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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Processos Químicos Ana Maria Furtado [email protected]

2.1 Processos Quimicos

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Page 1: 2.1 Processos Quimicos

UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

Processos Químicos

Ana Maria Furtado [email protected]

Page 2: 2.1 Processos Quimicos

Definição de Processo Químico

É um conjunto de etapas sequenciais, que

através de mudanças químicas, físicas,

mecânicas ou térmicas transformam matéria-

prima em produto.

Matéria Prima Produto Processo Químico

Page 3: 2.1 Processos Quimicos

Tipos de Processos

Contínuo.

Bateladas.

Page 4: 2.1 Processos Quimicos

Processo Contínuo

Processo com fluxo constante de matérias-primas e de

produtos em todos os equipamentos.

Aplicação: Altos volumes de produção e baixa variedade

de produtos (custo operacional alto para pequenas

produções, mas que se diluem com o aumento do

volume).

Page 5: 2.1 Processos Quimicos

Processo Contínuo

Características:

• Requer instrumentação de processo rigorosa, que controle

e corrija automaticamente os desvios

• Alto investimento.

• Uniformidade do produto

Ex.: refinarias, petroquímicos, fabricação de papel.

Page 6: 2.1 Processos Quimicos

Máquina Voith - Fabricação

de papel jornal

Velocidade: 2000m/min

Largura: 10m

Gramatura do papel

jornal: 60g/m2

Page 7: 2.1 Processos Quimicos

Fabricação de papel

cargas, produtos químicos e aditivos

(FORMULAÇÃO)

Page 8: 2.1 Processos Quimicos
Page 9: 2.1 Processos Quimicos

Processo Descontínuo ou em Bateladas

Fluxo de matérias-primas, produtos e parâmetros

de processo (T, P, concentração, troca térmica

etc.) variam com o tempo.

Aplicação:

• Produção de menor volume.

• Plantas multipropósitos, que permitem a

fabricação de diferentes produtos.

• Produção de produtos perigosos (segurança).

Page 10: 2.1 Processos Quimicos

Processo Descontínuo ou em Bateladas

Características:

• Normalmente os equipamentos estão em melhores

condições de uso, já que sofrem frequentes etapas

de limpeza e/ou esterilização.

• Processos economicamente viáveis para pequenos

volumes de produção.

Page 11: 2.1 Processos Quimicos

Processo Descontínuo ou em Bateladas Características:

• Processos mais flexíveis a variações de volume

de venda (número de bateladas pode variar com

oscilação que o produto tem no mercado).

• Facilita o processo identificação e

rastreabilidade dos lotes (principalmente

importante para a indústria farmacêutica e

alimentícia).

Page 12: 2.1 Processos Quimicos

Processo Descontínuo ou em Bateladas Maior Problema:

Conformidade entre os lotes: Pequenas alterações no

processo podem produzir diferenças significativas entre os

lotes. Normalmente, produtos fabricados neste processo

têm rígidas especificações de processo, de modo a

minimizar a variações.

Exemplo: polímeros, fármacos, corantes

Page 13: 2.1 Processos Quimicos

FATORES A SEREM CONSIDERADOS NA ESCOLHA

ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA 1. VOLUME DE PRODUÇÃO

Vantagens/desvantagens do

Processo BATELADA

Vantagens/desvantagens do

Processo CONTÍNUO

• Pequeno Volume favorece

a escolha do processo em

batelada.

• Demanda (sazonal) de

produto (ex. fertilizante)

• Oferta sazonal de matéria-

prima.

Grande volume favorece a

escolha do processo contínuo.

Plantas de processo contínuo

são projetadas para volume

elevado e deve operar o ano

todo. No caso de sazonalidade

pode-se, quando aplicável, ter

um estoque de MP, fabricar

outro produto ou programar a

manutenção.

Page 14: 2.1 Processos Quimicos

FATORES A SEREM CONSIDERADOS NA ESCOLHA

ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA

2. VERIFICAÇÃO DA QUALIDADE DO PRODUTO

Vantagens/desvantagens do

Processo BATELADA

Vantagens/desvantagens do

Processo CONTÍNUO

• Quando a qualidade do

produto deve ser certificada o

processo em batelada é o

preferido (principalmente para

a indústria farmacêutica e

alimentícia).

• Se não é possível retrabalhar

o produto fora de

especificação, o processo

deve ser projetado para

pequenas bateladas.

• Quando a qualidade do

produto pode ser verificada

continuamente ou

periodicamente e o produto

fora de especificação pode ser

“misturado” ou retrabalhado o

processo em contínuo pode

ser escolhido.

Page 15: 2.1 Processos Quimicos

FATORES A SEREM CONSIDERADOS NA ESCOLHA

ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA

3. FLEXIBILIDADE OPERACIONAL

Vantagens/desvantagens do

Processo BATELADA

Vantagens/desvantagens do

Processo CONTÍNUO

Permitem que os equipamentos

sejam usados em múltiplas

operações, ou seja, um tanque

agitado pode ser usado como

misturador, em seguida como

reator e também como um

decantador para separação de

liquido-líquido

O uso de um equipamento em

diferentes operações não é viável

em processos contínuos.

Em geral, processos contínuos são

concebidos para fabricar um restrito

número de produtos a partir de

Matéria-prima especificadas. Se

houver aumento na demanda ou

restrição de Matéria-prima a planta

deverá ser adaptada.

Page 16: 2.1 Processos Quimicos

FATORES A SEREM CONSIDERADOS NA ESCOLHA

ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA

4. FABRICAÇÃO DE MULTIPLOS PRODUTOS

Vantagens/desvantagens do

Processo BATELADA

Vantagens/desvantagens do

Processo CONTÍNUO

Processos em batelada podem

ser facilmente modificados para

produção de múltiplos produtos.

Nota: neste tipo de planta é muito

importante a programação da

sequencia da produção.

Não é recomendável.

Os equipamentos do processo

contínuo normalmente são

projetados e otimizados para

operarem com um condição de

operação restrita.

Page 17: 2.1 Processos Quimicos

FATORES A SEREM CONSIDERADOS NA ESCOLHA

ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA 5. EFICIÊNCIA DO PROCESSO

Vantagens/desvantagens do

Processo BATELADA

Vantagens/desvantagens do

Processo CONTÍNUO

• Requer estrita programação

(atendimento ao cliente).

• Processo não pode ser

otimizado para TODOS os

produtos fabricados.

• Integração energética nem

sempre é possível (aumento

no consumo de energia).

• Reciclo de MP não é tão fácil

como no processo contínuo.

Geralmente, volume de

produção, + eficiente é o

processo. Ex. redução na perda

de energia nos equipamentos

(bombas, compressores); Reciclo

de matéria-prima não reagida e

integração energética são

praticas comuns e facilmente

implantadas.

Page 18: 2.1 Processos Quimicos

FATORES A SEREM CONSIDERADOS NA ESCOLHA

ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA

6. CUSTO DE OPERAÇÃO

Vantagens/desvantagens do

Processo BATELADA

Vantagens/desvantagens do

Processo CONTÍNUO

Alto custo de operação devido

as etapas de limpeza e tempo de

preparação.

Para processos comparáveis, o

custo de operação do processo

contínuo é menor que o batelada.

Page 19: 2.1 Processos Quimicos

FATORES A SEREM CONSIDERADOS NA ESCOLHA

ENTRE PROCESSO CONTÍNUO E BATELADA 7. INCRUSTAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS

Vantagens/desvantagens do

Processo BATELADA

Vantagens/desvantagens do

Processo CONTÍNUO

Se existir elevada tendência,

o processo em batelada é o

recomendável.

Projetar unidades em paralelo

pode ser uma solução para

este problema, no entanto há

um aumento no custo capital

Page 20: 2.1 Processos Quimicos

Processo Contínuo Processo em Batelada

velocidade de produção, pouco

trabalho humano.

Clara determinação da capacidade

de produção.

Uma rotina para todos os produtos.

Baixa flexibilidade.

Baixo valor agregado.

Tempo de Parada: grande impacto.

Número limitado de produtos.

Pequeno número de etapas de

produção.

Tempo de lead time , muito

trabalho humano.

Capacidade de produção não é

facilmente determinada.

