remoçaõ de H2S do biogas

remoçaõ de H2S do biogas

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Acta Sci. Technol. Maringá, v. 28, n. 1, p. 29-37, Jan./June, 2006

Correlações para estimativas de custos na remoção de ácido sulfídrico de biogás

Laercio Mantovani Frare, Marcelino Luiz Gimenes e Nehemias Curvelo Pereira*

Departamento de Engenharia Química, Universidade Estadual de Maringá (UEM), Avenida Colombo, 5790, 87020-900, Maringá, Paraná, Brasil. *Autor para correspondência. e-mail: nehemias@deq.uem.br

RESUMO. As estimativas de custos durante os estudos para a implementação de um novo processo químico é uma das fases críticas que determinam se o empreendimento será viável ou não. Neste trabalho foi desenvolvida uma metodologia capaz de estimar os custos e investimentos envolvidos em um processo de remoção de ácido sulfídrico de biogás. A metodologia aplicada utilizou uma estimativa de custos fundamentada em equipamentos nacionais e nas correlações propostas por Guthrie (1969), Turton et al. (2003) e Perlingeiro (2005). Esta permite avaliar, de maneira rápida e precisa, diferentes configurações de equipamentos durante a etapa de projeto do processo, determinando assim o custo final do metro cúbico de biogás purificado.

Palavras-chave: purificação, biogás, custos.

ABSTRACT. Correlations for cost estimates in the sulfidric acid removal from biogas. Cost estimates during studies in order to implement a new chemical process are a critical stage that determines whether the process will be viable or not. This study developed a methodology to estimate the costs and investments necessary in the process of removing hydrogen sulfide from biogas. The applied methodology used cost estimates based on costs of national equipments and correlations proposed by Guthrie (1969), Turton et al. (2003) and Perlingeiro (2005). The methodology allowed rapid and precise evaluation, different configuration of equipments for the process project, thus establishing the cost of cubic meter of purified biogas.

Key words: purification, biogas, costs.

Introdução

O processo de conversão da matéria orgânica em condições de ausência de oxigênio em efluentes dos setores agroindustrial, em efluentes urbanos (estações de tratamento dos efluentes domésticos) e da matéria orgânica nos aterros de resíduos sólidos urbanos tem como um de seus produtos o biogás. Este gás consiste, principalmente, de metano (50 – 70%), dióxido de carbôno (25 – 45%) e pequenas quantidades de hidrogênio, nitrogênio e ácido sulfídrico (H2S). O biogás pode ser captado no ponto de produção e enviado para queimadores de gás evitando que seja lançado diretamente na atmosfera agravando o efeito estufa ou ainda ser destinado a uma planta de purificação com vistas à obtenção do metano para produção de energia. Entretanto sua utilização torna-se limitada pela presença do H2S (Price e Cheremisinoff, 1995). Dessa forma, os processos que utilizam o biogás para a geração de energia necessitam de uma etapa de purificação desse gás para a remoção do H2S para evitar tanto a manutenção do processo pela corrosão causada quanto da emissão de compostos sulfurosos resultantes do processo de combustão na atmosfera.

Entre os tratamentos para remoção de H2S, podese classificar os processos nas seguintes classes:

processos de oxidação a seco; processos de adsorção; processos de biotratamento; processos de absorção física e processos de absorção química. Nos processos que utilizam a absorção química existem alternativas que envolvem a separação do H2S de uma corrente gasosa pelo uso de metais quelados (Kohl e

Riesenfeld, 1985). Horikawa (2001) e Frare (2006), em um aparato em escala de bancada, utilizaram o processo de absorção com reação química em solução de Fe/EDTA para a redução (ou completa eliminação) do teor de H2S de correntes de biogás sintético. A escolha desse processo deveu-se, principalmente, às grandes vantagens que ele proporciona, tais como a elevada eficiência de remoção de H2S, a seletividade na remoção do H2S evitando gastos desnecessários de reagentes, às condições de operação ambiente que são favoráveis ao processo, à fácil regeneração da solução catalítica de Fe/EDTA e a absorção química do H2S que tem como produto final o enxofre elementar o qual é um produto estável, de fácil comercialização e que pode ser disposto em aterro industrial. Neste trabalho, foram utilizados os resultados

