AVALIAÇÃO DAS EMISSÕES DE CO2 NA INDÚSTRIA DE

AMÔNIA VIA SIMULAÇÃO

Área temática: Gestão Ambiental e Sustentabilidade

Pedro Souza

phgsouza@id.uff.br

Diego Prata

pratadiego@gmail.com

Simone Silva

simoneas_17@hotmail.com

Resumo: In industry the major environmental concerns are related to water consumption, effluents and waste generation,

energy consumption and mainly by the CO2 emission, which is the one of the causes of the greenhouse effect, reported as

eco-indicators. The eco-indicators represent a relationship of an environmental variable and an economic element

(production or revenue). The present work aims to evaluating the CO2 emissions for a plant to produce ammonia, based on

eco-indicator and computer simulation. Thus, the monitoring and the possibility of reducing emissions through engineering

and heat integration actions should be realized, besides contributing to the development of a sustainable production model,

will add value to the process and the final product.

Palavras-chaves:

ISSN 1984-9354

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1. INTRODUÇÃO

O conceito do desenvolvimento sustentável é definido como aquele que atende às necessidades

do presente sem comprometer as possibilidades das gerações futuras atenderem suas próprias

necessidades. Como consequência prática para o desenvolvimento sustentável foi desenvolvida a ideia

da ecoeficiência, geralmente avaliada por meio de ecoindicadores.

Atualmente as empresas alinhadas com os conceitos e princípios do desenvolvimento

sustentável atuam para minimizar os impactos ambientais e sociais provocados por suas operações. O

tema sustentabilidade, particularmente emissões de gases de efeito estufa (GEEs), tem ganhado

importância devido à necessidade crescente de manutenção e recuperação do meio ambiente. Assim,

têm sido criadas formas de avaliar e diminuir emissões e despejos de indústrias e empresas. Isto se

deve às sanções impostas pelos governos, impulsionados pela conscientização e mobilização crescente

da sociedade civil, organizações não governamentais e grupos técnico-científicos da área ambiental.

Entre essas medidas pode-se citar a melhoria da eficiência energética, que é vista como uma

das estratégias mais promissoras para reduzir as emissões globais de CO2 (gás poluente tomado como

referência; os outros gases são contabilizados em equivalência) e dependência da importação de

combustíveis fósseis. A indústria de transformação responde por um terço do consumo global de

energia e, portanto, a melhoria da eficiência energética e redução das emissões de CO2 são prioridade

para essas indústrias (Siitonen et al., 2010).

Os ecoindicadores representam uma relação de uma variável ambiental e um elemento

econômico (produção ou receita). Um dos principais objetivos dos ecoindicadores é melhorar a tomada

de decisões, de modo que a capacidade de monitoramento e a geração de informações que eles trazem

possam auxiliar nas diretrizes de decisões econômica e ambientalmente seguras, além de permitir a

avaliação dos impactos gerados (Pereira et al., 2014).

Atualmente, plantas de produção de amônia têm ganhado atenção de pesquisadores em

problemas de controle e otimização, principalmente energética (Araújo e Skogestad, 2008; Zhang et

al., 2010). Modificações propostas do processo convencional incluem um reator multitubular (Luyben,

2012) e dois reatores com integração energética (Amin et al., 2012). Entretanto, nenhum destes

trabalhos visou à avaliação de emissões de CO2.

A amônia é um dos insumos mais consumidos no mundo (Luyben, 2012), dada a sua utilidade

em diversos setores econômicos. Portanto, este trabalho propõe a avaliação de emissões de CO2 na

indústria de produção de amônia, com base em ecoindicadores e por meio de simulação. Escolheu-se a

planta apresentada em Araújo e Skogestad, 2008 por ter sido otimizada econômica e energeticamente e

por representar o processo convencional de produção de amônia.

Este trabalho está organizado em cinco seções, além desta introdução. A seção 2 revisa os

trabalhos sobre plantas de amônia e ecoindicadores para indústria apresentados na literatura. A seção 3

apresenta a metodologia para desenvolver o ecoindicador de CO2. A seção 4 apresenta a planta de

amônia em detalhes. A seção 5 apresenta os resultados para a simulação e ecoindicador. E, finalmente,

a seção 6 conclui o artigo.

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2. Revisão da Literatura.

2.1. Produção de Amônia.

A obtenção de amônia como produto final é feita pela reação direta entre hidrogênio e

nitrogênio, através da síntese de Haber, de acordo com a Equação (1).

123 322 NHHN

Inicialmente é feita a síntese de hidrogênio a partir do metano e posteriormente é adicionado

nitrogênio. Como a formação de amônia é intermediada por catalisador de ferro é necessário

considerar as correntes oxidativas do processo. Dessa forma, como parte de suas etapas de processo é

necessária a remoção de correntes de água, monóxido de carbono e dióxido de carbono (Amin et al.,

2013).

