Processos Químicos Industriais - Anchieta.ppt

Engenharia de Produção

Tecnologia de Tecnologia de Processos QuímicosProcessos Químicos

Prof. Ms. Fernanda Palladino


• 2o. semestre - 2009• Curso: Engenharia de Produção• Disciplina: Tecnologia de Processos Químicos• Carga horária: 72 horas-aula • Objetivos: • Proporcionar aos estudantes conhecimentos-

chave relacionados aos processos da indústria de transformação química

Plano de Ensino


• Ementa• Conceitos do processamento químico industrial.• Operações unitárias nas indústrias químicas.• Classificação dos processos de produção química. • Classificação das indústrias químicas e seus segmentos. • Tipos de fluxogramas. • Necessidade de energia nas indústrias químicas. • Processos químicos industriais. Indústrias químicas e o

meio ambiente.

Plano de Ensino


• 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


• 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

Plano de Ensino


• 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

Plano de Ensino


• 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

Plano de Ensino


• As aulas serão teóricas.• As aulas teóricas serão expositivas com

exercícios descritivos em classe.• Trabalhos sobre temas específicos preparados

pelos alunos.

Método de Ensino


• Serão realizadas duas avaliações no semestre, A1 e A2. As notas destas avaliações serão compostas da seguinte forma:

• Prova escrita: Peso 8 (oito)• Exercícios em sala de aula, atividades extra classe e Seminários: Peso 2 (dois)• Nota da A1 ou A2 = Prova Escrita x 0,8 + Nota de Exercícios x 0,2• A nota semestral será resultado da média das duas avaliações, ou seja, (A1 +

A2)/2.• Será realizada uma prova substitutiva (P3) para o aluno que não pôde fazer a

prova P1 ou P2.• Para a prova P3 será considerado toda a matéria do semestre. No caso do

aluno perder as duas primeiras provas, ou seja, P1 e P2, a prova P3 substituirá apenas uma delas.

• Caso a média seja menor que 5,0 (cinco), o aluno deverá fazer a prova de recuperação. Na prova de recuperação o aluno será avaliado como suficiente ou insuficiente. Caso seja suficiente receberá a média final igual a 5,0 (cinco).

Método de Avaliação


• 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


• 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

Conceitos de Processos Químicos IndustriaisConceitos de Processos Químicos Industriais


Processo Processo químicoquímico

MATÉRIAS-MATÉRIAS-PRIMASPRIMAS

MÃO-DE-MÃO-DE-OBRAOBRA

RECURSOSRECURSOS

PRODUTOPRODUTO

RESÍDUOSRESÍDUOS



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:



Indústria Química

Operações Unitárias Operações Unitárias ou Operações Físicas, podem ser:

Bombeamento de fluidos DestilaçãoTroca de calor Evaporação

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



Indústria Química

– Processos Unitários Processos Unitários ou Conversão Química • exemplo – obtenção de ácido sulfúrico (H2SO4)a partir do enxofre:

» S + OS + O2 2 SOSO22

» SOSO2 2 + 1/2O+ 1/2O2 2 SOSO33

» Solução aquosa de SOSolução aquosa de SO3 3 HH22SOSO44



Industria 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.



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



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.



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.



Produção em MassaProdução 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.



2. Tipo do Processo• 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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2. Tipo do Processo• 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.



• 2. Tipo do Processo

• Processo Semi- Contínuo: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.



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.



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...



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.



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.



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.



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.



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.



10. Construção da fábrica:

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



11. Melhoria contínua e otimização de processos:

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



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.



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):



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.



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.



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 blocosConceitos de Processos Químicos IndustriaisConceitos de Processos Químicos Industriais


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.



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.




• 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



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).




• 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.




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




O que é indústria química?

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



Produtos químicosProdutos químicosde uso industrialde uso industrial

Produtos inorgânicos

Produtos orgânicos

Resinas e elastômeros

Produtos e preparados químicos diversos


Produtos Produtos químicosquímicosde uso de uso

industrialindustrial

Tratamento de águaCarboquímicos PetroquímicaGases combustíveisGases industriaisCerâmicaCimentoVidroÁcidosÁlcalisSaisTintasExplosivosCorantesPlásticosFibras sintéticasBorracha

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

Inorgânicos:Inorgânicos:


Produtos químicosProdutos químicosde uso industrialde uso industrial

OrgânicosOrgânicos

NITRAÇÃOSULFONAÇÃOALQUILAÇÃOESTERIFICAÇÃOPOLIMERIZAÇÃOFERMENTAÇÃOAMINAÇÃOCARBOXILAÇÃOHIDROGENAÇÃOOXIDAÇÃO, ETC


Produtos Produtos químicosquímicos

de uso finalde uso final

Produtos farmacêuticos

Higiene pessoal, perfumaria e cosméticos

Adubos e fertilizantes

Defensivos agrícolas

Sabões, detergentes e produtos de limpeza

Tintas, esmaltes e vernizesOutros


OutrosUS$ 2,8

Produtos químicos de

uso industrialUS$ 61,2

Produtos farmacêu-

ticos

Higiene pessoal,

perfumaria e

cosméticosUS$ 10,4

Adubos e fertilizantes

US$ 14,2

Defensivos agrícolasUS$ 7,0

Sabões e detergentes

US$ 6,3

US$ 3,0

vernizes

Tintas, esmaltes e

Total:Total:US$ 122 bilhõesUS$ 122 bilhões

Faturamento líquidoFaturamento líquidoIndústria química - 2008


A indústria química brasileiraA indústria química brasileira

está entre as 10 maiores do mundo


Ranking da indústria química mundialRanking 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


Onde estão os produtos químicos?

Alguns exemplos:Alguns exemplos:

Engenharia de ProduçãoTratamento 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

Engenharia de ProduçãoAgricultura

Fertilizantes químicos Fertilizantes químicos

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

ventos, queimadas e constantes colheitas.

Engenharia de ProduçãoAgricultura

Defensivos Defensivos químicos químicos

Garantem a qualidade dos alimentos, a produtividade e

evitam a disseminação de doenças.


Saúde animalSaúde animal

Medicamentos veterinários

e alimentação animal

Preservam a saúde, evitam epidemias

e aumentam a produtividade.

Engenharia de ProduçãoConstrução civil

acetato de polivinila

dióxido de titânio

estão presentes na formulação das tintas –

Resinas Acrílicas


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

Engenharia de ProduçãoAutomóveis

poliuretanopolipropileno (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

Engenharia de ProduçãoInformática

resina 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

Engenharia de ProduçãoInovação

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.

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