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PROCESSOS QUÍMICOS ORGÂNICOS E INORGÂNICOS Faculdade de Minas 2 Sumário NOSSA HISTÓRIA .................................................................................................... 4 INTRODUÇÃO .......................................................................................................... 5 DEFINIÇÃO DE PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAL ........................................ 6 PROCESSO QUÍMICO E PROCESSO FÍSICO E SUAS DIFERENÇAS ................ 12 EXEMPLOS DE PROCESSOS ORGÂNICO .......................................................... 15 Nitração ............................................................................................................ 15 Sulfonação ....................................................................................................... 15 Alquilação......................................................................................................... 15 Esterificação..................................................................................................... 16 Polimerização ................................................................................................... 16 Fermentação .................................................................................................... 16 Aminação ......................................................................................................... 16 Carboxilação .................................................................................................... 17 Hidrogenação ................................................................................................... 17 Oxidação .......................................................................................................... 17 EXEMPLOS DE PROCESSOS INORGÃNICOS ..................................................... 18 Tratamento de água ......................................................................................... 18 Carboquímicos ................................................................................................. 19 Petroquímica .................................................................................................... 19 Gases combustíveis ......................................................................................... 19 Cerâmica .......................................................................................................... 19 Cimento ............................................................................................................ 20 Vidro ................................................................................................................. 20 Álcalis ............................................................................................................... 20 Sais .................................................................................................................. 21 Faculdade de Minas 3 Tintas ............................................................................................................... 21 Explosivos ........................................................................................................ 21 Corantes .......................................................................................................... 21 Detergentes e sabões ...................................................................................... 22 Óleos e gorduras .............................................................................................. 22 Açúcar e amido ................................................................................................ 22 Fermentação .................................................................................................... 23 Papel e celulose ............................................................................................... 23 Plásticos ........................................................................................................... 23 Fibras sintéticas ............................................................................................... 24 DADOS FUNDAMENTAIS ...................................................................................... 25 Rendimento e conversão ................................................................................. 25 Custos de produção ......................................................................................... 26 PROCESSOS CONTÍNUOS E PROCESSOS DESCONTÍNUOS .......................... 28 Plantas-piloto ................................................................................................... 29 Equipamento .................................................................................................... 30 Corrosão, materiais de construção .................................................................. 30 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ........................................................................ 