INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS QUÍMICOS

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1 INTRODUÇÃO OS PROCESSOS QUÍICOS. Os Processos Quíicos U processo quíico é qualquer operação ou cojuo de operações coordeadas que causa ua rasforação física ou quíica e u aerial ou isuras de aeriais. O objeivo dos processos quíicos é a obeção de produos desejados à parir de aérias prias selecioadas ou dispoíveis. Os processos quíicos são, do poo de visa de produção idusrial, desevolvidos dero da chaada idúsria quíica que se divide e diversas raificações. abragêcia da defiição de processo quíico é ão grade que egloba seores específicos de grade agiude coo os ealúrgicos, ucleares e faracêuicos, ao lado de ouros coo os processos peroquíicos, plásicos, cerâicos, de síese de produos iorgâicos, orgâicos, ou bioquíicos, ec. Shreve e Brik Jr e seu livro Idúsrias de Processos Quíicos classifica ria e oio ipos de processaeos quíicos idusriais de relevâcia. São eles: Traaeo de água e proeção do eio abiee Eergia, cobusíveis, codicioaeo de ar e refrigeração Produos carboquíicos Gases cobusíveis Gases idusriais Carvão idusrial Idúsrias de cieo Idúsrias de vidro Cloreo de sódio e ouros coposos de sódio Idúsria do cloro e dos álcalis: barrilha, soda cáusica e cloro Idúsrias eleroquíicas Idúsrias eleroéricas Idúsrias de fósforo Idúsrias de poássio Idúsrias do irogêio Exofre e ácido sulfúrico Ácido clorídrico e diversos coposos iorgâicos Idúsrias ucleares Explosivos, agees quíicos óxicos e propelees Idúsrias de produos foográficos Idúsrias de ias e correlaos Idúsrias de alieos e co-produos Idúsrias agroquíicas Perfues, aroaizaes e adiivos alieares Óleos, gorduras e ceras Sabões e deergees Idúsrias do açúcar e do aido Idúsrias de fereação Derivados quíicos da adeira Idúsrias de polpa de papel Idúsrias de fibras e películas siéicas Idúsrias da borracha Idúsrias de plásicos Refiação do peróleo Idúsria peroquíica Ierediários, coraes e suas aplicações Idúsria faracêuica

2 Nos processos quíicos ocorre rasforações quíicas ou físicas da aéria. Ebora a aioria eglobe coversões quíicas (ou bioquíicas), e algus processos ocorre apeas rasforações físicas da aéria. desilação do peróleo para obeção de alguas frações, a obeção do açúcar da caa e a exração de óleos vegeais, são exeplos ípicos de processos quíicos ode ão ocorre coversões quíicas esseciais. lé disso, eso aqueles processos ode a coversão quíica é a operação pricipal, ua série de operações físicas preliiares é ecessária para a preparação da aéria pria e seu raspore aé o equipaeo de reação (reaor) be coo para o raaeo, purificação e raspore do efluee do reaor para a obeção do produo (u ou ais) fial. Várias são as operações físicas de ieresse da idúsria quíica. s pricipais são (ver Perry e Chilo): Traspore e arazeaeo de fluídos (bobeaeo, copressores, sopradores, ubulações, válvulas, aques) aipulação de sólidos a grael e ebalados (eseiras, raspore peuáico e fluidizado, arazeaeo) Coiuição e agloeração (briage, oage, agregação, graulação) Produção e raspore de calor (cobusíveis, foros, cobusão, geração e rasissão de eergia) Equipaeos de rasferêcia de calor (evaporadores, rocadores de calor) Codicioaeo de ar e refrigeração Desilação bsorção de gases Exração e fase líquida dsorção e roca iôica Diversos processos de separação (lixiviação, crisalização, subliação, difusão,...) Siseas líquido-gás (equipaeos de coao e separação)(coao gáslíquido, dispersão e separação de fases) Siseas líquido-sólido (equipaeos de coao e separação)(filros, cerífugas, isuradores, agiadores) Siseas gás-sólido (equipaeos de coao e separação)(secadores, leios fluidizados, separadores) Siseas líquido-líquido e sólido-sólido (equipaeos de coao e separação (isuradores, peeiração, floação, separação elerosáica). Coo exeplo, supohaos a obeção de ácido fosfórico a parir de iério fosfáico usado o processo chaado de via úida. ravés dele, o cocerado fosfáico (fluorapaia) reage co ácido sulfúrico cocerado, dero da seguie esequioeria: CaF.Ca (PO 4 ) + 0H SO 4 + 0H O 0CaSO 4 + H O + HF + 6H PO 4 É claro que para a reação acoecer, as aérias prias precisa ser rabalhadas para erare o reaor dero das caracerísicas écicas especificadas (defiidas a parir das pesquisas). ssi o cocerado fosfáico, que alé da fluorapaia (poradora de fósforo) coé ouros ierais que aua coo ipurezas. Ese cocerado deverá er o eor adequado de P O 5 (operação de coceração por floação) e er a grauloeria coveiee (operações de oage e classificação) já que iso iflueciará decisivaee a ciéica da reação. Já o ácido deve esar a coceração desejada (operações de coceração ou diluição e H O) e eveualee a

