Redução de perdas na petroquímica: case Master Black Belt na recuperação de buteno-1

Numa unidade petroquímica, perda não aparece como peça no chão. Ela sai pela chaminé do flare, fica dissolvida numa corrente de menor valor ou vira outro composto dentro do reator. Por isso a redução de perdas na petroquímica começa por um balanço de massa bem feito.

Este case acompanha um projeto da Voitto Petroquímica numa unidade que separa buteno-1, matéria-prima de plásticos. A recuperação média estava em 79,98% e as perdas físicas em 1,87%. A meta pedia recuperação entre 94% e 98% e perdas abaixo de 1,5%, em sete meses.

O projeto terminou com recuperação de 94,12%, perdas físicas de 0,13% e ganho declarado de R$ 7.300.000 por ano. O caminho passou por capabilidade, FMEA, Pareto, regressão múltipla, correlação entre 32 variáveis e superfície de resposta.

O texto segue as fases do método DMAIC. Em cada uma, explica o que a ferramenta mostrou, como ler o resultado e que decisão ele produziu. Também aponta o que a apresentação não registra, porque lacuna também ensina.

Sobre a procedência: este é um projeto real de aluno da formação Master Black Belt da Voitto, descaracterizado para proteger o cliente, com empresa, pessoas e equipamentos renomeados. Os números vêm da apresentação original. O que foi acrescentado para explicar, como contexto do processo e exemplos de cálculo, está identificado como ilustrativo.

Buteno-1: a molécula de quatro carbonos que vira embalagem plástica

O buteno-1 é um hidrocarboneto de quatro carbonos com uma ligação dupla na ponta da cadeia. A principal aplicação é como comonômero na produção de polietileno, o plástico de filmes e embalagens.

Ele chega misturado a outros compostos da mesma família, numa corrente chamada C4. Ali estão isobutano, n-butano, butenos-2 e resíduos de butadieno. Os pontos de ebulição são muito próximos, e separar o buteno-1 dos vizinhos exige colunas altas e controle fino.

Recuperação é a fração do buteno-1 que entra na carga e sai como produto especificado. O que não é recuperado sai em correntes de menor valor ou é transformado em outro composto. Perda física é o que deixa o processo de vez, em geral queimado no flare.

Os dois indicadores medem coisas diferentes. A recuperação responde pela eficiência da separação e da reação. A perda física responde pela contenção do material. Um projeto pode melhorar um sem mexer no outro, e este atacou os dois.

Do C4 bruto ao produto: o reator, as duas colunas e os vasos ligados ao flare

O desenho da unidade, descrito aqui de forma geral e ilustrativa, tem três blocos. Primeiro, um reator de hidrogenação seletiva elimina o butadieno residual com injeção controlada de hidrogênio. Depois, duas colunas de destilação fazem a separação.

A primeira coluna retira o isobutano pelo topo. O que sobra desce pelo fundo e alimenta a segunda coluna, que separa o buteno-1 do n-butano e dos butenos-2. Isobutano que escapa pelo fundo da primeira acaba contaminando o produto da segunda.

O hidrogênio é o ponto delicado. Na dose certa, ele consome o butadieno. Em excesso, passa a hidrogenar ou isomerizar o próprio buteno-1, que vira butano ou buteno-2. Cada quilo de hidrogênio a mais vira buteno-1 a menos.

Ao redor das colunas ficam vasos pulmão, que acumulam correntes e amortecem variações. Quando o nível ou a pressão de um vaso sai de controle, a proteção alivia o excesso para o flare. Ali nasce a perda física: material de valor queimado por segurança.

O flare é um sistema de proteção, e não deve ser fechado para reduzir perda. O que se corrige é a frequência com que ele é acionado. Um vaso bem controlado raramente chega ao ponto de alívio, e a perda some sem mexer na segurança.