32 Faculdade de Minas 4 NOSSA HISTÓRIA A nossa história inicia-se com a ideia visionária e da realização do sonho de um grupo de empresários na busca de atender à crescente demanda de cursos de Graduação e Pós-Graduação. E assim foi criado o Instituto, como uma entidade capaz de oferecer serviços educacionais em nível superior. O Instituto tem como objetivo formar cidadão nas diferentes áreas de conhecimento, aptos para a inserção em diversos setores profissionais e para a participação no desenvolvimento da sociedade brasileira, e assim, colaborar na sua formação continuada. Também promover a divulgação de conhecimentos científicos, técnicos e culturais, que constituem patrimônio da humanidade, transmitindo e propagando os saberes através do ensino, utilizando-se de publicações e/ou outras normas de comunicação. Tem como missão oferecer qualidade de ensino, conhecimento e cultura, de forma confiável e eficiente, para que o aluno tenha oportunidade de construir uma base profissional e ética, primando sempre pela inovação tecnológica, excelência no atendimento e valor do serviço oferecido. E dessa forma, conquistar o espaço de uma das instituições modelo no país na oferta de cursos de qualidade. Faculdade de Minas 5 INTRODUÇÃO Um processo químico é qualquer processo ou grupo de processos coordenados levar à transformação física ou química de materiais ou misturas material. O objetivo do processo químico é extraia de matérias-primas selecionadas ou disponíveis. O processo químico é a visão da produção industrial desenvolvida dentro da chamada indústria a química é dividida em vários ramos. A indústria química recebe a matéria prima e gera produtos podendo ser separada em frações ou em outros produtos. A definição de "processo químico" é muito ampla, abrangendo metalurgia, energia nuclear e farmacêuticos, também tem os processos petroquímicos, plásticos, cerâmicos, síntese de produtos orgânico, inorgânicos, ou bioquímicos, etc. Os processos químicos industriais de relevância podem ser classificados como: • Tratamento de água e proteção do meio ambiente • Energia, combustíveis, condicionamento de ar e refrigeração • Produtos carboquímicas • Gases combustíveis • Gases industriais • Carvão industrial • Indústrias de cimento • Indústrias de vidro • Cloreto de sódio e outros compostos de sódio • Indústria do cloro e dos álcalis: barrilha, soda cáustica e cloro • Indústrias eletroquímicas • Indústrias eletrotérmicas • Indústrias de fósforo • Indústrias de potássio • Indústrias do nitrogênio • Enxofre e ácido sulfúrico • Ácido clorídrico e diversos compostos inorgânicos • Indústrias nucleares • Explosivos, agentes químicos tóxicos e propelentes Faculdade de Minas 6 • Indústrias de produtos fotográficos • Indústriasde tintas e correlatos • Indústrias de alimentos e co-produtos • Indústrias agroquímicas • Perfumes, aromatizantes e aditivos alimentares • Óleos, gorduras e ceras • Sabões e detergentes • Indústrias do açúcar e do amido • Indústrias de fermentação • Derivados químicos da madeira • Indústrias de polpa de papel • Indústrias de fibras e películas sintéticas • Indústrias da borracha • Indústrias de plásticos • Refinação do petróleo • Indústria petroquímica • Intermediários, corantes e suas aplicações • Indústria farmacêutica DEFINIÇÃO DE PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAL Os processos químicos industriais são um conjunto de operações coordenadas que levam a transformações físicas e/ou químicas dos materiais, com o objetivo de produzir os Faculdade de Minas 7 produtos desejados em escala comercial a partir de uma ou mais matérias-primas selecionadas. Nesse processo também se encontra as transformações físicas: • Transporte de reagentes e produtos; • Aquecimento/resfriamento de líquidos e gases; • Operações de separação. Os processos químicos, físicos e biológicos podem ser considerados reações de equilíbrio reversíveis ou reações cinéticas unidirecionais irreversíveis. Esse processo os produtos químicos ou compostos químicos podem ser alterados com a ajuda de reações químicas. O processo pode ser separado de acordo com a figura 1: Figura 1: Processo químico Fonte: https://slideplayer.com.br/slide/1863655/ Acesso em: 21 set. 20 As matérias primas usadas para preparação são: • Sólidos; • Líquidos; • Soluções; • Suspensões; • Gases. Os recursos de utilidades: • Vapor; • Energia Elétrica; • Água Tratada; • Gases; • Ar Comprimido. Faculdade de Minas 8 E os recursos também podem ser: • Manutenção; • Instrumentação, etc. Os resíduos podem ser os subprodutos como também os resíduos poluentes: • Resíduos sólidos recicláveis; • Resíduos sólidos tratáveis; • Resíduos sólidos incineráveis; • Resíduos sólidos para aterros; • Efluentes (líquidos) • Emissões gasosas Os produtos químicos são produzidos pela primeira vez em equipamentos em escala de laboratório, que podem determinar as etapas necessárias e ajustar a temperatura e a pressão da reação normalmente necessárias para que a reação ocorra. Muitos processos químicos industriais ocorrem sob alta temperatura e/ou alta pressão, mas as reações raramente ocorrem sob pressão muito baixa ou vácuo ou temperatura muito baixa. Ao projetar um processo químico, um catalisador pode ser usado para auxiliar a reação química. Esses produtos podem acelerar ou acelerar a reação, produzir produtos finais mais desejados do que outros subprodutos ou, em alguns casos, permitir que a reação ocorra em temperaturas ou pressões mais baixas para reduzir custos. O custo de fabricação de vasos de reação de alta pressão