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.

PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I

UD 01

INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS – RELACIONAMENTO COM A ENGENHARIA QUÍMICA

2

O que é um processo químico?

Quando se pensa no assunto o que vem à mente?

Indústria químicahttp://www2.nord.com

http://www2.nord.com

PROCESSO QUÍMICO

Definição de processo químico

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Define-se processo químico como qualquer operação ouconjunto de operações coordenadas que provocamtransformações químicas e/ou físicas num material ou numamistura de materiais.

Objetivo dos processos químicos

O objetivo dos processos químicos é a obtenção de produtos deinteresse a partir de matérias-primas selecionadas ou disponíveispara tal.

PROCESSO QUÍMICO

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Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes fontesde carbono:

mandiocahttp://domescobar.blogspot.com.br

Vista parcial de uma planta para obtenção de etanol, a partir da cana

http://www.empat.com.br

canahttp://cucanaga.blogspot.com.br

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Exemplos de processos químicos

Shreve e Brink jr. (1980) detalham váriosprocessos químicos, entre eles tem-se:

Tratamento de água;Produtos carboquímicos;Indústria de cerâmica;Indústria do açúcar e do amido

6Fluxograma da produção de açúcar (C12H22O11)Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)

C12H22O11

C12H22O11

Exemplo de processo químico

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Fluxograma da produção de álcool (C2H5OH)Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)

C12H22O11

C2H5OH

C12H22O11 + H2O 2C6H12O6

invertase

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2

levedura

Exemplo de processo químico

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Análise de processos químicos

De acordo com os processos apresentados, as matérias-primas sãotransformadas em produtos através de uma sequência de etapas.

Essas etapas são denominadas operações unitárias da indústriaquímica e são realizadas em equipamentos específicos, tais comomoendas, evaporadores, centrífugas, secadores e colunas dedestilação.

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colunas de destilaçãohttp://www.pulsarimagens.com.br

centrífuga

http://www.brumazi.com.br

evaporadorhttp://www.termopros.com.br

moendahttp://www.revistaalcoolbras.com.br

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A análise dos processos químicos tem como objetivo a obtençãodas quantidades e propriedades das correntes de produtos apartir de quantidades apropriadas das correntes de alimentação,e vice-versa, nas etapas do processo.

Qual é o objetivo da análise de processos químicos

Assim, deve-se conhecer as principais variáveis envolvidas nosprocessos, tendo como base a lei de conservação de massa eenergia.

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Recursos

• Sólidas

• Líquidas

• Gasosas

• outras

Matérias-primas

• UTILIDADES

• OUTROS RECURSOS

Pessoal / Instalações

Preparação

Vapor, Energia elétrica, Água tratada, Gases, Ar comprimido

Manutenção, Instrumentação, dentre outros

• Sub-produtos

• Resíduos poluentes• Resíduos sólidos recicláveis

• Resíduos sólidos tratáveis

• Resíduos sólidos incineráveis

• Resíduos sólidos para aterros

• Efluentes (líquidos, sólidos e gasosos)

Resíduos

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Logo, o processo consiste na transformação de entradas em saídas.

Em resumo

ProcessInput Output

Feedback

O processo químico compreende várias etapas

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Preparação das matérias-primas

Reações químicas

Embalagem

• OPERAÇÃO: é a ação direta dohomem e equipamentos sobre amatéria-prima e seus produtos(funções que devem ser executadas).

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• PROCESSO: é um conjunto deoperações físicas e transformaçõesquímicas que visam obter produtosfinais a partir de matérias-primas.

Milho

Panela

Sal

Óleo

Processo Pipoca

Operações unitárias

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Segundo Cremasco (2012), Operações Unitárias constituem-se etapasindividuais, visando ao tratamento e/ou separação e/ou transportefísico de matéria e/ou energia, presentes em um processo (bio)químico.

O que vale ressaltar é que em uma operação unitária existe umaalteração física ou uma separação sem ocorrer reação química.

