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1 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Os custos associados à operação diária de uma planta química devem ser estimados antes da construção da fábrica para que a viabilidade econômica do processo proposto possa ser avaliada. Este capítulo apresenta os fatores que afetam o custo de fabricação e fornece métodos para estimar cada fator. Para estimar o custo de produção (OPEX), precisamos de informações do processo fornecidas no PFD, uma estimativa do custo de capital (CAPEX) e uma estimativa do número de operadores necessários para operar a planta. O custo de capital é igual ao custo total do módulo (CTM) ou ao custo de uma planta nova (Grass Root Cost – CGR) definido no Capítulo 5. Os custos de fabricação são expressos em unidades de moeda por unidade de tempo ($/ano) em contraste com os custos de capital que são expressos em unidades de moeda ($). Bibliografia • Turton, R., Bailie, R. C., Whiting, W. B. & Shaeiwitz, J. A. (2009). Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes (3rd Edition). Massachusetts: Prentice Hall. (Capítulo 8). Uma vez que se tem informações obtidas de um PFD, incluindo o sumário das correntes e equipamentos podemos: • Determinar quanto custa construir a planta (Custo de Capital); • Determinar quanto custa operar a planta (Custo Operacional); • Determinar qual o melhor processo dentre as alternativas competitivas da árvore de síntese; • Conduzir uma análise de rentabilidade da planta. Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.1 Fatores que Afetam o Custo de Fabricação de um Produto Químico Os seguintes elementos influenciam os custos de operação de uma planta química: • Custos Diretos de Manufatura: São custos que dependem do volume de produção da planta. Quando a demanda por produtos cai a produção é reduzida e a quantidade produzida é menor que a capacidade da planta. Os custos diretos são igualmente afetados. Estas reduções podem ser diretamente proporcionais ao volume de produção, como para as matérias-primas, ou podem ser reduzidas ligeiramente, como por exemplo, custos de manutenção ou mão-de-obra. • Custos Fixos de Manufatura: São custos independentes do volume de produção da planta. Exemplo: Impostos de propriedades, seguros, depreciação de equipamentos, etc. que são cobrados mesmo quando a planta não está em operação. • Despesas Gerais: São despesas gerais necessárias para conduzir as funções de negócio da empresa. Raramente variam com o volume de produção da planta. Exemplo: Gerenciamento, vendas, distribuição, financiamento, pesquisa e desenvolvimento. Alguns destes podem ser cortados se a demanda cair por um período longo, tal como as despesas com P&D. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 3 Fator Descrição do Fator 1. Custos Diretos de Manufatura (Variam com a produção) a. Matéria prima Custos com a compra da matéria prima usada no processo. Vazões obtidas do PFD b. Tratamento de rejeitos Custos com o tratamento de rejeitos para atender as normas e regulamentos ambientais de descarte c. Utilidades i. Óleo e gás combustível e carvão ii. Eletricidade iii. Vapor (todas as pressões) iv. Água de resfriamento v. Água de processo vi. Água de caldeira vii. Ar comprimido viii. Gás Inerte (ex: N2) ix. Refrigeração d. Mão-de-obra de operadores Custos com pessoal de operação da planta Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.1 Fatores que Afetam o Custo de Fabricação de um Produto Químico P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 4 Fator Descrição do Fator 1. Custos Diretos de Manufatura (Cont.) e. Supervisão e pessoal de escritório Custos com pessoal administrativo, engenheiros e pessoal de suporte. f. Manutenção e reparos Custos com mão-de-obra e materiais associados à manutenção da planta. g. Suprimentos de operação Demais suprimentos não considerados matéria- prima. Exemplo: lubrificantes, aditivos químicos gerais, filtros, EPIs, etc. h. Laboratório Custos envolvidos com os testes de rotina de laboratório para o controle da qualidade e troubleshooting. i. Patentes e royalties Custos com patentes ou tecnologias licenciadas. Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.1 Fatores que Afetam o Custo de Fabricação de um Produto Químico P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 5 Fator Descrição do Fator 2. Custos Fixos (Não variam com a produção) a. Depreciação Custos associados a planta física (prédios, equipamentos, etc.). São despesas de operação legais decorrentes de taxações. b. Impostos locais e seguros Custos com impostos de propriedades e seguros. c. Despesas gerais da planta Inclui todas as despesas auxiliares de suporte de operação da planta. Exemplo: Salários, proteção contra incêndio, serviços de segurança, serviços médicos, restaurante, etc. Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.1 Fatores que Afetam o Custo de Fabricação de um Produto Químico P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 6 Fator Descrição do Fator 3. Despesas gerais (Associadas ao nível de gerenciamento e administração não relacionadas diretamente ao processo de manufatura) a. Custos administrativos Custos de administração da planta, gerentes, secretárias, RH, etc. b. Custos de venda e distribuição Custos incorridos com o processo de venda e distribuição de produtos, assim como marketing. Inclui salários e outras miscelâneas. c. Pesquisa e desenvolvimento Custos com atividades de pesquisa relacionadas a produtos e processo. Inclui salários e fundos para compra de equipamentos e suprimentos, etc. Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.1 Fatores que Afetam o Custo de Fabricação de um Produto Químico P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 7 A equação para o cálculo do custo de operação baseada nos custos apresentados é: Custo de Operação (COM) = Custo Direto de Manufatura (DMC) + Custo Fixo de Manufatura (FMC) + Despesas Gerais (GE) Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.2 Cálculo do Custo de Operação O custo de operação (COM) pode ser estimado se os seguintes custos são conhecidos: • Custo fixo de Capital de Investimento (FIC): (CTM ou CGR); • Custo com Operadores (COL); • Custo de Utilidades (CUT); • Custo de Matéria-Prima (CRM); • Custo de Tratamentode Resíduos (CWT). P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 8 Fator Intervalo típico dos fatores de multiplicação Valor a ser considerado 1. Custos Diretos a. Matéria Prima CRM Estimados à partir das informações do PFDb. Tratamento de Resíduos CWT c. Utilidades CUT d. Mão de Obra COL COL e. Supervisão e Escritório (0,1 – 0,25)COL 0,18COL f. Manutenção e Reparo (0,02 – 0,1)FCI 0,06FCI g. Suprimentos de Operação (0,1 – 0,2)(Linha 1.f) 0,009FCI h. Laboratório (0,1 – 0,2)COL 0,15COL i. Patente e Royalties (0 – 0,06)COM 0,03COM Total Diretos CRM + CWT + CUT + 1,33COL + 0,03COM + 0,069FCI Representa um intervalo Se nenhuma outra informação estiver disponível, o valor do ponto médio para cada uma dessas faixas será utilizado para estimar os custos envolvidos. Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.2 Cálculo do Custo de Operação P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 9 Fator Equação Básica Valor a ser considerado 2. Custos Fixos a. Depreciação 0,10FCI 0,10FCI (aproximado) b. Imposto local e Seguro (0,014 – 0,05)FCI 0,032FCI c. Despesas Gerais (0,5 – 0,7)(Linha 1.d + 1.e + 1.f) 0,708COL + 0,036CFI Total Fixos 0,708COL + 0,068FCI + depreciação 3. Despesas Gerais a. Administrativo 0,15(Linha 1.d +1.e + 1.f) 0,177COL + 0,009FCI b. Venda e Distribuição (0,02 – 0,2)COM 0,11COM c. Pesquisa e Desenvolvimento 0,05COM 0,05COM Total Gerais 0,177COL + 0,16COM + 0,009FCI Total CRM + CWT + CUT + 2,215COL + 0,190COM + 0,146FCI + depreciação Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.2 Cálculo do Custo de Operação P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 10 Da tabela anterior tem-se que: GE = 0,177COL + 0,16COM + 0,009FCI DMC = CRM + CWT + CUT + 1,33COL + 0,03COM + 0,069FCI FMC = 0,708COL + 0,068FCI + depreciação COM = CRM + CWT + CUT + 2,215COL + 0,190COM + 0,146FCI + depreciação + Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.2 Cálculo do Custo de Operação Como: Custo de Operação (COM) = Custo Direto de Manufatura (DMC) + Custo Fixo de Manufatura (FMC) + Despesas Gerais (GE) Na Equação acima é resolvida para COM usando-se uma provisão para depreciação de 0,10 FCI. Assim: COM = 1,23(CRM + CWT + CUT) + 2,73COL + 0,280FCI (com depreciação) COMd = 1,23(CRM + CWT + CUT) + 2,73COL + 0,180FCI (sem depreciação) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 11 Os seguintes custos foram obtidos de um projeto de uma planta de ácido nítrico com capacidade para produzir 92.000 t/ano. Capital de investimento : $ 11.000.000 Matéria prima : $ 7.950.000/ano Tratamento de resíduos : $ 1.000.000/ano Utilidades : $ 356.000/ano Mão de obra direta : $ 300.000/ano Determine: 1. O custo de operação em $/ano e $/t de ácido nítrico; 2. A percentagem do custo de manufatura resultante de cada categoria de custo, como apresentado nos slides anteriores. Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.3 Exemplo P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 12 Solução: 1. O custo de operação sem depreciação é dado por: COM = 1,23(CRM + CWT + CUT) + 2,73COL + 0,180FCI COM = 1,23($7.950.000 + $1.000.000 + $356.000) + 2,73($300.000) + 0,180($11.000.000 ) COM = $14.245.000/ano COM = ($14.245.000/ano) ÷ (92.000 t/ano) = $155/t COM = $155/t Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.3 Exemplo P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 13 2. Custos Diretos de Manufatura: DMC = CRM + CWT + CUT + 1,33COL + 0,03COM + 0,069FCI DMC = $7.950.000 + $1.000.000 + $356.000 + 1,33( $300.000 ) + 0,03( 14.245.000 ) + 0,069( $11.000.000 ) DMC = $10.891.000/ano % do COM = ($10.891.000 ano-1/$14.245.000 ano-1)x100% % do COM = 76% Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.3 Exemplo P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 14 2. Custos Fixos de Manufatura: FMF = 0,708COL + 0,068FCI sem depreciação FMF = 0,708( $300.000 ) + 0,068( $11.000.000 ) FMC = $960.000/ano % do COM = ($960.000 ano-1/$14.245.000 ano-1)x100% % do COM = 7% Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.3 Exemplo P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 15 2. Custos Gerais de Manufatura: GE = 0,177COL + 0,16COM + 0,009FCI GE = 0,177($300.000 ) + 0,16( $14.245.000 ) + 0,009( $11.000.000 ) GE = $2.431.000/ano % do COM = ($2.431.000 ano-1/$14.245.000 ano-1)x100% % do COM = 17% Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.3 Exemplo P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 16 Custos Gerais de Manufatura: GE = $ 2.431.000/ano Custos Fixos de Manufatura: FMF = $ 960.000/ano Custos Diretos de Manufatura: DMC = $ 10.891.000/ano = 76% = 7% = 17% Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 6.3 Exemplo P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 17 COM = 1,23(CRM + CWT + CUT) + 2,73COL + 0,180FCI sem depreciação • Custos dominantes do custo total de operação; • Insensíveis aos fatores da tabela de custos apresentada e, por isso, podemos usar o valor médio para outros componentes de custo. Matéria Prima Tratamento de Resíduos Utilidades DMC = $ 10.891.000/ano 76% de COM $ 9.000.000 DMC = CRM + CWT + CUT+ 1,33COL + 0,03COM + 0,069FCI 6.4 Custos Dominantes dos Custos de Operação Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 18 NOL = (6,29 + 31,7P 2 + 0,23Nnp) 0,5 Em que: NOL número de operadores por turno para todas as tarefas; P número de passos envolvidos no manuseio de particulados sólidos – ex: transporte e distribuição, controle de tamanho de partícula; Nnp número de passos de processamento de sistemas não particulados e inclui compressão, aquecimento, resfriamento, mistura e reação. Em geral, para os processos considerados neste texto, o valor de P é zero e o valor de Nnp é dado por: Compressores, torres, reatores, trocadores de calor. Não se deve incluir nem vasos nem bombas neste somatório. 6.5 Custos de Mão de Obra de Operadores Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) A técnica utilizada para estimar os requisitos de mão-de-obra operacional é baseada em dados obtidos de cinco empresas químicas e correlacionadas por Alkayat e Gerrard [1]. De acordo com este método, o requisito de mão-de- obra operacional para plantas de processamento químico é fornecido pela Equação a seguir: = osEquipamentNnp [1]. Alkhayat, W. A., and A. M. Gerrard, Estimating Manning Levels for Process Plants, AACE Transactions, I.2.1–I.2.4, 1984. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 19 6.5 Custos de Mão de Obra de Operadores Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Um operador trabalha em média: Semanas: 48 semanas por ano (4 semanas de férias) Turnos: 5 turnos de 8 horas por semana (40h). Isso equivale a (48 semanas/ano × 5 turnos/semana) = 240 turnos por operador por ano. Uma fábrica de produtos químicos normalmente opera 24 horas por dia. Assim ela requer: N. Turnos = 365 dias/ano x 3 turnos/dia = 1095 turnos de operação por ano. O número de operadores necessários para fornecer esse número de turnos é: N. Operadores = [(1095 turnos/ano)/(240 turnos/operador/ano)] = ou aproximadamente 4,6 operadores. Isso representa o número de operadores necessários por ano como se tivesse apenas um operador por turno. Logo, 4,6 operadores devem ser contratados para cada operador necessário na planta a qualquer momento. Isso fornece o trabalho operacional necessário, mas não inclui nenhum suporte ou equipe de supervisão. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 20 6.5 Custos de Mão de Obra de Operadores Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Para estimar o custo do trabalho operacional é necessário conhecer o salário horário médio de um operador. Os operadores de instalações químicas são relativamente bem pagos e os dados do Bureau of Labor and Statistics [1] dão a custo horário para operadores de sistemas e instalações diversas na região da Costa do Golfo em Us$26,48/h em maio de 2006. Isso corresponde a: Us$52.900 por um ano de 2.000 horas. O custo do trabalho depende consideravelmente da localização da planta e deve ser esperada variação significativa do valor acima. Historicamente, os níveis salariais para operadoras de plantas químicas cresceram ligeiramente acima do que os outros índices de custo para o equipamento de planta de processo, conforme indicado no Capítulo 5. O Oil and Gas Journal e o Engineering News Record fornecem índices adequados para corrigir os custos trabalhistas pela inflação, ou referência [1] pode ser consultada. A estimativa dos custos operacionais é ilustrada no Exemplo a seguir. [1]. Bureau of Labor and Statistics, U.S. Department of Labor, http://www.data.bls.gov. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 21 Estime o número de operadores e o custo de mão-de-obra para operar uma planta de Hidrodealquilação de Tolueno (PFD apresentado em capítulos anteriores no módulo de diagramas). 6.5.1 Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 22 Tipo de Equipamento Número de Equipamentos Nnp Compressores 2 1 Trocadores de Calor 7 7 Aquecedores/ Fornos 1 1 Bombas 2 - Reatores 1 1 Torres 1 1 Vasos 4 - Total 11 NOL = 6,29 + 31,7 0( ) 0,1 + 0,23 11( ) 0,5 = 2,97 NOL = (6,29 + 31,7P 2 + 0,23Nnp) 0,5 Operador/ turno Mão de Obra de Operação = (4,6)(2,97) = 13,7 ~ 14 Custo da Mão de Obra (2006) = (14)($52.900) =$740.600/ano 6.5.1 Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 23 6.6 Custo de Utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Os custos dos utilidades são diretamente influenciados pelo custo do combustível. Surgem dificuldades específicas ao estimar o custo do combustível, como eletricidade, vapor e outros fluídos térmicos. A Figura abaixo mostra as tendências gerais para os custos de combustíveis fósseis de 1991 a 2006. Os custos apresentados representam valores médios e não são específicos. Cabe ressaltar que existe grande variabilidade de custo e disponibilidade de vários combustíveis em todo o mundo. Uma análise local/regional é sempre recomendada. Valores variam de acordo com a localização e disponibilidade P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 6.6.1 Informações básicas sobre utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Carvão mineral: Representa o combustível fóssil de menor custo. A maior parte das vezes o carvão é consumido perto da "boca da mina" em grandes usinas para produzir eletricidade. A eletricidade é transportada por linhas de transmissão para o consumidor. Em locais distantes das minas, tanto a disponibilidade quanto o custo do transporte reduzem e/ou eliminam grande parte da vantagem de custo do carvão. O carvão sofre ainda com seu impacto ambiental negativo, teor de enxofre relativamente alto e proporção relativamente alta de CO2 produzido por unidade de energia. Óleo Combustível n. 6 (BPF): Tem alto teor de enxofre. É a segunda fonte mais barata de energia. É um óleo combustível derivado de petróleo, de baixo ponto de fluidez, também chamado óleo combustível pesadoou óleo combustível residual, é a parte remanescente da destilação das frações do petróleo, designadas de modo geral como frações pesadas, obtidas em vários processos de refino. A composição bastante complexa dos óleos combustíveis depende não só do petróleo que os originou, como também do tipo de processo e misturas que sofreram nas refinarias, de modo que pode-se atender as várias exigências do mercado consumidor numa ampla faixa de viscosidade. No Brasil os óleos combustíveis são classificados de acordo com os limites de viscosidade e teor de enxofre, conforme segue segunda a ANP: • Óleo combustível (OCA1): óleos de maior teor de enxofre e menor limite de viscosidade; • Óleo combustível (OCA2): óleos de maior teor de enxofre e maior limite de viscosidade; • Óleo combustível (OCB1): óleos de menor teor de enxofre e menor limite viscosidade; • Óleo combustível (OCB2): óleos de menor teor de enxofre e maior limite viscosidade; • Óleo combustível (OC3): óleos com viscosidade ou teor de enxofre superior aos limites especificados. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 6.6.1 Informações básicas sobre utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Gás Natural: É a terceira fonte de combustível de menor custo mostrada. É o combustível fóssil menos prejudicial em relação ao meio ambiente. É transportado por gasodutos em grande parte do país. O custo é mais uniforme do que o carvão. No entanto, permanecem regiões no país que ainda não são atendidas pelo sistema de distribuição de gás natural. Nessas regiões, o uso de dele não é uma opção que pode ser considerada. Embora o gás natural seja uma mistura de vários hidrocarbonetos leves, consiste predominantemente em metano. Para os cálculos utilizados neste texto, presume-se que o metano e o gás natural são equivalentes. Óleo combustível n. 2 (BPF): Tem alto teor de enxofre mais baixo. É o combustível fóssil que é comumente usado como uma fonte de energia na indústria química. É mais prontamente disponível perto das regiões costeiras onde o petróleo entra no país e ocorre o refino. Incertezas na disponibilidade, altos custos de armazenamento e grandes flutuações no custo tornam essa fonte de energia menos atrativa em muitas situações. No entanto, recentemente, o custo do gás natural aumentou substancialmente ao ponto de o óleo combustível n. 2 ser agora uma alternativa viável ao gás natural em muitas plantas. A Figura anterior mostrou que os custos de combustíveis aumentaram um pouco mais rapidamente e de forma menos previsível do que o índice de custos (CEPCI) que usamos anteriormente para corrigir os custos de inflação. Como resultado das variações regionais de disponibilidade e dos custos dos combustíveis fósseis, juntamente com a incapacidade do índice de custos para representar os custos de energia, consideramos que a informação de custo e disponibilidade específica do local em estudo deve ser fornecida para uma estimativa de válida dos custos de energia. Assumiremos neste texto que o gás natural será o combustível de escolha, salvo indicação em contrário. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) Processo Gás Natural Óleo Comb. Vapor Refrigeração Água Utilidadades Resíduos Descarte de sólidos Limite de bateriaTancagem Serviços Refeitório Engenharia Manutenção Laboratório Escritório Despacho Vendas 6.6.2 Meios de Suprimentos de Utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) O PFD para um processo representa o limite de bateria de uma planta química. Os equipamentos necessários para produzir as várias correntes de utilidade que são utilizados no processo e são necessários para que a planta funcione, não são mostrados no PFD. No entanto, as correntes de utilidade, como água de refrigeração e vapor para aquecimento, são mostradas no PFD. Essas correntes são denominadas utili- dades. Esses serviços podem ser fornecidos de várias maneiras. Layout básico de instalações de uma plantaquímicas P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 27 6.6.2 Meios de Suprimentos de Utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) 1. Comprada de uma Fonte Pública ou Privada: Nessa situação não há custos de capital e as tarifas de serviços cobrados são baseadas no consumo. Além disso, a utilidade é entregue nos limites da bateria em condições conhecidas. 