Recuperação de 79,98% e perdas de 1,87%: a fotografia que abriu o projeto

A apresentação abre com dois números e nenhuma hipótese de causa. É a forma certa de escrever o problema de um projeto Seis Sigma: o que está acontecendo, quanto, onde, sem embutir a solução na frase.

A distância até a meta era grande. Com 79,98% de recuperação, 20,02% do buteno-1 da carga não virava produto. A meta inferior de 94% pedia que essa fração caísse para 6%, menos de um terço do que era.

Por que um problema de unidade inteira pede um Master Black Belt

O projeto tinha duas métricas de saída, um reator, duas colunas, vasos de controle e um componente logístico. As causas estavam espalhadas por química, controle automático, operação e programação de carga. Nenhuma área sozinha tinha a visão completa.

É o perfil de trabalho de um Master Black Belt: conduzir análise multivariada em dado de processo contínuo, coordenar engenharia, operação e logística, e decidir quais perguntas cabem em ferramentas simples e quais exigem modelo.

Num processo de batelada ou de manufatura discreta, muitas causas aparecem num Pareto de defeitos. Num processo contínuo, as variáveis se movem juntas o tempo todo. Carga, temperatura, vazão e composição oscilam em conjunto, e separar o efeito de cada uma exige regressão e superfície de resposta.

O case mostra essa escolha de ferramenta fase a fase. As mais simples foram usadas onde bastavam, como no FMEA dos vasos. As estatísticas entraram onde o problema era multivariado, como no reator e nas colunas.

Uma meta com faixa, não com teto: por que a recuperação parou em 98%

A meta de recuperação foi escrita como faixa, entre 94% e 98%. À primeira vista parece estranho limitar um indicador que se quer alto. A faixa tem razão técnica.

Recuperação muito alta numa coluna de destilação costuma custar pureza. Para puxar mais buteno-1 para o produto, a coluna passa a arrastar mais vizinhos, como n-butano e isobutano. O produto pode sair fora de especificação, e aí a recuperação no papel vira lote rejeitado.

O limite superior de 98% protege a qualidade do produto. O inferior, 94%, define o ganho mínimo que justifica o projeto. Essa faixa virou o limite inferior e superior de especificação na análise de capabilidade da fase Medir.

A meta de perdas foi escrita como teto, abaixo de 1,5%. Aqui não há conflito: menos material no flare é sempre melhor. O prazo de sete meses fechou o charter.

Uma unidade, um produto: o corte que manteve o projeto fechável

O escopo ficou na unidade de produção de buteno-1. Outras unidades e outros produtos ficaram de fora, mesmo dividindo utilidades, flare e programação logística com ela.

A tentação de ampliar era real. A corrente C4 vem de outra unidade, e o rafinado que sobra segue para outro destino. Uma mudança na unidade vizinha mexe na carga desta. Mas um projeto que inclui o fornecedor e o cliente interno vira programa, não projeto.

O corte tem efeito prático na fase Analisar. Variáveis de fora do escopo, como a composição da carga, entram no modelo como fatores que a equipe mede, não como fatores que ela muda. A regressão do reator trata a carga exatamente assim.

O corte também protegeu o cálculo do ganho. Com uma unidade só, a linha de base e o resultado ficam no mesmo balanço de massa. Se a unidade vizinha mudar a carga, o efeito aparece como variável de entrada, e não se mistura ao mérito do projeto.

Cpk de -0,45: a capabilidade de um processo que vivia fora da faixa

A primeira análise da fase Medir foi a capabilidade do processo da recuperação, com 30 observações. A média ficou em 79,98%, o desvio padrão de curto prazo em 10,49 pontos e o de longo prazo em 12,30.

O Cpk negativo diz que a média está fora da faixa. A conta é a distância da média ao limite mais próximo dividida por três desvios: (79,98 menos 94) dividido por 31,48 dá -0,45.

O PPM observado de 933.333 significa que 28 das 30 observações ficaram abaixo de 94%. O desvio de 10,49 pontos é maior que a própria faixa de 4 pontos. Mesmo centrado, o processo não caberia nela. Havia dois problemas: média baixa e variação alta.

