PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I

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1 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I BALANÇOS MATERIAIS

2 Mol, Peso molar, Densidade, Vazão mol = 6, (Constante) Peso (massa) molar = g/mol de molécula (ou átomo) Densidade : ρ = m/v Vazão : Q = V/t

3 Formas de expressar a concentração Porcentagem de massa, ppm e ppb Todos os métodos envolvem medir a quantidade de soluto em função da quantidade de solvente (ou da solução). Geralmente, as quantidades ou medidas são massas, quantidade de matéria ou litros. Qualitativamente, as soluções são diluídas ou concentradas. Definições:

4 Formas de expressar a concentração Porcentagem de massa, ppm e ppb Partes por milhão (ppm) podem ser expressas como 1 mg de soluto por quilograma de solução. Se a densidade da solução é 1g ml-1, então 1 ppm = 1 mg de soluto por litro de solução. Partes por bilhão (ppb) são 1 g de soluto por quilograma de solução.

5 Formas de expressar a concentração

6 BALANÇO MATERIAL É o balanço formado em um sistema químico. Obedece a relação S = In-Out(Armazenamento = Entrada Saída)

7 Definições Sistemas BALANÇO MATERIAL Aberto: troca de massa vizinhança / sistema Fechado: sem troca de massa vizinhança/ sistema Estacionário: Não varia quantidades no tempo no sistema Não estacionário: Varia quantidades no tempo no sistema Multicompostos: sistemas formados por mais de um composto químico

8 Equações químicas e balanceamento Reação química: processo de mudança química, conversão de reagentes em produtos(novas substâncias) Equação química: expressão que simboliza uma reação química 2Na(s)+2H2O(l) 2NaOH(aq)+H2(g) reagentes produtos

9 Equações químicas e balanceamento Lei de conservação da massa massa total inicial = massa total final Coeficientes estequiométricos 2Na(s)+2H2O(l) 2NaOH(aq)+H2(g) Símbolos de estado 2Na(s)+2H2O(l) 2NaOH(aq)+H2(g)

10 Estequiometria Estequiometria de reação: interpretação quantitativa das reações químicas Relações estequiométricas a equação química N2(g)+3H2(g) 2NH3(g) leva às seguintes relações estequiométricas 1molN2 1molN2 3molH2 2molNH3 significa quimicamente equivalente

11 Estequiometria Predições mol a mol Quequantidadedeamôniasepodeproduzirapartirde2molde hidrogênio na reação abaixo? N2(g)+3H2(g) 2NH3(g)

12 Estequiometria Predições massa a massa Oferrometálicoéobtidoapartirdominériodeferro-óxidodeferro(III) atravésdeumareduçãocomco: Fe2O3(s)+3CO(g) 2Fe(s)+3CO2(g) Quemassadeferroseráobtidaapartirde10gdominério?

13 Estequiometria Reagentes limitantes Rendimento rendimento teórico: máxima quantidade de produto que pode ser obtido a partir de uma dada quantidade de reagentes rendimento percentual: rendimento real expresso como uma fração do rendimento téorico rendimentopercentual= rendimentoreal rendimentoteórico 100% Exemplo: A gasolina é uma mistura de hidrocarbonetos, entre eles o octano. Num teste, a combustão de 1,00 L(702 g) de octano produziu, sob determinadas condições, 1,84 kg de dióxido de carbono. Qual foi o rendimento percentual do dióxido de carbono? 2C8H18(l) + 25O2(g) 16CO2(g) + 18H2O(l)

14 Estequiometria Pureza e água na molécula Pureza: Os compostos são comercializados como puros(normalmente ChamadosP.A.) ouimpuros, em%. Ex. NaOHDiaboVerde(35%); Qboa(2% Cllivre) Águanamolécula:Moléculascom águanacomposição. Ex. Al(OH) 3.3H 2 O; CuSO 4.5H 2 O

15 PROCESSO QUÍMICO A indústria química recebe a (as) matéria (as) prima (as) e gera produtos; a matéria prima pode ser separada em frações (sem sofrer transformação química) ou em outros produtos (sofrendo transformação química).

16 Recursos, PROCESSO QUÍMICO

17 PROCESSO QUÍMICO MATÉRIAS-PRIMAS: SÓLIDOS LÍQUIDOS SOLUÇÕES SUSPENSÕES GASES PREPARAÇÃO

18 PROCESSO QUÍMICO RECURSOS: UTILIDADES: VAPOR ENERGIA ELÉTRICA ÁGUA TRATADA GASES AR COMPRIMIDO OUTROS RECURSOS: MANUTENÇÃO INSTRUMENTAÇÃO, ETC.

19 PROCESSO QUÍMICO RESÍDUOS: SUB-PRODUTOS RESÍDUOS POLUENTES: RESÍDUOS SÓLIDOS RECICLÁVEIS RESÍDUOS SÓLIDOS TRATÁVEIS RESÍDUOS SÓLIDOS INCINERÁVEIS RESÍDUOS SÓLIDOS PARA ATERROS EFLUENTES (LÍQUIDOS) EMISSÕES GASOSAS

20 PROCESSO QUÍMICO O PROCESSO QUÍMICO COMPREENDE VÁRIAS ETAPAS: PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMAS REAÇÕES QUÍMICAS PURIFICAÇÃO DO PRODUTO EMBALAGEM

21 PROCESSO QUÍMICO ETAPAS: CONVERSÕES REAÇÕES QUÍMICAS OPERAÇÕES TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS

22 PROCESSO QUÍMICO Quando a matéria prima não sofre transformação química, para a obtenção de produtos, dizemos que ela foi submetida às OPERAÇÕES UNITÁRIAS; ao contrário, quando a matéria prima sofre transformação química, temos a chamada CONVERSÃO QUÍMICA ou PROCESSO UNITÁRIO.

23 PROCESSO QUÍMICO OPERAÇÕES: Bombeamento de fluidos Troca de calor Transporte de sólidos Redução de tamanho Peneiração Filtração Misturação Destilação Evaporação Absorção de gás Extração Processos de separação Secagem

24 PROCESSO QUÍMICO PROCESSOS UNITÁRIOS INDUSTRIAIS: ORGÂNICOS INORGÂNICOS

25 PROCESSO QUÍMICO PROCESSOS ORGÂNICOS (reações orgânicas) NITRAÇÃO, SULFONAÇÃO, ALQUILAÇÃO, ESTERIFICAÇÃO, POLIMERIZAÇÃO, FERMENTAÇÃO, AMINAÇÃO, CARBOXILAÇÃO, HIDROGENAÇÃO, OXIDAÇÃO, ETC. PROCESSOS INORGÂNICOS (reações inorgânicas) ClORAÇÃO, ACIDIFICAÇÃO, METAIS, ETC.

26 PROCESSO QUÍMICO Tratamento de água Carboquímicos Petroquímica Gases combustíveis Gases industriais Cerâmica Cimento Vidro Ácidos Álcalis Sais Tintas Explosivos Corantes Detergentes e sabões Perfumes, aromatizantes Alimentos Agroquímicos Óleos, gorduras Açúcar e amido Fermentação Papel e celulose Indústria de fósforo Indústria de potássio Indústria de nitrogênio Plásticos Fibras sintéticas Borracha

27 PROCESSO QUÍMICO Processo Contínuo: Fluxo constante de matérias-primas e de produtos em todos os equipamentos. Processo Descontínuo (por batelada): Um equipamento é carregado com as matérias-primas, a operação ou a conversão ocorrem após um tempo determinado, quando então o produto é descarregado.

28 RENDIMENTO, CONVERSÃO E GRAU DE PUREZA e REAGENTE LIMITANTE Conversão Qtdade reagiu Qtdade inicial R massa real massa teorica P = R Re ndim ento = P % PUREZA = massa massa Subs tancia amostra Reagente limitante = àquele composto que será consumido por Completo ou até atingir o rendimento de reação; Reagentes em excesso = serão àqueles que terão sobras na reação;

29 REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS Industrialmente, os reatores químicos podem ser de vários formatos, dimensões e materiais, dependendo das condições em que a conversão química se realiza e os reagentes em excesso podem ou não retornar ao processo, formando o reciclo; pode haver catalisador ou não; o catalisador pode estar em leito fixo ou em leito fluido.

30 REATORES

31 REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS Por questão de rendimento, geralmente é desejável que, nas reações químicas realizadas em condições industriais, um ou mais reagentes estejam em excesso relativamente às quantidades teóricas previstas pelas equações químicas e os produtos encerrarão alguns dos reagentes não consumidos, ao lado dos compostos formados na reação.

32 CUSTOS DE PRODUÇÃO $ Receita de vendas (faturamento) Custo total de produção Ponto de equilíbrio Custos variáveis Custos fixos X Quantidade produzida

33 REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS EXEMPLO: Uma fábrica de fertilizantes produz superfosfato, tratando fosforita, rocha fosfática contendo fosfato de cálcio, com 87 % de pureza, pelo ácido sulfúrico concentrado. Num ensaio realizado, foram misturados 500 kg de fosforita com 255,1 kg de solução de ácido sulfúrico, a 98 %, obtendo-se 280 kg de superfosfato., conforme a equação: Ca 3 (PO 4 ) H 2 SO 4 2 CaSO 4 + CaH 4 (PO 4 ) 2 Pedem-se: a) o reagente-limite; b)ocálculodoexcessodooutroreagente; c) o rendimento(superfosfato em relação ao fosfato de cálcio); d) o grau de conversão dos reagentes;