Operações unitárias

Misturação Destilação Evaporação Absorção de gás Extração Processos de separação Secagem

Bombeamento de fluidos Troca de calor Transporte de sólidos Redução de tamanho Peneiração Filtração

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É a aplicação dos princípios da química, da física e dafísico-química (quando necessário, apoiadas por outrasciências) para a transformação da(s) matéria(s)-prima(s) em produtos.

Mas, o que é um PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL?

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Orgânicos

Inorgânicos

Processos industriais

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Processos orgânicos

Fermentação Aminação Carboxilação Hidrogenação Oxidação, dentre outros

Nitração Sulfonação Alquilação Esterificação Polimerização

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Processos inorgânicos

Cimento Vidro Ácidos Álcalis Tintas Explosivos

Tratamento de água Carboquímicos Petroquímica Gases combustíveis Gases industriais Cerâmica

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RENDIMENTO E CONVERSÃO

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100 x Mols do produto principal

Mols do produto principal correspondentes à desaparição completa do reagente mais

importante

Rendimento =

Dados químicos fundamentais

100 x Mols do produto principal

Mols do produto principal correspondentes à carga do reagente mais importante no

equilíbrio químico da reação

Conversão =

Exemplo

Síntese da amônia, a 150 atm e 500oC:

Rendimento é maior que 98%

Conversão 14%

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

Recirculação – economia do processo – equipamentos necessários

RENDIMENTO E CONVERSÃO

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Custosfixos

Custosvariáveis

$

Quantidade produzida

Custo totalde produção

Receita de vendas(faturamento)

Ponto deequilíbrio

X25

CUSTOS DE PRODUÇÃO

Levando em conta um único produto, podemos escrever aseguinte expressão a ser minimizada:

Onde:CT = custo total anualCF = custo fixo unitário (custos associados a cada unidade e que não

dependem de nova decisão. Ex. preço pago ao fornecedor)CA = custo médio unitário de armazenagem durante o anoCP = custo de preparação de máquinaD = demandaQ = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vezn = número de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q

CT = CF.D + CA.Q + CP.n

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CUSTOS DE PRODUÇÃO

Substituindo “ n ” na expressão de CT:

O objetivo é determinar qual valor de Q torna mínimo CT. A esse valorchamaremos de Lote Econômico de Fabricação (QE), que é dado pelaexpressão:

Expressão obtida a partir da derivaçãode CT em relação a Q e igualando a zero.

Q

DCQCDCC

.P.A.FT

A

PE

C

D.CQ

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CUSTOS DE PRODUÇÃO

Conhecidos os valores de CP e CA podemos, pela fórmula acima,calcular o valor do lote econômico QE

É comum expressar CA em função de CF (custo fixo), “ i “ (taxa dejuros) e de “ a “ (taxa de armazenamento), cuja expressão maisusada é:

2

)ai(CC

.FA

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CUSTOS DE PRODUÇÃO

O que mostra que o primeiro membro (CA.QE) é o custo dearmazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens deprodução e, portanto, quando a quantidade obtida for igual ao loteeconômico, os custos de armazenagem tornam-se iguais aos custosde obtenção.

É fácil perceber que a expressão de QE

( ) pode ser transformada em:

A

PE

C

DCQ

.

E

.PEA

Q

DCQ.C

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QQE

CF.D(custo fixo)

CA.Q(custo de armazenagem)

R$

CP.D/Q(custo de preparação)

CT (custo total)

Graficamente:

CUSTOS DE PRODUÇÃO

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A Indústria de alimentos MF Ltda está planejando as rodadas deprodução para sua linha de iogurtes. Em média, estima-se que o custode preparação de máquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendopouca diferenciação de um sabor e outro. O custo unitário médio defabricação foi calculado em R$ 300,00, sobre o qual, para efeito dearmazenagem, incidirá uma taxa total de 60% entre juros earmazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda para linha deiogurte light situar-se-á em torno de 5.000 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

Aplicação

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Solução

A

PE

C

DCQ

.