Seis meses de doze acima de 1,5%: o retrato das perdas físicas

A capabilidade das perdas físicas usou 12 observações, com média de 1,87% e apenas o limite superior de 1,5%. O Cpk de -0,10 confirma a média acima do teto.

O PPM observado de 500.000 tem leitura direta: metade dos pontos, 6 de 12, passou de 1,5%. O histograma mostra valores de perto de zero até acima de 5%. Isso sugere um processo que funciona bem em boa parte do tempo e tem episódios de perda alta.

Essa forma orientou a fase seguinte. Perda episódica tem cara de evento, como um controle que perde a malha ou um vaso que alivia. Por isso o FMEA, e não uma regressão, foi a ferramenta escolhida para as perdas.

A apresentação reporta níveis sigma de 0,36 e 1,56. Há mais de uma convenção para converter desempenho em nível sigma, com ou sem o deslocamento de 1,5. O número vale como comparação entre antes e depois na mesma régua, não como valor absoluto.

Dado de analisador e de balanço: o que conferir antes de confiar na linha de base

A apresentação não traz estudo do sistema de medição. Num processo contínuo, a recuperação sai de um balanço de massa: vazão e composição da carga, vazão e composição do produto. Cada parcela vem de um medidor de vazão ou de uma análise cromatográfica.

Um erro de 2% num medidor de vazão desloca a recuperação calculada na mesma ordem. Por isso, num projeto parecido, a análise do sistema de medição costuma ser feita sobre o balanço, não sobre um instrumento isolado.

A forma prática, aqui descrita como referência e não como algo registrado neste projeto, inclui três verificações:

• fechamento do balanço de massa da unidade, com entrada e saídas somando perto de 100%;
• comparação do analisador em linha com a análise de laboratório da mesma amostra;
• calibração recente dos medidores de vazão que entram na conta da recuperação.

Sem essa checagem, parte do ganho de 79,98% para 94,12% poderia ser mudança de instrumento, não de processo.

FMEA nos vasos pulmão: severidade 10 e ocorrência 10 no controle de nível

Para as perdas físicas, a ferramenta foi o FMEA, aplicado ao vaso pulmão de rafinado e a um segundo vaso de processo. O FMEA parte de cada função do equipamento e pergunta de que modo ela pode falhar e com que efeito.

A função do vaso pulmão é acumular o rafinado que sai do fundo da torre e enviá-lo ao destino seguinte. O modo de falha é não acumular e abrir para o flare. O efeito é perda direta de material.

A leitura é pelo produto de severidade e ocorrência. As duas primeiras causas, com produtos de 100 e 90, estão muito acima das outras, com 24 e 18. A apresentação não mostra a coluna de detecção.

O FMEA apontou o controle, não o equipamento. Um vaso que alivia para o flare porque a malha de nível reage mal é problema de sintonia, e sintonia se corrige sem parar a unidade.

Um exemplo ilustrativo ajuda a ver o mecanismo. Se a malha de nível tem ganho baixo, ela demora a abrir a saída quando a vazão de entrada sobe. O nível passa do alarme, a proteção abre para o flare e alguns minutos de rafinado viram fumaça.

Pareto de 31 meses: 13.375 toneladas de déficit e dois motivos à frente

Para a recuperação, a equipe olhou primeiro o histórico de déficit de produção de janeiro de 2005 a julho de 2007. O diagrama de Pareto somou 13.375 toneladas, classificadas por motivo com códigos abreviados.

Os dois primeiros motivos somam 65,7% do déficit. A apresentação os resume como descontinuidade operacional e logística. Os demais códigos não são detalhados na fonte, e por isso o texto não os traduz.

A decisão que saiu do Pareto foi dupla. A logística ganhou uma ação própria, de procedimento. A descontinuidade operacional pediu entender o que, dentro do processo, derrubava a recuperação quando a unidade oscilava.

