Apostila de Introdução à Química Industrial 2-K5XFR9

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<p>PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS</p><p>INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS</p><p>– RELACIONAMENTO COM A ENGENHARIA QUÍMICA</p><p>Atenção: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras</p><p>fontes foram reproduzidas estritamente com fins didáticos.</p><p>2</p><p>PROCESSO QUÍMICO</p><p>O que é um processo químico?</p><p>Quando se pensa no assunto o que vem à mente?</p><p>Indústria química</p><p>3</p><p>PROCESSO QUÍMICO</p><p> Definição de processo químico</p><p>Define-se processo químico como qualquer operação ou</p><p>conjunto de operações coordenadas que provocam</p><p>transformações químicas e/ou físicas num material ou numa</p><p>mistura de materiais.</p><p> Objetivo dos processos químicos</p><p>O objetivo dos processos químicos é a obtenção de produtos de</p><p>interesse a partir de matérias-primas selecionadas ou disponíveis</p><p>para tal.</p><p>Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes fontes</p><p>de carbono:</p><p>mandioca</p><p>Vista parcial de uma planta para</p><p>obtenção de etanol, a partir da cana</p><p>cana 4</p><p> Exemplos de processos químicos</p><p>Shreve e Brink jr. (1980) detalham vários</p><p>processos químicos, entre eles tem-se:</p><p> Tratamento de água;</p><p> Produtos carboquímicos;</p><p> Indústria de cerâmica;</p><p> Indústria do açúcar e do amido</p><p>5</p><p>Exemplo de processo químico</p><p>Fluxograma da produção de açúcar (C12H22O11)</p><p>C12H22O11</p><p>C12H22O11</p><p>Exemplo de processo químico</p><p>Fluxograma da produção de álcool (C2H5OH)</p><p>Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)</p><p>invertase</p><p>C12H22O11 + H2O  2C6H12O6</p><p>levedura</p><p>C6H12O6  2C2H5OH + 2CO2 7</p><p>C2H5OH</p><p>C12H22O11</p><p> Análise de processos químicos</p><p>De acordo com os processos apresentados, as matérias-primas são</p><p>transformadas em produtos através de uma sequência de etapas.</p><p>Essas etapas são denominadas operações unitárias da indústria</p><p>química e são realizadas em equipamentos específicos, tais como</p><p>moendas, evaporadores, centrífugas, secadores e colunas de</p><p>destilação.</p><p>8</p><p>centrífuga</p><p>colunas de destilação</p><p>evaporador moenda</p><p>Qual é o objetivo da análise de processos químicos</p><p>A análise dos processos químicos tem como objetivo a obtenção</p><p>das quantidades e propriedades das correntes de produtos a</p><p>partir de quantidades apropriadas das correntes de alimentação,</p><p>e vice-versa, nas etapas do processo.</p><p>Assim, deve-se conhecer as principais variáveis envolvidas nos</p><p>processos, tendo como base a lei de conservação de massa e</p><p>energia.</p><p>10</p><p>11</p><p>12</p><p>Manutenção, Instrumentação,</p><p>dentre outros</p><p>Vapor, Energia elétrica, Água tratada,</p><p>Gases, Ar comprimido</p><p>Recursos</p><p>Pessoal /</p><p>Instalações</p><p>• UTILIDADES</p><p>• OUTROS RECURSOS</p><p>Matérias-</p><p>primas</p><p>• Sólidas</p><p>• Líquidas</p><p>• Gasosas</p><p>• outras</p><p>Preparação</p><p>13</p><p>Resíduos</p><p>• Sub-produtos</p><p>• Resíduos poluentes</p><p>• Resíduos sólidos recicláveis</p><p>• Resíduos sólidos tratáveis</p><p>• Resíduos sólidos incineráveis</p><p>• Resíduos sólidos para aterros</p><p>• Efluentes (líquidos, sólidos e gasosos)</p><p>Em resumo</p><p>Logo, o processo consiste na transformação de entradas em saídas.