NOÇÕES SOBRE PROCESSOS QUÍMICOS (1) 19 de setembro de 2006

NOÇÕES SOBRE PROCESSOS QUÍMICOS (1)NOÇÕES SOBRE PROCESSOS QUÍMICOS (1)

19 de setembro de 2006

1. PRIMEIROS CONCEITOS 1.1. Engenharia Química e Sociedade 1.2. Sistema 1.3. Processo Químico 1.4. Corrente

(a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes

1.5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos

1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos

1. PRIMEIROS CONCEITOS

1.2 Sistema 1.3 Processo Químico 1.4 Corrente




1.1 Engenharia Química e Sociedade

SOCIEDADESOCIEDADE

INDÚSTRIA

Principais Segmentos

COMÉRCIO BANCOS

ENERGIA TRANSPORTE

CONSTRUÇÃO

EDUCAÇÃO

COMUNICAÇÕES

AGRICULTURA

SAÚDE

1.1 Engenharia Química e Sociedade

Segmento de interesse profissional do Engenheiro Químico ?

INDÚSTRIAINDÚSTRIA

Segmento responsável por transformações e produção de bens.

Ramo da Indústria de maior interesse para o Engenheiro Químico ?

QUÍMICA

MECÂNICA CIVIL

NAVAL ALIMENTOS

SIDERGÚRGICA

TÊXTIL ELETRO-ELETRÔNICA

FARMACÊUTICA

Ramos da Indústria

POLÍMEROS CORANTES

TINTAS E VERNIZES

PETRÓLEO

VIDRO

SABÃO E DETERGENTES

INDÚSTRIA QUÍMICAINDÚSTRIA QUÍMICA

Ramo da Indústria responsável pela produção de produtos químicos. É constituída por empresas que vendem os seus produtos à população ou a outras empresas (intermediários).

CONTABILIDADE VENDAS

RECURSOS HUMANOS

DIRETORIA

SEGURANÇAMANUTENÇÃO

EMPRESA QUÍMICAEMPRESA QUÍMICAOrganização formada com a finalidade de produzir um ou mais produtos de forma lucrativa. Compreende diversos setores.

PLANTA INDUSTRIAL

Setor da Empresa de interesse mais imediato do Engenheiro Químico ?

PLANTA INDUSTRIALPLANTA INDUSTRIALInstalação física onde ocorre a transformação da matéria prima no produto de interesse.

Transformação complexa que exige diversas etapas.

O conjunto das etapas constitui o Processo Químico

Matéria Prima ProdutoProcesso Químico

Planta Industrial

O Engenheiro Químico é o profissional responsável pela concepção doprocesso químico, pelo projeto e pela operação da planta industrial e pelo funcionamento rentável da Empresa.

MatériaPrima

Produto

PLANTA INDUSTRIAL

ENGENHARIA: aplicação de conhecimentos científicos e tecnológicosà construção e operação de artefatos, engenhos, dispositivos e instalações, genericamente chamados de sistemas, destinados ao bem-

estar do homem.

O termo se aplica a : - sistemas baseados em fenômenos naturais: mecânica, elétrica, química.- sistemas ligados a organização e métodos: produção, computação, etc.

ENGENHARIA QUÍMICA

ENGENHARIA QUÍMICARamo da Engenharia em que:Sistema: instalação que transforma matérias primas em produtos.Fenômenos explorados: reação química, absorção, evaporação, condensação, compressão, expansão, aquecimento, etc.

ENGENHARIA QUÍMICA

O Engenheiro Químico é o profissional responsável pela concepção doprocesso químico, pelo projeto e pela operação da planta industrial e pelo funcionamento rentável da Empresa.

1. PRIMEIROS CONCEITOS1.1 Engenharia Química e Sociedade

1.3 Processo Químico 1.4 Corrente




1.2 Sistema

1.2 SISTEMA

(c ) a finalidade do conjunto é a execução de uma ação mais complexa do que a de qualquer um dos elementos (tarefa).

Denominação genérica aplicada a organismos, dispositivos ou instalações, com as seguintes características:

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3 4

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(a) conjuntos de elementos interdependentes.

(b) cada elemento é capaz de executar uma ação específica (sub-tarefa)

que tanto podem ser concretos como abstratos.

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Sistemas são formados por elementos e conexões

Possuem uma Finalidade

que tanto pode ser estabelecida como apenas constatada homem.