Em termos comerciais a amônia se apresenta na forma anidra ou em solução aquosa,

precisando ser armazenada a baixas temperaturas ou em altas pressões devido sua alta volatilidade. A

relevância mundial da amônia para vários setores econômicos inclui a base para produtos de limpeza

doméstica e industrial, produção de fertilizantes nitrogenados e síntese de fármacos (Luyben, 2012).

Para a economia brasileira a demanda por amônia merece especial atenção na sua participação

no setor agrícola. A amônia anidra representa 82% de toda matéria prima necessária para a produção

de fertilizantes nitrogenados, críticos no cultivo das principais culturas do país. Enquanto isso, a

capacidade mundial de produção de amônia se concentra em países asiáticos e do leste europeu, o que

contribui negativamente para a balança comercial nacional (Dias e Fernandes, 2006). E ainda, as

expansões previstas das atividades agrícolas no país geram uma previsão no aumento das importações

de fertilizantes em 63% até 2023 (SNA, 2014).

2.2. Plantas Industriais de Amônia.

Considerando que a produção de amônia representa um insumo crítico para diversos setores

econômicos são naturais as discussões e propostas de diferentes configurações de processos industriais

para sua síntese. O processo produtivo de amônia é constituído por uma série de etapas integradas. No

início a matéria prima: gás natural de um gasoduto ou de outras fontes (gás natural sintético) ou nafta é

tratado pelas etapas de dessulfurização para remover enxofre, reformas primárias (com vapor) e

secundárias (com ar), conversão, remoção de dióxido de carbono e metanação. Assim, é formada uma

mistura comumente chamada "gás de síntese", composto por: hidrogênio, nitrogênio, monóxido de

carbono, dióxido de carbono, água e traços de vários gases inertes incluindo metano e argônio, enviado

ao processo de síntese. Tipicamente o processo de síntese de amônia é realizado em etapas de reação e

posterior separação para purificação do produto final, com altas taxas de reciclo das correntes

secundárias. Além disso, a síntese de amônia tende a ser realizada em elevadas pressões, de maneira a

promover maior taxa de conversão, o que exige a otimização adequada dos seus sistemas de

compressores (Luyben, 2012).

O design industrial escolhido para o presente trabalho é o proposto em Araujo e Skogestad

(2008), caracterizado pelo uso de um único reator contínuo adiabático, do tipo escoamento pistonado

(do idioma inglês "Plug Flow Reactor" - PFR) operando a 196 bar. Este reator de 2m de diâmetro é

dividido em três leitos de diferentes comprimentos (2,130; 3,0650 e 4,840, respectivamente). Sua

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corrente de alimentação é de 8129 kmol/h a 23 bar com uma composição de 74,5% molar de

hidrogênio, 24,9% molar de nitrogênio, 0,3% molar de argônio e 0,3% molar de metano. A relação

molar de hidrogênio e nitrogênio é 3:1. A corrente de produto líquido é de 4172 kmol/h com 1,4%

molar de hidrogênio, 0,5% molar de nitrogênio, 0,6% molar de argônio, 0,6% molar de metano e 96,9

% molar de amônia. Enquanto isso, a corrente de purga do sistema é de apenas 4,257 kmol/h.

Dada a demanda por processos alternativos de síntese de amônia, Luyben (2012) propõe uma

configuração alternativa para a planta proposta por Araújo e Skogestad (2008). Esta se utiliza de um

reator tubular com múltiplos tubos para o processo operando a uma pressão menor de 140 bar, quando

comparado ao processo convencional (Araújo e Skogestad, 2008) com correntes de alimentação e

condições operacionais similares. No entanto, o novo processo obtém amônia ligeiramente mais

concentrada (97,46% molar) do que o convencional (96,9% molar). O novo dimensionamento de

equipamentos torna a proposta mais atraente economicamente. Posteriormente, Amin et al. (2013)

propuseram uma modificação generalizada na planta de amônia, introduzindo mais um reator e com

integração energética. Para maiores detalhes o leitor interessado deve consultar estas referências.

2.3. Ecoindicadores.

A utilização de ecoindicadores tem sido largamente considerada como solução prática nas

avaliações de sustentabilidade envolvendo principalmente o setor da indústria de transformação, de

modo a inferir a ecoeficiência do processo.

Revisões nesta área realizada por Pereira et al. (2014) incluem a indústria do aço (Sititonen et

al., 2010), da petroquímica (Charmondusit e Keartpanpraek, 2011), do ferro (Kharel e Chamondusit,

2008) e da própria indústria de produção da amônia (Zhou et al., 2010). Os autores apontaram os

principais ecoindicadores considerados para estudo e desenvolvimento na indústria: consumo de água,

consumo energético, geração de CO2, geração de resíduos sólidos e geração de efluentes, e um modo

de avaliá-los conjuntamente através de um índice de ecoeficiência.