2

)(. aiCC

FA

902

6,0300

xCA

a) Número de caixas a serem produzidas de cada vez

409,10590

5000 200

xQE

Logo, o lote econômico será:

Cálculo de CA

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c) Custo total e custo total em estoque

Parcela correspondente ao custo de armazenagem

Parcela correspondente ao custo de emitir ordens de

produção

CT= R$ 1.518.974,00

CT= R$ 1.500.000,00 + R$ 9.487,00 + R$ 9.487,00

CT= 300 x 5000 + 90 x 105,409 + 200 x 5000

105,409

CT= CF .D + CA.Q + CP.n

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Os processos químicos são classificados de acordo com oprocedimento de entrada e saída de matéria do volume decontrole em:

Processos em batelada;

Processos contínuos;

Processos semicontínuos.

CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS

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Um equipamento é carregado com as matérias-primas, aoperação ou a conversão ocorrem após um tempodeterminado, quando então o produto é descarregado.

Processo Descontínuo (por batelada)

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O processo descontínuo é utilizado quando o volume de produção épequeno, quando o custo de produção é mais favorável que o do processocontínuo ou quando condições de segurança são fundamentais.

Exemplos:Polimerização, fabricação de produtosfarmacêuticos, de especialidadesquímicas

Autoclave de processamento de línter

Processos contínuos

Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e saídasfluem continuamente ao longo do tempo total de processo.

Centrífuga de processamento de celulose

Visor da centrífuga

Centrífuga

Exemplo:

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O processo contínuo exige uma instrumentação de processo maiscomplexa, que não somente registre, mas também controle asvariáveis 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 paragrandes produções.

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Processos contínuos

Processos semicontínuos

É qualquer processo que não se enquadre nas duas definiçõesanteriores.

Exemplos:

http://campingtotal.blogspot.com.br

http://duquedecaxias.olx.com.br

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Os três principais tipos de diagramas usados paradescrever os fluxos de correntes químicas através deum processo são:

– Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD)

– Fluxograma do processo (process flow diagram – PFD)

– Fluxogramas de tubulação e instrumentação (piping andinstrumentation diagram – P&ID):

TIPOS DE FLUXOGRAMAS

Fluxogramas de blocos

Permite a rápida visualização do processo.

Cada bloco ou retângulo representa uma operação unitária ouprocesso unitário.

entrada coagulação floculação

decantação ou sedimentação filtração desinfecção

distribuiçãoTratamento de água

Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:

– Correntes de entrada e saída são representadas por linhas retas quepodem 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 ofluxo material ocorra da esquerda para a direita, com unidades amontante, à esquerda, e unidades a jusante, à direita.

Fluxograma do processo

Contém as informações necessárias para os balanços materiale energético do processo.

O fluxograma de processo apresenta as relações entre osprincipais componentes no sistema, bem como tabula osvalores projetados para o processo para os componentes nos

diferentes modos de operação: mínimo, normal e máximo.

Um fluxograma de processo inclui:

– tubulação do sistema;

– símbolos dos principais equipamentos, nomes e números deidentificação;

– 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 epressão para fluxos mínimo, normal e máximo;

– composição dos fluidos.

Exemplo

Fluxogramas de tubulação e instrumentação

Deve conter toda informação do processo necessária para aconstrução da planta.

• Mostram toda a tubulação incluindo a sequência física deramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação econtroles intertravados;

• São usados para operar o processo de produção;

• Devem apresentar todos os detalhes pertinentes ao processo.

Exemplo

Fonte: www.google.com.br

Industrialmente, os reatores químicos podem ser de váriosmateriais, formatos e dimensões, dependendo das condições emque a conversão química se realiza.

Os reagentes em excesso podem ou não retornar ao processo,formando o reciclo; pode haver catalisador ou não; o catalisadorpode estar em leito fixo ou em leito fluido.

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REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS

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).

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Exemplo: Processos de nitração

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.

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A equação química fornece informações quali- e quantitativas

essenciais para o cálculo das massas dos materiais envolvidos em

um processo químico, como por exemplo:

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.

C7H16 (v) + 11 O2 (g) → 7 CO2 (g) + 8 H2O (v)

1 mol 11 mols 7 mols 8 mols

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EQUAÇÃO QUÍMICA E ESTEQUIOMETRIA

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

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS