Miniaturização de Processos Químicos : O que podemos ganhar? ABEQ

Olá, leitoras e leitores. Neste último texto de 2021, vamos imaginar um futuro possível para a indústria química: considerar a miniaturização ou modularização das plantas químicas.

Fábricas muito menores do que as atuais, distribuídas segundo a disponibilidade de insumos ambientalmente sustentáveis e próximas do mercado consumidor.

O scale-down da indústria química vai na direção contrária ao conceito estabelecido de economia de escala, mas pode ser a saída para um mundo no qual o impacto ambiental das ações humanas pode prejudicar irreversivelmente nosso bem-estar ou sobrevivência.

Talvez pudesse ser também uma alternativa à indústria química brasileira.

“Por quase um século, a disciplina que orgulhosamente nos referimos como ‘engenharia química moderna’ foi definida e impulsionada por dois princípios fundamentais. Primeiro, a economia de escala, que dita que fazer fábricas maiores de produtos químicos tornará sua construção mais eficiente em termos de capital e melhorará a utilização de recursos, reduzindo assim o custo operacional e o preço dos produtos (e melhorando o lucro). Em segundo lugar, essas plantas são projetadas e construídas usando um conjunto relativamente uniforme de blocos de construção, isto é, operações unitárias. Seguindo a visão do pioneiro Warren K. Lewis, o arcabouço das operações unitárias forneceu método e estrutura para a síntese e a análise de fábricas de produtos químicos, e forneceu um caminho de análise racional e sistemática para realizar cálculos (com atalhos) de projeto de processos em uma era regida pela régua de cálculo em vez de pelo computador digital. Isso, na verdade, se perpetuou no modo como engenheiros químicos projetam, simulam, otimizam (e ensinam) projeto de processos ainda hoje” (Baldea et al., 2017).

Contudo, o princípio da economia de escala baseada em aumento dos equipamentos utilizando princípios das Operações Unitárias não é unânime.

Nas últimas décadas, duas áreas do conhecimento impuseram alternativas a esse conceito: a intensificação de processos e a miniaturização dos processos.

Em poucas palavras, intensificação de processos significa combinar duas ou mais operações unitárias em um único equipamento, enquanto que a miniaturização de processos significa ter equipamentos como reatores ou trocadores de calor com tamanhos característicos micrométricos.

A miniaturização é um dos caminhos possíveis para a intensificação de processos, mas isso seria outra coluna.

O ponto é que quando estamos sob a égide da intensificação ou da miniaturização de processos, a escala importa.

A altura dos canais de microrreatores, por exemplo, não pode passar de alguns milímetros.

Portanto, para nos beneficiarmos das vantagens proporcionadas pela intensificação ou pela miniaturização de processos, o escalonamento deveria ser feito pelo enfileiramento, em série ou em paralelo, de módulos ou de plantas modulares.

Segundo o dicionário, módulo é a ‘quantidade utilizada como unidade para qualquer tipo de medida’, ou ‘bloco de composição ou de construção de um todo’.

Essas definições poderiam nos remeter de volta aos princípios das operações unitárias a que estamos acostumados, mas não é o caso aqui.

Segundo Palys et al. (2019), “modular” refere-se ao projeto e construção de menores unidades de processo químico ou mesmo processos inteiros de capacidades de produção fixadas.

Tanto quanto possível, esses módulos são fabricados em um ambiente de manufatura otimizado e em seguida, transportados para o local de uso pretendido. Isso resulta em vantagens potenciais, como maior eficiência de mão de obra, por exemplo, bem como melhor aproveitamento de materiais de construção quando muitos módulos estão sendo fabricados de uma vez antes da implantação.

O custo de capital por módulo pode ser reduzido por meio desta abordagem de fabricação.

Desta forma, há um benefício econômico para a construção de um maior número de módulos de uma certa capacidade de produção, mesmo quando esses módulos são implantados em diferentes locais.

Este conceito é denominado por Palys et al. (2019) “economia de produção em massa”, que está em contraste com a convencional “economia de escala”, pois esta descreve o benefício econômico de aumentar a capacidade de produção de uma única planta química continuamente dimensionada.

Miniaturização de Processos

Abiev (2012) revisou a disponibilidade de microdispositivos (microdevices) para aplicações da indústria química. Segundo o autor, microdispositivos seriam “corpos sólidos de um conjunto ordenado de domínios de tamanho micro ou submicrométrico de materiais com uma composição, estrutura, topologia e serviço predefinidos para cumprir as funções de recebimento, transformação, armazenamento, processamento e tradução de informações, energia, movimento, bem como geração de ações de controle nos regimes e condições de operação exigidos”.

As forças dominantes em microssistemas, devido ao seu pequeno tamanho (micrômetros e menor), seriam as forças de superfície proporcionais ao quadrado do tamanho (capilar, eletrostático e forças de fricção viscosas), em vez de forças de volume (inércia e forças de gravidade) proporcionais ao cubo do tamanho. A seção transversal característica dos microcanais desses dispositivos varia de 10 µm a 1-3 mm (raramente até 4-5 mm). O autor descreveu exemplos de microdispositivos como:

• micromisturadores de vidro modulares com capacidade variando de 10 a 1.000 L/h, e de aço inox com capacidade entre 100 e 1.000 L/h;

• microtrocadores de calor de aço inoxidável ou hastelloy, com área de superfície interna específica de até 30.000 m²/m³, coeficiente de transferência de calor até 20.000 Wm-2K-1, pressão máxima de trabalho maior do que 100 bar, estabilidade térmica até 850°C, produção de água quente (45°C) na potência de entrada de 14 kW e vazão de cerca de 6 L/min, evaporação completa da água com vazão de 5 L/h, aquecimento da corrente de ar em 1 ms de 25°C a 850°C na potência de entrada de 400 W e vazão de 2.000 L/h;

• microrreatores com excelente transferência de calor e de massa, altíssima relação superfície/volume com um escoamento laminar e pistonado, e estreita faixa de tempo de residência, o que garantiria alta seletividade de reação.

Sobre os microrreatores, diferentes aplicações já foram testadas, como hidrogenação de antraquinona e α-metil-estireno, oxidação de ciclo-hexanona, glicose e celulose, but-2-en-1,4-diol, compostos nitroaromáticos, e óleos vegetais, decomposição biológica de quinolina utilizando Burkholderia pickttii. Os microrreatores têm desempenho baixo, mas podem ser combinados em sistemas com vários elementos em série ou em paralelo que alcançariam o desempenho dos equipamentos tradicionais.

Segundo Ebrahimi et al. (2009), os microrreatores têm muitas vantagens do ponto de vista da segurança, quando comparados às tecnologias de produção convencionais. Essas vantagens são baseadas principalmente em volumes de reação radicalmente menores e transferência de calor efetiva, que permite rápido controle de temperatura. As vantagens de segurança dos microrreatores poderiam ser efetivamente utilizadas na produção no local (on-site production), porque poderiam eliminar ou reduzir muito o transporte e o armazenamento de produtos químicos perigosos.

Tanto Abiev (2012) como Roberge et al. (2005) apontam a dificuldade de utilizar microrreatores em sistemas envolvendo partículas, como precipitação e cristalização. Estes últimos destacaram que a tecnologia de microrreatores poderia causar uma revolução nas indústrias de química fina e farmacêutica: nas escalas de bancada e piloto, velocidade na pesquisa e desenvolvimento de processos e prevenção de problemas de escalonamento – bem comuns na indústria farmacêutica; na produção em escala industrial, microrreatores permitiriam ganhos em rendimento e segurança.

Contudo, os autores apontam que a presença frequente de uma fase sólida em processos de química fina e farmacêuticos ainda impede a aplicação disseminada dessa tecnologia como uma solução multipropósito.

Ainda sobre miniaturização de processos químicos, há um artigo em português de Gongora-Rubio et al. (2020) na nossa Revista Brasileira de Engenharia Química, publicação periódica da ABEQ, em que são explicados em detalhes os conceitos de miniaturização e intensificação de processos, além dos conceitos de microfabricação e microfluídica. O Dr. Mario Gongora se dedica ao assunto há cerca de 20 anos e o seu grupo no IPT tem resultados bastante consistentes.

Processos Modulares

Plantas químicas modulares contínuas permitem reunir a flexibilidade e a possibilidade de produzir pequenos volumes das plantas em batelada com a eficiência de conversão e consumo energético das plantas contínuas (Bieringer et al., 2013).

Bramsiepe et al. (2012) listaram as várias vantagens das plantas químicas contínuas modulares: a possibilidade de iniciar a produção industrial em escala em menos tempo a partir da decisão de investimento, a montagem de toda planta em um galpão-oficina especializado, o que poderia levar a economia de até 10% no custo de capital, 17% no custo de instalação, e redução de até 20% no tempo para partida da planta.