ou alta temperatura pode ser alto, portanto, os catalisadores podem ser importantes no projeto de fábricas de produtos químicos. O tempo de reação, temperatura e pressão devem ser verificados e otimizados para produzir os produtos químicos corretos e reduzir o desperdício. O produto deve ser separado e purificado em outras etapas, e outras reações podem ser necessárias antes que o produto final seja produzido. Os resíduos e o método de neutralização ou eliminação dos resíduos devem ser determinados para minimizar os problemas ambientais. O teste da planta piloto é importante porque certos testes de laboratório em grandes equipamentos não funcionam corretamente e o projeto pode precisar ser alterado antes de construir uma grande planta. Os processos químicos industriais em grande escala podem levar vários anos para serem construídos e são muito caros. Portanto, antes de iniciar a construção, todos os Faculdade de Minas 9 equipamentos e requisitos de controle de processos devem ser cuidadosamente confirmados. As fábricas de produtos químicos exigem trens ou caminhões para fornecer matéria- prima, usam tanques para líquidos, cilindros de aço ou contêineres de alta pressão para gás e espaço de armazenamento para sacos ou barris. A produção de produtos finais crus ou não purificados requer o uso de tanques ou torres de reação, e todos os projetos de tubulação, elétricos e de instrumentos devem conectar todas as partes do processo. O projeto do processo químico inclui métodos para separar e reciclar as matérias- primas não utilizadas no início do processo para reduzir o desperdício e os custos operacionais. Depois que o produto acabado é purificado e separado do processo químico, pode ser necessário armazená-lo antes de ser enviado ao cliente. Isso pode incluir outros tanques para líquidos, cilindros de gás e armazenamento para tambores ou bolsas, e certos produtos podem ter temperaturas ou condições de armazenamento específicas para manter a qualidade e evitar problemas de segurança. Os fabricantes podem ter caminhões ou tanques que podem ser usados para entregar grandes quantidades de mercadorias aos clientes e essas frotas podem ser próprias ou alugadas. Cada reação em um processo químico é uma etapa, e muitas reações podem ser combinadas em uma cadeia complexa de eventos chamada fábrica química. Engenheiros de processos químicos e projetistas de plantas consideram cuidadosamente a interação entre todas as etapas para criar operações eficazes. Qualidade do produto, eficiência energética e minimização de resíduos foram cuidadosamente considerados no projeto do processo e são essenciais para a produção de operações químicas lucrativas. Características das transformações químicas na produção química pode ser resumido da seguinte forma: 1. Cada transformação química tem um aspecto único ou semelhante em um grupo de numerosos grupos reações químicas individuais. Esses aspectos únicos estão relacionados à família química na sua generalidade pode se referir à mudança de energia do tempo ou à semelhança da pressão reação, equilíbrio ou matérias-primas. Faculdade de Minas 10 2. De acordo com o processo de conversão química, as fábricas costumam ter fenômeno de isolamento relevante, portanto, a construção ou parte da construção é dedicada à fabricação analisar várias substâncias químicas por meio de uma dada transformação química; como diazotação e acoplamento, nitração, hidrogenação, esterificação, fermentação ou alquilação. 3. Frequentemente, há semelhanças entre os diferentes tipos de equipamentos usados para produzir diferentes produtos por meio de uma única transformação química. Como reator ferro fundido uniforme com bobinas de resfriamento, chamados nitrificadores, usados vários produtos produzidos pela reação de nitração, como nitrobenzeno, nitronaftaleno e TNT. 4. Quando sua produção é pequena ou o produto é variável, o equipamento pode transferir a fabricação de um produto para outro, é conveniente e econômico transferir com base na mesma taxa de conversão química. Um dos objetivos do gerente de produção é manter todos os equipamentos em uso constante. Por esse motivo, geralmente precisam ser fabricados no mesmo reator. Uso múltiplo é mais fácil usar o equipamento ao separar a conversão química. 5. A classificação das transformações químicas permite que os engenheiros químicos infiram o desempenho de um novo produto com base no desempenho de um conjunto de produtos em um conjunto de transformações relacionadas. É necessário principalmente entender os princípios e usá-los. Em vez de conhecer comportamentos específicos. Através do conhecimento acumulado sobre os dados generalizados da conversão específica, este método de processamento facilita muito a fabricação de qualquer substância química. Este processo evita a necessidade de lembrar observações pessoal. 6. Uma vez que a classificaçãoda transformação química é basicamente uma classificação química, aumente a reação química. Uma vez que os materiais são geralmente caros e a energia é relativamente barata, um pequeno aumento no rendimento químico afetará muito a lucratividade da sequência de fabricação. 