3 eperaura defiida (operação de roca érica). s duas aérias prias pricipais ecessiarão ser rasporadas aé o reaor a dosage cera, defiida pela esequioeria e pela ciéica: o ieral por ser sólido poderá ser rasporado aravés de correias e elevadores de caeca aé o alieador, equao o ácido sulfúrico deve coiuaee ser alieado ao reaor aravés de bobas especiais, dero de ua faixa de vazões coroladas. Decorrida a reação ereos o ácido, o sulfao de cálcio e ouras subsâcias. É ecessário, porao, separar-se o produo (H PO 4 ) dessas deais subsâcias. O processo covecioal prevê a filração a vácuo. ora do filro é forada pela fase sólida da isura, equao o filrado se cosiui e u H PO 4 diluído. Coo ão se preede veder e rasporar água, dero de ceros liies, o ácido diluído deverá aida ser cocerado (aravés de evaporação) aes da coercialização. Novaee ere a saída do reaor e o desio do produo e do rejeio, ocorre as ecessárias operações de raspore. E liguage de egeharia quíica, odo ese exo descriivo é subsiuído por u deseho esqueáico chaado de fluxograa (flow char). Uilizado-se blocos, ouros síbolos que represee uidades de processo (reaores, desiladores, evaporadores, ec...) e lihas que idica os caihos de fluxo das aérias prias e dos produos, descreve-se o processo de fora siples e objeiva, aravés de ua coordeação seqüecial que iegra as uidades de coversão quíica (reaores) às deais uidades de operações físicas (chaadas classicaee de operações uiárias). O aerial que era e ua dada uidade de processo é chaado de alieação ( ipu ou feed ) e o que a deixa é chaado de produo ( oupu ou produc ). O diagraa de blocos é, a verdade, o fluxograa ais siples, que idica as pricipais uidades de processo e raz iforações sobre as variáveis de processo pricipais. U fluxograa ais elaborado raz ais dealhes coo o diesioaeo dos equipaeos, as alhas de corole auoáico, os aeriais de cosrução e ouras iforações iporaes. Coo exeplo de fluxograas, observe a figura que segue. U diagraa de blocos idica de odo be siples o processo de obeção de ácido fosfórico descrio aerioree. Diagraa de blocos do processo de fabricação de ácido fosfórico via úida. Exercícios. No Brasil pricipal foe de obeção de álcool é a parir da caa-de-açúcar, aravés de u processo bioquíico que evolve a fereação aaeróbia do caldo de caa por icroorgaisos. Parido da caa, quado esa era a usia, iagie quais deveria ser os processos uiários ecessários aé a produção de álcool. Descreva o processo aravés de u diagraa de blocos siplificado.. Procure as eciclopédias de ecologia quíica, o processo de fabricação de poliéser. Copie o fluxograa procurado ideificar as diferees operações evolvidas.