Regressão múltipla no reator: 94,5% da variação explicados por quatro variáveis

No reator, a ferramenta foi a regressão linear múltipla. Ela estima quanto a recuperação muda quando uma variável se move e as outras ficam paradas. Em processo contínuo, isso separa efeitos que andam juntos.

A equação ficou: recuperação igual a 157,16, menos 0,01357 vezes a carga, menos 0,2265 vezes o hidrogênio, mais 0,03915 vezes a produção, menos 1,77 vezes a concentração de buteno-1 na carga.

O R² de 94,5% diz que o modelo explica quase toda a variação da recuperação no período. O R² ajustado de 93,6%, quase igual, indica que as quatro variáveis não inflaram o ajuste à toa.

O erro padrão de 3,07 pontos é a folga do modelo: uma previsão costuma errar em torno de 3 pontos de recuperação. Todos os valores-p estão em 0,01 ou abaixo, e as quatro variáveis ficam no modelo.

Por que o hidrogênio virou a alavanca, mesmo com o menor t do modelo

A apresentação aponta a vazão de hidrogênio como principal variável. Pela estatística t, ela é a de menor peso relativo: 2,62, contra 18,08 da produção e 13,29 da carga. A aparente contradição se resolve pela pergunta certa.

Carga, produção e composição da carga vêm de fora do reator. São definidas pela unidade anterior e pela programação. O hidrogênio é a única das quatro que a operação ajusta diretamente, numa válvula, a cada minuto.

O coeficiente negativo confirma a química. Cada unidade de hidrogênio a mais derruba a recuperação em 0,2265 ponto. É o excesso que hidrogena o buteno-1 depois que o butadieno acaba.

A dose certa depende da carga e do butadieno presente naquele momento, e ambos mudam. Um operador ajustando por experiência tende a sobredosar para não deixar butadieno no produto. Daí a ação de calcular a injeção em tempo real.

Isobutano no fundo, n-butano no topo: o que a matriz de 32 variáveis isolou

Nas colunas de destilação, a equipe montou uma matriz de correlação entre 32 variáveis de processo. Pressões, temperaturas, vazões de refluxo, composições de topo e de fundo entraram juntas na mesma planilha.

A matriz funciona como peneira. Ela mostra quais pares andam juntos e com que força, e reduz dezenas de candidatas a poucas que merecem modelo. Com 32 variáveis, são 496 pares possíveis, e nenhum olho humano acompanha todos num gráfico de tendência. Correlação não prova causa, mas descarta rápido o que não se move junto com a saída.

Duas variáveis se destacaram: a concentração de isobutano no fundo da primeira coluna e a de n-butano no topo da segunda. Ambas fazem sentido físico. Isobutano no fundo da primeira segue para a segunda e disputa espaço com o buteno-1 no produto.

N-butano no topo da segunda é contaminante do produto. Para manter a pureza, a operação passa a jogar mais buteno-1 para o fundo, e a recuperação cai. As duas variáveis medem a mesma coisa: quanto a separação está apertada.

Do ponto preto ao ponto vermelho: a superfície de resposta das colunas

O passo seguinte foi a superfície de resposta, técnica que vem do planejamento de experimentos. Ela desenha a resposta como um mapa de contorno em função de duas variáveis, e mostra onde fica a região boa.

A resposta escolhida foi o teor de buteno-1 no fundo da segunda coluna, que é buteno-1 perdido. Faixas mais claras indicam teor abaixo de 0,5%. As mais escuras, acima de 3,5%.

Em cada mapa, um ponto preto marca a condição de operação vigente, e um ponto vermelho, a recomendada. Na leitura aproximada do primeiro gráfico, o n-butano de topo cai de perto de 1.700 ppm para perto de 900 ppm, com vazão maior na coluna.

