Processos Químicos Industriais

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Tecnologia de Processos Químicos Instrutora: Katiuscia Hasegawa Técnico em Química

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Tecnologia de Processos Químicos

Instrutora: Katiuscia Hasegawa

Técnico em Química

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Conteúdo Programático: • 1. CONCEITOS DO PROCESSAMENTO QUÍMICO INDUSTRIAL

• 2. OPERAÇÕES UNITÁRIAS NAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS

• 3. CLASSIFICAÇÃO DE PROCESSOS DE PRODUÇÃO QUÍMICA• 3.1 Batelada• 3.2 Contínuos• 3.3 Semi-contínuos

• 4. TIPOS DE FLUXOGRAMAS

Plano de Ensino

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• 5. CLASSIFICAÇÃO DAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS E SEUS SEGMENTOS• 5.1  Fabricação de produtos químicos inorgânicos• 5.2  Fabricação de produtos químicos orgânicos• 5.3  Fabricação de resinas e elastômeros• 5.4  Fabricação de fibras artificiais• 5.5  Fabricação de defensivos agrícolas e desinfetantes 

domissanitários • 5.6 Fabricação de sabões, detergentes, produtos de limpeza, 

cosméticos,  produtos de perfumaria de higiene pessoal. • 5.7  Fabricação de tintas, vernizes, esmaltes, lacas e produtos afins • 5.8  Fabricação de produtos e preparados químicos diversos • 5.9  Fabricação de produtos farmoquímicos e farmacêuticos  

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6. NECESSIDADES DE ENERGIA NAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS

7. INDÚSTRIAS QUÍMICAS E O MEIO AMBIENTE• 8.1 Impactos ambientais• 8.2 Impactos econômicos• 8.3 Impactos sociais

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8. PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS

• 7.1 Tratamento de água para uso doméstico e industrial• 7.2 Produtos carboquímicos• 7.3 Indústrias de cerâmicas• 7.4 Indústrias de álcool e derivados• 7.5 Indústrias agroquímicas• 7.6 Sabões e detergentes• 7.7 Indústria petroquímica e• 7.8 Refinação do Petróleo• 7.9 Indústrias farmacêuticas• 7.10 Processos químicos na metalurgia

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• Bibliografia Básica• SHREVE, R. Norris, JUNIOR, Joseph A. Brink.  Indústrias de Processos

Químicos.  Editora: Guanabara,  Rio de Janeiro, 1994. 4ª. Ed. • ABIQUIM  -  http://www.abiquim.org.br/conteudo.asp?

princ=ain&pag=conc• • Bibliografia Complementar: • FELDER, Richard M., ROUSSEAU, Ronald W., Princípios Elementares

de Processos Químicos, Editora: LTC, 2005, 3ª. Ed. 

Referências Bibliográficas

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• O  processamento  químico  pode  ser  definido  como  o processamento  industrial  de  matérias-primas  químicas, que  leva  à  obtenção  de  produtos  com  valor  industrial realçado.  Em  todas  as  operações  químicas,  estão intimamente  envolvidas  operações  físicas,  como transferência  de  calor  e  controle  de  temperatura,  que são necessárias para garantir bons rendimentos que são indispensáveis  nas  indústrias  competitivas.  Outro exemplo seria a transferência de massa em forma líquida ou  de  sólidos  em  suspensão,  de  um  lugar  para  o  outro para um reator químico

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• Processo químico

• MATÉRIAS-PRIMA

S

• MÃO-DE-OBR

A

• RECURSOS

• PRODUTO

• RESÍDUOS

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Indústria Química:

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. 

Este processamento industrial químico, em geral, envolve:

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- Operações Unitárias ou Operações Físicas, que podem ser:

Bombeamento de fluidos DestilaçãoTroca de calor Evaporação

Transporte de sólidos Absorção de gásExtração Controle de CalorPeneiração Processos de separaçãoFiltração SecagemMisturação

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– Processos Unitários ou Conversão Química: Exemplo – obtenção de ácido sulfúrico (H2SO4) a partir

do enxofre:

» S + O2 SO2

» SO2 + 1/2O2 SO3

» Solução aquosa de SO3 H2SO4

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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.