7. Não há necessidade de separar os procedimentos inorgânicos dos orgânicos na indústria. Com dado que os problemas de equipamento e fabricação são geralmente muito semelhantes para produtos orgânicos e inorgânicos, pode Faculdade de Minas 11 ser vantajoso agrupá-los em uma determinada indústria. Cada por exemplo, é surpreendente que as condições e equipamentos usados para hidrogenar nitrogênio em amônia sejam semelhantes à hidrogenação de monóxido de carbono em metanol. Conversão apenas na matéria-prima inicial e catalisador. 8. Geralmente, é possível simplificar o projeto do equipamento generalizando o equipamento para conversão química em vez de considerar cada reação individualmente. A experiência mostra que realizar um conjunto de reações semelhantes com transformações semelhantes é um excelente guia para novas reações no mesmo conjunto. Analisando a conversão química, conforme a compreensão da base física e química do equilíbrio e da velocidade de reação se torna mais completa, o projeto da planta será melhor, a taxa de conversão será maior e o custo será menor. Compreender fundamentalmente velocidade de reação e seu progresso no equilíbrio. Em muitos casos, conforme descrito nos comentários sobre a produção de ácido sulfúrico pelo método de contato, condições que aumentam a velocidade reduzirão o andamento do equilíbrio. Assim como tri óxido de enxofre, levando a condições de alta velocidade reação, então equipamentos relativamente pequenos podem ser usados; durante o processo, as condições mudaram para facilitar o equilíbrio. Faculdade de Minas 12 PROCESSO QUÍMICO E PROCESSO FÍSICO E SUAS DIFERENÇAS Em processos, não há diferença real entre processos químicos e processos físicos. Todos os processos que envolvem interação atômica são processos químicos. Dissolver o sal na água é uma reação química. Você começa com dois reagentes diferentes (sal e água), faz com que os átomos se liguem de uma nova maneira (cada íon sal se combina com várias moléculas de água) e, em seguida, forma uma nova substância química (água salgada). Em todas as reações químicas, o calor é geralmente trocado com o meio ambiente como parte do processo. Fundamentalmente, os únicos processos não químicos são os processos de gravidade e os processos de partículas nucleares/subatômicas. Além disso, o termo "processo físico" é muito vago e inútil. Todo processo observável no universo é físico. As únicas coisas que não são físicas no universo são conceitos abstratos, como amor e fé. Todos os processos químicos são processos físicos, assim como todos os processos biológicos, geológicos, astronômicos, gravitacionais, subatômicos e nucleares. Hans-Dieter Barke afirma: É tradicional nas aulas de química separar reações químicas de processos físicos. A formação de sulfetos metálicos a partir de seus elementos, liberando energia, é descrita em todos os casos como uma reação química. Por outro lado, a dissolução de substâncias na água é frequentemente vista como um “processo físico”, porque a matéria “na verdade não muda”, a substância dissolvida pode ser recuperada em sua Faculdade de Minas 13 forma original por meio de procedimentos de separação “físicos”. Se alguém toma hidróxido de sódio e o dissolve em um pouco de água, uma solução incolor aparece e libera calor; a solução conduz eletricidade e produz um alto valor de pH. Os alunos críticos consideram essa solução um material novo e a produção de calor mostra uma reação exotérmica. A partir deste exemplo, pode-se ver que não faz sentido separar a transformação da matéria em processos “químicos” e “físicos”. Se, rotineiramente, continuarmos fazendo isso no sentido de “sempre fizemos dessa maneira”, surgirão equívocos automáticos feitos na escola, com base no ensino de tradições na escola. Os exemplos dos processos orgânicos são: • Nitração; • Sulfonação; • Alquilação • Esterificação; • Polimerização; • Fermentação; • Aminação; • Carboxilação; • Hidrogenação; • Oxidação, etc. Os exemplos de processos inorgânicos: • Tratamento de água; • Carboquímicos; • Petroquímica; • Gases combustíveis; • Gases industriais; • Cerâmica; • Cimento; • Vidro; • Ácidos; • Álcalis; • Sais; • Tintas; • Explosivos; Faculdade de Minas 14 • Corantes; • Detergentes e sabões; • Perfumes, aromatizantes; • Alimentos; • Agroquímicos; • Óleos, gorduras; • Açúcar e amido; • Fermentação; • Papel e celulose; • Indústria de fósforo; • Indústria de potássio; • Indústria de nitrogênio; • Plásticos; • Fibras sintéticas; • Borracha. Faculdade de Minas 15 EXEMPLOS DE PROCESSOS ORGÂNICO Nitração A reação de nitrificação é uma reação de substituição que ocorre através do ácido nítrico (HNO3). Esse tipo de reação ocorre principalmente em alcanos e benzeno e seus derivados, onde um dos átomos de hidrogênio ligados à cadeia ou núcleo aromático é substituído por NO2, gerando nitro complexos e água. Sulfonação A reação de sulfonação é uma reação de substituição orgânica. Nessas reações, um ou mais átomos de hidrogênio ligados a um átomo de carbono na cadeia de carbono ou anel aromático são substituídos por um ou mais grupos de ácido sulfônico (-SO3H) de ácido sulfúrico concentrado (H2SO4). Alquilação A reação de alquilação é uma reação para se obter alquilbenzeno, ou seja, um composto que possui um benzeno substituído em sua estrutura. Eles geralmente ocorrem entre compostos aromáticos e haletos orgânicos (R-X). Em suma, neste tipo de reação, um ou mais átomos de