PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I

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1 PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I UD 01 INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS RELACIONAMENTO COM A ENGENHARIA QUÍMICA Prof. Lucrécio Fábio Atenção: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didáticos.

2 PROCESSO QUÍMICO O que é um processo químico? Quando se pensa no assunto o que vem à mente? Indústria química 2

3 PROCESSO QUÍMICO Definição de processo químico Define-se processo químico como qualquer operação ou conjunto de operações coordenadas que provocam transformações químicas e/ou físicas num material ou numa mistura de materiais. Objetivo dos processos químicos O objetivo dos processos químicos é a obtenção de produtos de interesse a partir de matérias-primas selecionadas ou disponíveis para tal. 3

4 Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes fontes de carbono: mandioca Vista parcial de uma planta para obtenção de etanol, a partir da cana cana 4

5 Exemplos de processos químicos Shreve e Brink jr. (1980) detalham vários processos químicos, entre eles tem-se: Tratamento de água; Produtos carboquímicos; Indústria de cerâmica; Indústria do açúcar e do amido 5

6 Exemplo de processo químico C 12 H 22 O 11 Fluxograma da produção de açúcar (C 12 H 22 O 11 ) Fonte: Shreve; Brink jr. (1980) C 12 H 22 O 11 6

7 Exemplo de processo químico C 12 H 22 O 11 C 2 H 5 OH Fluxograma da produção de álcool (C 2 H 5 OH) Fonte: Shreve; Brink jr. (1980) invertase C 12 H 22 O 11 + H 2 O 2C 6 H 12 O 6 levedura C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 7

8 Análise de processos químicos De acordo com os processos apresentados, as matérias-primas são transformadas em produtos através de uma sequência de etapas. Essas etapas são denominadas operações unitárias da indústria química e são realizadas em equipamentos específicos, tais como moendas, evaporadores, centrífugas, secadores e colunas de destilação. 8

9 centrífuga colunas de destilação evaporador moenda 9

10 Qual é o objetivo da análise de processos químicos A análise dos processos químicos tem como objetivo a obtenção das quantidades e propriedades das correntes de produtos a partir de quantidades apropriadas das correntes de alimentação, e vice-versa, nas etapas do processo. Assim, deve-se conhecer as principais variáveis envolvidas nos processos, tendo como base a lei de conservação de massa e energia. 10

11 11

12 Recursos Matériasprimas Sólidas Líquidas Gasosas outras Preparação Pessoal / Instalações UTILIDADES OUTROS RECURSOS Vapor, Energia elétrica, Água tratada, Gases, Ar comprimido Manutenção, Instrumentação, dentre outros 12

13 Resíduos Sub-produtos Resíduos poluentes Resíduos sólidos recicláveis Resíduos sólidos tratáveis Resíduos sólidos incineráveis Resíduos sólidos para aterros Efluentes (líquidos, sólidos e gasosos) 13

14 Em resumo Input Process Output Feedback Logo, o processo consiste na transformação de entradas em saídas.

15 O processo químico compreende várias etapas Preparação das matérias-primas Reações químicas Embalagem 15

16 OPERAÇÃO: é a ação direta do homem e equipamentos sobre a matéria-prima e seus produtos (funções que devem ser executadas). PROCESSO: é um conjunto de operações físicas e transformações químicas que visam obter produtos finais a partir de matérias-primas. Milho Panela Sal Óleo Processo Pipoca 16

17 Operações unitárias Segundo Cremasco (2012), Operações Unitárias constituem-se etapas individuais, visando ao tratamento e/ou separação e/ou transporte físico de matéria e/ou energia, presentes em um processo (bio) químico. O que vale ressaltar é que em uma operação unitária existe uma alteração física ou uma separação sem ocorrer reação química. 17

18 Operações unitárias 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 18

19 Mas, o que é um PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL? É a aplicação dos princípios da química, da física e da físico-química (quando necessário, apoiadas por outras ciências) para a transformação da(s) matéria(s)- prima(s) em produtos. 19