Os ecoindicadores ambientais escritos como relação variável ambiental (numerador) por

produção (denominador) resultam em melhor resultado para quanto menor for o valor desta relação.

Assim, Pereira et al. (2014) agruparam os ecoindicadores, após normalização de cada categoria, em um

gráfico tipo radar, e calcularam o índice pela área do polígono formado. Quanto menor a área, maior a

ecoeficiência. Isso, por exemplo, possibilita comparar duas unidades de produção de amônia com

tecnologias de processo diferentes para as mesmas categorias de ecoindicadores.

Além de proporcionar um diagnóstico em termos ambientais, o uso de ecoindicadores de

consumo energético merece especial destaque pelo seu apelo econômico, proporcionando uma

integração entre os dois temas (econômico e ambiental), algo crítico para as discussões sobre

sustentabilidade. Já ecoindicadores de emissão de CO2 merecem atenção pela série de leis e diretrizes

ambientais para a mitigação do efeito estufa e até mesmo pelo interesse da sociedade, cada vez mais

consciente sobre o assunto.

Segundo Pereira et al. (2014) o ecoindicador de emissão de CO2 pode ser definido de duas

formas como:

• (a) Ecoindicador de emissão de CO2: Razão do total de emissão de CO2 em um período pela

produção total equivalente (unidade tCO2/t). Avaliação: Quanto menor o resultado melhor.

• (b) Ecoindicador de emissão de CO2: Razão do total de receita na venda de produção pela

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emissão de CO2 no período equivalente (unidades monetárias/unidade tCO2). Avaliação: Quanto maior

o resultado melhor.

A primeira forma será considerada neste trabalho, pois permite sua utilização com base nos

resultados de simulação computacional de um processo. E por, ainda, como discutido previamente,

possibilitar uma avaliação conjunta como índice de ecoeficiência para mais categorias de

ecoindicadores.

3. Metodologia.

3.1. Metodologia de Simulação.

Foi utilizado como base para a simulação o pacote computacional UNISIM Design Suite R390

da empresa Honeywell. Neste caso, é critico para obtenção de resultados coerentes o correto

preenchimento das especificações fornecidas pela planta de referência. Sendo assim, se faz necessário

dar atenção aos dados das correntes de alimentação (suas vazões, composições, pressões e

temperaturas) bem como parâmetros operacionais e aos parâmetros da reação, principalmente as

constantes cinéticas, energias de ativação e informações do catalisador.

Finalmente, o correto preenchimento das variáveis independentes de dimensões dos

equipamentos e eficiências fornecerá as variáveis dependentes de saída da planta: Vazões de topo e

fundo de equipamentos e suas composições, temperaturas e pressões.

3.2. Obtenção de Ecoindicadores.

Pereira et al. (2014) propuseram metodologia para os cálculos de emissão de CO2 aplicável a

plantas industriais partindo de trabalhos desenvolvidos por Siitonen et al. (2010). Ambas as

metodologias são referendadas, por sua vez, nas diretrizes do Intergovernamental Panel on Climate

Change - IPCC (IPCC, 1996).

Primeiramente as emissões de CO2 são divididas e classificadas em três categorias principais.

São elas:

1. Emissões por combustão: Produzidas na queima direta de combustíveis gasosos e líquidos para

suprir o processo.

2. Emissões indiretas: Geradas por fontes externas de energia (majoritariamente vapor e energia

elétrica).

3. Emissões fugitivas: Originais de vazamentos indesejados em equipamentos, emissões de

veículos transportadores de insumos e produtos e emissões geradas por alívio de válvulas.

Uma das adaptações de Pereira et al. (2014) é a de inserir as emissões fugitivas de alívio para

queima no flare. A medida tem potencial para reduzir as emissões totais de CO2 da planta, uma vez

que as emissões por alívio contêm substâncias com valor de CO2 equivalente de magnitudes

superiores. Segundo os autores as emissões do tipo fugitivas provenientes de vazamentos indesejados e

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de transporte são proporcionalmente muito inferiores às demais e serão, para fins práticos,

desconsideradas neste trabalho.

