Princípios básicos da Indústria Química

Transcrição

1 Princípios básicos da Indústria Química Baseado em Shreve, R.N & Brink Jr., J.A. Page 1

2 As 6 Fases de 1 Entusiasmo 2 Desânimo 3 Desespero 4 Busca dos 5 Punição dos 5 Premiação dos Culpados Inocentes não envolvidos um Projeto Page 2

3 O Desenvolvimento de um Projeto Page 3

4 Indústria Química Faz o processamento industrial químico de matériasprimas levando à obtenção de produtos com valor comercial agregado. O processamento industrial químico, em geral, envolve: Processos Unitários ou Conversão Química exemplo obtenção de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 )a partir do enxofre: S + O 2 SO 2 SO 2 + 1/2O 2 SO 3 Solução aquosa de SO 3 H 2 SO 4 Operações Unitárias ou Operações Físicas, como transferência de calor, controle de temperatura, separação. Page 4

5 Principais operações unitárias (físicos) Transporte e armazenamento de fluidos e sólidos Geração e transporte de calor Processos de separação: lixiviação, filtração, cristalização, sublimação Sistemas líquido-sólido: filtros e centrífugas, misturadores, agitadores Sistemas sólido-sólido: peneiração Destilação Page 5

6 Principais processos unitários (conversões químicas) Acilação Combustão Halogenação Alcoolise Condensação Hidrogenação Polimerização Alquilação Desidratação Isomerização Reações de Friedel-Crafts Aminação por redução Diazotação e acoplamento Neutralização Redução Aromatização Eletrólise Nitração Saponificação Calcinação Esterificação Oxidação Sulfonação Carboxilação Fermentação Pirólise Troca iônica Caustificação Formação de silicato Page 6

7 Indústria Química A produção em escala industrial de um produto envolve três fases: 1. Desenvolvimento em laboratório - estudo detalhado das conversões químicas e das condições físicas (temperatura, quantidades, catalisadores, etc.) necessárias para sua execução; 2. Desenvolvimento do produto em escala semi-industrial - equipamentos que reproduzem o processo planejado - conversão química e operações físicas necessárias numa escala bem menor que a industrial. 3. Projeto e implantação do processo em escala industrial. Page 7

8 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 1. Dados químicos fundamentais Rendimentos da reação: Conversão na reação: Rendimento percentual Rendimento percentual = 100 x = 100 x Moles do produto principal Moles do produto principal equivalentes à desaparição completa do reagente mais importante Moles do produto principal Moles do produto principal equivalentes à carga do reagente mais importante Ex: Na síntese da amônia a 150 atm e 500º. C, o rendimento é frequentemente acima de 98% enquanto a conversão está limitada pelo equilíbrio a 14%, o que significa que 86% da carga não reagem e devem ser recirculados. Page 8

9 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 1. Dados químicos fundamentais Velocidade da reação - rapidez de avanço da reação, catálise, cinética Termodinâmica - troca de energia envolvidas na reação química e energia necessária de fontes externas como calor ou potência. Page 9

10 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 2. Tipo do Processo Processo contínuo - Opera em altos volumes e baixa variedade de produtos. Seus produtos são indivisíveis e produzidos em fluxo ininterrupto. São relacionados a altos investimentos (capital intensivo), com fluxo altamente previsível e tecnologia inflexível. Exs.: refinaria petróleo, processos petroquímicos, fabricação de papel em altos volumes. Page 10

11 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 2. Tipo do Processo Processo descontínuo (bateladas) A operação tem períodos em que é repetida, enquanto produz-se um lote. É associada a maior variedade de produtos e menor volume. Ex: polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos. Page 11

12 Variedade Tipos de Processos em Manufatura A relação entre volume e variedade determina o tipo de processo Alta Projeto Bateladas Em Massa Contínuo Baixa Baixo Volume Alto Page 12

13 Tipos de Processos em Manufatura Processos de Projeto São processos que lidam com produtos discretos, bastante customizados. O período para fazer o produto é longo. Não há uma padronização do processo de produção, vai depender do tipo e do projeto de produto encomendado. É tipicamente sob encomenda. Geralmente todos os recursos da empresa são voltados para apenas um projeto por vez. Exs.: indústria naval, construção civil, produção de filmes, construção de grandes máquinas. Page 13

14 Tipos de Processos em Manufatura Processos em Bateladas (ou Lotes) Variedade e volume intermediários. O tamanho do lote varia de algumas unidades até toneladas de produto por unidade de tempo. Exs. Produção de roupas, de peças e conjuntos. Na indústria química, é típico de produtos com maior valor agregado, com especificações direcionadas a um tipo de cliente e menores volumes. Exs. Polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos, de especialidades químicas. Page 14

15 Tipos de Processos em Manufatura Produção em Massa Produzem bens em altos volumes e com variedade relativamente baixa, em termos de aspectos fundamentais de produto. Exemplo típico: montagem final de automóveis o projeto básico é o mesmo, mas pode haver grande variedade de opcionais, cores, motorização. Outros exemplos: fabricação de bebidas, injeção de plásticos em alto volume. Page 15

16 Tipos de Processos em Manufatura Produção Contínua Opera em volumes maiores e variedade ainda menor que a produção em massa. Geralmente são literalmente contínuos, pois seus produtos são indivisíveis e produzidos em fluxo ininterrupto. São associados a tecnologias relativamente inflexíveis, de capital intensivo e fluxo altamente previsível. Exs.: refinarias de petróleo, petroquímicas, produção de papel em larga escala, usinas de eletricidade, de tratamento de água. Page 16