</p><p>Input</p><p>Process</p><p>Output</p><p>Feedback</p><p>15</p><p>O processo químico compreende várias etapas</p><p>Preparação das</p><p>matérias-primas</p><p>Reações químicas</p><p>Embalagem</p><p>16</p><p>• OPERAÇÃO: é a ação direta do</p><p>homem e equipamentos sobre a</p><p>matéria-prima e seus produtos</p><p>(funções que devem ser executadas).</p><p>• PROCESSO: é um conjunto de</p><p>operações físicas e transformações</p><p>químicas que visam obter produtos</p><p>finais a partir de matérias-primas.</p><p>Milho</p><p>Panela</p><p>Sal</p><p>Óleo</p><p>Processo Pipoca</p><p>17</p><p> Operações unitárias</p><p>Segundo Cremasco (2012), Operações Unitárias constituem-se etapas</p><p>individuais, visando ao tratamento e/ou separação e/ou transporte</p><p>físico de matéria e/ou energia, presentes em um processo (bio)</p><p>químico.</p><p>O que vale ressaltar é que em uma operação unitária existe uma</p><p>alteração física ou uma separação sem ocorrer reação química.</p><p>18</p><p>Operações unitárias</p><p> Bombeamento de fluidos</p><p> Troca de calor</p><p> Transporte de sólidos</p><p> Redução de tamanho</p><p> Peneiração</p><p> Filtração</p><p> Misturação</p><p> Destilação</p><p> Evaporação</p><p> Absorção de gás</p><p> Extração</p><p> Processos de separação</p><p> Secagem</p><p>19</p><p>Mas, o que é um PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL?</p><p>É a aplicação dos princípios da química, da física e da</p><p>físico-química (quando necessário, apoiadas por outras</p><p>ciências) para a transformação da(s) matéria(s)-</p><p>prima(s) em produtos.</p><p>20</p><p>Processos industriais</p><p>Orgânicos</p><p>Inorgânicos</p><p>21</p><p>Processos orgânicos</p><p> Nitração</p><p> Sulfonação</p><p> Alquilação</p><p> Esterificação</p><p> Polimerização</p><p> Fermentação</p><p> Aminação</p><p> Carboxilação</p><p> Hidrogenação</p><p> Oxidação, dentre outros</p><p>22</p><p>Processos inorgânicos</p><p> Tratamento de água</p><p> Carboquímicos</p><p> Petroquímica</p><p> Gases combustíveis</p><p> Gases industriais</p><p> Cerâmica</p><p> Cimento</p><p> Vidro</p><p> Ácidos</p><p> Álcalis</p><p> Tintas</p><p> Explosivos</p><p>23</p><p>RENDIMENTO E CONVERSÃO</p><p>Dados químicos fundamentais</p><p>Rendimento =</p><p>Conversão =</p><p>100 x Mols do produto principal</p><p>Mols do produto principal correspondentes à</p><p>desaparição completa do reagente mais</p><p>importante</p><p>100 x Mols do produto principal</p><p>Mols do produto principal correspondentes à</p><p>carga do reagente mais importante no</p><p>equilíbrio químico da reação</p><p>24</p><p>RENDIMENTO E CONVERSÃO</p><p>Exemplo</p><p>Síntese da amônia, a 150 atm e 500oC:</p><p>Rendimento é maior que 98%</p><p>Conversão  14%</p><p>N2 + 3H2 ↔ 2NH3</p><p>Recirculação – economia do processo – equipamentos necessários</p><p>25</p><p>CUSTOS DE PRODUÇÃO</p><p>Receita de vendas</p><p>(faturamento)</p><p>Ponto de</p><p>equilíbrio</p><p>Custo total</p><p>de produção</p><p>Custos</p><p>variáveis</p><p>Custos</p><p>fixos</p><p>X Quantidade produzida</p><p>$</p><p>26</p><p>CUSTOS DE PRODUÇÃO</p><p>Levando em conta um único produto, podemos escrever a</p><p>seguinte expressão a ser minimizada:</p><p>CT = CF.D + CA.Q + CP.n</p><p>Onde:</p><p>CT = custo total anual</p><p>CF = custo fixo unitário (custos associados a cada unidade e que não</p><p>dependem de nova decisão. Ex. preço pago ao fornecedor)</p><p>CA = custo médio unitário de armazenagem durante o ano</p><p>CP = custo de preparação de máquina</p><p>D = demanda</p><p>Q = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vez</p><p>n = número de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q</p><p>27</p><p>CUSTOS DE PRODUÇÃO</p><p>Substituindo “ n ” na expressão de CT:</p><p>CT  CF .D  CA.Q </p><p>CP . D</p><p>Q</p><p>O objetivo é determinar qual valor de Q torna mínimo CT. A esse valor</p><p>chamaremos de Lote Econômico de Fabricação (QE), que é dado pela</p><p>expressão:</p><p>QE </p><p>CP . D</p><p>CA</p><p>Expressão obtida a partir da derivação</p><p>de CT em relação a Q e igualando a zero.