Diferentes configurações, rotinas

complexas.

Alta flexibilidade.

Alto valor agregado.

Tempo de parada: menor

impacto.

Maior número de produtos.

Maior numero de etapas de

produção.

Page 21: 2.1 Processos Quimicos

A representação gráfica:

Fluxograma Definição:

“É uma representação gráfica feita por meio de figuras, letras e

palavras da estrutura, instalações e sequência de funcionamento

de um processo”.

“Indica pontos de entrada de matérias-primas e da energia

necessária e os pontos de retirada dos produtos e subprodutos”.

“São desenhos esquemáticos, sem escala, que mostram todo

um sistema constituído por vários equipamentos”.

Processo Químico

Page 22: 2.1 Processos Quimicos

FLUXOGRAMA DE PROCESSO

Importância:

Concepção de um projeto.

Auxílio no desenvolvimento de balanços de massa e energia e

operação da planta.

Planejamento de recuperação e aproveitamento de energia

Treinamento de operadores

Gerenciamento da qualidade

Page 23: 2.1 Processos Quimicos

FLUXOGRAMA DE PROCESSO

Os três principais tipos de fluxogramas usados para

descrever os processo químicos são:

Fluxograma ou Diagrama de Blocos

(block flow diagrams – BFD)

Diagrama de Fluxo de Processo

(process flow diagram – PFD)

Diagrama Tubulação e instrumentação

(pipping and instrumentation diagram – P&ID)

co

mp

lexid

ad

e

Page 24: 2.1 Processos Quimicos

1) Fluxograma ou Diagrama de Blocos

Conceito básico do processo (visão geral clara).

Útil para representar processo simples.

Blocos ou retângulos podem representar um único

equipamento ou uma etapa completa do processo.

Linhas retas representam as correntes de fluxo do

processo entre as unidades.

Page 25: 2.1 Processos Quimicos

1) Fluxograma ou Diagrama de Blocos

As vazões e composições das correntes podem ser

descritas junto às linhas de corrente, ou em tabelas

separadas quando houver muitas informações.

Possuem pouca utilização em documentos de engenharia,

pois não apresentam detalhes importantes do processo.

Possuem uma finalidade mais didática.

Page 26: 2.1 Processos Quimicos

1) Fluxograma ou Diagrama de Blocos

Recomendações para elaboração de fluxogramas de blocos:

Operações/processos unitários (misturadores, separadores, reatores, colunas de destilação etc.) são usualmente denotados por um bloco simples ou retângulo. As operações unitárias devem ser rotuladas

Correntes de fluxo do processo são representadas por linhas retas que podem ser horizontais ou verticais. A direção do fluxo deve ser indicada por setas

Quando possível, o diagrama deve ser arrumado de modo que o fluxo material ocorra da esquerda para a direita.

Page 27: 2.1 Processos Quimicos

1) Fluxograma ou Diagrama de Blocos

Blocos representa vários equipamentos.

Page 28: 2.1 Processos Quimicos

1) Fluxograma ou Diagrama de Blocos

28% de oleum: 28% de SO3 e 72% de H2SO4 por peso.

Page 29: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Todos os equipamentos principais do processo são

representados no diagrama por um “símbolo

gráfico” especifico.

Cada equipamento terá um número exclusivo e um

nome descritivo.

Todas as correntes do processo serão mostradas e

identificadas por um número.

Page 30: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

A descrição das condições do processo e da

composição química de cada corrente dever ser

incluída. Estes dados podem ser mostrados

diretamente no PFD ou incluídos em uma tabela.

Todas as utilidades fornecidas aos equipamentos

principais e que desempenham uma função no

processo devem ser incluídas.

Malhas de controle básico, ilustrando a estratégia de

controle usada para operar o processo em condições

normais de operação, também devem ser mostradas.

Page 31: 2.1 Processos Quimicos

Cada equipamento possui um “símbolo gráfico” específico (podem

sofrer pequenas variações dependendo da empresa responsável pela

confecção do PFD).