hidrogênio no anel aromático são substituídos por um grupo alquil (R─). Faculdade de Minas 16 Esterificação Como o nome indica, a reação de esterificação é uma reação para formar um éster. Esse tipo de reação ocorre entre os ácidos carboxílicos e os álcoois, além dos ésteres, também se forma água. No caso dos álcoois primários, o grupo hidroxila (-OH) do ácido carboxílico se liga ao hidrogênio no álcool para formar água. Polimerização Polimerização é o nome de um processo químico que usa a combinação de moléculas menores (ou seja, monômeros) para formar moléculas grandes (macromoléculas) chamadas polímeros. As reações de polimerização são muito comuns na natureza, como vemos nos carboidratos (como o amido) e nas proteínas (como a caseína do leite). Como a maioria dos polímeros usados pelo homem todos os dias é fabricada artificialmente, isso também ocorre sinteticamente. Fermentação A fermentação é um processo químico sem oxigênio (O2), onde fungos e bactérias convertem a matéria orgânica em outros produtos e energia. É assim que esses organismos descobrem energia para realizar suas funções biológicas. Aminação Faculdade de Minas 17 As aminas são bases orgânicas que podem ser obtidas substituindo um, dois ou três átomos de hidrogênio na amônia (NH3) por uma cadeia de carbono. Carboxilação Fixação do carbono. Acontece na primeira etapa do ciclo de Calvin (1ª fase da Fotossíntese), em que há a carboxilação do aceptor de CO2(ribulose-1,5-bifosfato) formando duas moléculas do primeiro intermediário estável do ciclo.(3-fosfoglicerato). Hidrogenação A hidrogenação ocorre em hidrocarbonetos acíclicos insaturados, ou seja, hidrocarbonetos insaturados de cadeia aberta com ligações duplasou triplas, como alcenos, alcinos e dienos. Também pode aparecer em hidrocarbonetos aromáticos porque possuem ligações duplas no anel e cicloalcanos (cicloalcanos) com até cinco carbonos. Estes compostos reagem como hidrogênio sob aquecimento na presença de certos catalisadores (como níquel, platina e paládio). Portanto, ocorre uma reação de adição na qual a ligação π (π) é quebrada, formando duas novas ligações simples e introduzindo hidrogênio na molécula. Oxidação Oxidação é o nome do processo no qual os elétrons são perdidos devido a átomos, grupos ou substâncias iônicas durante uma reação química. Ao comparar reagentes e produtos, ele pode ser identificado aumentando o NOX (número de oxidação) de uma substância ou átomo. Faculdade de Minas 18 EXEMPLOS DE PROCESSOS INORGÃNICOS Tratamento de água É um longo processo de transformação, e a água tem que passar por ele até que alcance as condições de uso que atendam às necessidades da população, Faculdade de Minas 19 independentemente de sua função. Esses processos tem as seguintes etapas: oxidação; coagulação e floculação; decantação; filtração; desinfecção; fluoretação; correção do pH e ortopolifosfato de sódio. Carboquímicos A química do carbono, também conhecida como química do carvão, consiste em uma série de processos que utilizam carvão (carvão e linhita) como matéria-prima e seus respectivos produtos. Esses processos incluem: processos de desgaseificação, incluindo coque (produção de coque, produção de gás) e destilação criogênica. Petroquímica A indústria petroquímica é uma área química relacionada aos produtos petrolíferos e seu uso na indústria. Esta é uma área muito importante porque envolve combustível e sua demanda cresce a cada dia. O petróleo deve passar por vários processos para usar a energia, a saber: separação, transformação e processamento. Gases combustíveis O gás denominado combustível é o gás consumido no processo de combustão. Cada um deles é obtido de forma específica e possui propriedades químicas diferentes. Cerâmica Faculdade de Minas 20 Cerâmicas são formadas por meio de três processos clássicos: Prensagem; Compactação; Extrusão. Em seguida, são secos e queimados a uma temperatura superior à de uma lâmpada incandescente. Não é um material inflamável, não é afetado pela luz e pode ser vidrado ou não. Cimento O cimento é um tipo de material cerâmico, cujo contato com a água produzirá uma reação exotérmica de cristalização dos produtos hidratados, obtendo-se resistência mecânica. É o principal material de construção utilizado como adesivo. É uma das principais commodities do mundo e pode até ser usado como indicador econômico. Vidro A formulação conhecida de vidro contém areia de sílica, sódio e cálcio. Mas nem tudo é vidro. Além desses três materiais, ele também contém magnésio, óxido de alumínio e potássio, todos facilmente encontrados na natureza. A proporção de cada material pode variar. Mas essa composição geralmente é composta por 72% de areia, 14% de sódio, 9% de cálcio e 4% de magnésio. Alumina e potássio são incluídos apenas em alguns casos. Álcalis São substâncias que liberam ânions hidroxila quando dissolvidos em água. A maneira mais fácil de encontrar uma base é reconhecer o termo "hidróxido". Lembre-se de que a força das bases está relacionada ao seu potencial de liberação de íons OH em Faculdade de Minas 21 solução. Quanto mais forte a base, mais íons ela libera; portanto, ela se dissocia naquele ambiente. Sais Os sais são compostos iônicos, têm sabor salgado e são sólidos. As propriedades do sal. Tintas A tinta é uma composição