4 . aálise dos Processos Quíicos Dada ua uidade de processo ou u processo coo u odo o problea básico é calcular as quaidades e propriedades dos produos a parir das quaidades e propriedades das aérias prias ou vice-versa. Ese curso objeiva a apreseação de u abordage siseáica para a resolução de probleas dese ipo. parir das variáveis e jogo, chaadas de variáveis de processo, cujas pricipais serão apreseada e discuidas aqui, esabelecereos as equações que as relacioa, a parir dos pricípios uiversais da coservação da assa e eergia e iforações erodiâicas. parir daí resolvereos probleas ípicos do dia -a-dia do egeheiro quíico. Para ao é fudaeal iiciar-se revedo a fora de expressar as quaidades, aravés do esudo das diesões e uidades.. Uidades e Diesões Ua edida e u valor (úero) e ua uidade: f; ; / seg; 4 k, 6 oaes. Ua diesão é ua propriedade que pode ser edida, coo: coprieo; epo; assa; eperaura ou calculada, pela uliplicação ou divisão de ouras diesões: velocidade (coprieo/epo) volue (coprieo x coprieo x coprieo)... Coversão de uidades Para coverer ua quaidade expressa e eros de ua uidade para seu equivalee e eros de oura, uliplica-se a dada quaidade pelo faor de coversão (ova uidade/velha uidade). Por exeplo: para coverer 6 i o seu equivalee e f, escrevereos: f 6 i f i Noe coo as velhas uidades se cacela, peraecedo a uidade desejada. Para eviare-se erros, cové escrever odas as uidades e verificar se as velhas se cacela. Observe: i i 6 i 4 f f Errado, já que ão era isso que ós gosaríaos de calcular. Para uidades coposas, o procedieo é o eso. Exeplo: Coverer a aceleração i/s e ilhas/ao Dados: h 600s, dia 4 h, ao 65 dias f i, ilha 580 f, eão 600s 4h 65dias ilha f 0,57 0 ilhas / i s h dia ao 580 f i ao.. Siseas de Uidades U sisea de uidades se copõe de: a) Uidades Básicas: que são as uidades para as diesões básicas; a saber: assa, coprieo, epo, eperaura, corree elérica e iesidade luiosa. Exeplos: segudo, apere, graa.

5 b) Uidades úliplas: úliplos ou frações das uidades básicas. Por Ex: para a uidade básica segudo, eos coo uidades úliplas: h, i, ilisegudos. c) Uidades Derivadas c.) obidas pela uliplicação ou divisão das uidades básicas ou úliplos, chaadas de coposas. Ex: c.c; f/i; kg./s ; c.) coo equivalees a uidades coposas coo o erg g c /s ou lbf,74 lb.f/s. O sisea de uidades oficial aualee é o Sisea Ieracioal (SI) e o Sisea Iglês. Ereao exise ouros aida e uso. São os siseas CGS (ceíero, graa e segudo) o KS (ero, quilograa-força e segudo).. Hoogeeidade diesioal e quaidades adiesioais Toda equação válida deve ser diesioalee hoogêea, iso é: odos os eros de abos os lados da equação precisa er as esas uidades. Cosiderado a equação: V(f/s) V0 (f/s) + g (f/s ) (s) Observe que odos os eros sedo soados possue a esa uidade f/s..4 Cálculos ariéicos: oação cieífica, algarisos sigificaivos e precisão Ua aeira coveiee de represeare-se úeros é aravés da oação cieífica, a qual u úero é expresso coo u produo de ouro úero (usualee ere 0, e 0) e a poêcia de 0. Exeplos: , x 0 8 0,00008,8 x 0-5 Os algarisos sigificaivos de u úero são os dígios a parir do prieiro dígio ão zero da esquerda aé o úlio dígio (zero ou ão zero) da direia se há u poo decial, ou o úlio dígio ão zero se ão há poo decial. Exeplos: 00 ou,x0 - alg. sig. (ão e poo decial) 00,0 ou,000x0-5 alg. sig. (e poo decial) 040 ou,04x0 4-4 alg. sig.(ão e poo decial) 0,05 ou,5x0 - - alg. sig. (e poo decial) 0,0500 ou,500x alg. sig. (e poo decial) Observe que o úero de algarisos sigificaivos é facilee osrado a oação cieífica. O úero de algarisos sigificaivos de ua edida forece ua idicação da precisão co que a quaidade é cohecida. *U valor é ais preciso quao aior seu úero de algarisos sigificaivos. Nas operações aeáicas, ua regra práica é a que segue:

6 "Quado ou ais quaidades são cobiadas por uliplicação ou divisão, o úero de algarisos sigificaivos do resulado deve ser igual ao do eor úero de algarisos sigificaivos dere as quaidades evolvidas Exeplos: (,57) x (4,86) 5,00 5, () (4) (7) () (5,x0-4 )(0,65x0 7 )/(,67) 8,46966,x0 0 () (4) () (9) Para a adição ou subração eos: "Quado ou ais úeros são adicioados ou subraídos, a posição do úlio algariso sigificaivo de cada úero deve ser coparada. Dessas posições, aquela ais à esquerda é a posição do úlio algariso sigificaivo perissível a soa. 4. Variáveis de Processo Para se projear, supervisioar ou odificar u processo, precisa-se cohecer as quaidades, coposições e codições dos aeriais que era e sae da uidade, be coo saber edi-las. Nese capíulo serão apreseadas defiições, écicas de edidas e éodos para cálculo dessas variáveis. 4.. assa, Volue e Desidade desidade (ρ) de ua subsâcia é a assa por uidade de volue da subsâcia (kg/, g/c, lb/f, ec...) O volue específico () é o volue por uidade de assa (/kg, f/lb), e, porao, o iverso da desidade. desidade de sólidos e líquidos puros são relaivaee idepedees da eperaura e da pressão e pode ser ecoradas e referêcias padrões (Perry e Chilo, -6 a -44). desidade de ua subsâcia pode ser usada coo u faor de coversão para relacioar assa e volue. Exeplos: desidade (ρ) do eracloreo de carboo é,595 g/c. assa de 0,0 c de CCl4 é, porao, e o volue de 6,0 lb de CCl 4 é,595g 0c, 9g c 454g c 6,0lb 765c lb,595g desidade especifica ou relaiva ("specific graviy" - SG) de ua subsâcia é a relação ere a desidade dessa subsâcia e a de ua subsâcia de referêcia, e codições especificadas. ρ SG ρ ref

7 referêcia ais couee usada para sólidos e líquidos é a água a 4,0ºC, ode ρ ref (H O, 4 C),000g/c 000 kg/ 6,4 lb/f oação SG 0,6 0 /4 sigifica que a SG de ua subsâcia a 0ºC co referêcia à água a 4ºC é 0,6. Exise ouras uidades paricularee usadas a idúsria de peróleo, coo: Bé (Baué) ΑPI (Α.P.I.) Tw (Twaddell) Suas defiições e faores de coversão são dados o Perry, p.-8 Exercício resolvido. Calcule a desidade do Hg e lb/f a parir dos dados abelados de desidade especifica (SG), e calcule o volue e f ocupados por 00Kg de Hg. Segudo o Perry e Chilo pg. -7 SG(Hg)0 C,456, ρ(hg),456 6,4 lb/f 845,64 lb/f lb f V 00kg 0,5 f 0,45kg 845,7lb 4. Vazão Processos coíuos evolve o ovieo de aeriais de u poo a ouro ere as uidades de processo. vazão pode ser expressa e eros ássicos, represeada oralee por & dada e assa/epo ou voluérica, expressa e eros de volue/epo. 4. Coposição quíica (ol e assa olecular) U graa-ol ou siplesee ol de ua espécie quíica é a quaidade dessa espécie cuja assa e graas seja uericaee igual à sua assa olecular. Ouros ipos de ol pode ser usados cofore a coveiêcia e são siilaree defiidos. Exeplo: oóxido de carboo (CO) e assa olecular igual a 8. ol CO coé 8 g kol CO coé 8 kg lb-ol CO coé 8 lb o-ol CO coé 8 o 4.4 Fração ássica e fração olar. São pouco freqüees as correes de processo que coê apeas ua subsâcia. É ais cou sere cosiuídas de isuras de líquidos ou gases, ou soluções de u ou ais soluos e u solvee líquido. Os seguies eros são usados para defiir a coposição de ua isura de subsâcias icluido a espécie :

