 
 
 O estudo primordial para o planejamento e projeto de uma indústria é o 
estudo de mercado. O estudo de mercado representa a análise completa da 
venda/transferência de um produto/serviço, investigando-se a respeito do 
fornecimento de matéria-prima, do mercado consumidor, da concorrência e do 
mercado substituto (ADLER, 1971). Assim, o estudo de mercado tem como 
objetivo conhecer, analisar e quantificar as oportunidades de vendas, bem 
como seus esforços. 
 
1. Mercado fornecedor. 
 
 Dentre os processos de produção de hidrogênio e hélio, o mais 
empregado em ambos os casos é a obtenção a partir do gás natural. O gás 
natural é um combustível fóssil formado por hidrocarbonetos leves (em sua 
maioria, o metano), encontrado no subsolo em rochas porosas, podendo estar 
associada ou não a reservas petrolíferas. No Brasil, a maioria das reservas de 
gás natural encontram-se no litoral (ABEGÁS, 2016). 
 Estimativas da Associação Brasileira das Empresas Distribuidoras de 
Gás Canalizado (ABEGÁS) indicam que as reservas de gás natural no Brasil 
permanecem em torno de 459 bilhões de metros cúbicos. Dados da ANP 
(2015) mostraram que o Brasil consumiu naquele ano 39,6 bilhões de metros 
cúbicos de gás natural, 6,34% a mais que no ano anterior, estimando-se ainda 
que o consumo de gás natural seguiria em alta. 
 Do gás natural consumido anualmente, aproximadamente 17,4 bilhões 
de metros cúbicos foram importados, sendo que 69% dessas importações são 
da Bolívia, diretamente pelo gasoduto Brasil-Bolívia, enquanto que o resto é 
importado na forma de GNL. Na via contrária, o Brasil exportou 90,5 milhões de 
metros cúbicos de gás natural liquefeito, principalmente para a Argentina (ANP, 
2015). 
 Segundo a ABEGÁS, atualmente encontram-se em operação no Brasil 
sete gasodutos transportadores de gás natural, além do gasoduto Brasil-
Bolívia. O mapa exposto na Figura 1 indica os gasodutos em operação, bem 
como os gasodutos em estudo e em implantação. A capacidade de transporte 
dos gasodutos variam entre 5,5 e 365 milhões de metros cúbicos por dia, 
dependendo da linha. 
 Dessa forma, a fim de diminuir-se os custos de transporte de matéria-
prima até a indústria, a localização ideal do ponto de vista do mercado 
fornecedor para uma indústria de hidrogênio e hélio é em uma cidade na qual 
passa-se algum gasoduto. 
 
 
5 
 
 
Figura 1: Mapa dos gasodutos de gás natural no Brasil. (Fonte: ABEGÁS, 2016). 
 
2. Mercado consumidor. 
 
 Segundo uma análise do Centro de Gestão e Estudos Estratégicos 
(CGEE, 2010), o mercado consumidor brasileiro de hidrogênio aproxima-se de 
920 mil toneladas por ano, sendo consumido principalmente por refinarias de 
petróleo, indústrias de fertilizantes e indústria alimentícia, além de siderúrgicas 
e indústrias de semicondutores. 
 Tendo então o hidrogênio uma grande aplicação na indústria, tem-se 
que o mesmo é demandado em diversos polos industriais ao longo do território 
brasileiro. Uma vez que o maior emprego do hidrogênio se dá em refinarias de 
petróleo (CGEE, 2010), estuda-se a localização das mesmas a fim de que a 
localização da planta de hidrogênio seja suficientemente perto do mercado 
consumidor, diminuindo assim custos de transporte. A Figura 2 indica as 
principais refinarias de petróleo do Brasil. 
 O gás hélio, por sua vez, tem sua aplicação voltada na mecânica, em 
soldagens de ligas de alumínio, aço inoxidável e magnésio; no teste de peças 
automotivas críticas; e como fluido refrigerante inerte. 
 Uma vez que ambos os gases são empregados em diversas indústrias, 
a demanda não representa um ponto crítico da análise de mercado por ter um 
mercado consumidor consideravelmente extenso ao longo do território 
nacional. 
6 
 
 
Figura 2: Localização das refinarias de petróleo brasileiras. (Fonte: Petrodelta, 2006). 
 
3. Mercado concorrente. 
 
 Atualmente, no Brasil, os principais produtores dos gases hélio e 
hidrogênio são a Praxair – White Martins e a Air Liquide. Ambas as empresas 
são multinacionais que operam em diversos países do mundo. No Brasil, estão 
localizadas principalmente na região de São Paulo e de Curitiba. A Figura 3 
indica a localização das principais plantas e distribuidoras da White Martins. 
 A Air Liquide possui plantas e distribuidoras em diversas cidades de São 
Paulo, Rio de Janeiro, Rio Grande do Sul, Paraná e Santa Catarina, além de 
algumas filiais no Nordeste e no Centro-Oeste. A matriz da Air Liquide localiza-
se na cidade de São Paulo (Air Liquide, 2016). A Figura 4 indica a localização 
das principais plantas e distribuidoras da Air Liquide. 
 Analisando-se o mercado geográfico, ambas as concorrentes estão 
localizadas nas regiões de maior demanda, ou seja, nas regiões aonde se tem 
a maior concentração de indústrias que aplicam hélio e hidrogênio em seus 
processos; dessa forma, o mercado geográfico pode ser dominado ao instalar-
se a indústria em uma região em que não se tem a presença forte de ambas as 
concorrentes. 
7 
 
 
Figura 3: Principais plantas e distribuidoras da White Martins no Brasil (Fonte: Google 
Maps, 2016). 
 
 
 
Figura 4: Principais plantas e distribuidoras da Air Liquide no Brasil. (Fonte: Google Maps, 
2016). 
 
 
8 
 
4. Mercado substituto. 
 
 O gás hidrogênio tem sua principal aplicação como reagente em 
diversas reações na indústria. Desta forma, o hidrogênio é insubstituível nesse 
setor da indústria química. Entretanto, a mudança do método produtivo em uma 
indústriaquímica pode eliminar o gás hidrogênio do seu processo, atuando de 
certa forma como um produto substituto. 
 Os principais substitutos do gás hélio são os demais gases nobres 
produzidos industrialmente, como o neônio e o argônio, uma vez que somente 
essa classe de gases são quimicamente inertes. Entretanto, tais gases não são 
tão leves quanto o gás hélio, sendo esta outra propriedade pelo qual o gás 
hélio é tão demandado na indústria. De fato, não existe outro gás que seja 
inerte e leve e que seja produzido em escala industrial, tornando o gás hélio um 
produto insubstituível em praticamente todas as suas aplicações. 
 