química formada pela dispersão de pigmentos em uma ou mais soluções ou emulsões poliméricas, que, quando aplicada na superfície em forma de filme, torna-se a tinta que a ela adere. Embeleze com efeitos de coloração e proteção. Quando a composição não contém pigmento, é chamada de verniz. Explosivos São substâncias ou misturas de substâncias que reagem rapidamente sob certas condições, produzem rapidamente uma grande quantidade de gás, liberam uma grande quantidade de calor e repentinamente geram pressão. Eles são substâncias que se decompõem rapidamente, se expandem rapidamente e liberam uma grande quantidade de energia e calor. Corantes As pessoas começaram a usar tinturas no mínimo. As pinturas foram encontradas em cavernas com uma história de mais de 4.000 anos. Os egípcios usavam pinturas para Faculdade de Minas 22 decorar o interior do palácio e até usavam cosméticos feitos com pigmentos extraídos da natureza. Por algum tempo, certas cores (como o vermelho) foram símbolos da família real. O corante que dá essa cor é difícil de extrair e muito caro, por isso só pode ser usado por pessoas com maior poder aquisitivo. Detergentes e sabões A água sozinha não pode remover a graxa dos materiais. Isso porque a água é polar, como mostra a figura abaixo, o que se deve à diferença de eletronegatividade entre os átomos de hidrogênio e oxigênio de sua molécula. Por outro lado, a gordura não é polar, então a água não dissolve a gordura. Óleos e gorduras A água sozinha não pode remover a graxa dos materiais. Isso porque a água é polar, como mostra a figura abaixo, o que se deve à diferença de eletronegatividade entre os átomos de hidrogênio e oxigênio de sua molécula. Por outro lado, a gordura não é polar, então a água não dissolve a gordura. Açúcar e amido O açúcar, também conhecido como carboidratos, é uma classe de substâncias químicas, como o nome indica, carboidratos, e muitas de suas fórmulas químicas são Cn (H2O) n. A forma mais comum de açúcar é a sacarose no estado sólido e cristalino. É usado para alterar o sabor de bebidas e alimentos (adoçados). A sacarose, comumente conhecida como açúcar mascavo (açúcar comum), é produzida comercialmente a partir da cana-de-açúcar ou da beterraba sacarina. Devido ao Faculdade de Minas 23 relacionamento de longo prazo com a cana-de-açúcar, o Brasil se tornou o maior produtor e exportador mundial de cana-de-açúcar, com o menor custo de produção. Fermentação A fermentação é um processo em que a matéria orgânica é parcialmente degradada e a energia química nela armazenada é liberada e utilizada para produzir moléculas de ATP (trifosfato de adenosina), que são então armazenadas para uso posterior em diversas reações do organismo. Papel e celulose Os tipos de matérias-primas, processos e diferentes aditivos podem produzir a maior variedade de papéis. Siga o método básico de produção deste material, amplamente utilizado em todo o mundo. A árvore foi picada (cortada) e transportada para o local de produção. Lá, passa por um processo de limpeza (lavagem, retirada da casca) antes de ser dividido em pedaços de tamanho pré-determinado. A atitude ecologicamente correta é aproveitar áreas reflorestadas, plantar as espécies de celulose ou papel mais adequadas para a região e, em seguida, renová-la com o plantio de outras árvores. Plásticos A produção de plásticos começa com a destilação em uma refinaria, o processo envolve a quebra do petróleo bruto em objetos menores para que uma mistura de cadeias de hidrocarbonetos possa ser formada. Por meio desse processo inicial é possível determinar o elemento essencial para a produção do plástico, a nafta. Faculdade de Minas 24 Existem dois processos mais importantes para fornecer com eficiência a fabricação de plásticos: a polimerização e a policondensação. Fibras sintéticas O processo deprodução de fibras artificiais inclui a transformação química de matérias-primas naturais. Na folha de celulose, o rayon de acetato e o rayon de viscose seguem rotas diferentes. A viscose passa por um banho de soda cáustica, passa pelos subprocessos de moagem, vulcanização e maturação, sendo finalmente extrudada na forma de filamentos contínuos ou fibras picadas. O acetato é primeiro passado por um banho de ácido sulfúrico, diluído em acetona, extrudado e, finalmente, a acetona é evaporada. O processo de produção das fibras sintéticas começa com a conversão da nafta petroquímica derivada do petróleo em benzeno, eteno, p-xileno e propeno, os chamados produtos intermediários dos primeiros produtos petroquímicos e matérias-primas básicas para a produção dessas fibras. Faculdade de Minas 25 DADOS FUNDAMENTAIS A química é a ciência básica da qual depende a indústria de processos químicos. Rendimento e conversão A responsabilidade do engenheiro químico é coordenar o uso de princípios de Ciência e Engenharia. Para que essa operação seja efetiva, é necessário coletar os resultados obtidos pelo químico no laboratório de pesquisa e introduzidos no processo químico econômico. Engenheiros químicos sempre prestam atenção aos aspectos econômicos da química portanto, em termos de constante de equilíbrio, tempo de residência e taxa de reação, são considerados o rendimento, a taxa de conversão e a taxa expressa de diferentes maneiras no termo constantes de equilíbrio, velocidade da reação e tempo de resistência. A eficiência operacional de uma usina química é explicada pela produção e pela taxa de conversão. O rendimento e a conversão podem ser definidos da seguinte forma: 𝑅𝑒𝑛𝑑𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = 100. 