No segundo, a temperatura de um prato de controle desce de perto de 48 °C para perto de 39 °C, com vazão de buteno-1 maior. Os dois pontos vermelhos ficam no meio da região clara, longe da borda escura.

A apresentação chama o resultado de região que maximiza a recuperação no reator e nas colunas. Os mapas mostrados são das colunas. Os números lidos no gráfico são aproximados e servem para mostrar o sentido do movimento, não como faixa oficial de operação.

Estar longe da borda é tão importante quanto estar na região boa. Um ponto na fronteira cai na zona ruim a cada pequena perturbação. A nova faixa de operação foi escolhida com folga.

Cinco ações, cada uma presa a uma análise

A fase Melhorar teve cinco ações. Nenhuma foi proposta antes da análise que a justifica, e cada uma responde a uma causa identificada.

Três das cinco são ajustes de controle e de procedimento. Nenhuma pede equipamento novo nem parada da unidade. É um padrão comum em processo contínuo: a capacidade de fazer bem já existe, e a perda vem da forma de operar.

O treinamento acompanha a mudança de faixa por um motivo prático. Operador que não entende por que o ponto mudou tende a voltar à faixa antiga na primeira perturbação.

A sequência também importa na redução de perdas na petroquímica. Ajustes de sintonia e de faixa podem ser testados em etapas, um de cada vez, com a recuperação acompanhada a cada passo. Mudar tudo no mesmo dia impede saber qual ação produziu o ganho.

A apresentação não registra a ordem de implantação nem um piloto. Num projeto parecido, vale anotar a data de cada mudança. Isso permite ler depois, no histórico da recuperação, o degrau que cada ação produziu.

Tela on-line, relatório mensal e o resultado de 94,12% e 0,13%

A fase Controlar registrou dois mecanismos. O primeiro é uma tela de acompanhamento on-line com o esquema das colunas, tendências das variáveis e histograma da variável crítica. O segundo é um relatório técnico mensal de acompanhamento do processo.

Num plano de controle completo, cada variável ganha limite, frequência, responsável e ação de reação. A apresentação mostra os instrumentos, não o plano. Uma carta de controle na recuperação diária seria o complemento natural da tela.

A recuperação subiu 14,14 pontos, alta de 17,68% sobre a base. A fração não recuperada caiu de 20,02% para 5,88%, redução de 70,63%. As perdas físicas caíram 1,74 ponto, 93,05% a menos.

A recuperação ficou 0,12 ponto acima do piso da faixa, margem pequena para um processo que tinha desvio de 10 pontos. As perdas ficaram em 8,67% do teto. A memória de cálculo do ganho não está na apresentação, e o método está em como calcular o retorno de um projeto Seis Sigma.

O que o case ensina a quem vai conduzir um projeto Master Black Belt em processo contínuo

Para dar escala ao ganho, um exemplo ilustrativo: uma unidade com 50.000 toneladas por ano de buteno-1 na carga recupera 39.990 t a 79,98% e 47.060 t a 94,12%. São 7.070 t a mais, sem nova coluna.

• Escreva duas métricas quando o problema tem duas naturezas. Recuperação e perda física têm causas e ferramentas diferentes.
• Use faixa na meta quando subir demais também custa. A faixa de 94% a 98% protegeu a pureza do produto.
• Escolha a ferramenta pela forma do dado. Perda episódica pediu FMEA; variação contínua e multivariada pediu regressão e superfície de resposta.
• Separe a variável que explica da variável que se controla. O hidrogênio teve o menor t e virou a principal alavanca.
• Busque o ponto de operação com folga, longe da borda da região boa.
• Confira o balanço de massa e os medidores antes de fechar a linha de base. O ganho precisa ser do processo, não do instrumento.
• Deixe registrado o plano de controle com dono e ação de reação, e a memória de cálculo do ganho.

Os dois últimos itens são as lacunas da apresentação. O primeiro protege o resultado depois da entrega. O segundo protege a credibilidade do número de R$ 7,3 milhões diante da controladoria.