5. Capacidade da planta. 
 
 Tendo-se estudado os mercados fornecedor, consumidor, concorrente e 
substituto, faz-se uma estimativa da capacidade da planta de hidrogênio e hélio 
a ser projetada. A partir da demanda brasileira estimada de 920 mil toneladas 
por ano de gás hidrogênio, e estimando-se que a planta projetada neste 
trabalho procure cobrir 5% da demanda nacional, tem-se então que a 
capacidade da planta será de 46 mil toneladas por ano de gás hidrogênio. 
 Dentro dessa capacidade da planta, uma vez que o gás hélio pode ser 
extraído da corrente de gases de exaustão da produção de hidrogênio, projeta-
se a capacidade de produção de gás hélio a partir da capacidade do 
hidrogênio, utilizando-se para isso balanços de massa apropriados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
9 
 
PROJETO DO PROCESSO 
 
 Uma vez que os estudos de mercado realizados apontam a viabilidade 
do projeto, inicia-se o planejamento e projeto do processo produtivo. Dentro 
desta etapa, define-se qualitativamente o processo, a partir da entrada de 
matérias-primas, insumos, complementos e implementos; e da saída de 
produtos e de resíduos. 
 O processo de produção do hidrogênio se dá pela reforma do metano 
presente no gás natural, reagindo-o com vapor d’água para formar hidrogênio, 
tendo-se duas etapas de geração de hidrogênio. A produção do hélio se dá 
pela destilação criogênica do gás natural, retirando-se o hélio da corrente de 
alimentação. 
 Em uma planta de produção de hidrogênio e hélio, os processos 
empregados se utilizam da mesma matéria-prima: o gás natural. O processo 
produtivo de ambos, entretanto, empregam insumos diferentes. Na produção 
de gás hidrogênio, o principal insumo é o vapor d’água, empregado na reação 
de reforma, tendo-se ainda como complementos os recheios catalíticos dos 
leitos e as soluções para purificação. Na produção de gás hélio, não se tem 
insumos diretos participando do processo de produção, uma vez que o hélio é 
extraído da corrente de gás natural. Como complementos do processo, tem-se 
os recheios catalíticos e as substâncias empregadas na purificação das 
correntes de hélio no processo. 
 Como resíduos, os processos produtivos apresentam os demais gases 
presentes na corrente de gás natural, tais como nitrogênio e gás carbônico; 
reagentes não convertidos, como o vapor d’água; e enxofre elementar na forma 
sólida, precipitado no processo de purificação. A Figura 5 indica o fluxograma 
geral para a produção de hélio e hidrogênio. 
 
 
Figura 5: Fluxograma geral da produção de hélio e hidrogênio. 
 
10 
 
 Pode-se dividir o processo produtivo da indústria de hélio e hidrogênio 
em cinco etapas globais. Estas etapas envolvem a recepção da matéria-prima; 
o pré-tratamento e purificação da mesma; o processo produtivo principal, no 
qual há a conversão em produto; a finalização e acabamento do produto; e a 
embalagem, acondicionamento e expedição do produto final. A Figura 6 indica 
o fluxograma das etapas globais do processo produtivo. 
 
 
Figura 6: Fluxograma das etapas globais do processo produtivo de hidrogênio e hélio. 
 
 Dentro de cada etapa global, tem-se etapas individuais, pelas quais o 
gás natural passa até ser convertido em produtos, juntando-se os insumos e 
complementos em determinadas etapas. Na etapa global de recepção, o gás 
natural recepcionado via gasoduto passa por instrumentos de medida de 
vazão, para controle do processo, passando então pelo controle de qualidade, 
assim como os insumos e complementos. Antes de seguir no processo, tem-se 
o armazenamento em tanques-pulmão. 
 Na etapa de preparação e purificação, tem-se a retirada de 
componentes como o gás carbônico, o vapor d’água e os hidrocarbonetos mais 
pesados. Aqui, emprega-se tanto recheios catalíticos em leito fixo quanto a 
etanolamina em torres de absorção. Após essa etapa, os rejeitos do processo 
são direcionados à expedição, enquanto que a corrente purificada é 
armazenada em outro tanque-pulmão. 
 Dentro do processo produtivo principal, a produção do hélio ocorre antes 
que a do hidrogênio. A destilação criogênica separa uma corrente crua de hélio 
de outra contendo metano e nitrogênio. Enquanto que a corrente de hélio 
segue para a purificação final, a corrente de metano vai para a produção de 
hidrogênio. Antes de ser convertida em hidrogênio, a corrente passa por uma 
11 
 
retirada de enxofre, empregando-se soluções alcalinas, que é precipitado e 
expedido. O metano então sofre reforma ao misturar-se com vapor d’água, 
produzindo hidrogênio ao final do processo. 
 Ambas as correntes, tanto de hélio como a de hidrogênio, passam pela 
finalização e acabamento para serem purificadas, retirando as impurezas finais, 
tais como reagentes não convertidos, gás de síntese e demais componentes 
não interessantes ao processo. Por fim, pode-se armazenar ambos os gases 
tanto em tanques pressurizados quanto podem ser escoados diretamente por 
gasodutos. A Figura 7 demonstra o processo produtivo de hélio de hidrogênio 
de forma detalhada. 
 
 
Figura 7: Fluxograma qualitativo detalhado do processo produtivo de hidrogênio e hélio. 
 
 Considerando-se cada etapa, o fluxograma da Figura 8 detalha o 
processo produtivo a partir dos equipamentos empregados. Pode-se perceber 
que a maioria dos equipamentos estão na etapa principal do processo 
produtivo, uma vez que o mesmo é complexo e envolve diversas operações 
unitárias para a produção de hélio e hidrogênio. 
 Destaca-se na reforma do metano o emprego de dois equipamentos, 
para ter-se duas gerações. A primeira é por meio de um reator tubular 
aquecido, que segue para um leito catalítico, dessa forma aumentando a 
conversão em hidrogênio. Também destaca-se as duas colunas de destilação 
criogênica do hélio, sendo uma de alta pressão e outra de baixa pressão, para 
aumentar a eficiência na retirada de hélio. 
 
12 
 
Figura 8: Fluxograma detalhado dos equipamentos no processo produtivo de hélio e 
hidrogênio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
13 
 
BALANÇOS DE MASSA E ENERGIA 
 
 Depois de feita a análise qualitativa do processo produtivo, a partir dos 
fluxogramas desenvolvidos, faz-se então a análise quantitativa do processo de 
produção. Tal análise quantitativa é feita a partir dos balanços de massa e 
energia das etapas do processo global de produção. 
 Os balanços de massa e energia são equações que quantificam as 
entradas e saídas em um certo volume de controle, bem como a geração ou 
consumo de substâncias em outras, além do acúmulo de massa (ou energia) 
ao longo do tempo dentro de tal volume de controle. A equação base para o 
desenvolvimento dos balanços de massa e energia é a Equação 01. Esta 
equação equaliza os termos convectivos (entrada e saída) e os termos de 
geração com o acúmulo no sistema. 
 
𝐸 − 𝑆 ± 𝐺/𝐶 = 𝐴𝑐 (01) 
 
 Partindo da capacidade estimadade 920 mil toneladas/ano de gás 
hidrogênio, estima-se uma demanda de 3,79 milhões de toneladas/ano de gás 
natural. Desta quantidade de gás natural, estima-se ainda uma produção de 
14,4 mil toneladas/ano de gás hélio. A Tabela 1 mostra a composição média do 
gás natural, que será usada como base nos cálculos dos balanços. 
 
Tabela 1: Composição média do gás natural. 
Substância Percentual em massa 
Metano (CH4) 92,15 
Demais hidrocarbonetos 4,31 
Gás carbônico (CO2) 1,44 
Sulfeto de hidrogênio (H2S) 0,96 
Nitrogênio (N2) 0,77 
Hélio (He) 0,38 
Fonte: GásNet, 2016. 
 