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑒𝑛𝑡𝑒𝑠 à 𝑑𝑒𝑠𝑎𝑝𝑟𝑖𝑎çã𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑙𝑒𝑡𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚𝑎𝑖𝑠 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠ã𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑐𝑒𝑛𝑡𝑢𝑎𝑙 = 100. 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑑𝑜 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑡𝑜 𝑝𝑟𝑖𝑛𝑐𝑖𝑝𝑎𝑙 𝑒𝑞𝑢𝑖𝑣𝑎𝑙𝑛𝑒𝑡𝑒𝑠 à 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑑𝑜 𝑟𝑒𝑎𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒 𝑚𝑎𝑖𝑠 𝑖𝑚𝑝𝑜𝑟𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒 Faculdade de Minas 26 Custos de produção A era da qualidade começou em 1980, por produtos japoneses conquistaram o mercado americano com um preço mais acessível, melhor qualidade. Nessa época, a empresa começou a perceber para desenvolver seus produtos precisa desenvolver a indústria americana mais competitivo. A qualidade tem sido considerada um ponto estratégico básico o crescimento e a sobrevivência dessas indústrias. Hoje em dia, a maioria das empresas admite ter algum tipo de programa de treinamento qualidade, eles passam a usar ferramentas como ferramentas de análise estatísticas de processo, análise de valor, círculo de controle de qualidade, qualidade. No geral, gerenciamento de processos, análise de Pareto, sistema de produção em tempo real. Essas ferramentas passaram a fazer parte do dia a dia das empresas que buscam empresas maior qualidade, produtividade e margens de lucro. Embora as pessoas estejam constantemente procurando maneiras de melhorar a qualidade, muitos programas encontraram resistência sem recursos humanos preparação e educação antes de implementar mudanças. Outros se comportam bem tal como redução do tempo de ciclo, conclusão de tarefas no prazo e resultados operacionais mais longos produção horária etc. No entanto, eles não forneceram retornos elevados o investimento feito para completar o plano. Em muitas empresas, alguns planos de qualidade já estão em mesmo com boas intenções está errado, apenas exercícios mecânicos são desenvolvidos não agregará valor considerável para os clientes. Qualidade indetectável clientes, geralmente não em vendas, lucratividade ou aumente a participação no mercado. Pode ser considerado um desperdício de energia e dinheiro. Um único produto pode ser escrito pela seguinte expressão minimizada: 𝐶𝑇 = 𝐶𝐹. 𝐷 + 𝐶𝐴 ⋅ 𝑄 + 𝐶𝑝. 𝑛 Onde: CT = custo total anual CF = custo fixo unitário (custos associados a cada unidade e que não dependem de nova decisão. CA = custo médio unitário de armazenagem durante o ano CP = custo de preparação de máquina Faculdade de Minas 27 D = demanda Q = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vez n = número de encomendas por ano. Evidentemente 𝑛 = 𝐷 𝑄 Na expressão CT substituindo n: 𝐶𝑇 = 𝐶𝐹 . 𝐷 + 𝐶𝐴. 𝑄 + 𝐶𝑝. 𝐷 𝑄 O valor de Q se torna mínimo 𝐶𝑇 sendo esse o objetivo. É chamado de Lote Econômico de Fabricação (QE) dado pela seguinte expressão: Lembrando que a expressão obtida a partida de CT em relação a Q e igualando a zero. 𝑄𝐸 √ 𝐶𝑃.𝐷 𝐶𝐴 Pode se expressar CA em função de CF (custo fixo), i é taxa de juros e de a taxa de armazenamento, sendo a expressão usada: 𝐶𝐴 = 𝐶𝐹 . (𝑖 + 𝑎) 2 A expressão de QE vista acima, pode ser transformada em: 𝐶𝐴. 𝑄𝐸 = √ 𝐶𝑃. 𝐷 𝑄𝐸 O custo de armazenagem e o custo de emitir ordens de produção, ou seja, quando a quantidade obtida for igual ao lote econômico, os custos de armazenagem tornam iguais aos custos. Faculdade de Minas 28 PROCESSOS CONTÍNUOS E PROCESSOS DESCONTÍNUOS Em comparação com a operação descontínua, o processamento contínuo especialmente em processos de grande escala - não envolvendo ele apenas registra temperatura, pressão e volume, mas também requer controle máximo desvios e correção automática de desvios indesejáveis de acordo com os padrões estabelecidos. Para procedimentos complexos para controlar certos processos químicos (especialmente processos contínuos), o uso de computadores automatizados está cada vez maior, economizando mão de obra e recursos materiais e tempo. O processo descontinuo é amplamente utilizado, especialmente quando o volume de produção é pequeno ou é necessário manusear uma pequena quantidade de produto por vez por motivos de segurança, como é o caso de muitos explosivos. Além disso, em contraste com o estado permanente de processamento contínuo, a operação descontínua fornece a melhor cinética para reações lentas, embora variável, ao contrário do estado permanente de processamento contínuo, e geralmente é mais fácil de controlar. A fabricação de muitos produtos químicos é feita por meio de operações descontínuas desde o início; quando o mercado se expandir, ele mudará para o processamento contínuo. A redução dos custos de fábrica na produção unitária costuma ser o fator decisivo para a mudança. Com o aumento da produção, os engenheiros químicos calcularão o menor investimento unitário, o menor custo operacional e a mais alta qualidade. Neste ponto, os custos