Ainda segundo Pereira (2014) a geração de CO2 por combustão pode ser generalizada pela

Equação (2):

222 COOC

Assumindo combustão total dos hidrocarbonetos à CO2 e partindo das estequiometrias das

reações de queima completa é possível relacionar as correntes de emissão para o flare com a geração

de CO2. A vazão de CO2 (mCO2) fica então relacionada com a vazão mássica de um dado

hidrocarboneto (mhc) pela Equação (3):

32 hchcCO pmm

Sendo phc a relação mássica entre CO2 e o hidrocarboneto que será queimado por completo. Na

planta de amônia avaliada neste trabalho o único hidrocarboneto relevante foi metano. Sua relação

mássica e reação de conversão são apresentadas na Tabela 1

Tabela 1. Relação entre a massa de CO2 emitida para hidrocarboneto queimado.

Hidrocarboneto Reações de Conversão: Reagente/Produto phc(tCO2/t)

Metano CH4 + 2 O2 → 1 CO2 + 2 H2O 2,75

Para o cálculo das emissões indiretas são utilizados os valores de conversão de acordo com a

Tabela 2.

Tabela 2. Fatores de conversão para emissões de CO2 de fontes indiretas.

Conversão / Propriedade Valor Referência

Energia Elétrica 3,60 × 106 kJ/MWh IPCC (1996)

Conversão Energia Elétrica em CO2 0,1355 tCO2/MWh MCT (2015)

Conversão de Energia em CO2 (base Gás Natural) 0,0561 tCO2/GJ* IPCC (1996)

* 0,20196 tCO2/ MWh. (1 MWh= 3,6 GJ).

O valor de 0,1355 tCO2/MWh é a média do Brasil para o ano de 2014, conforme Tabela 3. Este

valor é superior a média do ano de 2013 devido a utilização das termoelétricas na matriz energética do

país. Vale a pena ressaltar também que em 2006 o valor era de apenas 0,0323 tCO2/MWh, o que

representa uma aumento de cerca de 400% nas emissões de CO2 em menos de 10 anos. Este padrão na

produção de energia elétrica nacional reforça a necessidade de se promover eficiência energética como

forma de reduzir impactos ambientais associados ao aquecimento global.

Tabela 3. Fator de emissão de CO2 por geração de energia elétrica no Sistema Interligado

Nacional, em toneladas de CO2 / MWh. Fonte: MCT (2015).

Ano Mês

Média Jan Fev Mar Abr Mai Jun Jul Ago Set Out Nov Dez

2013 0,1151 0,1090 0,0981 0,0959 0,1151 0,1079 0,0838 0,0833 0,0840 0,0831 0,093 0,0841 0,0960

2014 0,0911 0,1169 0,1238 0,1310 0,1422 0,1440 0,1464 0,1578

3 0,1431 0,1413

1 0,1514 0,1368

1 0,1355

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Partindo dos resultados de simulação é possível determinar as vazões e respectivas

composições que serão direcionadas para a queima no flare. Estas serão contabilizadas como emissões

fugitivas de CO2. Já as quantidades de vapor e energia elétrica irão contribuir para as emissões

indiretas e vão variar de acordo com as possibilidades de operação dos compressores, se movidos a

vapor ou energia elétrica. Neste estudo de simulação ambas possibilidades são analisadas. Muito

provavelmente, como a síntese de amônia depende intrinsecamente desses equipamentos, é de se

esperar que em um processo real os compressores operem no modo a vapor, tendo um terceiro

compressor elétrico sobressalente para emergências operacionais.

O ecoindicador será obtido pela razão entre a soma destas emissões de CO2 apresentadas e a

produção de amônia da planta.

4. Planta de Amônia.

O processo de síntese de amônia avaliado neste trabalho foi baseado no apresentado e

otimizado por Araújo e Skogestad (2008). Seu fluxograma é apresentado na Figura 1.

Figura 1. Planta de síntese de amônia.

Fonte: Araujo (2008).

Nesta configuração convencional de planta é utilizado um único reator contínuo adiabático, do

tipo escoamento pistonado operando a 196 bar. Este reator de 2m de diâmetro é divido em três leitos

(PFR-1, PFR-2 e PFR-3) de diferentes comprimentos (2,130; 3,0650 e 4,840, respectivamente). Os

leitos são pré-aquecidos e resfriados em suas etapas intermediárias por meio de correntes de

recirculação. A reação ocorre na fase gasosa no leito de catalisador, geralmente de ferro, que possui

densidade (ρcat) 2000 kgcat/m3

cat. A fração de vazios do leito (εb) é de 0,33. São utilizados dois

compressores na planta: o primeiro entra com uma corrente rica em hidrogênio e nitrogênio e altera a

pressão de entrada do vaso de flash, se misturando a corrente advinda da série de reatores, facilitando

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a condensação da amônia e preparando a composição de topo para a recirculação direcionada aos

reatores e troca de calor com a corrente direta, corrente esta conduzida por sua vez pelo segundo

compressor.

O processo é considerado em estado estacionário e não são atribuídas quedas de pressão

significativas nos equipamentos.