Processo Químico

Eco - SistemasCorpo HumanoEstabelecida pelo homem Sistemas Econômicos

Constatada pelo homem

ABSTRATOSCONCRETOSFINALIDADE

Abrangência do Conceito de Sistema

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5

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ENGENHARIA DE SISTEMAS Campo do conhecimento que estuda Sistemas independentemente da natureza dos seus elementos. Desenvolve técnicas matemáticas poderosas de aplicação geral, a todosos ramos da Engenharia.

1. PRIMEIROS CONCEITOS1.1 Engenharia Química e Sociedade

1.2 Sistema 1.4 Corrente




1.3 Processo Químico

1.3 PROCESSO QUÍMICO

Elementos: equipamentos.Conexões: correntes.Finalidade: transformação de uma matéria prima num produto de interesse comercial, de forma econômica, segura, limpa e em escala industrial.

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Matéria Prima Produto

Pode ser considerado um tipo de Sistema

Vantagem: a Engenharia Química pode se beneficiar dos procedimentos desenvolvidos pela Engenharia de Sistemas para estudar os Processos Químicos de maneira formal e eficiente.

Conhecendo o sistema Processo Químico

1.1 PRIMEIROS CONCEITOS1. 1 Engenharia Química e Sociedade

1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico


1. 5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos

1. 6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos

1.4 Corrente

Substância ou mistura em trânsito de um equipamento para outro ouentrando ou saindo do processo através de um duto ou esteira.

1.4 CORRENTE

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As correntes são as conexões do sistema Processo Químico.

(a) Correntes Típicas em Processos

alimentação saída

reciclo

reciclo

reposição“make up”

purga

desvio“by pass”


reciclo

reciclo


purga

desvio“by pass”

Entrada da matéria prima


reciclo

reciclo


purga

desvio“by pass”

Desvia uma fração de uma corrente

saídaalimentação

reciclo

reciclo


purga

desvio“by pass”

Saída do produto

reciclo

reciclo



purga

desvio“by pass”

Reaproveitamento de um excesso de reagente

Reaproveitamento de um solvente

purga


reciclo

reciclo


desvio“by pass”

Evita o acúmulo de algum inerte que acompanha o reagente.



reciclo

reciclo

purga

desvio“by pass”

Reposição de solvente perdido com o produto na saída ou com o inerte na purga

(b) Variáveis Características de Correntes

Correntes são constituídas de substâncias puras ou de misturas

- pressão e temperatura: afetam as propriedades físicas e a velocidade de reação.

- quantidade de matéria (armazenada, escoando, reagindo…), expressa em gmol, lbmol, g, kg, ton, lbm, slug…

Variáveis características das substâncias

- estado físico: sólido, líquido, gás, vapor.

- densidade: quantidade de matéria por unidade de volume ocupado, expressa em g/cm3, lbm/ft3, g/l, …

- capacidade calorífica: quantidade de calor necessária para elevar a unidade de massa de um grau . Expressa em cal/g oC , BTU/lb oF

- viscosidade: indicador da resistência ao escoamento, expressa em poise.

Variáveis características de misturas

- frações- concentração- propriedades de misturas

Fração mássicaPara uma mistura de n componentes, cada um com a massa mi:

- massa total: m = mi

- fração mássica do componente i: xi = mi/m (adimensional)Pela definição de xi: xi = (mi/m)= (1/m) mi= 1Fração molarPara uma mistura de n componentes, cada um com ni mol:

- mol total: n = ni

- fração molar do componente i: xi = ni/n (adimensional)Pela definição de xi: xi = (ni/n)= (1/n) ni= 1

Frações

Fração volumétricaPara uma mistura de n componentes, cada um ocupando o volume vi :

- volume total: V = vi

- fração volumétrica do componente i: xi = vi/V (adimensional)Pela definição de vi: xi = (vi/V)= (1/V) vi= 1

Representa a quantidade de um soluto por unidade de volume de um solvente ou da solução (mistura).

- Molar : mol de soluto/volume de solução [gmol/l, gmol/m3, lbmol/ft3

(molaridade)

Concentração

- Mássica: massa de soluto/volume de solução [g/l, kg/m3 , lb/ft3,…

Correntes: Substâncias e Misturas em Trânsito

Vazão: quantidade de matéria transportada por unidade de tempo.

- Mássica - Por componente: fij = massa de i na corrente j/tempo [kg i/h]

- Total: Fj = fij [kg/h]- Molar - Por componente: fij = mol de i na corrente j/tempo [kmol i/h]

- Total: Fj = fij [kmol/h]- Volumétrica - Por componente: fij = volume de i na corrente j/tempo [m3 i/h]

- Total: Fj = fij [m3/h]

Além das propriedades inerentes às substâncias puras e às misturas(estado físico, densidade, capacidade calorífica, viscosidade, pressão,temperatura, composição)a corrente é caracterizada pela sua vazão.

1. PRIMEIROS CONCEITOS1. 1 Engenharia Química e Sociedade

1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico 1. 4 Corrente


(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos

1. 6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos

1.1.5 Equipamento

Ambiente especialmente projetado para abrigar fenômenos naturais, provocados de forma controlada, sediando uma das etapas de um processo químico .

1. 5 EQUIPAMENTO

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Os equipamentos são os elementos do sistema processo químico.

Principais Equipamentos e Operações Típicas Realizadas

Reação: transformação química da matéria prima no produto. Realizada em diversos tipos de reatores.

Separação: consiste em separar o produto principal da reação dos sub-produtos e de resíduos dos reagentes, bem como impurezas dos reagentes.Realizada em diversos tipos de separadores.Integração Material e Energética: Movimentação material de reagentes, produtos e sub-produtos, executada por bombas, compressores e sistemas de tubulações. Fornecimento e remoção de energia dos equipamentos, executado por trocadores de calor, fornos e caldeiras.Controle: Manutenção do processo em condições operacionais estáveis e seguras, corrigindo perturbações, garantindo a qualidade do produto e a segurança da instalação. Executado por instrumentos de medição e controladores.

Reação

Transformação química da matéria prima no produto.

Realizada em diversos tipos de reatores.

REATOR TANQUE AGITADOOperação em batelada ou contínua

REATOR TUBULAR

Separação

Consiste em separar o produto principal da reação dos sub-produtos e de resíduos dos reagentes, bem como impurezas dos reagentes.

Realizada em diversos tipos de separadores.

TORRE DE DESTILAÇÃO

Torre ou Colunade Destilação

Prato ou Bandeja

Torre ou Colunade Absorção

EVAPORADOR

EXTRATOR

extrato = solvente + soluto

rafinado = solução “empobrecida” do soluto.

Tanque de decantação

solução comsoluto

Tanque de Mistura

solvente

Integração Material e Energética

Movimentação material de reagentes, produtos e sub-produtos, executada por bombas, compressores e sistemas de tubulações.

Fornecimento e remoção de energia dos equipamentos, executado por trocadores de calor, fornos e caldeiras.

BOMBA

TROCADOR (PERMUTADOR) DE CALOR

WQ, TSQ

WF, TEF

Corrente Quente

CorrenteFria

WQ, TEQ

WF, TSF

Tanque de Mistura

Ponto de Mistura Bifurcação

(b) Variáveis características de equipamentos

- Relativas ao tamanho: comprimento (de um tubo), altura (de uma torre), diâmetro (de um tanque esférico), área superficial (de um tubo), volume (de um tanque).

- Relativas às condições de operação: pressão, temperatura (no interior do equipamento).

- Relativas ao consumo de energia: potência (energia consumida por unidade de tempo para mover partes de equipamentos como bombas, compressores e agitadores).

- Relativas ao número de itens: número de estágios de uma coluna de destilação, número de equipamentos de uma bateria.

1. PRIMEIROS CONCEITOS1.1Engenharia Química e Sociedade

1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico 1. 4 Corrente


1. 5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos

(a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos

1. 6 Representação de Processos

1. 6 REPRESENTAÇÃO DE PROCESSOS

Processos podem ser representados de duas formas: fluxogramas e modelos matemáticos.

FluxogramaRepresentação gráfica visual em que aparecem os equipamentos e ascorrentes do processo na sequência do processamento.

Modelo MatemáticoRepresentação matemática dos fenômenos que se passam nos equipamentos que permite obter informações de natureza quantitativa.

Exemplo de Fluxograma (1):

PROCESSO

Fonte de A

R A

I

A IA B C

Destino de I

S

A

B

Destino de B

S1

C

Destino de C

B C S1S2B

Produto Principal

Impureza

Matéria Primareciclo

sistema de separação

Sub-Produto

A,I

Remoção prévia da Impureza I presente na fonte de A, pelo Separador S.Formação do Produto Principal B e do Sub-Produto C no Reator R.Separação do resíduo do reagente A pelo Separador S1 e seu Reciclo.Separação do produtos B e C pelo Separador S2.

Processo de produção de B a partir de A pela reação A B + C.A é acompanhado de uma impureza I indesejada na reação.

Exemplo de Fluxograma (2)

Processo de recuperação do ácido benzóico de uma corrente aquosa diluída, por extração com benzeno (Rudd & Watson).

A solução aquosa é alimentada a um extrator que recebe benzeno como solvente.

O rafinado do extrator é descartado. O extrato é enviado a um evaporador onde é concentrado por evaporação do benzeno. O concentrado é o produto do processo.

O benzeno evaporado é reciclado ao extrator, passando sucessivamente por um condensador, um resfriador e um misturador, onde recebe corrente de reposição (“make up”).

W6

T6

W10 T10

W13 T13 W11

T11

W8

T8

W1

x11

T1

f11

f31

W7 T7

W5 T5

W3 x13

T3 f13 f23

W4 x14

T4 f14 f24

W12 T12

W12 T12

W14 T14

W2

x12

T2 f12 f32

EXTRATOR

Extrato

Rafinado

EVAPORADOR

CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR

BOMBA

1

2

3

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

15

Vd Ae

AcAr

Alimentação

Vapor

ÁguaÁgua

Benzeno

Benzeno

Produto

Condensado

W15 T15

Modelo Matemático

Representação matemática dos fenômenos que se passam nos equipamentos.

Permite obter informações de natureza quantitativa (“bola de cristal)”.

São sistemas de equações algébricas do tipo: f (x1, x2, …, xn) = 0

Exemplo de Modelo Matemático (Extrator do processo anterior)

01. Balanço Material do Ácido Benzóico:f11 - f12 - f13 = 0

02. Balanço Material do Benzeno:W15 - f23 = 0

03. Balanço Material da Água:f31 - f32 = 0

04. Relação de Equilíbrio Líquido-Líquido:f13 - k (f23/f32) f12 = 0

05. Balanço de Energia:(f11 Cp1 + f31 Cp3) (T1 - T2) + W15 Cp2l (T15 - T2) = 0

06. Equilíbrio Térmico no Decantador:T2 - T3 = 0

07. Equação de Dimensionamento:Vd - (f11 /1 + W15/2 + f31/3) = 0

08. Fração Recuperada de Ácido Benzóico:r - f13/f11 = 0

W6 =8.615 kg/hT*

6 = 150 oC

W10 =36.345 kg/hT*

10 = 80 oCW13 = 36.345 kg/hT13 = 25 oC

W11 = 59.969 kg/hT*

11 = 15 oCW8 = 228.101 kg/hT*

8 = 15 oC

W*1 = 100.000 kg/h

x*11 = 0,002

T*1 = 25 oC

f11 = 200 kg/hf31 = 99.800 kg/h

W7 = 8.615 kg/hT*

7 = 150 oC

W5 = 36.345 kg/hT*

5 = 80 oC

W3 = 37.544 kg/hx13 = 0,002

T3 = 25 oCf13 = 120 kg/hf23 = 37.424 kg/h

W4 = 1.200 kg/hx*

14 = 0,1

T4 = 80 oCf14 = 120 kg/hf24 = 1.080 kg/h

W12 = 59.969 kg/hT*

12 = 30 oCW12 = 228.101 kg/hT*

12 = 30 oC

W14 = 1.080 kg/hT*

14 = 25 oC

W2 = 99.880 kg/hx12 = 0,0008

T2 = 25 oCf12 = 80 kg/hf32 = 99.800 kg/h

EXTRATOR

Extrato

Rafinado

EVAPORADOR

CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR

BOMBA

1

2

3

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

15

Vd = 11.859 l

*= 0,0833 h

r* = 0,60

Ae = 124 m2

Ac = 119 m2Ar = 361 m2

Dimensionamento

W15 = 37.425 kg/hT13 = 25 oC

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NOÇÕES SOBRE PROCESSOS QUÍMICOS (1) 19 de setembro de 2006