 A partir do fluxograma qualitativo ilustrado na Figura 8, delimitou-se seis 
volumes de controle nos quais se fará os balanços de massa, expondo os 
volumes selecionados na Figura 9. Para facilitar-se os balanços de massa, as 
três sub etapas de preparação do gás natural foram aglomeradas em um 
volume de controle, bem como as duas colunas de destilação criogênica e o 
processo de purificação do hélio cru. Por outro lado, como tem-se reações 
químicas diferentes ocorrendo em cada equipamento, o processo de reforma 
do gás natural foi dividido em três volumes de controle. Nota-se que nenhum 
dos volumes de controle escolhidos possui acúmulo. 
14 
 
Figura 9: Volumes de controle para os balanços de massa: (a) Preparação do gás natural; 
(b) Destilação criogênica do hélio; (c) Leito de purificação para retirada de enxofre; (d) 
Reator forno; (e) Leito catalítico de segunda geração; (f) Purificação do hélio cru. 
 
 Fazendo-se o balanço para o volume de controle (a), tem-se a entrada 
do gás natural bruto como matéria-prima (Ea1), além de etanolamina para a 
retirada do gás carbônico (Ea2) e do carvão ativado empregado na coluna de 
leito fixo. Para a absorção do gás carbônico pela etanolamina, deve-se usar 1 
parte de etanolamina para cada 4 partes de CO2, em peso (BARBOSA, 2010).
 O recheio da coluna não segue um fluxo contínuo no processo, mas sim 
é trocado em certos períodos de tempo, de acordo com a capacidade de 
adsorção do mesmo. Assim, o mesmo não está incluído no balanço de massa. 
 Tem-se como saídas do volume de controle a corrente de gás natural 
tratado (Sa1), a corrente de etanolamina impregnada com gás carbônico (Sa2) e 
a corrente de hidrocarbonetos pesados que são retirados no leito (Sa3). No 
volume de controle, então, temos duas entradas e três saídas. A Tabela 2 
indica a composição de cada entrada e saída. 
 
Tabela 2: Balanço de massa no volume de controle (a), em ton/ano. 
Componente Ea1 Ea2 Sa1 Sa2 Sa3 
Global 3,79E+06 1,36E+04 3,57E+06 6,82E+04 1,63E+05 
CH4 3,49E+06 - 3,49E+06 - - 
H2S 2,92E+04 - 2,92E+04 - - 
N2 3,64E+04 - 3,64E+04 - - 
Hélio 5,46E+04 - 0,00E+00 5,46E+04 - 
CO2 1,44E+04 - 1,44E+04 - - 
Etanolamina - 1,36E+04 1,36E+04 - 
Hidrocarbonetos 
pesados 
1,63E+05 - 0,00E+00 - 1,63E+05 
 
15 
 
 Aplicando-se o balanço no volume de controle (b), tem-se uma única 
entrada, a da corrente de gás natural purificado provindo da purificação (Eb1), e 
duas saídas: a corrente de hélio cru (Sb1) e a corrente de metano que vai para 
a produção de hidrogênio (Sb2). A Tabela 3 indica as composições das 
correntes de acordo com os balanços de massa realizados. 
 
Tabela 3: Balanço de massa no volume de controle (b), em ton/ano. 
Componente Eb1 Sb1 Sb2 
Global 3,57E+06 3,56E+06 1,44E+04 
CH4 3,49E+06 3,49E+06 - 
H2S 2,92E+04 2,92E+04 - 
N2 3,64E+04 3,64E+04 - 
Hélio 1,44E+04 - 1,44E+04 
 
 No volume de controle (c), tem-se a entrada da corrente de gás natural 
provinda da produção do hélio (Ec1) como entrada principal, além da entrada 
das soluções alcalinas usadas para purificar a corrente (Ec2), na proporção 9:41 
em peso para o H2S (BARBOSA, 2010). Ao final do processo de purificação, 
tem-se a corrente de gás natural purificada (Sc1), a corrente de saída de 
solução alcalina impregnada com enxofre (Sc2). A Tabela 4 expõe a vazão 
global de cada corrente, bem como a composição mássica. 
 Para o volume de controle (d), a corrente provinda da purificação (Ed1) 
será misturada com vapor d’água proveniente de uma caldeira (Ed2), para então 
adentrar o reator tubular e formar hidrogênio. Dessa forma, além da corrente 
única de saída, contendo hidrogênio (Sd1), ter-se-á o termo de geração de 
hidrogênio e de monóxido de carbono, segundo a reação descrita abaixo. 
 
CH4 + H2O 3 H2 + CO 
 
Tabela 4: Balanço de massa no volume de controle (c), em ton/ano. 
Componente Ec1 Ec2 Sc1 Sc2 
Global 3,56E+06 7,97E+03 3,52E+06 4,44E+04 
CH4 3,49E+06 - 3,49E+06 - 
N2 2,92E+04 - 2,92E+04 - 
H2S 3,64E+04 - 0,00E+00 3,64E+04 
Solução 
alcalina 
- 7,97E+03 - 7,97E+03 
 
 A reação terá rendimento de aproximadamente 57%, ou seja, ainda se 
terá metano e vapor d’água presente na corrente de saída, além do nitrogênio, 
que é inerte nessa reação. A Tabela 5 indica as correntes, bem como as 
composições descritas. Nota-se que um valor negativo na corrente de geração 
denota que o componente está sendo consumido. 
 
 
 
16 
 
Tabela 5: Balanço de massa no volume de controle (d), em ton/ano. 
Componente Ed1 Ed2 Gd1 Sd1 
Global 3,52E+06 1,50E+07 - 1,85E+07 
CH4 3,49E+06 - -1,99E+06 1,50E+06 
N2 2,92E+04 - - 2,92E+04 
H2O vapor - 1,50E+07 -2,24E+06 1,28E+07 
H2 - - 7,47E+05 7,47E+05 
CO - - 3,48E+06 3,48E+06 
 
 Após a saída do reator forno, ainda há matéria-prima para uma segunda 
geração de hidrogênio. Dessa vez, o monóxido de carbono reagirá com água 
em uma reação reversível para formar hidrogênio e gás carbônico, com 
rendimento de aproximadamente 70%. A Tabela 6 expõe os valores das 
correntes calculadas no balanço de massa, assim com as composições. 
 
Tabela 6: Balanço de massa no volume de controle (e), em ton/ano. 
Componente Ed1 Gd1 Sd1 
Global 1,85E+07 - 1,85E+07 
CH4 1,50E+06 - 1,50E+06 
N2 2,92E+04 - 2,92E+04 
H2O vapor 1,28E+07 -1,57E+06 1,12E+07 
CO 3,48E+06 -2,44E+06 1,05E+06 
H2 7,47E+05 1,74E+05 9,21E+05 
CO2 - 3,83E+06 3,83E+06 
 
 Ao fim da produção de hidrogênio, tem-se o total de aproximadamente 
920 mil toneladas/ano estimadas como capacidade total da indústria. Por fim, o 
balanço de massa na purificação do gás hélio retira impurezas não 
contabilizadas neste trabalho, atingindo-se uma corrente com pureza de 99,9%, 
obtendo-se ao final do processo as 14,4 mil toneladas/ano de gás hélio 
estipuladas inicialmente operando à capacidade máxima. 
 Do aspecto energético, o processo de produção de hidrogênio e hélio é 
um dos mais dispendiosos, pois o processo global trabalha com temperaturas 
absolutas muito diferentes. Enquanto que na destilação criogênica do hélio, 
deve-se atingir temperaturas próximas de -100ºC, a reforma do gás natural 
demanda temperaturas acima de 700ºC para deslocar favoravelmente o 
equilíbrio. Assim, fez-se o balanço de energia nos equipamentos indicados na 
Figura 10. 
17 
 
Figura 10: Volumes de controle para os balanços de energia. (a) Resfriamento para 
destilação criogênica; (b) Aquecimento para purificação do hélio cru; (c) Aquecimento 
para retirada de enxofre; (d) Aquecimento dentro do reator forno; (e) Resfriamento 
para segunda geração de H2. 
 
