Operações Mecânicas. Operações de Transferência de Calor. Operações de Transferência de Massa. Operações Mecânicas

Transcrição

1 Processo Químico PROCESSOS QUÍMICOS Definição É um conjunto de ações executadas em etapas, que envolvem modificações da composição química, que geralmente são acompanhadas de certas modificações físicas ou de outra natureza, no material ou materiais que é (são) ponto de partida (matérias primas) para se obter o produto ou os produtos finais (ou acabados). Processo Químico Etapas do Processo Químico 1 - Transformação dos reagentes em produtos, no reator químico. Envolvem as conversões químicas ou processos unitários (POU). 2 Preparação da matéria prima. 3 Separação e Purificação do produto de interesse. Envolvem as Operações Unitárias (OPU). Operações Unitárias (OPU) Cada etapa dentro do processo que tem princípios fundamentais independentes da substância (ou substâncias), que está sendo operada e de outras características do sistema. O engenheiro A. D. Little (1915) apresenta um conceito interessante para as operações unitárias: Qualquer processo químico, em qualquer escala, pode ser decomposto numa série estruturada do que se podem denominar, operações unitárias, como moagem, homogeneização, aquecimento, calcinação, absorção, condensação, lixiviação, cristalização, filtração, dissolução, eletrólise, etc. Classificação De acordo com o tipo de operação envolvida: Operações Mecânicas Operações com Transferência de Calor Operações com Transferência de Massa São as etapas básicas de um processo. 1

2 Operações Mecânicas 1. Operações envolvendo sólidos granulares 3. - Operações envolvendo sistemas fluidos A. Fragmentação de sólidos; A. Bombeamento de líquidos; B. Transporte de sólidos; B. Mistura e agitação de líquidos; C. Mistura de sólidos; D. Separação de Sólidos Peneiramento 2. - Operações com sistemas sólido-fluido A Sólido de líquidos; - Decantação - Flotação (borbulhamento de ar) - Floculação (sulfato de alumínio aglutinação flocos) - Separação centrífuga - Filtração B Sólidos de gases - Centrifugação (para gases - ciclones) - Filtração (para gases - filtros manga) C Líquidos de líquidos - Decantação - Centrifugação Operações de Transferência de Calor Aquecimento e Resfriamento de fluidos Evaporação e Cristalização Secagem Operações de Transferência de Massa Operações Mecânicas Destilação Extração líquido-líquido Operações envolvendo Sólidos Granulares Absorção de Gases Fragmentação de Sólidos Granulares Fragmentação Operação que promove a redução das partículas de um sólido, utilizando, para isso, meios adequados à natureza da substância que se pretende dividir. Finalidades: Facilitar a extração de um constituinte desejado Obedecer a um requerimento específico do produto. Aumentar a área superficial do sólido: redução do tempo de secagem, melhor dissolução, etc. Obter misturas mais homogêneas. 2

3 Importância na área Farmacêutica A maioria dos produtos farmacêuticos precisam ser moídos em algum estágio da produção de um medicamento. Importância na área Farmacêutica Só substâncias com uma dada granulometria podem ser usadas na fabricação de medicamentos, como por exemplo: antibióticos, talco, gesso, etc. Tamanho das partículas usadas no aerossóis de inalação determina a posição e retenção das partículas no sistema bronco pulmonar. Importância na área Farmacêutica O aumento da área superficial afeta a eficiência terapêutica do medicamento devido ao aumento da área de contato entre o sólido e o líquido solvente. Importância na área Farmacêutica Obtenção misturas homogêneas Fatores que influenciam a seleção de Equipamentos de Fragmentação Granulares Tipos de Moinhos 3

4 Tipos de Moinhos Micronização Micronização Transporte 4

5 Transporte Mistura Mistura de Sólidos Aspectos críticos - Mistura Tipos de Misturadores Tipos de Misturadores 5

6 Peneiramento ou Tamisação Peneiramento ou Tamisação Porque medir o tamanho das partículas Parâmetros que influenciam o Peneiramento Tipos de Peneiras Operações Mecânicas Operações com Sistemas Sólido - Fluido 6

7 Filtração Retenção de partículas presentes em um fluido pela passagem do mesmo através de um material fibroso ou granular. Filtração Objetivos: Remoção de partículas sólidas indesejadas presentes em líquidos ou gases. Recuperação de um produto sólido (por exemplo, após recristalização). Filtros Aplicações na Indústria Farmacêutica Membranas Filtrantes Seleção do Filtro Os fatores mais importantes para a seleção de um filtro são: a) resistência específica do meio poroso de filtração; b) a quantidade de suspensão a ser filtrada; c) a concentração de sólidos na suspensão; d) a facilidade de descarregar a torta formada no processo de filtração. 42 7

8 Questões pertinentes à Seleção do Filtro Tipos de Filtros Filtro de Leito Poroso Filtro Prensa A alimentação é bombeada à prensa e flui pelas armações. Os sólidos acumulam-se como torta dentro da armação. O filtrado flui entre o filtro de tecido e a placa pelos canais de passagem e sai pela parte inferior de cada placa. Filtro de tecido A filtração prossegue até o espaço interno da armação esteja completamente preenchida com sólidos. Alimentação Filtrado Nesse momento a armação e as placas são separadas e a torta retirada. Depois o filtro é remontado e o ciclo se repete. Marco Torta Placa 46 Aplicações Filtro-Prensa 8

9 Filtro de Folhas Filtros de Disco Filtro de Tambor a Vácuo, Rotativo e Contínuo Fluido Osmose Na osmose, coloca-se uma membrana semipermeável e de um lado temos o solvente (água) e de outro um soluto. Ocorre um transporte espontâneo de um solvente para um soluto; onde o solvente flui para o soluto sob a pressão exercida pelo soluto conhecida como pressão osmótica, na qual ocorre o equilíbrio quando o potencial químico se iguala. 52 Osmose Reversa Reverter o fluxo da solução para o solvente é chamado de OSMOSE REVERSA. Neste processo a membrana impede a passagem de partículas de soluto de baixo peso molecular, ou seja aquele soluto que difundiu em um solvente por osmose. Na osmose reversa a pressão diferencial reversa é colocada de forma que causa o fluxo de solvente inverso, como em um processo de dessalinização da água do mar. Área Limpa 53 9

10 Aplicações da Filtração do Ar na Indústria Farmacêutica Filtros para Ar Filtros ULPA Centrifugação Operações Mecânicas Operações envolvendo Sistemas Fluidos 10

11 Bombas Bombeamento Mistura Mistura e Agitação de Líquidos Seleção do Tipo de Misturador: Viscosidade: Medida da resistência ao escoamento Miscibilidade: mistura de líquidos miscíveis ou imiscíveis emulsificação. Relação entre as Densidades Equipamentos: Descontínuos (batelada) usual na indústria farmacêutica. Os equipamentos descontínuos são constituídos basicamente de: tanque e fonte de energia cinética (para a mistura ocorrer rapidamente) Mistura de Líquidos de Média Viscosidade Mistura de Pastas de Alta Viscosidade 11

12 Misturadores Planetários Operações envolvendo Sistemas Fluidos Operações de Transferência de Calor Aquecimento de Fluidos Sistemas de Aquecimento na Indústria Farmacêutica Esterilização Consiste em eliminar ou separar das substâncias, preparações, aparelhos e utensílios, as formas viáveis dos microrganismos que ali existem. Objetivos: destruir todos os microrganismos sobre ou em um objeto ou preparação de modo a assegurar que o mesmo esteja isento de infecções perigosas. 12

13 Estufas e Túneis de Esterilização 10/09/2014 Tipos de Calor Calor Seco: ar quente, chama (flambagem), radiação IV. Calor Úmido: Vapor, água quente (banho-maria). Calor Úmido Calor Seco Radiação Infravermelha IV Tempo aquecimento em Estufa convencional x Estufa por IV 13

14 Aquecimento por Calor Seco Operações de Transferência de Calor Resfriamento de Fluidos Refrigeração É o abaixamento da temperatura de um produto visando manter a qualidade pela diminuição das velocidades de deterioração que possam ocorrer no mesmo. Não ocorre mudança de fase da água do produto. Método de conservação de curto período, porque retarda: Crescimento de microrganismos Atividades metabólicas de tecidos vegetais intactos e de tecidos animais. Reações químicas deteriorativas, incluindo escurecimento oxidativo catalisado por enzimas, oxidação de lipídeos e alterações da cor, autólise de produtos animais e perda dos princípios ativos de medicamentos em geral. Perda de umidade. Instalações Frigoríficas Fluido Refrigerante Resfriamento de Fluidos É a substância o que troca calor com o meio que vai ser refrigerado. 14

15 Propriedades de alguns Refrigerantes Congelamento Para que um produto congele há formação de gelo e para isso são necessárias temperaturas muito baixas, normalmente abaixo de 18 C. Quando o produto é congelado, além da temperatura muito baixa prejudicar os microrganismos, a formação do gelo diminui a quantidade de água do produto que poderia ser utilizada para o crescimento dos microrganismos, fazendo com que possa ser conservado por longos períodos de tempo, meses e até anos. É um processo relativamente caro, porque depois de congelado o produto deve ser mantido a baixas temperaturas até o momento de seu consumo. Enquanto a água pura congela a 0 C, os pontos de congelamento das matérias-primas e medicamentos dependem das quantidades de solutos dissolvidas na sua água de constituição. Tipos de Congelamento Congelamento Criogênico Resfriamento x Congelamento Aplicações na Indústria Farmacêutica 15

16 Fatores que afetam a velocidade de secagem Fatores que afetam a velocidade de secagem 10/09/2014 Operações de Transferência de Calor Secagem Secagem Métodos de Secagem Aplicações na Área Farmacêutica 16

17 Estufas de Secagem Secadores de Túnel Secadores de Correia Transportadora Secador de Esteira a Vácuo Secador de Leito Fluidizado Secador de Cilindros, Rolos ou de Tambor 17

18 Aplicações na Indústria Farmacêutica Secadores por Atomização, Pulverização ou Aspersão (Spray Driers) Etapas Secagem por Atomização Secagem por Atomização Secagem por Atomização Secagem por Liofilização 18

19 Etapas da Liofilização 10/09/2014 Funcionamento do Liofilizador Vantagens Desvantagens Aplicações 19

20 Secagem por Evaporadores Interesse somente na fase sólida, sendo a fase liquida então desprezada. Para produzir cloreto de sódio (sal) a partir da água do mar. Equipamentos industriais para evaporação nada mais são do que recipientes que concentram uma solução pela evaporação do solvente. Operações de Transferência de Massa Destilação Destilação Fracionamento do petróleo Fracionamento dos gases do ar (O2, CO2, H2,He,etc.) Concentração do álcool Purificação de compostos químicos Extração Líquido - Líquido Adsorção É a adesão de moléculas de um fluido (o adsorvido) a uma superfície sólida (o adsorvente) Depende: Temperatura, Pressão Área superficial As forças que atraem o adsorvato podem ser químicas ou físicas. Exemplo: eliminação do odor de geladeira com o uso de carvão ativado (o odor se fixa nas superfícies livres nos poros do carvão. Processos Unitários - POU (Conversão Química) Transformação de uma substância em outra por meio de uma reação química Neutralização Halogenação Sulfonação, etc Podem ser: Exotérmicas Endotérmicas Ocorrem em reatores químicos Condições adequadas de P, T, catálise, etc 20

21 Processos em batelada: a alimentação é carregada no sistema no começo do processo, e os produtos são retirados todos juntos depois de algum tempo. Não existe transferência de massa através do sistema entre o momento da carga da alimentação e o momento da retirada dos produtos. Processos contínuos: as entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de duração do processo. Tipos de Processos Processos em semibatelada (ou semicontínuo): qualquer processo que não é nem contínuo, nem em batelada. Tipos de Processos FLUXOGRAMAS (FLOW-SHEET) a) Fluxogramas de blocos (block flow diagrams BFD) Sequência coordenada das conversões químicas e das operações unitárias, expondo os aspectos básicos do processo químico. Indica pontos de entrada de matérias-primas e de utilidades e os pontos de retirada dos produtos e subprodutos. Podem ser simples, na forma de diagramas de blocos ou detalhados. São úteis na conceitualização de um processo ou de um número de processos em um grande complexo. Pouca informação sobre as correntes é fornecida, mas uma clara visão geral do processo é apresentada. Fluxograma de Blocos Fluxograma do processo (process flow diagram PFD) Contém toda informação necessária para os balanços material e energético completos no processo. Adicionalmente, informações importantes tais como a pressão das correntes, tamanhos de equipamentos e principais controles são incluídos. 21

22 Fluxograma do processo (process flow diagram PFD) Um fluxograma de processo inclui: tubulação do sistema símbolos dos principais equipamentos, nomes e números de identificação Controles e válvulas que afetam a operação do sistema interconexões com outros sistemas principais rotas de by-pass e recirculação taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura e pressão para fluxos mínimo, normal e máximo composição dos fluidos. Fluxograma do processo (process flow diagram PFD) c) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (pipping and instrumentation diagram P&ID): Contém toda informação do processo necessária para a construção da planta. Estes dados incluem tamanho dos tubos (dimensionamento da tubulação e localização de toda instrumentação para ambas as correntes de processo e de utilidades). c) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (pipping and instrumentation diagram P&ID): Um FTI deve incluir: Instrumentação e designações Equipamentos mecânicos com nomes e números Todas as válvulas e suas identificações Processo de tubulação, tamanhos e identificação Micelânea: ventilação, drenagem, amostragem, redutores, aumentadores Permanent start-up and flush lines Direção dos fluxos e referencias das interconexões Controles de inputs, outputs e intertravamento Nível de qualidade Sistemas de controle computadorizados Identificação dos componentes e subsistemas entregues por outros Seqüencia física dos equipamentos Fluxogarmas Industriais Fluxogramas Industriais 22