</p><p>28</p><p>CUSTOS DE PRODUÇÃO</p><p></p><p></p><p></p><p>Conhecidos os valores de CP e CA podemos, pela fórmula acima,</p><p>calcular o valor do lote econômico QE</p><p>É comum expressar CA em função de CF (custo fixo), “ i “ (taxa de</p><p>juros) e de “ a “ (taxa de armazenamento), cuja expressão mais</p><p>usada é:</p><p>CA </p><p>CF .( i  a )</p><p>2</p><p>29</p><p>É fácil perceber que a expressão de QE</p><p>( QE  ) pode ser transformada em:</p><p>CA.QE </p><p>CP . D</p><p>QE</p><p>O que mostra que o primeiro membro (CA.QE) é o custo de</p><p>armazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens de</p><p>produção e, portanto, quando a quantidade obtida for igual ao lote</p><p>econômico, os custos de armazenagem tornam-se iguais aos custos</p><p>de obtenção.</p><p>CP . D</p><p>CA</p><p>30</p><p>CUSTOS DE PRODUÇÃO</p><p>Graficamente:</p><p>R$</p><p>CF.D</p><p>(custo fixo)</p><p>QE</p><p>CT (custo total)</p><p>CA.Q</p><p>(custo de armazenagem)</p><p>CP.D/Q</p><p>(custo de preparação)</p><p>Q</p><p>31</p><p>Aplicação</p><p>A Indústria de alimentos MF Ltda está planejando as rodadas de</p><p>produção para sua linha de iogurtes. Em média, estima-se que o custo</p><p>de preparação de máquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendo</p><p>pouca diferenciação de um sabor e outro. O custo unitário médio de</p><p>fabricação foi calculado em R$ 300,00, sobre o qual, para efeito de</p><p>armazenagem, incidirá uma taxa total de 60% entre juros e</p><p>armazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda para linha de</p><p>iogurte light situar-se-á em torno de 5.000 caixas. Determinar:</p><p>a) Quantas caixas devem ser produzidas de cada vez;</p><p>b) Qual o custo total</p><p>Obs.: Cada caixa contém 1000 iogurtes. Não levar em conta o custo unitário do iogurte</p><p>32</p><p>200 x 5000</p><p>90</p><p>Solução</p><p>a) Número de caixas a serem produzidas de cada vez</p><p>QE </p><p></p><p>Cálculo de CA</p><p>CA </p><p>CF . (i  a)</p><p>2</p><p>CA </p><p>300 x</p><p>2</p><p>0,6</p><p> 90</p><p>Logo, o lote econômico será:</p><p>QE   105,409</p><p>CP . D</p><p>CA</p><p>33</p><p>c) Custo total e custo total em estoque</p><p>CT= CF .D + CA.Q + CP.n</p><p>CT= 300 x 5000 + 90 x 105,409 + 200 x 5000</p><p>105,409</p><p>CT= R$ 1.500.000,00 + R$ 9.487,00 + R$ 9.487,00</p><p>CT= R$ 1.518.974,00</p><p>Parcela correspondente ao</p><p>custo de armazenagem</p><p>Parcela correspondente ao</p><p>custo de emitir ordens de</p><p>produção</p><p>34</p><p>CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS</p><p>Os processos químicos são classificados de acordo com o</p><p>procedimento de entrada e saída de matéria do volume de</p><p>controle em:</p><p> Processos em batelada;</p><p> Processos contínuos;</p><p> Processos semicontínuos.</p><p>35</p><p> Processo Descontínuo (por batelada)</p><p>Um equipamento é carregado com as matérias-primas, a</p><p>operação ou a conversão ocorrem após um tempo</p><p>determinado, quando então o produto é descarregado.</p><p>Exemplos:</p><p>Polimerização, fabricação de produtos</p><p>farmacêuticos, de especialidades</p><p>químicas</p><p>Autoclave de processamento de línter</p><p>O processo descontínuo é utilizado quando o volume de produção é</p><p>pequeno, quando o custo de produção é mais favorável que o do processo</p><p>contínuo ou quando condições de segurança são fundamentais.