 A equação empregada no balanço de energia é a Equação 02, descrita 
abaixo. A capacidade calorífica da corrente foi aproximada como sendo a do 
componente em maior quantidade. Assim, montou-se a Tabela 7 com os 
calores a serem adicionados/retirados de cada processo. 
 
𝑄 = �̇� 𝐶𝑝̅̅̅̅ (𝑇𝑠𝑎í𝑑𝑎 − 𝑇𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎) (02) 
 
 
Tabela 7: Balanços de energia realizados nos volumes de controle. 
V.C. 
T entrada 
(ºC) 
T saída 
(ºC) 
Cp médio 
(kJ/kgK) 
Vazão mássica 
(kg/ano) 
Calor 
(kJ/ano)(a) 25 -87 1,756 3,79E+09 -7,45E+11 
(b) -87 30 0,0052 1,44E+07 8,76E+06 
(c) -87 30 0,002232 3,56E+06 9,29E+05 
(d) 30 900 0,002232 3,56E+06 6,91E+06 
(e) 900 30 0,014 9,21E+05 -1,12E+07 
 
 Os valores negativos denotam retirada de calor do processo. Assim, 
percebe-se uma grande quantidade de calor necessária ao longo do processo 
produtivo, destacando-se o calor retirado na destilação criogênica e o calor 
adicionado no reator forno, ambos sendo o principal processo dentro da 
produção de hélio e hidrogênio, respectivamente. 
 
 
18 
 
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. 
 
 
 
 
19 
 
6. 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. 
 
7. 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. 
 
8. 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). 
 
20 
 
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. 
 
9. 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. 
 
10. 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 (08). 
 
𝑉 = ∆𝑣 ∗ 𝐴𝑢𝑡𝑜𝑛𝑜𝑚𝑖𝑎 (08) 
 
 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. 
 
 
 
 
 
 
21 
 
EDIFICAÇÕES INDUSTRIAIS 
 
 Depois de se ter dimensionado os equipamentos a serem instalados na 
indústria, conhecendo-se o tamanho de cada um dos equipamentos a serem 
instalados, o passo seguinte é definir a localização e o tamanho da edificação 
industrial. Nessa etapa, se dimensionará a área total da indústria de hélio e 
hidrogênio projetada neste trabalho, levando em conta os equipamentos 
empregados, as áreas administrativas, banheiros, entre outros. 
 
1. Localização 
 
 Antes de se projetar o tamanho da edificação industrial, deve-se definir a 
localização da indústria. Para isso, tem-se como base o estudo de mercado 
realizado previamente, onde se mapeou os fornecedores de matéria-prima, o 
mercado consumidor, o mercado concorrente e o mercado substituto. No 
estudo, percebeu-se que os dois fatores críticos para decisão da localização 
são relativos à matéria-prima e ao mercado concorrente. 
 A partir da localização e distribuição dos gasodutos no Brasil, percebe-
se que algumas cidades se destacam por possuírem algumas linhas passando 
diretamente por elas, nas quais o custo de transporte de matéria-prima até a 
indústria deve ser pequeno. 
 Analisando-se o mercado concorrente, destacam-seduas produtoras de 
hélio e hidrogênio em solo brasileiro, a White Martins e a AirLiquide. Ao 
mapear-se a localização de plantas e revendedoras de ambas as empresas, 
percebeu-se que as mesmas estão presentes em grandes centros industriais 
como São Paulo e Curitiba, bem como possuem plantas em pontos 
estratégicos de gasodutos. 
 Assim, a partir do estudo de mercado e das análises feitas, sugere-se 
que a localização da planta de hidrogênio e hélio projetada neste trabalho seja 
na cidade de Campinas/SP. Além de ser um ponto de bifurcação do gasoduto 
Brasil-Bolívia e de possuir um segundo gasoduto em implantação, a cidade não 
possui uma planta de produção de hidrogênio e hélio da White Martins 
presente (mas sim, uma revendedora), o que diminui a disputa com os 
concorrentes por mercado geográfico. 
 
11. Tamanho da edificação industrial. 
 
 Tendo-se a localização definida, monta-se o layout da edificação 
industrial que suportará a produção de hélio e hidrogênio. Partindo do tamanho 
dos equipamentos empregados, listados na Tabela 8, tem-se a noção do 
espaço requisitado para instalar todos os equipamentos. 
 
 
 
22 
 
Tabela 8: Tamanho dos equipamentos empregados na planta. 
Equipamento Área ocupada (m²) 
Reator forno 69,03 
Leito catalítico 7,07 
Distribuidores 703,06 
Trocador de calor 8,15 
Compressores 1,25 
Bombas 1,25 
Tanques-pulmão 1170,54 
 
 Devido ao alto volume de operação da planta, equipamentos como 
tanques-pulmão e distribuidores irão ocupar uma área extremamente grande 
da indústria. Estimando-se uma margem de segurança para a área dos 
equipamentos, necessária para evitar que equipamentos fiquem em contato 
uns com os outros, estima-se então uma área de aproximadamente 3 mil 
metros quadrados para instalação dos equipamentos. 
 A planta industrial deve conter ainda um prédio administrativo e um 
vestiário para os funcionários, bem como o laboratório de controle de 
qualidade. Analisando-se algumas plantas de indústrias, pode-se estimar uma 
área de 35 m² para banheiros/vestiários, 450 m² para o refeitório, 500 m² para a 
oficina mecânica e uma área total de 200 m² para a área administrativa. 
 Por fim, adiciona-se 10% da área total dos equipamentos para que haja 
espaçamento entre os mesmos, formando os corredores da planta. Há ainda a 
área de embarque e desembarque para caminhões e demais transportes que 
trazem matéria-prima e levam produtos e resíduos. Estima-se uma área total 
para embarque e desembarque de 100 m². 
 Assim, somando-se as áreas necessárias, a área total da planta de 
produção de hélio e hidrogênio deve conter 3760 m² de construção no total. O 
layout qualitativo está exposto na Figura 11, simbolizando as áreas da planta. A 
partir do layout qualitativo geral, faz-se as plantas do prédio administrativo, do 
refeitório, da oficina mecânica e da área de processo produtivo, expostos nas 
Figuras 12-15. 
 
23 
 
 
Figura 11: Layout qualitativo da planta de hidrogênio e hélio. 
 
 
Figura 12: Layout qualitativo da área administrativa. 
 
24 
 
 
Figura 13: Layout qualitativo do refeitório. 
 
 
Figura 14: Layout qualitativo do chão de fábrica. 
 