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Acta Sci. Technol. Maringá, v. 28, n. 1, p. 29-37, Jan./June, 2006 publicados por Frare et al. (2005) a respeito das condições operacionais para realizar o dimensionamento de uma planta em escala industrial para a remoção de ácido sulfídrico de processos de produção de biogás. De posse destes resultados experimentais tornou-se necessário o levantamento de métodos de estimativas dos custos associados ao projeto de processos.

Estimativas de custos para projetos de processos

O projeto de processos é uma atividade criativa onde são geradas idéias e, então, traduzidas em equipamentos para se produzir novos materiais ou para melhorar significativamente o valor de materiais existentes (Douglas, 1988). A Figura 1 apresenta, genericamente, as entradas, saídas, operações e reações que são requeridas para transformar a matéria-prima que devem ser consideradas na concepção de um novo processo (Bisio e Kabel, 1985).

Figura 1. Etapas na elaboração de um projeto de um novo processo (Adaptado de Bisio e Kabel, 1985).

Sob esta perspectiva, para que um projeto torne-se um processo industrial em funcionamento é preciso avaliar as etapas que envolvem reações, separações, a geração de produtos e subprodutos, o consumo de utilidades e, consequentemente, a análise da viabilidade econômica.

De acordo com Perlingeiro (2005), o desempenho previsto de um processo, ainda que se encontre em fase de projeto e o desempenho de um processo que já se encontre em fase de operação, pode ser medido através de critérios econômicos expressos por funções do tipo lucro ou custo. Muitas das estimativas de custos são feitas como parte da análise econômica de idéias propostas muito antes que o trabalho de projeto tenha sido feito. Nesse estágio é preciso um método de estimativa que não necessite de uma relação detalhada de materiais e balanços de energia ou dimensionamento de equipamentos, mas que seja suficientemente preciso (Ward, 1984).

A precisão dos custos envolvidos durante a fase das estimativas pode ser maior ou menor de acordo com a quantidade e a qualidade das informações disponíveis para o projeto de um processo industrial. Turton et al. (2003) classificam as estimativas em ordem de magnitude, estudos, preliminares, definitivas e detalhadas. A Figura 2 ilustra o custo para realizar estimativas em função da precisão esperada para a estimativa. Ou seja, quanto maior a quantidade de informações melhor será a precisão da estimativa e, consequentemente, maior o custo para realizá-la.

1 25 10 20 50 100 200 500 1000
1 25 10 20 50 100 200 500 1000

Figura 2. Precisão dos custos para realizar estimativas de acordo com a quantidade de informações disponíveis para plantas industriais (adaptado de Turton et al., 2003).

Para realizar estimativas de custos de novos processos industriais ou a modificação de plantas existentes, pode-se utilizar correlações que relacionam o custo de um equipamento em função de sua capacidade, potência ou outra dimensão característica.

Correlações para estimativas de custos

As correlações para estimativas de custos, geralmente, são utilizadas nos cálculos denominados de preliminares (Figura 2) e possuem uma precisão que se situa na faixa de -15 a +30%. Já as estimativas chamadas de definitivas são realizadas quando se dispõe de uma maior quantidade de informações específicas do projeto e possuem uma precisão entre -5 a +15% (Turton et al., 2003). Essas correlações apresentam como característica o produto entre um índice de correção de inflação, um valor de custo base (Cb) e um fator de correção. A equação (1) apresenta o conceito utilizado por Guthrie (1969) e Turton et al. (2003) no desenvolvimento de suas correlações.