4.1. Seção de Alimentação e Separação

A alimentação deste processo consiste em uma corrente (identificada pelo número 1) com

vazão de 8212,72 kmol/h a 17°C e 23,10 bar, composta por 74,5% de Hidrogênio, 24,9% de

Nitrogênio, 0,3% de Argônio e 0,3% de metano. Esta é enviada ao primeiro compressor (K-101), de

modo a elevar sua pressão a 196,3 bar e temperatura a 309°C. Para tal, exige-se uma potência de

19800 kW. Esta corrente é posteriormente misturada com a corrente efluente da bateria de

permutadores de calor (identificada pelo número 3). Esta mistura (identificada pelo número 4) com

vazão de 45106,33 kmol/h, temperatura de 39,60°C, pressão de 196,28 bar, e composta por 54,13% de

Hidrogênio, 22,44% de Amônia, 19,14% de Nitrogênio, 2,33% de Metano e 1,96% de Argônio, é

enviada ao vaso de flash (V-100) de modo a promover a separação das fases líquida (identificada pelo

número 5) e vapor (identificada pelo número 6). Este vaso dispõe de 5,835 m de diâmetro e 8,752 m de

altura, compondo um volume de 234 m³.

A fase líquida efluente do vaso de flash consiste no produto gerado pelo processo com vazão de

4190,4 kmol/h a 39,60°C e 196,28 bar, composta por 96,12% de Amônia, 2,24% de Hidrogênio, 0,6%

de Nitrogênio, 0,54% de Argônio e 0,5% de Metano. A fase gasosa efluente do vaso de flash possui

uma vazão de 40915,93 kmol/h a 39,60°C e 196,28 bar, e composição de 59,44% de Hidrogênio,

21,04% de Nitrogênio, 14,89% de Amônia, 2,52% de Metano e 2,11% de Argônio. Parte desta

corrente é purgada, objetivando o não acúmulo de inertes no sistema. Esta purga (identificada pelo

número 7), com vazão de 3,98 kmol/h, é encaminhada à queima no flare, para eliminar os inertes

(Metano e aArgônio) A parcela restante da fase gasosa efluente do vaso de flash (identificada pelo

número 8), com vazão de 40911,95 kmol/h e a mesma composição da corrente anterior, é enviada ao

segundo compressor da unidade (K-102), de modo a elevar sua pressão a 208 bar e temperatura a

39,6°C, e direcionada ao permutador E-101. Para tal, exige-se uma potência de 2718 kW.

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4.2. Seção de Reação.

Os parâmetros reacionais utilizados neste trabalho seguem a proposta de Araújo e Skogestad

(2008). Neste caso, a cinética heterogênea em função das pressões parciais de nitrogênio, hidrogênio e

amônia (PN2, PH2 e PNH3) assumida para reação é representada pela Equação (4) a seguir:

5,1

2

3

1

3

5,1

22

13 2H

NH

NH

HN

NHP

PK

P

PPKfr em (kmol NH3 / kgcat h) (4)

Com a densidade do catalisador em kgcat/m3

cat e a pressão em bar. Os fatores pré-exponenciais:

direto (K1) e reversível (K-1) são os apresentados na Equação (5):

RTeK

87090

4

1 1079,1

(5)

RTeK

198464

16

1 1075,2

Na Equação (5) a temperatura T é calculada em Kelvin e o fator de correção para a atividade do

catalisador é f = 4,75. As energias de ativação direta e reversível já estão contempladas (em kJ/kmol) e

R é a constante universal dos gases perfeitos.

Cabe ressaltar que está equação heterogênea não se molda a opção de reação heterogênea do

tipo Langmuir-Hinshelwood do software UNISIM. Sendo assim, se faz necessário uma adaptação para

utilização de cinética homogênea, considerando um modelo pseudohomogêneo, conforme Equação

(6):

33.

)1(NHcat

b

b

NHUNISIM rr

em (kmol NH3 / m

3v h) (6)

Considerações sobre a Equação (6):

A fração de vazios do leito εb é adimensional, pois representa a relação entre o volume de

vazio e o volume total do leito do reator, representado por m3

v/ m3;

O termo (1- εb) representa fração de catalisador, sendo adimensional, pois representa a

relação entre o volume de catalisador sólido e o volume total do leito do reator,

representado por m3

cat/ m3;

O volume total do leito do reator é representado por m3 e é composto pelo volume de

catalisador sólido m3

cat e pelo volume de vazio m3v (m

3= m

3cat + m

3v);

A reação ocorre no volume de vazios m3

v.

Dessa forma, é possível realizar a simulação computacional no software UNISIM R390 sem

perda de generalidade.