25 
 
 
Figura 15: Layout qualitativo da oficina mecânica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
26 
 
PROJETO DE ESTRUTURAÇÃO 
 
 Em complemento ao projeto da planta industrial em duas dimensões, 
faz-se o projeto da edificação industrial em três dimensões, utilizando para isso 
softwares de design, tais como o AutoCAD e o Sketch-Up. Para o projeto em 
três dimensões, faz-se necessário o estudo da altura do prédio industrial, bem 
como do volume requerido por cada equipamento, do tipo de telhado a ser 
instalado, e dos demais sistemas relacionados, como o sistema de ventilação e 
iluminação da planta. 
 O estudo das edificações industriais ainda contempla as instalações 
elétricas da planta, necessárias para fornecer energia ao maquinário, aos 
controladores, às luminárias e demais equipamentos elétricos empregados na 
planta. A instalação elétrica deve seguir padrões necessários para garantir a 
estabilidade da corrente que chega à indústria e que é alimentada em cada 
equipamento. Falhas elétricas e curtos circuitos podem causar desde queda da 
qualidade do produto por falha dos controladores, até grandes acidentes, 
devido ao sobrecarregamento do maquinário ou incêndios, no caso de faíscas 
serem geradas, ainda mais devido a presença do gás hidrogênio, altamente 
inflamável. 
 Apesar do estudo e dimensionamento da edificação industrial ter sido 
feita nesse trabalho, não é atribuição direta do engenheiro químico realizar tais 
estudos e implementá-los. Dentro do planejamento e projeto de uma indústria 
química, outros engenheiros e técnicos são necessários, os quais possuem 
maiores conhecimentos em certas áreas. No caso das edificações industriais, o 
engenheiro químico trabalha em conjunto com engenheiros civis e elétricos, 
entre outros, os quais serão responsáveis pelo dimensionamento e 
implementação da planta em três dimensões e pela instalação elétrica da 
planta. Cabe ao engenheiro químico, nessa etapa do projeto, fornecer aos 
engenheiros responsáveis os dados necessários para tais instalações. 
 
1. Projeto da edificação em três dimensões. 
 
 Tendo-se como base a planta projetada em duas dimensões, o passo 
seguinte para o projeto das edificações industriais é o dimensionamento em 
três dimensões do espaço físico da indústria. Na planta de hidrogênio e hélio, 
deve-se levar em conta a altura dos equipamentos empregados, principalmente 
as colunas de destilação e os leitos de purificação empregados, bem como 
demais equipamentos. Conforme observado no dimensionamento dos 
equipamentos, os tanques-pulmão a serem empregados ocupam boa parte do 
espaço, tanto em área de base como em altura, para que possa armazenar 
matérias-primas e produtos conforme a utilização dos mesmos. A tubulação 
também deve ser avaliada no estudo em três dimensões, uma vez que a 
mesma não permanece todo o percurso de transformação da matéria-prima 
27 
 
fixo no chão. Em equipamentos como as colunas, a tubulação deve ser elevada 
para que a injeção da alimentação seja feita na altura apropriada. 
 O presente trabalho não tem como objetivo realizar o dimensionamento 
em três dimensões da planta, uma vez que compete ao engenheiro civil tal 
estudo. A formação do engenheiro civil permite que o mesmo possa projetar 
edificações em três dimensões, empregando softwares computacionais, 
eliminando a necessidade de o engenheiro químico realizar tal tarefa. As 
Figuras 16 e 17 demonstram exemplos do dimensionamento em três 
dimensões da planta industrial. 
 
 
Figura 16: Exemplo de planta tridimensional de uma indústria de hidrogênio projetada em 
software. (Fonte: 3DPlanta.com) 
 
 Assim, cabe ao engenheiro químico fornecer os dados necessários ao 
engenheiro civil durante a realização dessa etapa, tais como a altura de todos 
os equipamentos, desníveis da tubulação necessários, bem como a altura 
necessária entre os equipamentos e o telhado para garantir a segurança do 
local. 
28 
 
 
Figura 17: Exemplo de planta tridimensional de uma indústria de hidrogênio e hé lio 
projetada em software. (Fonte: 3DPlanta.com) 
 
 
2. Projeto das instalações elétricas. 
 
 Outro projeto importante na etapa das edificações industriais é o de 
instalações elétricas. Os maquinários envolvidos, os controladores do 
processo, bem como luminárias e demais equipamentos eletrônicos, 
necessitam de energia elétrica para o seufuncionamento. Assim, se faz 
necessário que as linhas de transmissão de energia estejam bem distribuídas 
ao longo da planta, de maneira que não se sobrecarregue o sistema. Deve-se 
avaliar também a voltagem requerida, para que o dimensionamento seja feito 
corretamente, evitando sobrecarregamento da rede de fornecimento. 
 Outro ponto importante é como as linhas de transmissão serão 
instaladas fisicamente na planta, devendo seguir normas para a instalação 
apropriada. Dessa forma, a instalação correta das linhas de energia elétrica 
garante o funcionamento adequado do equipamento e evita acidentes, 
causados por falhas, desgaste das linhas ou por curtos-circuitos. Tais 
acidentes podem ir desde o desvio na qualidade do produto, causado por falha 
nos controladores, até risco de incêndios e explosões, causados por faíscas 
em contato com gases inflamáveis, como o hidrogênio e o gás natural. 
 De mesmo modo que o projeto tridimensional, o projeto de instalações 
elétricas não compete diretamente ao engenheiro químico. O profissional mais 
capacitado para fazer tal dimensionamento é o engenheiro elétrico, que possui 
em sua formação conhecimentos aprofundados em linhas de transmissão, 
estudo das tensões elétricas e conhecimento das normas de segurança em 
29 
 
instalações elétricas. As Figuras 18 e 19 trazem exemplos de projetos de 
instalações elétricas. 
 
 
Figura 18: Exemplo de projeto de instalações elétricas. (Fonte: Vectro Automação). 
 
 Assim, cabe ao engenheiro químico fornecer ao engenheiro responsável 
pelas instalações elétricas os dados necessários para o projeto. Tais dados 
incluem a potência necessária para a operação de cada equipamento, bem 
como a voltagem e a corrente requerida pelos mesmos, além dos valores 
críticos de tensão e corrente, nos quais o equipamento apresentará mal 
funcionamento, bem como a disposição dos equipamentos ao longo da planta, 
para que as linhas sejam bem distribuídas. 
30 
 
 
Figura 19: Exemplo de projeto de instalações elétricas em três dimensões (Fonte: VIP 
Projetos e Instalações). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
31 
 
OTIMIZAÇÃO 
 
 Somente dimensionar os equipamentos e projetar as edificações 
industriais não garante que o projeto seja totalmente viável. Além dos aspectos 
técnicos envolvidos, deve-se levar em conta no dimensionamento dos 
equipamentos o custo total deles, tal que esse custo seja minimizado de forma 
a atingir um maior lucro. 
 Assim, a partir das dimensões características dos equipamentos 
dimensionados para a indústria de hélio e hidrogênio deste trabalho, bem como 
dos custos totais relacionados à construção/compra, funcionamento e 
manutenção dos mesmos, faz-se a otimização do design do maquinário. A 
técnica utilizada na otimização envolve a relação entre o custo de materiais e 
energia necessários para o funcionamento do equipamento e as equações de 
projeto dos mesmos, desenvolvidas anteriormente. Assim, desenvolvendo-se 
as relações, encontra-se uma equação de otimização, a partir da qual se faz o 
dimensionamento do equipamento, analisando-se tanto o viés técnico quanto o 
viés econômico. 
 