Plantas químicas que utilizam biomassa como matéria-prima ganham na redução dos custos de transporte – da matéria-prima e do resíduo que normalmente é devolvido para a fonte da biomassa (você pensou em vinhaça?) – quanto mais próximas estiverem da fonte da matéria-prima. Para a indústria alimentícia, os ganhos de plantas químicas contínuas modulares seriam ainda mais significativos.

Química e Derivados - Miniaturização de Processos Químicos – O que podemos ganhar? ABEQ ©QD Foto: iStockPhoto
Figura 1: Usina piloto de etanol do CTBE-CNPEM em Campinas à esquerda, e a planta de pirólise de biomassa e craqueamento catalítico fluido (FCC) do Laboratório Nacional de Energias Renováveis dos EUA (NREL) à direita.

Figura 1: Usina piloto de etanol do CTBE-CNPEM em Campinas à esquerda, e a planta de pirólise de biomassa e craqueamento catalítico fluido (FCC) do Laboratório Nacional de Energias Renováveis dos EUA (NREL) à direita..

Palys et al. (2019) avaliaram a viabilidade da instalação de pequenas plantas de amônia modulares em oposição a grandes plantas tradicionais contínuas, considerando a demanda por amônia em dois estados norte-americanos – Minnesota e Iowa – bem como a disponibilidade de energia renovável – eólica e fotovoltaica – naqueles dois estados. Segundo os autores, a produção de amônia em pequena escala permite o melhor uso de fontes de energia renovável.

Além disso, a distribuição da produção de amônia de modo que a planta esteja localizada mais perto do usuário final pode reduzir os custos de logística/transporte para mitigar as perdas em economias de escala. Os autores relataram a existência de duas miniplantas de amônia nos EUA que utilizam o processo Haber-Bosch para produzir 2,7 e 5 kg/h. Eles concluíram que o scale-down do processo Haber-Bosch sem nenhuma adaptação leva a plantas com custos de produção acima do padrão praticado por plantas tradicionais.

Contudo, a síntese de amônia aprimorada por adsorvente seria particularmente interessante, pois ao substituir o condensador usado no processo convencional por um leito fixo de adsorvente para dar melhor separação em pressões mais baixas, teria um investimento de capital consideravelmente menor do que o Haber-Bosch em capacidades de até 10.000 kg/h.

Por fim, os autores concluíram que o enfileiramento de plantas modulares usando esta modificação do processo Haber-Bosch resultariam em custos de produção menores do que o convencional, utilizando fontes de energia renováveis e produzindo mais próximo dos consumidores finais.

Demirhan et al. (2019) concluíram que o aumento às restrições de emissão dos gases de efeito estufa torna a produção de amônia a partir da gaseificação de biomassa mais viável economicamente do que utilizando a reforma do gás natural.

O custo ambiental da logística

Algumas informações sobre o transporte marítimo de mercadorias pelo mundo:

• O World Shipping Council (WSC) diz que em 2016 a indústria naval transportou 130 milhões de contêineres, num valor estimado de US$ 4 trilhões de dólares.

• Recentemente, o navio porta-contêineres Ever Green encalhou no Canal de Suez, impedindo a circulação de navios pelo local. Estima-se que durante o “congestionamento” do canal de Suez quase US$ 10 bilhões em mercadorias deixaram de circular diariamente pelo mundo.

• Este ano, principalmente como efeito econômico da pandemia, é verdade, o preço do frete de um contêiner da Ásia para o Brasil aumentou de 2 mil para 11 mil dólares.

• Em 2014, o custo do transporte marítimo de mercadorias era tão barato que fazia mais sentido financeiro enviar o bacalhau escocês para a China para ser fatiado e, em seguida, enviá-lo de volta para as lojas e restaurantes escoceses, do que pagar fatiadores escoceses.

• O barulho do trafego de petroleiros e porta-contêineres afeta a vida marinha com impacto já notado na quantidade de peixes pescados próxima a áreas portuárias.

• Em 2019, o derramamento de milhões de litros de óleo no litoral brasileiro – estimam-se de 5 a 12,5 milhões de litros que atingiram 1.009 localidades em 130 municípios do Maranhão ao litoral norte do Rio de Janeiro – provocou a perda de 80% da biodiversidade de invertebrados nas áreas estudadas, o branqueamento de quase 90% dos corais e a redução de 85% de animais vivos por m² de praia.

• Em 2009, os 15 maiores navios do mundo emitiram tanta poluição quanto 760 milhões de carros juntos.