A seção de reação consiste fundamentalmente em um reator tubular, divido em 3 leitos de

diferentes comprimentos com entradas intermediárias de reciclo de material. Como a reação é

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exotérmica, há um incremento da temperatura da corrente de saída de cada reator. De modo a não

ocorrer um aumento excessivo desta temperatura, e não promover a conseqüente diminuição da

conversão dos reagentes, há um resfriamento intermediário entre os reatores. Este resfriamento é

promovido através da simples mistura entre a corrente efluente do reator e parte da corrente efluente o

permutador E-101.

A corrente efluente do compressor K-102 (identificada pelo número 9) é pré-aquecida no

permutador E-101 até atingir a temperatura de 232°C. Esta corrente (agora identificada pelo número

10) é dividida em quatro novas correntes para a alimentação dos diferentes reatores: correntes 11, 12,

13 e 14. Consequentemente as correntes 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14 possuem a mesma composição.

A corrente 11, com vazão de 20619,62 kmol/h, temperatura de 232°C e pressão de 207 bar,

após passagem pela válvula V-1 sofre uma despressurização para 205 bar (agora identificada pelo

número 11.1) e é pré-aquecida no permutador E-103. Este pré-aquecimento eleva sua temperatura para

340°C e diminui sua pressão para 204 bar (agora identificada pelo número 15). Analogamente à

corrente 11, as correntes 12, 13 e 14 também sofrem despressurização nas válvulas V-2, V-3 e V-4

respectivamente, todavia sem passarem por permutadores de calor. A corrente 14, com vazão de

9409,75 kmol/h, temperatura de 232°C e pressão de 207 bar, após passagem pela válvula V-4 sofre

uma despressurização para 204 bar (agora identificada pelo número 14.1) e é misturada com a corrente

15. Esta mistura (identificada pelo número 16), agora com vazão de 30029,37 kmol/h, temperatura de

306,3°C e pressão de 204 bar, e a mesma composição das correntes que a antecedem, é a alimentação

do primeiro leito do reator tubular (PFR-100).

O primeiro leito do reator tubular dispõe de 2,13 m de comprimento e 2 m de diâmetro,

gerando um volume total de 6,692 m³. Sua corrente efluente (identificada pelo número 17), com vazão

de 27313,99 kmol/h, temperatura de 452,7°C e pressão de 203 bar, é composta por 50,44% de

Hidrogênio, 26,31% de Amônia, 18,16% de Nitrogênio, 2,77% de Metano e 2,32 de Argônio. Com o

intuito de reduzir sua temperatura, há a mistura da corrente 17 com a corrente 13.1, gerada após a

despressurização da corrente 13 de 207 bar para 203 bar e com vazão de 5686,76 kmol/h. Esta mistura

(identificada pelo número 18), agora com vazão de 33000,75 kmol/h, temperatura de 417,3°C, pressão

de 203 bar e composta por 51,99% de Hidrogênio, 24,35% de Amônia, 18,66% de Nitrogênio, 2,73%

de Metano e 2,28 de Argônio, é a alimentação do segundo leito do reator tubular (PFR-101).

O segundo leito do reator tubular dispõe 3,07 m de comprimento e 2 m de diâmetro, gerando

um volume total de 9,645 m³. Sua corrente efluente (identificada pelo número 19), com vazão de

32316,169 kmol/h, temperatura de 448,7°C e pressão de 202 bar, é composta por 49,91% de

Hidrogênio, 26,98% de Amônia, 17,99% de Nitrogênio, 2,78% de Metano e 2,33% de Argônio.

Novamente para reduzir sua temperatura, há a mistura da corrente 19 com a corrente 12.1, gerada após

a despressurização da corrente 12 de 207 bar para 202 bar e com vazão de 5195,82 kmol/h. Esta

mistura (agora identificada pelo número 20) possui vazão de 37511,97 kmol/h, temperatura de 421°C,

pressão de 202 bar e composta por 51,23% de Hidrogênio, 25,31% de Amônia, 18,42% de Nitrogênio,

2,75% de Metano e 2,30 de Argônio, e é a alimentação do terceiro e último leito do reator tubular

(PFR-102).

O terceiro leito do reator tubular dispõe 4,84 m de comprimento e 2 m de diâmetro, gerando um

volume total de 15,205 m³. Sua corrente efluente (identificada pelo número 21), com vazão de

36888,18 kmol/h, temperatura de 446°C e pressão de 201 bar, e composição de 49,56% de Hidrogênio,

27,42% de Amônia, 17,88% de Nitrogênio, 2,79% de Metano e 2,34% de Argônio, é então direcionada

a uma bateria de permutadores de calor.

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4.3. Seção de Resfriamento.