1. Otimização do trocador de calor. 
 
 Os parâmetros avaliados e a simbologia atribuída encontram-se na 
Tabela 9. 
 
Tabela 9: Lista de parâmetros e simbologia para o Trocador de Calor 
PARÂMETROS UNIDADE SIMBOLOGIA 
Custo Total R$ CT 
Custos Variáveis R$ CV 
Custos Fixos R$ CF 
Custo do material do sapecador R$/m² CS 
Custo do material isolante R$/m² CI 
Custo energético do sapecador R$/kW CE 
Custo de instalação/manutenção R$/h CM 
Calor KW/h Q 
Coeficiente de condução do T.C W/(m·K) ks 
Coeficiente de condução do isolante W/(m·K) ki 
Coeficiente de convecção interna W/(m2K) hi 
Coeficiente de convecção externa W/(m2K) he 
Área externa do T.C m² Ae 
Área interna do T.C m² Ai 
Área do material do T.C m² A 
Área do isolante m² Ais 
Espessura do T.C m es 
Espessura do isolante m ei 
32 
 
 
 No caso do Trocador de Calor, objetivando uma redução de custos, 
optou-se pela otimização do isolante térmico; a variável analisada será o 
número de camadas (N). 
 A equação do custo total (CT) pode ser descrita como: 
𝐶𝑇 = 𝐶𝑉 + 𝐶𝐹 (
10) 
Onde, 
𝐶𝐹 =
(𝐶𝑆 ∗ 𝐴)
𝑡𝑠
+ (𝐶𝑀) +
𝐶𝐼 ∗ 𝐴𝑖𝑠 ∗ 𝑁
𝑡𝑢
 
 
 
 
(
11) 
𝐶𝑉 = 𝐶𝐸 ∗ 𝑄 ∗ 𝑡 (
12) 
 
Pela definição de calor, tem-se que: 
𝑄 =
𝑇𝑖 − 𝑇𝑒
1
𝐴𝑖 ∗ ℎ𝑖 +
𝑒𝑠
𝐴𝑖 ∗ 𝑘𝑠 +
1
𝐴𝑒 ∗ ℎ𝑒 +
𝑒𝑖 ∗ 𝑛 + 𝑒𝑖
𝐴𝑖𝑠 ∗ 𝑘𝑖
 
(
13) 
 
Sabe-se que: 
𝐴𝑖𝑠 = 𝜋 ∗ (𝐷 + 𝑛. 𝑒𝑖 + 𝑒𝑖) ∗ 𝐿 (
14) 
 
Substituindo (14) em (13): 
𝑄 =
𝑇𝑖 − 𝑇𝑒
1
𝐴𝑖 ∗ ℎ𝑖 +
𝑒𝑠
𝐴𝑖 ∗ 𝑘𝑠 +
1
𝐴𝑒 ∗ ℎ𝑒 +
𝑒𝑖 ∗ 𝑛 + 𝑒𝑖
𝜋 ∗ (𝐷 + 𝑛. 𝑒𝑖 + 𝑒𝑖) ∗ 𝐿 ∗ 𝑘𝑖
 
(
15) 
 
Define-se então a função objetivo para o Trocador de Calor: 
𝐶𝑇(𝑁) = (
𝑇𝑖 − 𝑇𝑒
1
𝐴𝑖 ∗ ℎ𝑖 +
𝑒𝑠
𝐴𝑖 ∗ 𝑘𝑠 +
1
𝐴𝑒 ∗ ℎ𝑒 +
𝑒𝑖 ∗ 𝑛 + 𝑒𝑖
𝜋 ∗ (𝐷 + 𝑛. 𝑒𝑖 + 𝑒𝑖) ∗ 𝐿 ∗ 𝑘𝑖
) ∗ 𝐶𝐸
∗ 𝑡 +
(𝐶𝑆 ∗ 𝐴)
𝑡𝑠
+ (𝐶𝑀) +
𝐶𝐼 ∗ 𝐴𝑖𝑠 ∗ 𝑁
𝑡𝑢
 
 
 
(
16) 
Tempo de operação h t 
Tempo de vida útil do material do T.C Anos ts 
Tempo de vida útil do material isolante Anos tu 
Número de camadas do isolante N 
Temperatura Interna °C Ti 
Temperatura Externa °C Te 
Comprimento do T.C m L 
33 
 
Com a finalidade de se encontrar o custo mínimo aplica-se a derivada à 
função objetivo e iguala-se a zero: 
𝑑𝐶𝑇
𝑑𝑁
= 0 
(
17) 
 
O resultado obtido através do software Maple® é: 
 
 
18) 
 
A resolução da equação consiste em isolar N, já que os demais 
parâmetros são conhecidos: 
(
19) 
 
Por fim, substitui-se a variável N encontrada na equação (13) e 
respectivamente no balanço de massa e/ou energia. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
34 
 
2. Otimização do leito catalítico. 
 
Os parâmetros avaliados e a simbologia atribuída encontram-se na Tabela 
2. 
 
Tabela 10: Parâmetros avaliados para otimização do leito catalítico 
 
No caso da peneira, objetivando uma redução de custos, optou-se pela 
otimização do diâmetro do reator. 
 Para os custos fixos tem-se que: 
 
𝐶𝐹 = 𝐶𝑀𝑎 ∗ 𝑉 + 𝐶𝐸 ∗ 𝐸 ∗ 𝑡 + 𝐶𝑆 ∗ (𝜋 ∗ 𝐷) ∗ 𝐿 + 𝐶𝑀 (
20) 
 
Já para os custos variáveis tem-se: 
 
𝐶𝑉 = 𝐶𝐶 ∗ 𝑘 ∗ 𝑄𝑒 ∗ 𝑉² ∗ 𝑡 
 
 𝑉 = 𝜋 ∗
𝐷2
4
∗ 𝐿 
(
21) 
 
(
22) 
 
 
 
 
 
 
 
PARÂMETROS UNIDADE SIMBOLOGIA 
Custo Total R$ CT 
Custos Variáveis R$ CV 
Custos Fixos R$ CF 
Custo do material do leito catalítico R$/m² CS 
Custo do material do leito R$/m² CMa 
Custo energético do leito R$/kW CE 
Custo de instalação/manutenção R$ CM 
Energia elétrica gasta kW/h E 
Vazão de entrada no leito m³/h Qe 
Vazão de saída do leito m³/h Qs 
Comprimento do Leito m H 
Tempo de operação h t 
Tempo de vida útil do leito Anos ts 
Capacidade do leito m-6 V 
Custo do material que entra no leito R$/m³ CC 
35 
 
Substituindo na equação (10) tem-se: 
 
𝐶𝑇 = 𝐶𝑀𝑎 ∗ (𝜋 ∗
𝐷2
4
) + 𝐶𝐸 ∗ 𝐸 ∗ 𝑡 + 𝐶𝑆 ∗ (𝜋 ∗ 𝐷) ∗ 𝐿 + 𝐶𝑀
+ 𝐶𝐶 ∗ 𝑘 ∗ 𝑄𝑒 ∗ 𝜋 ∗
𝐷2
4
∗ 𝐿 
 
(
23) 
 
Derivando em função do diâmetro e igualando a 0 utilizando o programa 
Maple® e isolando D tem-se: 
 
 (24) 
 
Resolve-se a equação, e ao encontrar um novo balanço de massa, 
substitui-se então no balanço de massa. 
 