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1. Dados químicos fundamentais

• Rendimentos da reação:   

• Conversão na reação:

Ex: Na síntese da amônia a 150 atm e 500º. C, o rendimento é frequentemente acima de 98% enquanto a conversão está limitada a cerca de 14%, o que significa que 86% da carga não reagem e devem ser recirculados. 

Rendimento percentual = 100 x

Moles do produto principal

Moles do produto principal equivalentes à desaparição completa do reagente mais importante

Rendimento percentual = 100 x

Moles do produto principal

Moles do produto principal equivalentes à carga do reagente mais importante

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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.

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2. Tipo do Processo

•Processo contínuo -  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.

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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.

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• Processo descontínuo (bateladas): - Os processos são usados quando a produção é 

 pequena ou em reações de segurança;  - Exigem que se operem pequenas quantidades de 

cada  vez,  como  é  o  caso  de  explosivos,  esse  processos  propicia uma  ótima  cinética  e  é  frequentemente  mais  fácil  de  ser controlado;

 - Cada batelada é um sistema fechado e a massa de cada batelada é fixa;

 - O tempo de reação para todos os elementos do fluido é o mesmo; - A composição da batelada muda com o respectivo tempo; - A batelada é uniforme a partir de um determinado tempo devido a 

eficiente agitação;

• . Ex: polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos.

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Continuação:• Processo descontínuo (bateladas):

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.

• . Ex: polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos.

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• Processo Semi- Contínuo:

- São processos onde as partidas ( bateladas) do mesmo produto são feitas uma após a outra.

                                                ou

- Onde uma parte do processamento é feito em batelada e a outra parte é feita de forma contínua.

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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.

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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,  etc...

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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.

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6. Economia do processo químico:

• Prevê a análise e avaliação dos processos competitivos, avaliação  dos  investimentos,    tempo  para  retorno  do investimentos,  despesas  gerais  (seguro,  impostos, consultorias),  capital  (juros  e  depreciação),  fatores  de produção, reparos e manutenção, custos globais.

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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.  

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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.

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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. 

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10. Construção da fábrica:

• Normalmente,  é  confiada  a  empresas  especializadas  em construção de fábricas.

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11. Melhoria contínua e otimização de processos:

• Uso das ferramentas da qualidade, buscando maior eficiência nos processos.

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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.

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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): 

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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.

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Fluxogramas de blocosTanque de liquido TL01

Tanque de liquido TL02

Misturador M08

Reator R102

Separador S56

• 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.

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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.

Fluxogramas de blocos

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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.

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Fluxogramas de processo

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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. 

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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

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Page 40: Processos Químicos Industriais

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).

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Fluxogramas de tubulação e instrumentação

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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. 

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Page 43: Processos Químicos Industriais

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

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Page 44: Processos Químicos Industriais

Conceitos de Processos Químicos Industriais

O que é indústria química?

• Os produtos químicos podem ser agrupados em dois grandes blocos:

Page 45: Processos Químicos Industriais

Conceitos de Processos Químicos Industriais

Produtos químicosde uso industrial

Produtos inorgânicos

Produtos orgânicos

Resinas e elastômeros

Produtos e preparados químicos diversos

Page 46: Processos Químicos Industriais

Produtos químicosde uso

industrial

Tratamento de águaCarboquímicos PetroquímicaGases combustíveisGases industriaisCerâmicaCimentoVidroÁcidosÁlcalisSaisTintasExplosivosCorantesPlásticosFibras sintéticasBorracha

Detergentes e sabõesPerfumes, aromatizantesAlimentosAgroquímicosÓleos, gordurasAçúcar e amidoFermentaçãoPapel e celuloseIndústria de fósforoIndústria de potássioIndústria de nitrogênioPlásticosFibras sintéticasBorracha

Inorgânicos:

Page 47: Processos Químicos Industriais

Produtos químicosde uso industrial

Orgânicos

NITRAÇÃOSULFONAÇÃOALQUILAÇÃOESTERIFICAÇÃOPOLIMERIZAÇÃOFERMENTAÇÃOAMINAÇÃOCARBOXILAÇÃOHIDROGENAÇÃOOXIDAÇÃO, ETC

Page 48: Processos Químicos Industriais

Produtos químicos

de uso final

Produtos farmacêuticos

Higiene pessoal, perfumaria e cosméticos

Adubos e fertilizantes

Defensivos agrícolas

Sabões, detergentes e produtos de limpeza

Tintas, esmaltes e vernizesOutros

Page 49: Processos Químicos Industriais

A indústria química brasileira

está entre as 10 maiores do mundo

Page 50: Processos Químicos Industriais

Ranking da indústria química mundialFaturamento líquido - 2007em US$ bilhões

Estados UnidosChina

Alemanha

Japão

França

Coréia

Reino UnidoItália

Brasil

Índia

664

388

238

234

143

116

116106

104

92

Espanha 65

9ª posição

Page 51: Processos Químicos Industriais

Onde estão os produtos químicos?

Alguns exemplos:

Page 52: Processos Químicos Industriais

Tratamento de água

cloro

dióxido de cloro São utilizados para oxidar

detritos e destruir microorganismos

cloreto de ferro

sulfato de alumínio

Absorvem e precipitam a sujeira, eliminando cor, gosto e odores

carvão ativo Retém micropoluentes e detergentes

hidróxido de sódio

Neutraliza a acidez da água

Page 53: Processos Químicos Industriais

Agricultura

Fertilizantes químicos

Repõem elementos, como nitrogênio, fósforo e potássio, cálcio, entre outros, retirados do solo pela ação de chuvas,

ventos, queimadas e constantes colheitas.

Page 54: Processos Químicos Industriais

Agricultura

Defensivos químicos

Garantem a qualidade dos alimentos, a produtividade e

evitam a disseminação de doenças.

Page 55: Processos Químicos Industriais

Saúde animal

Medicamentos veterinários

e alimentação animal

Preservam a saúde, evitam epidemias

e aumentam a produtividade.

Page 56: Processos Químicos Industriais

Construção civil

acetato de polivinila

dióxido de titânio

estão presentes na formulação das tintas –

Resinas Acrílicas

Page 57: Processos Químicos Industriais

Hidróxido de Cálcio

resinas alquídicasresinas maléicas

resinas epóxiresinas acrílicas

poliuretanonitrocelulose

naftenatosoctoatossolventes

policloreto de vinila (PVC)

plastificantes ftálicostrióxido de antimônio

polietileno de baixa densidade linear (PEBDL)polietileno de baixa densidade (PEBD)polietileno de alta densidade (PEAD)

policloreto de vinila (PVC)

polietileno de alta densidade (PEAD)resinas poliéster

Construção civil

Vernizes

Argamassa de AlvenariaCaixa D’água

Fios e Cabos

Tubos e Conexões

Page 58: Processos Químicos Industriais

Automóveispoliuretanopolipropileno (PP)resina de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS)

painel

pneusborracha de estireno butadienonegro de carbonopoliamida

baterias ácido sulfúricopolietileno de altadensidade (PEAD)

para-choquespolipropileno (PP)

óleos lubrificantesóleos mineraisaditivos

pastilha e lonas para freioresinas fenólicas

Page 59: Processos Químicos Industriais

Informáticaresina de acrilonitrila-

butadieno-estireno (ABS)Gabinetes

titanatoszirconatos

Componentes eletronicos

cloreto de polivinila (PVC)plastificantes ftálicostrióxido de antimônio

Fios e Cabos

vidro (carbono neutro de sódio +carbonato de lítio +

hidróxido de sódio +carbonato de potássio)

carbonato de bário

Cinescópio

Page 60: Processos Químicos Industriais

Inovação

Foi a indústria química que, com as fibras sintéticas, permitiu ao setor têxtil ampliar a produção e baratear os preços das roupas.

A indústria química investe grande parte do seu faturamento em pesquisa e desenvolvimento.

Com os plásticos, foram criadas embalagens que conservam alimentos e remédios por longos períodos, tubos resistentes à corrosão e peças e componentes utilizados pelas mais diferentes indústrias.