A seção de resfriamento consiste apenas de 4 permutadores de calor e objetiva resfriar a

corrente efluente do último reator tubular (corrente 21). Como objetivo secundário ocorre o pré-

aquecimento das correntes 9 e 11.1, as quais destinam-se à seção de reação.

A corrente efluente da seção de reação (corrente 21) é direcionada ao permutador de calor E-

103 de modo a promover o seu resfriamento e conseqüente aquecimento da corrente 11.1. Inicialmente

a uma temperatura de 446°C, a corrente 21 tem a sua temperatura reduzida para 391,4°C (sendo

renomeada para corrente 22). Já a corrente 11.1, inicialmente a 232°C tem a sua temperatura

aumentada para 340°C (sendo renomeada para corrente 15).

A corrente 22 segue para o permutador de calor E-102, reduzindo a sua temperatura de 391,4°C

a 297°C (sendo renomeada para corrente 23). Não há integração energética neste permutador, tendo

em vista este utilizar uma utilidade como fluido refrigerante.

A corrente efluente do permutador E-102 (corrente 23) é direcionada ao permutador de calor E-

101 de modo a promover o seu resfriamento e conseqüente aquecimento da corrente 9. Inicialmente a

uma temperatura de 297°C, a corrente 23 tem a sua temperatura reduzida para 107°C (sendo

renomeada para corrente 24). Já a corrente 9, inicialmente a 47,28°C tem a sua temperatura aumentada

para 232°C (sendo renomeada para corrente 10).

Finalmente, a corrente 24 segue para o permutador de calor E-100, reduzindo a sua temperatura

de 107°C a 27°C (sendo renomeada para corrente 25). Não há integração energética neste permutador,

tendo em vista este utilizar uma utilidade como fluido refrigerante.

Como há somente trocas de calor nesta seção, a composição das correntes 21, 22, 23, 24, 25 e 3

são iguais.

5. Resultados.

5.1. Resultados de Simulação.

Os resultados da simulação da planta de amônia são apresentados na Tabela 4.

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Tabela 4. Resultados de Simulação.

Corrente Temperatura Pressão Vazão Hidrogênio Nitrogênio Argônio Metano Amônia

(°C) (bar) (kmol/h) (%) (%) (%) (%) (%)

1 17,00 23,10 8212,72 74,50 24,90 0,30 0,30 0,00

2 309,00 196,28 8212,72 74,50 24,90 0,30 0,30 0,00

3 27,00 199,00 36893,62 49,59 17,86 2,33 2,78 27,43

4 39,60 196,28 45106,33 54,13 19,14 1,96 2,33 22,44

5 39,60 196,28 4190,40 2,24 0,60 0,54 0,50 96,12

5.1 39,71 191,28 4190,40 2,24 0,60 0,54 0,50 96,12

6 39,60 196,28 40915,93 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

7 39,60 196,28 3,98 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

8 39,60 196,28 40911,95 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

9 47,28 208,00 40911,95 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

10 232,00 207,00 40911,95 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

11 232,00 207,00 20619,62 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

11.1 232,00 205,00 20619,62 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

12 232,00 207,00 5195,82 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

12.1 231.9 202,00 5195,82 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

13 232,00 207,00 5686,76 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

13.1 232,00 203,00 5686,76 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

14 232,00 207,00 9409,75 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

14.1 232,00 204,00 9409,75 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

15 340,00 204,00 20619,62 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

16 306,30 204,00 30029,37 59,44 21,04 2,11 2,52 14,89

17 452,70 203,00 27313,99 50,44 18,16 2,32 2,77 26,31

18 417,30 203,00 33000,75 51,99 18,66 2,28 2,73 24,35

19 448,70 202,00 32316,16 49,91 17,99 2,33 2,78 26,98

20 421,00 202,00 37511,97 51,23 18,42 2,30 2,75 25,31

21 446,00 201,00 36888,18 49,56 17,88 2,34 2,79 27,42

22 391,40 201,00 36888,18 49,56 17,88 2,34 2,79 27,42

23 297,00 200,00 36888,18 49,56 17,88 2,34 2,79 27,42

24 107,00 200,00 36888,18 49,56 17,88 2,34 2,79 27,42

25 27,00 199,00 36888,18 49,56 17,88 2,34 2,79 27,42

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A corrente 5.1, na base da unidade flash fornece os dados de produção de amônia da planta,

enquanto que a corrente 7 no topo da mesma unidade fornece os dados de geração de CO2 por alívio,

direcionado para a queima no flare.

Foram utilizados condições de alimentação idênticas aos de Araújo e Skogestad (2008), bem

como o pacote termodinâmico PengRobson. Dessa forma os resultados podem ser considerados

satisfatórios para uma planta industrial real mesmo que não sejam exatamente idênticos aos

apresentados pelos autores. O maior motivo para as pequenas discrepâncias observadas é devido aos

softwares utilizados para simulação computacional. Neste trabalho utilizou-se a versão R390 do

UNISIM e em Araújo e Skogestad (2008) foi utilizado o Aspen Plus versão 7.1.