</p><p>36</p><p> Processos contínuos</p><p>Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e saídas</p><p>fluem continuamente ao longo do tempo total de processo.</p><p>Exemplo:</p><p>Centrífuga</p><p>Centrífuga de processamento de celulose</p><p>Visor da centrífuga</p><p>37</p><p> Processos contínuos</p><p>O processo contínuo exige uma instrumentação de processo mais</p><p>complexa, que não somente registre, mas também controle as</p><p>variáveis do processo (temperatura, vazão, pressão...).</p><p>É necessário controlar os desvios e corrigi-los rapidamente.</p><p>Controle informatizado do processo.</p><p>Custos são altos para pequenas produções mas se diluem para</p><p>grandes produções.</p><p>38</p><p> Processos semicontínuos</p><p>É qualquer processo que não se enquadre nas duas definições</p><p>anteriores.</p><p>Exemplos:</p><p>39</p><p>TIPOS DE FLUXOGRAMAS</p><p>Os três principais tipos de diagramas usados para</p><p>descrever os fluxos de correntes químicas através de</p><p>um processo são:</p><p>– Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD)</p><p>– Fluxograma do processo (process flow diagram – PFD)</p><p>– Fluxogramas de tubulação e instrumentação (piping and</p><p>instrumentation diagram – P&ID):</p><p> Fluxogramas de blocos</p><p>Permite a rápida visualização do processo.</p><p>Cada bloco ou retângulo representa uma operação unitária ou</p><p>processo unitário.</p><p>Tratamento de água distribuição</p><p>filtração desinfecção</p><p>decantação ou</p><p>sedimentação</p><p>floculação coagulação entrada</p><p>Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:</p><p>– Correntes de entrada e saída são representadas por linhas retas que</p><p>podem ser horizontais ou verticais;</p><p>– A direção do fluxo deve ser claramente indicada por setas;</p><p>– As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem lógica;</p><p>– As operações unitárias (i.e blocos) devem ser rotulados;</p><p>– Quando possível, o diagrama deve ser arrumado de modo que o</p><p>fluxo material ocorra da esquerda para a direita, com unidades a</p><p>montante, à esquerda, e unidades a jusante, à direita.</p><p> Fluxograma do processo</p><p>Contém as informações necessárias para os balanços material</p><p>e energético do processo.</p><p>O fluxograma de processo apresenta as relações entre os</p><p>principais componentes no sistema, bem como tabula os</p><p>valores projetados para o processo para os componentes nos</p><p>diferentes modos de operação: mínimo, normal e máximo.</p><p>Um fluxograma de processo inclui:</p><p>– tubulação do sistema;</p><p>– símbolos dos principais equipamentos, nomes e números de</p><p>identificação;</p><p>– Controles e válvulas que afetam a operação do sistema;</p><p>– interconexões com outros sistemas;</p><p>– principais rotas de by-pass e recirculação;</p><p>– taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura e</p><p>pressão para fluxos mínimo, normal e máximo;</p><p>– composição dos fluidos.</p><p>Exemplo</p><p> Fluxogramas de tubulação e instrumentação</p><p>Deve conter toda informação do processo necessária para a</p><p>construção da planta.</p><p>• Mostram toda a tubulação incluindo a sequência física de</p><p>ramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação e</p><p>controles intertravados;</p><p>• São usados para operar o processo de produção;</p><p>• Devem apresentar todos os detalhes pertinentes ao processo.</p><p>Exemplo</p><p>47</p><p>REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS</p><p>Industrialmente, os reatores químicos podem ser de vários</p><p>materiais, formatos e dimensões, dependendo das condições em</p><p>que a conversão química se realiza.</p><p>Os reagentes em excesso podem ou não retornar ao processo,</p><p>formando o reciclo; pode haver catalisador ou não; o catalisador</p><p>pode estar em leito fixo ou em leito fluido.</p><p>48</p><p>Para melhorar o rendimento nas reações químicas</p><p>realizadas em condições industriais, geralmente, é</p><p>desejável que um ou mais reagentes estejam em excesso</p><p>(em relação às quantidades teóricas previstas pelas</p><p>equações químicas).</p><p>Exemplo: Processos de nitração</p><p>49</p><p>As quantidades máximas dos produtos formados serão</p><p>determinadas pela quantidade do REAGENTE-</p><p>LIMITANTE, que é aquele que não se encontra em</p><p>excesso; o qual servirá de base para o cálculo do</p><p>excesso dos demais.</p><p>EQUAÇÃO QUÍMICA E ESTEQUIOMETRIA</p><p>A equação química fornece informações quali- e quantitativas</p><p>essenciais para o cálculo das massas dos materiais envolvidos em</p><p>um processo químico, como por exemplo:</p><p>C7H16 (v) + 11 O2 (g) → 7 CO2 (g) + 8 H2O (v)</p><p>1 mol 11 mols 7 mols 8 mols</p><p>A equação química nos fornece, em termos de mols, as razões entre</p><p>reagentes e produtos (chamadas razões estequiométricas).</p><p>A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos e compostos</p><p>que se combinam.</p><p>PROCESSO QUÍMICO</p><p>PROCESSO QUÍMICO (1)</p><p> Definição de processo químico</p><p> Objetivo dos processos químicos</p><p> Exemplos de processos químicos</p><p>levedura</p><p> Análise de processos químicos</p><p>Qual é o objetivo da análise de processos químicos</p><p>Recursos</p><p>Resíduos</p><p>• Sub-produtos</p><p>• Resíduos sólidos recicláveis</p><p>O processo químico compreende várias etapas</p><p> Operações unitárias</p><p>Mas, o que é um PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL?</p><p> Nitração</p><p>Recirculação – economia do processo – equipamentos necessários</p><p>Levando em conta um único produto, podemos escrever a seguinte expressão a ser minimizada:</p><p>Conhecidos os valores de CP e CA podemos, pela fórmula acima, calcular o valor do lote econômico QE</p><p>2</p><p>) pode ser transformada em:</p><p>O que mostra que o primeiro membro (CA.QE) é o custo de armazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens de produção e, portanto, quando a quantidade</p><p>obtida for igual ao lote econômico, os custos de armazenagem tornam-se iguais aos custos d...</p><p>Aplicação</p><p>Solução</p><p>Cálculo de CA</p><p> 90</p><p>Logo, o lote econômico será:</p><p>c) Custo total e custo total em estoque</p><p>CT= 300 x 5000 + 90 x 105,409 + 200 x 5000</p><p>Um equipamento é carregado com as matérias-primas, a operação ou a conversão ocorrem após um tempo determinado, quando então o produto é descarregado.</p><p>Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e saídas fluem continuamente ao longo do tempo total de processo.</p><p>O processo contínuo exige uma instrumentação de processo mais complexa, que não somente registre, mas também controle as variáveis do processo (temperatura, vazão, pressão...).</p><p>TIPOS DE FLUXOGRAMAS</p><p> Fluxogramas de blocos</p><p>Permite a rápida visualização do processo.</p><p> Fluxograma do processo</p><p>Contém as informações necessárias para os balanços material e energético do processo.</p><p>Exemplo</p><p>Deve conter toda informação do processo necessária para a construção da planta.</p><p>Exemplo (1)</p><p>REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS</p>