20 Processos industriais Orgânicos Inorgânicos 20

21 Processos orgânicos Nitração Sulfonação Alquilação Esterificação Polimerização Fermentação Aminação Carboxilação Hidrogenação Oxidação, dentre outros 21

22 Processos inorgânicos Tratamento de água Carboquímicos Petroquímica Gases combustíveis Gases industriais Cerâmica Cimento Vidro Ácidos Álcalis Tintas Explosivos 22

23 RENDIMENTO E CONVERSÃO Dados químicos fundamentais Rendimento = 100 x Mols do produto principal Mols do produto principal correspondentes à desaparição completa do reagente mais importante Conversão = 100 x Mols do produto principal Mols do produto principal correspondentes à carga do reagente mais importante no equilíbrio químico da reação 23

24 RENDIMENTO E CONVERSÃO Exemplo Síntese da amônia, a 150 atm e 500 o C: Rendimento é maior que 98% Conversão 14% N 2 + 3H 2 2NH 3 Recirculação economia do processo equipamentos necessários 24

25 CUSTOS DE PRODUÇÃO $ Receita de vendas (faturamento) Custo total de produção Ponto de equilíbrio Custos variáveis Custos fixos X Quantidade produzida 25

26 CUSTOS DE PRODUÇÃO Levando em conta um único produto, podemos escrever a seguinte expressão a ser minimizada: C T = C F.D + C A.Q + C P.n Onde: C T = custo total anual C F = custo fixo unitário (custos associados a cada unidade e que não dependem de nova decisão. Ex. preço pago ao fornecedor) C A = custo médio unitário de armazenagem durante o ano C P = custo de preparação de máquina D = demanda Q = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vez n = número de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q 26

27 CUSTOS DE PRODUÇÃO Substituindo n na expressão de C T : C T C F. D C A. Q CP. D Q O objetivo é determinar qual valor de Q torna mínimo C T. A esse valor chamaremos de Lote Econômico de Fabricação (Q E ), que é dado pela expressão: QE CP. D CA Expressão obtida a partir da derivação de CT em relação a Q e igualando a zero. 27

28 CUSTOS DE PRODUÇÃO Conhecidos os valores de C P e C A podemos, pela fórmula acima, calcular o valor do lote econômico Q E É comum expressar C A em função de C F (custo fixo), i (taxa de juros) e de a (taxa de armazenamento), cuja expressão mais usada é: C A C F. ( i 2 a ) 28

29 É fácil perceber que a expressão de Q E Q P ( ) pode ser transformada em: E C. C A D C A.Q E CP. D QE O que mostra que o primeiro membro (C A.Q E ) é o custo de armazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens de produção e, portanto, quando a quantidade obtida for igual ao lote econômico, os custos de armazenagem tornam-se iguais aos custos de obtenção. 29

30 CUSTOS DE PRODUÇÃO Graficamente: R$ C T (custo total) C A.Q (custo de armazenagem) C F.D (custo fixo) C P.D/Q (custo de preparação) Q E Q 30

31 Aplicação A Indústria de alimentos MF Ltda está planejando as rodadas de produção para sua linha de iogurtes. Em média, estima-se que o custo de preparação de máquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendo pouca diferenciação de um sabor e outro. O custo unitário médio de fabricação foi calculado em R$ 300,00, sobre o qual, para efeito de armazenagem, incidirá uma taxa total de 60% entre juros e armazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda para linha de iogurte light situar-se-á em torno de caixas. Determinar: a) Quantas caixas devem ser produzidas de cada vez; b) Qual o custo total Obs.: Cada caixa contém 1000 iogurtes. Não levar em conta o custo unitário do iogurte 31

32 Solução a) Número de caixas a serem produzidas de cada vez Q E CP. D CA Cálculo de C A C A C F ( i 2. a ) CA 300 x 2 0,6 90 Logo, o lote econômico será: QE 200 x ,409 32

33 c) Custo total e custo total em estoque Parcela correspondente ao custo de armazenagem Parcela correspondente ao custo de emitir ordens de produção C T = C F.D + C A.Q + C P.n C T = 300 x x 105, x ,409 C T = R$ ,00 + R$ 9.487,00 + R$ 9.487,00 C T = R$ ,00 33

34 CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS Os processos químicos são classificados de acordo com o procedimento de entrada e saída de matéria do volume de controle em: Processos em batelada; Processos contínuos; Processos semicontínuos. 34

35 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. Exemplos: Polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos, de especialidades químicas Autoclave de processamento de línter O processo descontínuo é utilizado quando o volume de produção é pequeno, quando o custo de produção é mais favorável que o do processo contínuo ou quando condições de segurança são fundamentais. 35

36 Processos contínuos Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de processo. Exemplo: Visor da centrífuga Centrífuga Centrífuga de processamento de celulose 36

37 Processos contínuos O processo contínuo exige uma instrumentação de processo mais complexa, que não somente registre, mas também controle as variáveis do processo (temperatura, vazão, pressão...). É necessário controlar os desvios e corrigi-los rapidamente. Controle informatizado do processo. Custos são altos para pequenas produções mas se diluem para grandes produções. 37

38 Processos semicontínuos É qualquer processo que não se enquadre nas duas definições anteriores. Exemplos:

39 TIPOS DE FLUXOGRAMAS Os três principais tipos de diagramas usados para descrever os fluxos de correntes químicas através de um processo são: Fluxogramas de blocos (block flow diagrams BFD) Fluxograma do processo (process flow diagram PFD) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (piping and instrumentation diagram P&ID): 39

40 Fluxogramas de blocos Permite a rápida visualização do processo. entrada coagulação floculação decantação ou sedimentação filtração desinfecção Tratamento de água distribuição Cada bloco ou retângulo representa uma operação unitária ou processo unitário.

41 Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos: Correntes de entrada e saída 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.

42 Fluxograma do processo Contém as informações necessárias para os balanços material e energético do processo. O fluxograma de processo apresenta as relações entre os principais componentes no sistema, bem como tabula os valores projetados para o processo para os componentes nos diferentes modos de operação: mínimo, normal e máximo.

43 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.

44 Exemplo

45 Fluxogramas de tubulação e instrumentação Deve conter toda informação do processo necessária para a construção da planta. Mostram toda a tubulação incluindo a sequência física de ramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação e controles intertravados; São usados para operar o processo de produção; Devem apresentar todos os detalhes pertinentes ao processo.

46 Exemplo Fonte:

47 REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS Industrialmente, os reatores químicos podem ser de vários materiais, formatos e dimensões, dependendo das condições em que a conversão química se realiza. 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. 47

48 Para melhorar o rendimento nas reações químicas realizadas em condições industriais, geralmente, é desejável que um ou mais reagentes estejam em excesso (em relação às quantidades teóricas previstas pelas equações químicas). Exemplo: Processos de nitração 48

49 As quantidades máximas dos produtos formados serão determinadas pela quantidade do REAGENTE- LIMITANTE, que é aquele que não se encontra em excesso; o qual servirá de base para o cálculo do excesso dos demais. 49

50 EQUAÇÃO QUÍMICA E ESTEQUIOMETRIA A equação química fornece informações quali- e quantitativas essenciais para o cálculo das massas dos materiais envolvidos em um processo químico, como por exemplo: C 7 H 16 (v) + 11 O 2 (g) 7 CO 2 (g) + 8 H 2 O (v) 1 mol 11 mols 7 mols 8 mols A equação química nos fornece, em termos de mols, as razões entre reagentes e produtos (chamadas razões estequiométricas). A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos e compostos que se combinam. 50

51 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. SHREVE, R.N. & BRINK, J.A. Indústrias de Processos Químicos 2. LIMA, I.R. Elementos Básicos de Engenharia Química 3. SHERWOOD, T.K. Projeto de Processos da Indústria Química 4. BÜCHNER, W. Industrial Inorganic Chemistry 5. CONSIDINE, D.M. Chemical and Process Technology Encyclopedia 6. KUZNETSOV, D. Chemical Engineering