()()correção de fator.base custo

( ) inflação de correção de índice oequipament do Custo.= (1)

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O valor do índice de correção de inflação deve ser utilizado uma vez que os preços dos equipamentos foram obtidos pelos autores a partir de fornecedores em um determinado período. Um índice é, meramente, um valor para um dado instante em relação a uma base de tempo. Se o custo em qualquer tempo no passado é conhecido, o custo equivalente no presente pode ser determinado de acordo com o conceito apresentado na equação (2).

atual antigoatual VI

COCP(2)

Na equação (2), as variáveis CPatual e COantigo representam o custo do equipamento para o ano de interesse e o custo original no ano base em que foram obtidos os dados de custos dos equipamentos em R$ ou US$, respectivamente. Ainda, a variável VIatual representa o valor de um índice de referência de correção da inflação para o ano de interesse e VIantigo o valor do mesmo índice no ano base no qual foram obtidos os custos dos equipamentos. Segundo Vatavuk e Neveril (1980), Douglas (1988), Peters e Timmerhaus (1991) e Perlingeiro (2005), os índices mais utilizados são o M&S (Marshall and Swift Equipment Cost Index) e o CEPCI (Chemical Engineering Plant Cost Index). Na Figura 3 pode-se verificar a variação desses índices ao longo dos anos de 1970 a 2004.

Figura 3. Variação dos índices M&S e CEPCI em função do tempo (Turton et al., 2003).

O outro fator que compõe a equação (1) é o custo base. Este fator representa o valor de compra do material construído a partir do material mais comum e nas condições de temperatura e pressão próximas da ambiente. E o último termo da equação (1) é um fator global de correção que permite adequar a correlação de custo ao tipo de material de construção, à pressão de operação e ao tipo do equipamento.

Um método de estimativas de custos citado constantemente em trabalhos que envolvem a etapa de análise econômica é o de Guthrie (1969).

Correlações propostas por guthrie (1969)

Guthrie (1969) compilou dados de custos para uma grande variedade de equipamentos de plantas industriais (42 plantas no total) - de resfriadores de ar, trocadores de calor, compressores, bombas, colunas a equipamentos pesados – e introduziu o conceito de “módulo” para estimativas de custos de forma rápida, acurada e consistente. Esse conceito de módulo foi utilizado por Guthrie (1969) para poder estimar todos os custos envolvidos necessários para instalar os equipamentos em um processo químico. Dessa forma, para cada conjunto de equipamentos foram definidos valores de correção de acordo com a magnitude dos custos. Sendo assim, uma vez determinados os custos básicos de um equipamento, ou seja, construído a partir do material mais comum e operando às condições de temperatura e pressão próximas à ambiente, estes podem ser atualizados para obter os custos do equipamento no processo químico.

A Figura 4 ilustra um dos gráficos apresentados por Guthrie (1969) para a determinação do custo básico de compra de um compressor centrífugo. A equação (3), apresentada por Frare (2006), foi determinada a partir da curva de custos para um compressor centrífugo e permite calcular o custo de compra (em US$) de acordo com os dados fornecidos pela Figura 4.

(3)

Na equação (3), bhp é a potência do motor em hp.

Essa correlação é válida se a potência calculada estiver situada entre 30 e 10.0 hp. E Fc é um fator de ajuste com valores de acordo com o tipo do compressor sendo igual a 1 neste caso. A equação (3) segue o conceito de cálculo apresentado na equação (1), sendo o fator M&S, em 2004, igual a 1194.

A Tabela 1 apresenta as equações obtidas por

Frare (2006), a partir dos gráficos de Guthrie (1969), para todos os equipamentos a serem utilizados na simulação de um processo para remoção de ácido sulfídrico de biogás.

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Val or de compra do com p res sor (e m US$)

Figura 4. Custos para a compra de compressores centrífugos em função da potência (Adaptado de Guthrie, 1969)

Tabela 1. Correlações para o custo base (Cb, em US$) obtidas a partir dos dados publicados por Guthrie (1969).

Equipamentos Correlação Intervalo Operacional

Compressores C= 782,6.(bhp)(4) 30 < bhp < 10.0
0,67377.(C/H)(5)

Motobombas centrífugas C = 447,26 + 100 < C/H < 300.0

Vasos de pressão, colunas e reatores de fabricação vertical

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