• A AP Moller-Maersk, empresa dinamarquesa que opera 600 navios tem lucros equivalentes a 20 por cento do PIB da Dinamarca, mas usa mais combustível que todo aquele país.

Toda a economia mundial está ancorada nos baixos custos do transporte marítimo de mercadorias que se consolidou a partir da padronização das dimensões dos contêineres. Contudo, essa cadeia é muito frágil, pois o encalhe de um único navio pode paralisar toda a cadeia. Além disso, o custo ambiental do transporte marítimo ainda não foi internalizado pela economia apesar do seu impacto astronômico.

É ingênuo imaginar que o comércio internacional possa ser interrompido por seu custo ambiental, mas a redistribuição da produção industrial em novas condições menos poluentes pelo mundo deveria ser considerada como uma alternativa consistente de mitigar boa parte dos impactos ambientais da indústria química no mundo.

Como o Brasil poderia se posicionar neste contexto

Tso et al. (2018) avaliaram a coprodução de metanol e amônia a partir de gaseificação de biomassa e concluíram que a coprodução leva a uma redução de 4% a 7% dos custos de produção quando comparada à produção isolada de amônia ou metanol.

Muito se discute o uso de biorrefinarias como alternativa às refinarias tradicionais que utilizam combustíveis fósseis. As biorrefinarias já foram assunto desta coluna (“A biorrefinaria e a indústria química brasileira”).

Contudo devemos lembrar que a logística da matéria-prima de uma eventual biorrefinaria é mais complexa que a das refinarias tradicionais, pois depende da disponibilidade frequentemente sazonal e perecível da matéria-prima. Usinas sucroalcooleiras, comumente apresentadas como “candidatas a biorrefinarias” processam 500 toneladas de cana por hora durante 2.000 horas por ano.

Cerca de 70% da massa da cana é água. Dos 30% restantes, metade é sacarose, destinada já à produção de açúcar e etanol, e a outra metade, bagaço, é queimado para mover a usina e vender o excesso de energia elétrica gerada.

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Figura 2: Localização das usinas de cana-de-açúcar álcool(triângulo) e mistas e das fábricas de celulose (quadrado) no Brasil (adaptado de Conab, 2021, e Oliveira et al., 2018)

Figura 2: Localização das usinas de cana-de-açúcar – álcool(triângulo) e mistas – e das fábricas de celulose (quadrado) no Brasil (adaptado de Conab, 2021, e Oliveira et al., 2018)

As fábricas de celulose seriam outras candidatas naturais a biorrefinaria no Brasil. Do eucalipto se utiliza a celulose para fazer papel e a lignina para queimar e gerar energia. Tanto nas usinas de açúcar e álcool quanto nas fábricas de celulose, a biomassa excedente produz eletricidade. Portanto, biorrefinarias surgidas a partir dessas plataformas implicariam menor oferta de eletricidade.

Além disso, várias questões técnicas carecem de respostas. Qual o melhor tratamento para o bagaço? Torrefação, pirólise, gaseificação do bagaço seco? Quais seriam as rotas utilizadas nas plantas alimentadas com o gás de síntese da biorrefinaria? Rotas tradicionais podem implicar custos de produção maiores em plantas modulares. Novas tecnologias como destilação por membranas, reatores de disco rotativo e outras devem ser testadas em plantas piloto.

Química e Derivados - André Bernardo é Engenheiro Químico
André Bernardo é Engenheiro Químico

A questão ambiental também deve ser endereçada. Hoje no Brasil, os créditos de carbono CBIO estão regulamentados pelo programa Renovabio e associados à produção ou importação de biocombustíveis. Produtos químicos como metanol, amônia, ureia e outros produzidos a partir de biomassa poderiam gerar créditos de carbono? Os resultados da COP26 devem ajudar a regulamentar os créditos de carbono industriais.

Os custos ambientais do comércio marítimo são ainda pouco discutidos. A poluição de um navio japonês com bandeira panamenha servindo a uma empresa norueguesa deve ser contabilizada por qual país? Shapiro (2016) concluiu que mecanismos como impostos sobre a emissão de gás carbônico do transporte marítimo poderiam afetar mais os países mais pobres, cuja economia depende mais da exportação a granel de produtos de baixo valor agregado.