2. Fornecida pela empresa: Uma instalação abrangente off-site fornece as necessidades de utilidade para muitos processos em um local comum. Nesse caso, as taxas cobradas para uma unidade de processo refletem o capital fixo e os custos operacionais necessários para produzir a utilidade. 3. Auto-geração e usado por uma Unidade de Processo Único: Nesta situação o custo de capital para compra e instalação passa a fazer parte do custo de capital fixo da unidade de processo. Da mesma forma, os custos operacionais relacionados para a produção dessa utilidade específica são diretamente cobrados da unidade de processo. As utilidades que provavelmente seriam fornecidas em um complexo industrial abrangente de plantas químicas são mostradas na Tabela a seguir. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 28 6.6.2 Meios de Suprimentos de Utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) (Continua) Utilidades fornecidas para uma planta com várias unidades de processo (utilidades entregues no limite da bateria de um processo). P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 29 6.6.2 Meios de Suprimentos de Utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) (Continua) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 30 6.6.2 Meios de Suprimentos de Utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) (Continua) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 31 6.6.2 Meios de Suprimentos de Utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti ma ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 32 6.6.2 Meios de Suprimentos de Utilidades Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) O cálculo dos custos de utilidade pode ser bastante complicado e o custo real delas é muitas vezes difícil de estimar em uma grande instalação. O custo de investimento para produzir as utilidades como por exemplo, uma torre de resfriamento, uma caldeira a vapor e assim por diante não entra nestes custo uma vez que este investimento já foi feito estimado no Capex. Os custos associados ao fornecimento de uma determinada utilidade são então obtidos calculando os custos operacionais para gerar a utilidade. Estes são os custos que foram apresentados na Tabela dos slides anteriores e as seções a seguir mostram como essas estimativas de custo foram obtidas para as principais utilidades fornecidas na Tabela. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 33 6.6.3 Água da torre de resfriamento Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Na maioria das grandes instalações químicas, petroquímicas e refinarias, a água de refrigeração é fornecida para processo de uma instalação central. Esta instalação consiste em uma torre de resfriamento (ou muitas torres), reposição de água, sistema de injeção de químicos e bombas de alimentação de água de refrigeração. Uma instalação típica de água de resfriamento é mostrada na Figura abaixo.Pr o f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 34 6.6.3 Água da torre de resfriamento Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) O resfriamento da água ocorre na torre de resfriamento onde parte da água é evaporada. Reposição de água é necessária para compensa a perda por evaporação. Quando a água é evaporada há uma tendência de material inorgânico se acumular no circuito circulante. Portanto, há uma purga de água ou uma purga do sistema. Esta reposição de água também compensa a perda por “deriva” ou spray da torre (arraste eólico) e também pela purga de água. O arraste eólico típico de torres mecânicas estão entre 0,1% e 0,3% da vazão circulante. Os produtos químicos são adicionados para reduzir incrustação em superfícies de trocadores de calor. Em operações típicas de torres de refrigeração o fator de concentração de sal (inorgânico) máximo admissível (S) da água circulante em comparação com a água de reposição está entre 3 a 7. Podemos estimar o custo para fornecer água de resfriamento se forem conhecidos os seguintes parâmetros: • Carga de calor e vazão de recirculação requerida pelo processo; • Composições e limite de saturação de produtos químicos inorgânicos na água de alimentação; • Taxa de adição de químicos requerida; • Temperatura desejada de fornecimento e retorno (tipicamente 30° C e 40° C respectivamente); • Custo da torre de resfriamento e das bombas de água de resfriamento; • Custos de fornecimento de produtos químicos, eletricidade para bombas e ventiladores de torre de resfriamento e água de reposição A estimativa dos custos operacionais associados a um sistema típico de água de resfriamento está ilustrada no Exemplo a seguir. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 35 6.6.3 Água da torre de resfriamento P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e C a p it a l d e I n v e s ti m e n to Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Exemplo: Estimar o custo de água de refrigeração circulante usando uma torre de resfriamento mecânica para remoção de 1 GJ/h de energia das unidades de processo e que ocorre 0,3% de arraste eólico e um fator de concentração de sal máximo admissível é de 5. São dados: custo dos produtos químicos é de Us$0,156/1000 kg. Solução: Custo da água de refrigeração = custo da eletricidade + custo dos produtos químicos + custo da água de reposição custo da eletricidade ➔ potência da bomba + ventilador Vazão da torre: ➔ Vazão de água de evaporada: Latente vap. (Tmed = 35°C)➔ DHvap = 2417 kJ/kg➔ Para calcular a vazão de purga devemos conhecer o fator de concentração de sal (inorgânico) máximo admissível, S, da água circulante em comparação com a água de reposição. A definição de S é dada na seguinte equação: P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 36 6.6.3 Água da torre de resfriamento Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Um balanço de massa global (água) e para o sal na torre leva a: Como SLoop é 5Sin então: WBD = 31,8 kg/h Logo: WMU = Wtower + Wwind + WBD = 413,7+0,003.23,923+31,8 ➔WMU = 517,3 kg/h P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 37 6.6.3 Água da torre de resfriamento Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Potência da bomba: A queda de pressão em torno do circuito de água de refrigeração é estimada da seguinte forma: ΔPloop = 15 psi (perdas de tubo) + 5 psi (perdas nos trocadores) + 10 psi (perda de válvula de controle) + 8,7 psi de carga estática (porque a água deve ser bombeada para o topo de Torre de água de refrigeração, estimada em 20 pés acima da entrada da bomba) = 38,7 psi = 266,7 kPa. Assumindo uma eficiência um rendimento da bomba de 75%, a potência é dada por: Potência do ventilador: a partir da literatura a área de superfície necessária na torre = 0,5 ft2/gpm (isto pressupõe que a temperatura do bulbo úmido é 26,7°C. Da mesma referência, a potência do ventilador por metro quadrado da área da torre é de 0,041 hp/ft2: P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 38 6.6.3 Água da torre de resfriamento Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Finalmente, Custo da água de refrigeração = custo da eletricidade + custo dos produtos químicos + custo da água de reposição Tabela 8.3 do livro-texto: P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 39 6.6.3 Água da torre de resfriamento Capítulo 6: Estimativa de CustosOperacionais (OPEX) Comparando com a Tabela 8.3 do livro: P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 40 6.6.4 Refrigeração Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) O ciclo básico de refrigeração consiste na circulação de um fluido de trabalho em torno de um circuito constituído por um compressor, evaporador, válvula de expansão ou turbina e condensador. Este ciclo é mostrado na Figura abaixo. As fases do fluido de trabalho (L-líquido e V-vapor) são mostradas no diagrama. A eficiência de Carnot de um sistema de refrigeração mecânica pode ser expressa pelo coeficiente de desempenho reversível, COPREV: Como todos os processos para uma máquina de Carnot devem ser reversíveis, o COPREV oferece o maior desempenho teórico de um sistema de refrigeração. Assim, a potência necessária líquida (turbina compressora- expansão) será sempre maior do que a predita pela equação acima usando COPREV. No entanto, é claro que à medida que a diferença de temperatura entre o evaporador e o condensador aumenta, o trabalho necessário por unidade de energia removida no evaporador (refrigerador) aumenta. Portanto, os custos operacionais de refrigeração aumentarão à medida que a temperatura à qual é necessária a refrigeração diminui. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 41 6.6.4 Refrigeração Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) A Figura abaixo ilustra o efeito da temperatura do evaporador no trabalho reversível necessário para uma determinada carga de resfriamento. Esta figura fornece um guia aproximado para o custo relativo da refrigeração. Os custos relativos da refrigeração a diferentes temperaturas são explorados no Exemplo a seguir. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 42 6.6.4 Refrigeração – Exemplo 1 Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Usando a Figura anterior, calcule os custos relativos de fornecimento de refrigeração a 5 °C, -20 °C e -50 °C. Solução: A partir da figura podemos tirar os valores: Portanto, em comparação com o resfriamento a 5 °C, o resfriamento: • para -20 °C é 1, 78 (0,257/0,144) vezes mais caro. • para -50 °C é 2,96 (0,426/0,144) vezes mais caro. Esta análise pressupõe que os dois sistemas de refrigeração funcionem de forma igualmente eficiente em relação ao limite reversível e que o maior custo é devido à potência dos compressores. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 43 6.6.4 Refrigeração – Exemplo 2 Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Obtenha uma estimativa de custo de uma utilidade fria para operar a 5 °C. Considere um sistema de refrigeração de um estágio para fornecer refrigeração a 5 °C utilizando 1,1-difluoroetano (R-152a) como refrigerante. O diagrama de fluxo do processo e as condições operacionais são dados na Figura e Tabela abaixos. Para uma carga térmica 1 GJ/h no evaporador é necessára uma vazão de 65,3 kmol/h de de R-152a . O compressor tem uma eficiência de 75% eficiente e as cargas no equipamento são as seguintes: Potência do compressor: 66,5 kW (com 75% de eficiência) Carga térmica do condensador: 1,24 GJ/h Carga térmica do evaporador: 1,00 GJ/h P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 44 6.6.4 Refrigeração – Exemplo 2 Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: Trabalho do compressor por unidade de resfriamento = (66,5 kW)(3600 s/h)/(106 kJ/h) = 0,2394 Esse valor é comparado com 0,144 para o ciclo de Carnot do exemplo anterior. As principais diferenças são devidas às irreversibilidades do processo. O custo da refrigeração a 5 °C = Motor do Compressor + água resfriamento condensador O custo da refrigeração a 5 °C = (66,5kW) ($0,06/kWh)+(1,24 GJ/h) ($0,354/GJ) = 3,99+0,44 = $4,43/h = $4,43/GJ Utilizando os resultados do Exemplo 6.4, podemos prever o custo da refrigeração a -20 ° C e -50 ° C como: O custo da refrigeração a -20 ° C = (4,43) (1,78) = $7,89/GJ O custo da refrigeração a -50 ° C = (4,43) (2,96) = $13,11/GJ P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 45 6.6.5 Geração de Vapor Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) O combustível que é usado para fornecer a energia para produzir vapor é o principal custo da operação. Os custos de tratamento de água podem ser substanciais dependendo da composição da água de abastecimento e do grau de recuperação de vapor condensado nos trocadores de calor de processo. Muitas vezes vapor de alta pressão é gerado e produzem energia elétrica em turbinas. Um sistema de troca iônica pode ser empregado para tratar a água. O tratamento minucioso da água é necessário, pois qualquer contaminante que entre com a água finalmente depositará sobre superfícies do trocador de calor e tubos da caldeira e causará incrustações e outros danos. Desaerador muitas vezes é necessário para remover oxigênio dissolvido e o dióxido de carbono que entram com a água. Eles provocam corrosão das superfícies metálicas na planta. Aminas também podem ser adicionadas à água para neutralizar qualquer ácido carbônico residual formado a partir de dióxido de carbono dissolvido. Uma instalação típica de geração de vapor é mostrada na Figura a seguir. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 46 6.6.5 Geração de Vapor Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Vapor de alta pressão para média pressão com crédito de energia Vapor de alta pressão para média pressão sem crédito de energia P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 47 6.6.5 Geração de Vapor Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Para estimar os custos de geração de vapor podemos seguir os passos: 1. Determine os níveis de pressão para o vapor na planta. Geralmente são 41 barg (600 psig), entre 10 barg (150 psig) e 15,5 barg (225 psig) e entre 3,4 barg (50 psig) e 6.1barg (90 psig). 2. Determine o número total de usuários do processo dos diferentes níveis de vapor. Esses números tornam-se a base para o balanço do vapor. 3. Determine qual dos usuários retornará condensado para o sistema de água de alimentação da caldeira (BFW). Se a injeção de vapor vivo for necessária para o processo não haverá condensado retornado desse serviço. Para alguns usuários o retorno do condensado pode não ser economicamente viável. 4. Determine a pressão de retorno de condensado. 5. Estime as perdas de purga. 6. Faça um balanço de vapor e condensado e determine a água de reposição necessária no sistema de vapor. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 48 6.6.5 Geração de Vapor Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Para estimar os custos de geração de vapor podemos seguir os passos: 7. Determine a capacidade de geração de vapor da caldeira a vapor. A lógica usada aqui é que todo o vapor será gerado no nível de pressão mais alta e será baixado através de turbinas ou válvulas para pressões média e baixa. O vapor de alta pressão pode também ser gerado a 44,3 barg (650 psig) para permitir perdas e superaquecido a 400°C (752°F) para produzir energia de maneira mais eficiente nas turbinas. 8. A geração de energia adicional pode ser realizada através da operação de turbinas usando o vapor de alta pressão e turbinas usando vapor de média e baixa pressão. Todas essas opções são mostradas na Figura anterior. Para equilibrar as necessidades elétricas e de vapor de uma planta, a determinação da quantidade correta de vapor a gerar é um processo iterativo. Exemplo: Determine o custo da produção de vapor de alta, média e baixa pressão usando gás natural como combustível. Para a produção de vapor de média e baixa pressão, suponha que o vapor é produzido no nível de pressão mais alto e considere o caso quando este vapor é enviado através de uma turbina para produzir eletricidade e quando é simplesmente expandido através de uma válvula. O gás natural custa Us$11,10/GJ e o consumo de energia elétrica no soprador de ar da caldeira é de 14 kWh/1000 kg de vapor produzido. O custo da água de reposição da caldeira é baseado no pressuposto de que 10% de reposição é necessária. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 49 6.6.5 Geração de Vapor - Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: Vapor de alta pressão (41,0 barg): Custo total do vapor de alta = custo GN + custo água caldeira + custo Ventilador + custo água reposição A base é 1000 kg de vapor de alta gerado a 41 barg e saturado➔ h41 barg, sat = 2797,6 kJ/kg (T sat = 254°C) Suponha que a água de alimentação da caldeira provém de um desaerador que opera na pressão de vapor de exaustão de 0,7 barg (Tsat = 115°C e 10 psig)➔ hBFW = 483,0 kJ/kg. ΔHBFW-HP Steam = (2797,6 – 483,0) = 2314,6 kJ/kg Energia necessária para produzir vapor = (2314,6) (1000) = 2,3146 GJ O custo do gás natural para produzir 1000 kg de vapor sat HP (assumindo uma eficiência de 90% da caldeira) é dado por: Cost = (2,3146 GJ/0,9) x 11,1 $/GJ = $28,55 (por 1000 kg de vapor de alta) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 50 6.6.5 Geração de Vapor - Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: Custos de tratamento da água de alimentação da caldeira = $0,15/1000 kg O custo da água de alimentação da caldeira é baseado no pressuposto de que 10% de reposição é necessária. Custo de eletricidade para alimentar ventiladores de ar fornecendo ar de combustão para caldeira: Uso de gás natural = (2,315/0,9)GJ 38.333,3 (kJ/m3) = 67,1 std m3 = 67,1/22,4 = 2,99 kmol (METANO) Uso de oxigênio (com base em excesso de 3% estequiométrico) = (2,99) (2) (1,03) = 6,17 kmol de oxigênio Ar = (6,17)/(0,21) = 29,38 kmol de ar. Suponha que esse ar deve ser pressurizado 0,5 bar para superar as perdas de atrito na caldeira e na fornalha e assumindo que o soprador tenha eficiente de 60%: O consumo elétrico para ventilador = (14 kWh/1000 kg) ($0,06/kWh) = $0,84/1000 kg de vapor. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 51 6.6.5 Geração de Vapor - Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: O custo do BFW baseia-se na reposição da água, nos produtos químicos de tratamento e na energia térmica no desaerador, para uma base de 1000 kg de BFW: Custo da água de reposição = $0,067/1000 kg Custo dos produtos químicos para tratamento = $0,15/1000 kg Energia no desaerador = rqcpDt = 1000.4,18.(115-25) = 0,367 GJ/1000 kg Custo da energia = ($11,10) (0,376) = $4,17/1000 kg BFW custo = 4,17 + 0,067 + 0,15 = $4,39/1000 kg Custo da água de reposição BFW = (0,1) (4,39) = $0,439 Finalmente, Custo total do vapor de alta = custo GN + custo água caldeira + custo Ventilador + custo água reposição Custo total do vapor de alta = $28,54 + $0,15 + $0,84 + $0,439 = $29.97/1000 kg de vapor de alta. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 52 6.6.5 Geração de Vapor - Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: Vapor de média pressão (10,0 barg): (Com crédito de energia) Primeiramente abordaremos o caso onde o vapor de alta é rebaixado a vapor de média com crédito de energia (geração de energia). Custo total do vapor de média = Custo total do vapor de alta – crédito de energia gerado A energia gerada (kWh) para esta situação é encontrada primeiramente assumindo uma expansão do vapor da condição de alta pressão (HP: 41 barg e 400°C) para o nível de pressão média (MP: 10 barg e 184°C). Assim, temos as seguintes informações: h41 barg, 400°C = 3209,9 kJ/kg and e h10 barg, 184°C = = 2781,0 kJ / kg (Tabelas de vapor) Logo: W = Δh = (3209,9 – 2781,0) = 428,9 kJ/kg➔ Trabalho teórico Portanto, 1000 kg de vapor HP produzem 428,9 MJ ou 119,14 kWh de eletricidade. Assumindo uma eficiência de turbina de 75%, a o trabalho produzido é (0,75) (119,14) = 89,4 kWh. Assim, Crédito de energia elétrica = (89,4) (0,06) = $5,36 (por 1000 kg de vapor) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 53 6.6.5 Geração de Vapor - Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: Vapor de média pressão (10,0 barg): (Com crédito de energia) Logo, Custo total do vapor de média = 29,97 – 5,36 = 24.61/1000 kg de vapor de médiaVapor de média pressão (10,0 barg): (Sem crédito de energia) Usa-se uma válvula de expansão isoentálpica no lugar de uma turbina. Neste caso não há produção de trabalho para o rebaixamento da pressão e consequentemente não há crédito de energia. Neste caso o custo será o mesmo do vapor de alta. Custo total do vapor de média = 29,97/1000 kg de vapor de média P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 54 6.6.5 Geração de Vapor - Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: Vapor de baixa pressão (5,0 barg): (Com crédito de energia) Novamente abordaremos o caso onde o vapor de alta é rebaixado a vapor de baixa com crédito de energia (geração de energia). Custo total do vapor de baixa = Custo total do vapor de alta – crédito de energia gerado A energia gerada (kWh) para esta situação é encontrada primeiramente assumindo uma expansão do vapor da condição de alta pressão (HP: 41 barg e 400°C) para o nível de pressão baixa (MP: 5 barg e 160°C). Assim, temos as seguintes informações: h41 barg, 400°C = 3209,9 kJ/kg and e h5 barg, 160°C = = 2759,3 kJ / kg (Tabelas de vapor) Logo: W = Δh = (3209,9 – 2759,3) = 450,6 kJ/kg➔ Trabalho teórico Portanto, 1000 kg de vapor HP produzem 450,6 MJ ou 125,2 kWh de eletricidade. Assumindo uma eficiência de turbina de 75%, a o trabalho produzido é (0,75) (125,2) = 93,9 kWh. Assim, Crédito de energia elétrica = (93,9) (0,06) = $5,63 (por 1000 kg de vapor) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 55 6.6.5 Geração de Vapor - Exemplo Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: Vapor de baixa pressão (5,0 barg): (Com crédito de energia) Logo, Custo total do vapor de baixa = 29,97 – 5,63 = 24.34/1000 kg de vapor de média Vapor de baixa pressão (5,0 barg): (Sem crédito de energia) Usa-se uma válvula de expansão isoentálpica no lugar de uma turbina. Neste caso não há produção de trabalho para o rebaixamento da pressão e consequentemente não há crédito de energia. Neste caso o custo será o mesmo do vapor de alta. Custo total do vapor de média = 29,97/1000 kg de vapor de baixa P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 56 6.7 Custo de Matéria-Prima Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) O custo das matérias-primas pode ser estimado usando o preço atual listado em publicações como o Chemical Market Reporter (CMR) [1]. Uma lista de produtos químicos comuns e seu preço de venda, a partir de agosto de 2006, são apresentados na Tabela a seguir. Os preços atuais da matéria-prima e dos produtos químicos podem ser obtidos a partir da edição atual da CMR. Para localizar custos para itens individuais, não basta olhar exclusivamente para a edição atual, porque nem todos os produtos químicos estão listados em cada edição. É necessário explorar vária edições mais recentes. Além disso, para certos produtos químicos, podem existir grandes flutuações de preços sazonais e pode ser aconselhável observar o preço médio ao longo de vários meses. [1]. Chemical Market Reporter (now incorporated into ICIS Chemical Business, additional chemical prices are available at http://www.icis.com/StaticPages/a-e.htm#top). P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 57 Tabela: Custos de alguns produtos químicos comuns * Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Continua... P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 58 Tabela: Custos de alguns produtos químicos comuns * Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Continua... P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 59 Tabela: Custos de alguns produtos químicos comuns * Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Outro fator relevante para matéria-primas é que algumas vezes empresas “travam” um preço de venda ou compra através de um contrato de curto ou longo prazo. Tais contratos geralmente renderão preços que são significativamente menores do que os dados na CMR. Além disso, ao fazer avaliações econômicas para diferentes processos químicos o preço de compra e venda de produtos químicos nem sempre estará disponível no CMR. Por exemplo, em janeiro de 2001 a CMR deixou de publicar o preço do éter dimetílico. Da mesma forma, os preços do álcool alílico não foram publicados por vários anos. Os preços apresentados na Tabela apresentada foram obtidos a partir das citações dos fabricantes. Ao fazer avaliações econômicas para plantas novas, existentes ou futuras é aconselhável estabelecer o verdadeiro preço de venda ou compra de todas as matérias-primas e produtos. Porque o maior custo operacional é quase sempre o custo das matérias-primas. Logo, é fundamental obter preços realmente atualizados. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 60 6.8 Fator de Utilização de uma Planta (Stream Factor) Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Os custos de fabricação e os custos associados são mais frequentemente relatados em termos de moeda/ano (exemplo: em Us$/ano). As informações sobre um PFD são frequentemente relatadas em termos de kg ou kmol por hora ou por segundo. Para calcular o custo anual de matérias-primas ou utilidades, a fração de tempo que a planta está operando em um ano deve ser conhecida. Esta fração é conhecida como o fator de utilização (SF): Os valores típicos do fator de utilização (SF) estão na faixa de 0,96 a 0,90. Mesmo as plantas mais confiáveis e bem geridas normalmente param por duas semanas por ano para manutenção agendada, dando SF = 0,96. Processos menos confiáveis podem exigir mais tempo de inatividade e, portanto, menores valores de SF. O fator de utilização (SF) representa a fração de tempo que a unidade de processo está operando em capacidade de projeto. Ao se projetar equipamentos deve-se ter cuidado para usar o fator de utilização (SF) para um dia de operação típico e não um dia de calendário. O exemplo a seguir ilustra o uso do fator de utilização (SF). P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s tim a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 61 6.8 Fator de Utilização de uma Planta (Stream Factor) Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Exemplo: Para o processo já estudado de fabricação de benzeno a partir da hidroalquilação do tolueno, usando com fator de utilização de 0,95, determine: a. O custo anual do tolueno. b. O consumo anual de tolueno. c. A receita anual da venda de benzeno. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 62 6.8 Fator de Utilização de uma Planta (Stream Factor) Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Solução: Do diagrama de blocos Ao lado tiramos que: Consumo de tolueno = 10.000 kg/h Produção de benzeno = 8.210 kg/h Da Tabela ao lado: Custo do tolueno = $0,648/kg Custo do benzeno = $0,657/kg Tabela: Custos de alguns produtos químicos comuns. a. Custo anual do tolueno = (24) (365) (10.000) (0,648) (0,95) = $53.927.000/ano. b. Consumo anual de tolueno = (24) (365) (10.000) (0,95) /1000 = 83.200 toneladas/ano. c. Receita anual das vendas de benzeno = (24) (365) (8.210) (0,657) (0,95) = $44.889.000/ano. • Com os preços da Tabela não é econômico produzir benzeno a partir de tolueno. • A diferença de preços entre o benzeno e o tolueno já foi maior do que os Us$0,009/kg da Tabela. Essa foi a razão pela qual este processo foi usado e atualmente está sendo usado. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 63 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Na maioria das vezes as utilidades não entram em contato diretamente fluxos de processo. Em vez disso, eles trocam energia térmica (gás combustível, vapor, água de refrigeração e água de alimentação da caldeira) em equipamentos como trocadores de calor e aquecedores de processo, ou fornecem trabalho (energia elétrica ou vapor) para bombas, compressores e outros equipamentos rotativos. Na maioria dos casos as demandas por utilidades podem ser encontradas por inspeção (PFD) ou fazendo um balanço de energia simples em torno do equipamento. Por exemplo, vapor pode ser usado para mover equipamentos rotativos tais como bombas, compressores e turbinas. Neste caso, tanto a demanda teórica por vapor quanto a eficiência deles são necessárias. A Tabela a seguir fornece os requisitos teóricos de vapor em função da pressão de entrada de vapor e da pressão de escape para turbinas a vapor. As eficiências mecânicas de diferentes unidades são também mostradas na Figura a seguir usando dados de Walas [1]. [1]. Walas, S. M., Chemical Process Equipment: Selection and Design (Boston: Butterworths Publ., 1988). P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 64 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Tabela: Necessidade teórica de vapor (kg de vapor/kWh) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 65 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Figura: Eficiências para bombas, compressores e turbinas (Dados de Walas [1]). P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 66 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Exemplo: Estime as quantidades e os custos anuais das utilidades apropriadas para os seguintes equipamentos em relação ao PFD de hidrodealquilação de tolueno. Assuma que o fator de utilidade é 0,95. As demandas de utilidades estão das na Tabela 1.7 do livro texto. . a. E-101, pré-aquecedor de alimentação. b. E-102, resfriador do reator. c. H-101, forno/aquecedor. d. C-101, compressor de gás do reciclo assumindo acionamento elétrico. e. C-101, compressor de gás do reciclo, assumindo acionamento a vapor a 10 barg e descarga à pressão atmosférica. f. P-101, bomba de alimentação de tolueno. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 67 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 68 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Tabela: Resumo do equipamento para hidrodealquilação de tolueno PFD Exemplo: P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 69 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Tabela: Resumo do equipamento para hidrodealquilação de tolueno PFD a. E-101, pré-aquecedor da alimentação: Carga Térmica = 15.190 MJ/h (Tabela) Custo do vapor de alta pressão (42 bar) = 17,70 $/GJ Balanço de Energia: 15.190 (1.000) kJ/h = mvapor ΔHvap = mvapor(1699,3kJ/kg) mvapor = 8.939 kg/h mvapor = 8.939 kg/h x (24h) x (365dias) x (0,95)/(1.000 kg/t) = 74.390 t/ano Custo Anual = (15,19 GJ/h) x (24h) x (365dias) x (0,95) x (17,70$/GJ) Custo Anual = 2.237.478 $/ano Exemplo: P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 70 b. E-102, resfriador do reator. Carga Térmica = 46.660 MJ/h Custo da água de resfriamento = 0,354 $/GJ Balanço de Energia: 46.660 (1.000) kJ/h = mcw CpcwΔTcw = mcw(4,18kJ/kg.K)(10 K) mcw = 1.116.268 kg/h mcw = 1.116,3 t/h x 24h x 365dias x 0,95 = 9.289.849 t/ano Custo Anual = (46,66 GJ/h) x (24h) x (365dias) x (0,95) x (0,354$/GJ) Custo Anual = 137.460 $/ano 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Exemplo:P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 71 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Exemplo: c. H-101, forno/aquecedor (Assumir eficiência de 90%) Carga Térmica = 27.040 MJ/h = 7.511 kW Custos com gás natural = 11,10 $/GJ PCI (LHV) = 0,0377 GJ/m3 Balanço de Energia: 27,040 GJ/h = vgas x PCI x Eficiência = vgas x 0,0377GJ/m3 x 0,9 vgas = 797 m 3/h vgas = 797 m 3/h x 24h x 365dias x 0,95 vgas = 6.632.634 m 3/ano Custo Anual = (27,040 GJ/h) x (24h) x (365dias) x (0,95) x (11.10 $/GJ)/0,90 Custo Anual = 2.775.331 $/ano P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 72 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Exemplo: d. C-101, compressor de gás do reciclo assumindo acionamento elétrico. Potência = 49,1 kW Eficiência = 90% Custo de Energia Elétrica = 0,06 $/kWh Potência Elétrica: Potência Elétrica = Potência/Eficiência Potência Elétrica = 49,1 kW/0,9 Potência Elétrica = 54,6 kW Custo Anual = (54,6) x (24h) x (365 dias) x (0,95) x (0,06 $/kWh) Custo Anual = 27.263 $/ano P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 73 e. C-101, compressor de gás do reciclo, assumindo acionamento a vapor a 10 barg e descarga à pressão atmosférica. Pressão descarga = 10 barg Pressão entrada = 0 barg (atm) Necessidade de vapor 8,79 kg de vapor/kWh de energia A eficiência do compressor Eficiência = 35% (extrapolando a Figura) Vapor p/ compressor = Quant. Vapor/Eficiência Vapor p/ compressor = (49,1) x (8,79)/0,35 = 1.233 kg/h Custo de vapor = 28,31 $/1.000 kg Custo Anual = (1.233kg/h) x (24h) x (365dias) x (0,95) x (28,31.10-3 $/kg) Custo Anual = 290.490 $/ano 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Exemplo: Tabela: Necessidade teórica de vapor (kg de vapor/kWh) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 74 6.9 Estimando Custos de Utilidades com Dados do PFD Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Exemplo: f. P-101, bomba de alimentação de tolueno. Potência = 14,2 kW Custo de Energia Elétrica = 0,06 $/kWh Eficiência = 86% Necessidade de Energia: Energia = 14,2 kW/0,86 Energia = 16,5 kW Custo Anual = (16,5kW) x (24h) x (365dias) x (0,95) x (0,06 $/kWh) Custo Anual = 8.239 $/ano P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 75 À medida que as regulamentações ambientais continuam se tornar mais rígidas, os problemas e os custos associados ao tratamento de correntes de resíduos irão aumentar. Nos últimos anos, houve uma tendência de tentar reduzir ou eliminar a geração de resíduos. Tais estratégias envolvem a utilização de tecnologia alternativas ou o uso de etapas de recuperação adicionais para reduzir ou eliminar as correntes de resíduos. Embora a minimização dos resíduos se torne cada vez mais importante, a necessidade de tratar resíduos continuará. Alguns custos típicos associados a este tratamento são dados na Tabela a seguir e as vazões podem ser obtidos no PFD. Vale ressaltar que os custos associados à eliminação de fluxos de resíduos sólidos, especialmente resíduos perigosos, cresceram imensamente nos últimos anos e os valores indicados na Tabela dada são apenas números aproximados médios. O uso desses custos deve ser feita com extrema cautela. 6.10 Custo do tratamento de resíduos líquidos e sólidos Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 76 6.10 Custo do tratamento de resíduos líquidos e sólidos Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) Tabela: Utilidades fornecidas off-sites para uma planta com várias unidades de processo (os custos representam cobranças por utilidades entregues no limite da bateria de um processo). P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 77 6.10 Estimativa do Custo de Manufatura de Benzeno Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 78 6.10 Estimativa do Custo de Manufatura de Benzeno Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 79 Custo Anual de Utilidades: i. Vapor = 3.412.000 $/ano ii. Água de Resfriamento = 165.000 $/ano iii. Gás Combustível = 2.771.000 $/ano iv. Eletricidade = 37.400 $/ano Total = 6.385.000 $/ano Custo Anual de Matéria Prima: i. Tolueno = 53.927.000 $/ano ii. Hidrogênio = 6.622.000 $/ano Total = 60.549.000 $/ano 6.10 Estimativa do Custo de Manufatura de Benzeno Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e ra c io n a is ( O P E X ) 80 Custo Anual de Tratamento de Resíduos: Não há tratamento de resíduo de acordo com o PFD Custo Anual de Mão de Obra: 14 operadores: COL = 740.600 $/ano Custo de Capital de Investimento (CGR ou FCI): Do módulo anterior: FCI = 11.700.000 $ 6.10 Estimativa do Custo de Manufatura de Benzeno Capítulo 6: Estimativa de Custos Operacionais (OPEX) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) E s ti m a ti v a d e C u s to s d e O p e
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