3. Otimização do tanque pulmão. 
 
Para otimização do tanquepulmão, os parâmetros avaliados estão na 
Tabela 3: 
 
Tabela 11: Parâmetros para análise de otimização do tanque pulmão 
 
PARÂMETROS UNIDADE SIMBOLOGIA 
Custo Total R$ CT 
Custos Variáveis R$ CV 
Custos Fixos R$ CF 
Custo unitário do tanque R$/m³ C 
Custo de Instalação R$ CI 
Custo de enchimento unitário R$/m³ CE 
Vazão de entrada do tanque m³/h Qe 
Vazão de saído do tanque m³/h Qs 
Altura do tanque m H 
Capacidade de armazenamento m³ V 
Diâmetro do tanque m D 
Quantas vezes preencheu-se o tanque N 
Tempo de vida útil anos tvu 
Tempo de utilização h tu 
Tempo de enchimento h te 
Fator de utilização h B 
36 
 
Definiu-se os custos variáveis e fixos como: 
 
𝐶𝐹 = ( 𝜋 ∗
𝐷2
4
∗ 𝐻) ∗ 𝐶 ∗
𝑡𝑢
𝑡𝑣𝑢
+ 𝐶𝐼 
𝐶𝑉 = (𝐻 ∗ 𝜋 ∗
𝐷2
4
) ∗ 𝑁 ∗
𝐵
𝑡𝑒
∗ 𝐶 
(
25) 
 
(
26) 
 
 
Substituindo tudo em (10) tem-se: 
𝐶𝑇 = ( 𝜋 ∗
𝐷2
4
∗ 𝐻) ∗ 𝐶 ∗
𝑡𝑢
𝑡𝑣𝑢
+ 𝐶𝐼 + (𝐻 ∗ 𝜋 ∗
𝐷2
4
) ∗ 𝑁 ∗
𝐵
𝑡𝑒
∗ 𝐶 
(
27) 
 
Derivando a função do custo total em função do diâmetro, igualando a 
zero e isolando D, tem-se: 
 
𝑑𝐶𝑇
𝑑𝐷
= ( 𝜋 ∗
𝐷
2
∗ 𝐻) ∗ 𝐶 ∗
𝑡𝑢
𝑡𝑣𝑢
+ 𝐶𝐼 + ( 𝜋 ∗
𝐷
2
∗ 𝐻) = 0 
(
28) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
37 
 
ANÁLISE DOS ASPECTOS ECONÔMICO-FINANCEIROS 
 
 Para que seja feita a implementação da indústria, primeiramente é 
necessário um planejamento de como essa implementação será realizada. 
Para exemplificar a etapa de planejamento da implementação fez-se o 
cronograma de implementação da saúde e segurança: 
 
1) Verificar o espaço necessário entre os prédios para que no caso de 
incêndio seja possível a passagem do caminhão de bombeiros; 
2) Na etapa de edificação dos prédios, certificar-se de que as saídas de 
emergência estão de acordo com a legislação vigente. 
3) Verificar as normativas com relação ao número e tipo de extintores de 
incêndio necessários; 
4) Compra dos extintores de incêndio e materiais de primeiro socorro; 
5) Instalação dos extintores de incêndio em pontos estratégicos pré 
definidos no projeto de saúde e segurança; 
Planejamento para operação da coluna de absorção: 
1) Ligar a balança uma hora antes do início do seu uso; 
2) Acessar o painel de controle digitando a senha de seis dígitos “679807”; 
3) Verificar o funcionamento das câmeras dianteiras e traseiras na área da 
balança por meio de vídeo; 
4) Fazer a calibração automática acessando o menu “Calibrate”; 
5) Para a pesagem, esperar que o caminhão se posicione e desligue o 
motor; e então verifica-se o peso e o mesmo é salvo no sistema; 
 
 Antes que uma planta industrial entre em operação, uma grande 
quantidade de dinheiro deve ser fornecida para a compra e instalação de 
equipamentos e maquinários. Além de capital adicional, para o pagamento de 
adicionais durante a operação da planta. 
 O capital necessário para suprir os custos relacionados a instalações da 
planta é chamado de capital fixo de investimento enquanto que o capital 
necessário para a operação da planta é chamado de capital de investimento 
operacional. 
 
 Capital de investimento operacional: É o capital necessário para a 
operação da planta. 
 Capital de investimento fixo: É o capital necessário para a construção da 
planta, assim como suas despesas. 
 
O capital fixo é dividido entre duas classes: 
• Custo direto 
• Custo indireto 
 
 
38 
 
Custo direto 
 
 Os itens de custo direto estão incluídos na construção da planta em 
adicional no custo dos equipamentos: 
 
• Compra de equipamentos; 
• Instalação de equipamentos; 
• Instrumentação de controle; 
• Encanamentos; 
• Equipamentos e instalações elétricas; 
• Construção; 
• Despesas de serviço; 
• Despesas de localização e terreno. 
 
 Custos indiretos 
 
• Projeto e Engenharia; 
• Despesas de funcionários; 
• Salário de funcionários; 
• Orçamento e despesas eventuais. 
 
1. Métodos de investimento de capital. 
 
 Vários métodos são aplicados para se obter o capital de investimento. A 
escolha do método depende dos fatores conhecidos. Nesse trabalho utilizou-se 
o Método da Porcentagem de Equipamentos Entregues. 
Esse método requer a determinação da porcentagem de equipamentos 
entregues. O custo de compra dos equipamentos é a base, a grosso modo, 
para se estimar o capital de investimento. Geralmente esse método é utilizado 
para estimar, visto que esse valor varia de acordo com a construção da planta. 
Para cada equipamento: 
 
COLUNA DE ABSORÇÃO: 
 
Custo de estágios (pratos): 
*Custo de 1 prato = 360 $ 
Material= 1.1 (ferro fundido) 
Custo corrigido/prato = 360 X 1.1 = 399.6$ 
Custo de 10 pratos = 10 X 399.6 = 3996$ 
Custo da coluna: 
Para 1m de Diâmetro: 
*Custo = 18000$ 
Material = 1.5 (for SS) 
Pressão = 1.1 
39 
 
Custo de compra para a coluna = 1.1 x 1.5 x 18000= 29700$ 
Total de custo da coluna = 29700 + 3996 = 33696$ 
 
COLUNA DE DESTILAÇÃO CRIOGÊNICA 
 
Cost of trays: 
Cost of one tray = 400$ 
Material factor = 1.065 (for Carbon Steel) 
Corrected cost per tray = 400x1.065x426 = 
Cost of 15 trays = 15x426x426 = 6390$ 
Cost of column: 
For D = 1m 
Cost = 18000$ 
Material correction factor = 1.5 (for SS) 
Pressure factor = 1.1 
Purchased cost for column = 1.1x1.5x18000= 29700$ 
Total column cost = 29700+3690 = 36090$ 
 
REATOR FORNO 
Cost of catalyst: 
Cost of 90% Pt, 10% Rh = 11257 x0.9 + 29907 x 0.1 = 13122 $ / kg 
Weight of catalyst = 11.8 kg 
Cost = 13122 x 11.8 = 154839.6$ 
Reactor Head Cost: 
Cost in 1977 = 7777.77$ 
Cost in 2005 = 89720.96$ 
Custo total = 154839.6+89720.96 = 244560.56$ 
6. CUSTO DA CALDEIRA 
Cost in 1977 = 34839.68$ 
Costin 2006 = 374958.54$ 
7. CUSTO DO EVAPORADOR DE AMÔNIA: 
Cost in 1977 = 22222.22 $ 
Cost in 2006 = 238805.96$ 
8. TURBINA A GÁS 
Cost in 1977 = 236185.73$ 
Cost in 2006 = 2542951.9$ 
9. COMPRESSOR 
Cost in 1977 = 409618.57$ 
Cost in 2006 = 4409618.56$ 
 