EXEMPLOS:

http://www.cadtechcorp.com/products.html

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Page 32: 2.1 Processos Quimicos

EXEMPLOS:

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Page 33: 2.1 Processos Quimicos

Diagrama de Fluxo de Processo

Page 34: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Page 35: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Page 36: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Todos os equipamentos principais

do processo são representados

por um “símbolo gráfico”

especifico.

Cada equipamento tem número

exclusivo e um nome descritivo.

Todas as correntes do processo

serão mostradas e identificadas

por um número.

A descrição das condições do

processo e da composição

química de cada corrente devem

ser incluída. Estes dados podem

ser mostrados diretamente no

PFD ou incluídos em uma tabela.

From R. Turton and J. A. Shaeiwitz 2008

Page 37: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo Numeração do equipamento

Formato Geral: XX-YZZ A/B

XX: Letras que identificam a classe do

equipamento. C – Compressor ou turbina

E – Trocador de calor

H – Aquecedor a chama direta

P – Bomba

R – Reator

T – Torre

TK – Tanque de armazenagem

V – Vaso

Page 38: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo Numeração do equipamento

Formato Geral: XX-YZZ A/B

Y: é a área dentro da planta.

ZZ: é o número de designação de cada item

dentro da classe de equipamento.

A/B: identifica unidades paralelas ou unidades

reserva não mostradas no PFD

Page 39: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Exemplo:

Equipamento P-102 A/B

(Diagrama de fluxo da produção de

Benzeno)

P-102 A/B: O equipamento é uma bomba

P-102 A/B: Bomba de número 02 na unidade 100, que

neste exemplo é o processo de fabricação do

benzeno

P-102 A/B: Indica que existe uma bomba reserva

instalada, ou seja, há duas bombas idênticas P-102A

e P-102B. Uma bomba estará em operação enquanto

a segunda ficará parada.

Page 40: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Correntes do Processo Identificadas com números inseridos em losangos

Setas representam a direção do fluxo.

Quando possível, começar da esquerda para a direita.

Linhas horizontais são dominantes

0 0

Page 41: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo Informações sobre as correntes do Processo

Temperatura, pressão, composição e vazão: no

próprio fluxograma (adjacente às linhas de corrente)

ou em uma tabela separada.

NOTA: Tentar manter o fluxograma mais simples

possível para facilitar a interpretação, no entanto as

informações críticas à segurança e operação da planta

NÃO PODEM SER OMITIDAS (T/P do reator, vazões da

alimentação e produto e T/P que sejam muito superiores

ao restante do processo)

Page 42: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo Informações sobre as correntes do Processo

Temperatura, pressão, composição e vazão:

Exemplo de Tabela

Page 43: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo Informações sobre as correntes do Processo

Continuação:

Page 44: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo Informações sobre as correntes do Processo

Exemplo

Page 45: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Correntes do Processo

Nota: as correntes das utilidades também são incluídas.

Ex.: eletricidade, ar comprimido, água de resfriamento, água

refrigerada, vapor, retorno de condensado, gás inerte, etc.

Page 46: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Correntes do Processo

Page 47: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo

Page 48: 2.1 Processos Quimicos

2) Diagrama de Fluxo de Processo Malha de Controle - Básico

Somente os sistema de controle do reator ou associados ao

balanço de material podem ser incluídos no PFD.

Page 49: 2.1 Processos Quimicos

Fluxogramas de tubulação e instrumentação

Contém toda informação do processo necessária para a

construção e operação da planta. Estes dados incluem

tamanho dos tubos (dimensionamento da tubulação e

localização de toda instrumentação para ambas as correntes

de processo e de utilidades), incluindo a sequência física de

ramificações, redutores, válvulas, equipamentos,

instrumentação e controles.

Page 50: 2.1 Processos Quimicos

ISO 10628: Flow Diagrams For Process Plants - General

Rules.

ANSI Y32.11: Graphical Symbols For Process Flow

Diagrams.

SAA AS 1109: Graphical Symbols For Process Flow

Diagrams For The Food Industry.

Petrobras N-58: Símbolos Gráficos para Fluxogramas de

Processo e de Engenharia.

Petrobras N-381 - Execução de Desenho e Outros

Documentos Técnicos em Geral.

Petrobras N-1521 - Identificação de Equipamentos

Industriais.