8 Fração ássica (x): assa kg g lb o x,,, assaoal kgoal goal lboal o oal Fração olar (y): ol kol gol lbol ool x,,, oloal koloal goloal lboloal ool oal uliplicado-se por 00, e-se a fração e eros de porceage. Exercício exeplo: Te-se ua solução 5% e assa e 0% B e ols. Calcule: a) a assa de e 00 kg de solução. 0,5kg x 0,5 00 kg 0kg kg b) a vazão ássica de a corree que esá fluido à vazão de 50 lb/h. 50lb 0,5lb h lb 7, 5 lb h c) a vazão olar de B ua corree de 000 ols solução/i. 000ol 0,0olB 00olB i ol i d) a vazão oal de solução que correspode à vazão olar de 5 kol de B/s. 5kol kol kol B 5 s 0,kol B s solução e) a assa da solução que coé 00 lb de. lb 00 lb 000lb 0,5lb solução Observações: ) Noe que as frações ássicas e olares idepede da uidade; ) U cojuo de frações ássicas pode ser coverido u cojuo de frações olares.

9 4.5 assa olecular édia. assa olecular édia ( édia ) de ua isura (g/gol, kg/kol, lb/lbol, ec...) é a razão da assa de ua aosra da isura ( ) pelo úero de ols de odas as espécies da aosra. Se y i é a fração olar do copoee i da aosra e i é a assa olecular desse copoee, sedo édia +... ode y e y, que subsiuída a equação acia, resula e édia y + y + y +... yi i (odos os copoees) Coclusão: assa olecular édia de ua isura é a édia poderada das assas oleculares exisees da esa fora édia i ode... x e x x x / x que subsiuída a equação acia resula e édia x x + x Exercício: Calcule a assa olecular édia do ar. a) a parir das coposições olares aproxiadas: 79% N e % O b) a parir das coposições ássicas aproxiadas: 76,7% N e,% O Solução: a) (ar) y(n )(N ) + y(o )(O ) (ar) 0, + 0,79 8 8,84g/ol 0,767 0, b) + 0, 05ol (ar) / g (ar) 8,84 g (ar) / ol (ar) 8 édia

10 4.6 Coceração Coceração ássica de u copoee e ua isura ou solução é a assa dese copoee por uidade de volue da isura (g /c, lb /f, kg /,...). Coceração olar de u copoee e ua isura ou solução é o úero de ols dese copoee por uidade de volue da isura (g-ol /c, lb-ol /f, kg-ol / ). olaridade de ua solução é o valor da coceração olar do soluo expressa e gol soluo/liro de solução. Por exeplo, ua solução olar ( ) de coé gol por liro de solução. Vazão olar (& ) de u copoee é expressa e úero de ol ou siplesee ol desse copoee por uidade de epo. É igual ao produo da vazão voluérica pela coceração olar do copoee. 4.7 Pressão a) Pressão de fluido e carga ( head ) hidrosáica Ua pressão é a razão de ua força para ua área sobre a qual a força aua. ssi, as uidades de pressão são: Pascal, Pa N dias lbf ; ; psi c i E vez de força por área, oura fora de expressar a pressão é aravés da idicação de ua alura de deeriado líquido (carga ou head). pressão é equivalee àquela exercida pela colua hipoéica de alura h desse fluido e sua base, se a pressão o opo da colua for zero. ssi, pode-se dizer que ua pressão de 4,7 psi a 760 Hg 0, ca (eros de colua de água). Exercício exeplo: Qual é a pressão a 5 eros abaixo do ível da água u lago, sabedo que a desidade da água é de 998g/L? g/gc 9,806N/kg g kg N p ρ h 998 9, ,9Pa g c kg b) Pressão aosférica (p a ), pressão absolua (p abs ) e pressão aoérica ("gauge") (p a ou p rel ) pressão aosférica pode ser eedida coo a pressão a base de ua colua de fluido (ar) localizada o poo de edida (ao ível do ar, por exeplo). pressão p 0 o opo da colua é igual a zero e ρ e g são valores édios de desidade do ar e aceleração de gravidade ere o opo da aosférica e o poo de edida. U valor ípico da pressão aosférica ao ível do ar é 760 Hg. Ela foi desigada coo pressão padrão de ua aosfera (experiêcia de Torricelli). s pressões dos fluidos, aé aqui descrias são absoluas (a pressão zero correspode ao vácuo perfeio). uios aparelhos de edida de pressão dão, o eao, a pressão aoérica ("gauge") de u fluido, iso é, a pressão relaiva. Ua pressão aoérica de zero idica que a pressão absolua do fluido é igual a pressão aosférica. p absolua p aoérica ou relaiva + p aosférica

