PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I · partir de quantidades apropriadas das correntes de...
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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
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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
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Definição de processo químico
3
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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4
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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5
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
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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
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• 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
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O processo químico compreende várias etapas
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Preparação das matérias-primas
Reações químicas
Embalagem
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• 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
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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.
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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 =
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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Exemplo
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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.
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Exemplo
Fonte: www.google.com.br
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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
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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
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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
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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