5.2. Resultados do Ecoindicador de CO2.

As Tabelas 5 e 6 apresentam os resultados consolidados para a geração de CO2 comparados à

produção de amônia, sendo assim estabelecido o ecoindicador. Cada tabela faz uma consideração

diferente para os compressores utilizados no processo. Na Tabela 5 é considerado o uso de energia

elétrica, enquanto a Tabela 6 apresenta os resultados para o uso de compressores movidos a vapor.

Tabela 5. Resultados para a planta de amônia considerando compressores elétricos.

Fonte Tipo de Emissão Quantidade tCO2/h

Compressor Elétrico K-101 Indireta 19800,000 kW 2,683

Compressor Elétrico K-102 Indireta 2718,000 kW 0,368

Purga - Flare Fugitiva 4,413 kg/h 0,004

Total: 3,056 tCO2/h

Produção: 68,594 t/h

Ecoindicador CO2: 0,045 tCO2/t

Tabela 6. Resultados para a planta de amônia considerando compressores a vapor.

Fonte Tipo de Emissão Quantidade tCO2/h

Compressor a Vapor K-101 Indireta 19800,000 kW 3,999

Compressor a Vapor K-102 Indireta 2718,000 kW 0,549

Purga - Flare Fugitiva 4,413 kg/h 0,004

Total: 4,552 tCO2/h

Produção: 68,594 t/h

Ecoindicador CO2: 0,066 tCO2/t

Como pode ser observado nas Tabelas 5 e 6 foi possível desenvolver o ecoindicador de CO2

para esta planta de síntese de amônia. Para uma planta com compressores elétricos seu valor é de 0,045

tCO2/h, enquanto que para uma planta com compressores a vapor seu valor é de 0,066 tCO2/h,

considerando para este último uma eficiência da caldeira (utilização água tratada para geração de vapor

pela queima de metano). Considerando uma eficiência na queima de combustível gasoso na caldeira de

85% (Pereira et al., 2014) o valor corrigido é de 0,078 tCO2/h.

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A diferença considerável na geração de CO2 se justifica principalmente pela natureza da matriz

energética nacional ser de baixa geração de CO2 associado, mesmo com o aumento nos últimos anos

pela utilização de termoelétricas. Vale a pena ressaltar, no entanto, que o uso de vapor pode se

justificar por motivos econômicos. A utilização de compressores puramente elétricos aumenta os

riscos de parada de produção, devido à possibilidade de flutuações, picos ou apagões na rede elétrica.

Em relação aos dados obtidos na geração de CO2 pela corrente de alívio do sistema, nota-se sua baixa

contribuição para o valor global da planta, o que revela a sua eficiência e o próprio design limpo deste

processo, em termos de CO2.

6. Conclusões.

Os resultados obtidos na simulação baseada no software UNISIM foram satisfatórios para o

desenvolvimento do ecoindicador de CO2. Este foi desenvolvido por meio de metodologia simples e

prática, podendo ser aplicada facilmente ao ambiente empresarial industrial. A ferramenta, por sua vez,

tem significativa aplicabilidade para processos de planejamento, monitoramento e ação em torno de

metas de ecoeficiência, tendo potencial econômico associado.

Na planta de amônia estudada a principal forma de emissão de CO2 foi a de natureza indireta

(consumo de vapor e energia). É possível afirmar que os valores de emissão de CO2 seriam superiores

em matrizes energéticas mais poluentes, como as baseadas em termoelétricas. Já as emissões diretas

foram inexistentes e as de natureza fugitiva foram significativamente inferiores às associadas com o

consumo de energia e de vapor.

Como o consumo de energia foi considerado crítico para o aumento de valores do ecoindicador

de CO2, a importância do desenvolvimento de ecoindicador do tipo consumo energético se torna ainda

mais interessante. Vale a pena ressaltar que, como apontaram Pereira et al. (2014), este outro

ecoindicador tem recebido especial atenção devido a sua dupla função: ambiental e econômica. Os

demais ecoindicadores apontados pelos autores também seriam interessantes de serem desenvolvidos

e, dessa forma, revelar um quadro ainda mais completo dos passivos ambientais da planta de síntese de

amônia, bem como apontar possíveis soluções mais integradas. Em especial para os ecoindicadores de

consumos de consumo de água e geração de efluentes se faz necessário desenvolver a planta de

utilidades. Podem-se ainda, analisar as plantas resultantes das modificações de processo,

principalmente na seção de reação, propostas por Luyben (2012) e Amin et al. (2013).

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