11 s abreviações psia ou psig são couee uilizadas para deoar as pressões absolua e aoérica, respecivaee, e eros de lbf/i (psi). Tabé é cou referir-se a pressões aoéricas egaivas (pressões absoluas eores que a aosférica) coo quaidades posiivas de vácuo. Por exeplo: p a ihg (que correspode à pressão absolua de 8,9 ihg, já que p a 9,9 ihg ) é chaada de ihg de vácuo. Eão: p absolua relaiva ao vácuo p aoérica relaiva à aosfera 4.5 Teperaura eperaura de ua subsâcia (T) e u dado esado de agregação (sólido, líquido ou gás) é ua edida da eergia ciéica édia possuída pelas oléculas da subsâcia. Coo esa eergia ão pode ser edida direaee, a T precisa ser deeriada idireaee pela edida de algua propriedade física da subsâcia, cujo valor depede da eperaura de ua fora cohecida. Tais propriedades e os aparelhos para edida de ua eperaura, ela baseados, iclue resisêcia elérica de u coduor (erôero de resisêcia), volage a jução de dois eais diferees (eropar), especro de radiação eiida (pirôero) e volue de ua assa fixa de u fluido (erôero). s escalas de eperaura pode ser defiidas e eros de alguas dessas propriedades, ou e eros de feôeos físicos coo o cogelaeo e ebulição, que ocorra a pressão e eperaura fixadas. Você poderia referir-se, por exeplo, à eperaura a qual a resisividade de u fio de cobre é,9.0-6 ohs/c. É coveiee er, alé dessas escalas, ua escala uérica siples ere ouras razões para que ão se precise usar várias palavras para expressar ua siples eperaura. Ua escala defiida de eperaura é obida arbirariaee, aribuido-se valores uéricos a duas edidas reproduzíveis de eperaura. Por exeplo: aribuise o valor 0 (zero) ao cogelaeo da água, e o valor 00 (ce) a ebulição a pressão de a. lé disso, esabelece-se que o coprieo do iervalo da uidade de eperaura (chaado grau) é /00 da disâcia ere os dois poos de referêcia. s duas ais cous escalas de eperauras que uiliza o cogelaeo e a ebulição da água a pressão de a são: Celsius (ou ceígrado): Tf 0 C, Tb 00 C. Nessa escala o zero absoluo (eoricaee a eor eperaura aigível a aureza) vale 7,5 C. Fahrehei: Tf é desigado por F e Tb por F. O zero absoluo equivale a 459,67 F. s escalas Kelvi e Rakie são escalas de eperauras absoluas, a qual o zero absoluo e o valor 0 (zero). O aaho de u grau é o eso da escala Celsius para a escala Kelvi, e igual ao aaho do grau Fahrehei para a escala Rakie. ssi: T(K) T( C)+ 7,5 T( R) T( F)+ 459,67 T( R),8 T(K) T( F),8 T( C)+