de mão de obra, pesquisa, instrumentos e equipamentos contínuos justificam a operação contínua. O processo contínuo matérias-primas contínuas e produtos em todos os dispositivos, esse processo exige instrumentação complexa com controle das variáveis do processo, sendo necessário controlar os desvios. O processo descontínuo dispositivo carregado matérias-primas, operações ou a conversão ocorre depois de algum tempo determine quando o produto é descarregado, ou seja, é utilizado quando o volume de produção é pequeno. Faculdade de Minas 29 O projeto inicial adequado, flexível e inerente pode adotar qualquer processo químico. Dependendo da planta e do processo necessário, esta etapa inicial pode ser simples ou complexa. Em resposta a sanções complexas, existem especialistas, às vezes chamados de engenheiros de processo, que são bem versados em todos os aspectos modernos do projeto de processos químicos. A experiência prática e a necessidade de umengenheiro responsável, pois está lhe permite prever e resolver problemas de planta relacionados com a manutenção e operação de diversos equipamentos. Existem consultores independentes ou consultores profissionais de empresas de engenharia química para projetar e construir fábricas de processamento químico. Plantas-piloto Normalmente, experimentos em escala piloto devem ser realizados para preencher a lacuna entre os resultados de laboratório e os processos industriais. Portanto, o projeto e os testes da planta piloto devem ser realizados gradualmente para economizar tempo e dinheiro. Os engenheiros químicos deste projeto devem usar a análise estatística dos procedimentos necessários para planejar a operação da planta piloto para determinar as respostas às questões envolvendo operações industriais eficientes. Isso pode ser feito com o mínimo de tempo e esforço possível. A planta piloto não é barata. Além disso, principalmente em novas operações, é necessário utilizar os mesmos materiais da planta industrial para fabricar a planta para poder avaliar a situação de corrosão e cometer erros de pequena escala para obter um grande lucro. Também é muito mais barato corrigir erros conduzindo experimentos em plantas piloto. Em alguns novos processos químicos, a planta piloto ainda pode operar mesmo após a entrada em operação da planta principal, portanto, o processo de melhoria pode ser investigado de acordo com as recomendações do departamento de pesquisa ou operação. Experimentar esse processo em escala de fábrica é muito caro. Os engenheiros químicos modernos não irão ignorar os dados mais recentes para expandir a "planta piloto. Finalmente, eles esperam obter amostras de produtos recém-fabricados.” Faculdade de Minas 30 Equipamento Equipamentos de destaque, descrições de vários processos e fluxogramas que representam esses processos são considerados importantes. Por outro lado, qualquer engenheiro químico deve começar a se familiarizar com equipamentos industriais como bombas, filtros-prensa, torres de destilação, nitradores e sulfonadores. Corrosão, materiais de construção Em fábricas de produtos químicos, o desempenho das reações químicas atuais e a manutenção dos equipamentos dependem não apenas da resistência elétrica dos materiais, mas também da seleção adequada da resistência à corrosão e alta temperatura e alta pressão. A ocorrência de falha mecânica é rara. Exceto os materiais usados na fabricação de equipamentos ou edifícios que foram previamente corroídos ou enfraquecidos por ataque químico. Às vezes, a corrosão é um fator de degradação do desempenho do equipamento, especialmente na curva de um reator de tubo contínuo. Evitar curvas de raio pequeno reduzirá bastante o efeito. Em alguma pequena luz. Em alguns casos, a corrosão não pode ser evitada, mas a corrosão só pode ser minimizada. Os avanços na engenharia química e metalúrgica levaram à fabricação de muitos materiais resistentes à corrosão: aço coberto com borracha, resina combinada com carvão de tântalo e aço inoxidável resistente ao ácido clorídrico. Mesmo sob pressão, pode resistir aos efeitos do ácido nítrico aquoso e dos ácidos orgânicos: o níquel ou aço e o níquel com bainha podem resistir aos efeitos das soluções cáusticas quentes ou frias. Vários polímeros orgânicos. Resinas e plásticos se tornaram materiais importantes que resistem à corrosão. Entre os materiais de construção utilizados pelos engenheiros químicos, os mais comuns e raros são os tijolos, o ferro, o cimento e a madeira: por um lado, platina, tântalo e prata. Para os outros. Normalmente, um teste real é necessário. Produtos químicos de laboratório não devem ser usados, mas substâncias comerciais devem ser usadas, não apenas para os materiais usados na fábrica, mas também para os materiais de construção a serem Faculdade de Minas 31 testados. Os resultados mostram que pequenas quantidades de contaminantes em matérias-primas comerciais geralmente afetam significativamente a corrosão. Um exemplo desse efeito é a erosão do alumínio por ácido nítrico diluído com vestígios de halogênio. Faculdade de Minas 32 REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFICAS ADLER, L. B., and H. B. Shuey: Acetylene Handling, AIChE, 1963. BÜCHNER, W. – Industrial Inorganic Chemistry. 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