17 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 3. Fluxogramas para representar um processo químico : Servem de base para o projeto e a operação na planta-piloto e na fábrica. O fluxograma deve conter as operações unitárias, as conversões químicas, o equipamento utilizado, o balanço de massa e de energia, mão-de-obra e utilidades. Page 17

18 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 4. Escolha do processo químico, projeto e operação Esta etapa envolve análise para planejamento e operação eficientes das plantas-piloto e de produção, projeto e execução da planta piloto, definição dos equipamentos,materiais de construção, análise de durabilidade e corrosão no processo, instrumentação e automação do processo, definições de variáveis como pressões,alto-vácuo, criogenia etc... Page 18

19 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 5. Controle e instrumentação dos processos químicos, Isto inclui definição da estratégia de controle e monitoração do processo - automatizado ou manual. Na maioria dos processos competitivos, a monitoração, controle e operação é em sua, maioria, automatizada e controlada por computador. Page 19

20 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 6. Economia do processo químico Prevê a análise e avaliação dos processos competitivos, avaliação dos investimentos, ROI (tempo para retorno do investimentos), despesas gerais (seguro, impostos, consultorias), capital (juros e depreciação), fatores de produção, reparos e manutenção, custos globais. Page 20

21 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 7.Avaliação do mercado - Planejamento de Marketing Sugere a avaliação de estatísticas de crescimento de mercado, localização dos mercados, durabilidade do produto, tipos de embalagens, estratégias de vendas e serviços pós-venda. Page 21

22 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 8. Localização da fábrica A definição da localização inclui a avaliação das matérias-primas envolvidas, transporte e mercado, logística de suprimentos e distribuição. Outros fatores como energia, água, disponibilidade de mão-de-obra, custos de terreno, descarte dos rejeitos interferem na escolha da localização. Incentivos Fiscais. Page 22

23 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 9. Segurança, avaliação dos riscos para saúde ocupacional e meio ambiente No projeto de qualquer processo químico é fundamental a avaliação e minimização de impactos ambientais e na saúde e segurança dos operadores. Existem ferramentas de análise dos riscos e todo processo deve estar em conformidade com a legislação ambiental. Page 23

24 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 10. Construção da fábrica Normalmente, é confiada a empresas especializadas em construção de fábricas, segundo o projeto do pessoal da produção Page 24

25 O engenheiro no projeto e implantação do processo químico 11. Melhoria contínua e otimização de processos Uso das ferramentas da qualidade, buscando maior eficiência nos processos. Page 25

26 Fluxogramas Os fluxogramas são parte fundamental em um projeto, estes apresentam a seqüência coordenada das conversões químicas unitárias e das operações unitárias, expondo assim, os aspectos básicos do processo. É o mais efetivo meio de comunicar informações sobre um processo industrial. Indicam pontos de entrada das matérias-primas e da energia necessária e também os pontos de remoção do produto e dos subprodutos. Na avaliação global do processo, desde sua concepção inicial até o fluxograma detalhado para o projeto e operação da planta, é preciso desenhar muitos fluxogramas. Page 26

27 Tipos de fluxogramas Os três principais tipos de diagramas usados para descrever os fluxos de correntes químicas através de um processo são: a) Fluxogramas de blocos (block flow diagrams BFD) b) Fluxograma do processo (process flow diagram PFD) c) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (pipping and instrumentation diagram P&ID): Page 27

28 Fluxogramas de blocos 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. Page 28

29 Fluxogramas de blocos Tanque de liquido TL01 Misturador M08 Reator R102 Separador S56 Tanque de liquido TL02 Page 29

30 Fluxogramas de blocos Os blocos ou retângulos representam uma operação unitária ou processo unitário. Os blocos são conectados por linhas retas que representam as correntes de fluxo do processo entre as unidades. Essas correntes de fluxo podem ser misturas de líquidos, gases e sólidos fluindo em dutos ou sólidos sendo transportados em correias transportadoras. Page 30

31 Fluxogramas de blocos Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos: Operações ou processos unitários tais como misturadores, separadores, reatores, colunas de destilação e trocadores de calor são usualmente denotados por um bloco simples ou retangulo. Grupos de operações unitárias podem ser denotados por um bloco simples. Correntes de fluxo do processo entrando e saindo dos blocos são representadas por linhas retas que podem ser horizontais ou verticais. A direção do fluxo deve ser claramente indicada por setas. As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem lógica. As operações unitárias (i.e blocos) devem ser rotulados. Quando possível, o diagrama deve ser arrumado de modo que o fluxo material ocorra da esquerda para a direita, com unidades a montante, à esquerda, e unidades a jusante, à direita. Page 31

32 Fluxograma do processo 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. Page 33

33 Fluxogramas de processo Page 34

34 Fluxogramas de processo Um fluxograma de processo mostra as relações entre os principais componentes no sistema. Ele também tabula os valores projetados para o processo para os componentes nos diferentes modos de operação, tipicamente mínimo, normal e máximo. Page 35

35 Fluxogramas de processo 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 Page 36

36 Fluxogramas de tubulação e instrumentação 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). Page 38

37 Fluxogramas de tubulação e instrumentação Page 39

38 Fluxogramas de tubulação e instrumentação Este fluxogramas mostram toda a tubulação incluindo a seqüência física de ramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação e controles intertravados. Estes fluxogramas são usados para operar o processo de produção. Page 40

39 Fluxogramas de tubulação e instrumentação 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 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 Page 41

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