 
 
 
 
40 
 
CONDENSADOR 
 
Heat transfer area = 30.23 m 
2 
Pressure factor = 1.0 
Type factor = 0.8 
Material of construction: 
Shell and tubes = stainless steel 
Base cost = 30000$ 
Actual cost = 30000x 0.8 x 1.0 = 24000$ 
Its the cost in 1992 
Cost is 2006 = 27443.28$ 
Total Equipment Cost =7981300.8$ 
 
CUSTOS DIRETOS 
 
Purchased equipment cost = 7981300.8$ 
Purchased equipment installation = 0.47 7981300.8 = 3751211.3$ 
Instrumentation & Process Control = 0.12 7981300.8 = 957756.0$ 
Piping (installed) = 0.66 7981300.8 =5267658.5$ 
Building (Including Services) = 0.18 7981300.8 = 1436634.1$ 
Yard improvements = 0.1 7981300.8 = 798130.0$ 
Service facilities (installed) = 0.7 7981300.8 = 5586910.5$ 
Land = 0.06 x 7981300.8 = 478878.0$ 
Total direct plant cost =26258479.24$ 
 
CUSTOS INDIRETOS 
 
Engg & Supervision = 0.33 7981300.8 = 2633829.2$ 
Construction expenses = 0.41 7981300.8 = 3272333.3$ 
Total Indirect Cost = 5906162.5$ 
Total Direct & Indirect Cost = 32164641.77$ 
Contractor’s fee = 0.05 32164641.77 = 1608232.08$ 
Contingency = 0.1 32164641.77 = 3216464.17$ 
 
CAPITAL FIXO DE INVESTIMENTO 
 
Fixed Capital Investment = Total direct + indirect cost + contingency + 
Contractor’s fee 
= 36989338.02$ 
Total capital investment = F.C.I + W.C 
 
W.C = 0.15 (T.C.I) 
= 0.15(36989338.02 + W.C) 
41 
 
=(5548400.703/0.85) 
= 65275530.239 $ 
 
CAPITAL TOTAL DE INVESTIMENTO LÍQUIDO = 43516868.26$2. Custo de operação. 
 
Valor de depreciação: 
d=(V –Vs)/n 
Onde 
V=36989338.02$ 
Vs=5%V 
n=10 anos 
d= 3513987.112$ 
Custo de material cru: 
Para 1 M.T Gás natural 
Preço=2366.7 R$ (Petrobrás) 
Para 1 hr operação de gás natural requer = 92.59 Kgmol 
Para um dia de operação de gás natural requer 
(92.59Kgmol NH3/hr)*(17 Kg GN/1 Kgmol NH3)*(1 M.T/1000Kg)*(24hr/1 dia) 
=37.77 M.T/dia 
Para um ano de operação de gás natural requer =(37.77 M.T NH3/day)*(330 
day/1 year) =12466.317 M.T gás natural/ano 
Preço de NH3 para um ano=12466.317*2366.7 =29504033.86 Rs=491733.89$ 
W.C.I. 
W.C=65275530.239 $ 
Quantidade total=W.C+custo de material cru+Valor de depreciação 
Quantidade total=69281251.23$ 
Custo do produto= Quantidade total/M.T de H2 e He 
Produzido em um ano 
=69281251.23$/140*330 
= 500.6$/M,T 
=0.523$/Kg 
=31.38 R$/Kg 
 
3. Preço unitário de venda. 
 
 Como obtivemos que 31,38$/Kg, logo teremos 20% de lucro pro Kg 
produzido que remete a: 37,66$/Kg. 
 
 
 
 
 
42 
 
4. SAC. 
 
 A sigla SAC significa Sistema de Amortização Constante. A cada mês, a 
parcela corresponde à amortização acrescida dos juros aplicados sobre o saldo 
devedor: 
 
Parcela = amortização + Juros sobre saldo devedor 
 
 Para o financiamento do projeto, necessita-se de um investimento inicial 
de 43516868.26$. Utilizando o SAC, fez-se uma previsão de pagamento em 
120 meses com taxa de 10%. Os resultados até o mês 78°encontram-se na 
Tabela 12. 
 
Tabela 12: Tabela de SAC para 78 meses. 
 
 
5. Análises econômicas de viabilidade. 
 
 Com a finalidade de se verificar se o projeto é viável ou não, faz-se a 
utilização da taxa interna de retorno: 
 
 
 
43 
 
Onde, 
 
t= período (anos ou meses) 
n= tempo total de projeto (anos ou meses) 
Ft= fluxo de caixa por período 
TIR: taxa interna de retorno 
 
 O custo do capital será considerado de 15% a.a., e o tempo de vida útil 
do projeto de 5 anos. 
 Se TIR> Taxa mínima de atratividade (TMA) o investimento é 
economicamente atrativo. Se TIR=TMA o investimento está economicamente 
numa situação de indiferença. Se TIR<TMA o investimento não é 
economicamente ativo. 
 Determinou-se que a TIR é de 0,6; como é maior que o TMA, logo é 
viável. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
44 
 
CONCLUSÃO 
 
 Após o planejamento e projeto dos aspectos técnicos e econômico-
financeiros de uma indústria de hidrogênio e hélio, pode-se concluir que o 
projeto é viável para instalação, uma vez que os estudos feitos mostram 
abundância de matéria-prima, uma localização viável, equipamentos de 
tamanho acessível e fáceis de adquirir, uma capacidade aceitável dentro do 
mercado atual, projetos de estrutura e de otimização válidos e a comprovação 
da viabilidade econômica do projeto. Assim, pode-se concluir que o objetivo do 
trabalho foi atingido satisfatoriamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
45 
 
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
 
 
Agência Nacional do Petróleo – ANP. Anuário Estatístico Brasileiro do 
Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis 2015. Disponível em 
<http://www.anp.gov.br/?id=548>. Acesso em 20 abr 2016. 
 
Air Liquide Brasil. Disponível em <http://www.br.airliquide.com/pt_BR/air-
liquide-brasil.html>. Acesso em 20 abr 2016. 
 
BARBOSA, L.C. Captura de CO2 e H2S com soluções aquosas de 
alcanolaminas via destilação reativa. Universidade Federal do Rio de 
Janeiro, 2010. 
 
GásNet – O site do gás natural e GNV. Disponível em 
<http://www.gasnet.com.br/gasnatural/gas_completo.asp>. Acesso em 12 mai 
2016. 
 
Hidrogênio energético no Brasil – subsídios para políticas de 
competitividade. Disponível em 
<https://www.cgee.org.br/documents/10182/734063/Hidrogenio_energetico_co
mpleto_22102010_9561.pdf>. Acesso em 20 abr 2016. 
 
M. K. ADLER. A Moderna Pesquisa de Mercado. 2ª edição, Pioneira, 1971. 
Praxair – White Martins. Disponível em <http://www.praxair.com.br/>. Acesso 
em 21 abr 2016.