Como avançar nessas questões? Algumas indústrias nacionais poderiam (deveriam?) ser provocadas a incluírem biorrefinarias em seus modelos de negócios. Raízen, Suzano, Klabin, São Martinho seriam boas candidatas. Plantas piloto são caras e podem não dar em nada, mas o mundo está cada vez mais receptivo a qualquer alternativa de mitigação do impacto que causamos. A pandemia nos fez questionar e modificar muitas práticas há muito estabelecidas. Já me desculpo antecipadamente pela provocação.

Referências

Abiev, R. Sh. Modern State and Perspectives of Microtechnique Application in Chemical Industry. Russ J Gen Chem 2012, 82 (12), 2019–2024. https://doi.org/10.1134/S1070363212120237.

Baldea, M.; Edgar, T. F.; Stanley, B. L.; Kiss, A. A. Modular Manufacturing Processes: Status, Challenges, and Opportunities. AIChE J. 2017, 63 (10), 4262–4272. https://doi.org/10.1002/aic.15872.

Bieringer, T.; Buchholz, S.; Kockmann, N. Future Production Concepts in the Chemical Industry: Modular – Small-Scale – Continuous. Chem. Eng. Technol. 2013, 36 (6), 900–910. https://doi.org/10.1002/ceat.201200631.

Bramsiepe, C.; Sievers, S.; Seifert, T.; Stefanidis, G. D.; Vlachos, D. G.; Schnitzer, H.; Muster, B.; Brunner, C.; Sanders, J. P. M.; Bruins, M. E.; Schembecker, G. Low-Cost Small Scale Processing Technologies for Production Applications in Various Environments—Mass Produced Factories. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification 2012, 51, 32–52. https://doi.org/10.1016/j.cep.2011.08.005.

Demirhan, C. D.; Tso, W. W.; Powell, J. B.; Pistikopoulos, E. N. Sustainable Ammonia Production through Process Synthesis and Global Optimization. AIChE J 2019, 65 (7), e16498. https://doi.org/10.1002/aic.16498.

Ebrahimi, F.; Kolehmainen, E.; Turunen, I. Safety Advantages of On-Site Microprocesses. Org. Process Res. Dev. 2009, 13 (5), 965–969. https://doi.org/10.1021/op900079f.

Gongora-Rubio, M.R.; Oliveira, A>F.; Bejarano, M.L.M. Miniaturização de Processos Químicos, REBEQ v. 36 n. 2, 2020. Disponível em: https://abeq.org.br/acervo-abeq/

Oliveira, A. B.; Pereira, J. M.; Nascimento, A. A. CADEIA PRODUTIVA DE PAPEL E CELULOSE E TRANSFORMAÇÕES RECENTES NO SUDOESTE MARANHENSE. Rev. InterEspaço 2018, 4 (12), 135. https://doi.org/10.18764/2446-6549.v4n12p135-154.

Palys, M. J.; Allman, A.; Daoutidis, P. Exploring the Benefits of Modular Renewable-Powered Ammonia Production: A Supply Chain Optimization Study. Ind. Eng. Chem. Res. 2019, 58 (15), 5898–5908. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b04189.

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Shapiro, J. S. Trade Costs, CO 2 , and the Environment. American Economic Journal: Economic Policy 2016, 8 (4), 220–254. https://doi.org/10.1257/pol.20150168.

Tso, W. W.; Doga Demirhan, C.; Powell, J. B.; Pistikopoulos, E. N. Toward Optimal Synthesis of Renewable Ammonia and Methanol Processes (RAMP). In Computer Aided Chemical Engineering; Elsevier, 2018; Vol. 44, pp 1705–1710. https://doi.org/10.1016/B978-0-444-64241-7.50279-2.

Química e Derivados -

ABEQ

A Associação Brasileira de Engenharia Química (ABEQ) é uma entidade sem fins lucrativos que congrega profissionais e empresas interessadas no desenvolvimento da Engenharia Química no Brasil. É filiada à Confederação Interamericana de Engenharia Química. Seu Conselho Superior, Diretoria e Diretoria das Seções Regionais são eleitos pelos associados a cada dois anos.
Mais informações: https://www.abeq.org.br/

O AUTOR

André Bernardo é Engenheiro Químico formado na Escola Politécnica da USP, com mestrado em Desenvolvimento de Processos Biotecnológicos pela Faculdade de Engenharia Química da Unicamp e Doutorado em Engenharia Química pela UFSCar. Trabalhou no Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo (IPT) e em diferentes indústrias químicas. Atualmente é professor do departamento de Engenharia Química da UFSCar. contato: abernardo@ufscar.br

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