PQI 3221 Cinética Química e Processos AmbientaisProcessos ... 3221 - aula... · alimentada (semi-batelada ou semi-bthbatch) sistema abertosistema aberto processo contínuo em descontínuo

PQI 3221Cinética Química e Processos AmbientaisProcessos Ambientais

www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi3221

objetivos do curso

1. Despertar habilidades que permitam tratar problemas da Engenhariap q p p gAmbiental a partir de uma abordagem de processos, considerando aanálise dos fenômenos neles envolvidos;

2. Desenvolver a capacidade de generalização na aplicação dosconceitos de conservação de massa e cinética química aprocessos químicos e ambientais;processos químicos e ambientais;

3. Estabelecer estruturas que permitam construir modelost áti i l d i d d li ã d b l dmatemáticos simples, derivados da aplicação de balanços de massa

e do uso de equações empíricas, visando propor soluções de fundotecnológico que resultem em benefícios à sociedade sem ônussignificativos ao meio ambiente.

1o bloco fundamentos, variáveis de processoe balanços de massa sem reações químicasem estado estacionário

Aula Data Assunto Referências BibliográficasAula Data Assunto Referências Bibliográficas

1 24/2 (terça-feira) Apresentação do curso. Introdução. Conceitos de sistema, fronteira e vizinhança. Fluxogramas de processos. Sistemas abertos e fechados. Sistemas contínuos e

descontínuos. Regimes estacionário e transiente

Felder, cap. 4Himmelblau, cap. 6

2 27/2 (sexta-feira) Variáveis de processo. Sistemas de unidades e conversão de unidades. Base de cálculo Felder, caps. 2 e 3Himmelblau caps 1 4Himmelblau, caps. 1-4

3 3/3 (terça-feira) Variáveis de processo. Sistemas de unidades e conversão de unidades. Base de cálculo Felder, caps. 2 e 3Himmelblau, caps. 1-4

4 6/3 (sexta-feira) Exercícios

5 10/3 (terça-feira) Balanços de massa: formulação geral. Conceito de análise de graus de liberdade. Balanços de massa sem reação química em unidades simples

Felder, cap. 4Himmelblau caps 6 e 8de massa sem reação química em unidades simples Himmelblau, caps. 6 e 8


7 17/3 (terça-feira) Balanços de massa sem reação química em sistemas de interesse. Processos com múltiplas unidades. Reciclo e by-pass

Felder, cap. 4Himmelblau, caps. 11 e 12


9 24/3 (terça-feira) Balanços de massa sem reação química em sistemas de interesse. Processos com múltiplas unidades. Reciclo e by-pass

Felder, cap. 4Himmelblau, caps. 11 e 12


- 31/3 (terça-feira) Semana Santa – não há aula3/4 ( t f i ) S S t ã há l- 3/4 (sexta-feira) Semana Santa – não há aula

- 7/4 (terça-feira) semana de provas – não há aula10/4 (sexta-feira) PROVA P1 (10h00-12h00)

2o bloco balanços de massa transientes semreações, balanços com reações químicas emreações, balanços com reações químicas emestado estacionário e cinética química

Aula Data Assunto Referências Bibliográficas

11 14/4 (terça-feira) Balanços de massa em processos transientes: exemplos Felder, cap. 11Himmelblau, cap. 32

12 17/4 (sexta-feira) Balanços de massa em processos com reações químicas. Estequiometria. Reagente em excesso e reagente limitante


- 21/4 (terça-feira) feriado (Tiradentes)


14 28/4 (terça-feira) Cinética química. Ordem de reação Fogler, cap. 5

- 1/5 (sexta-feira) feriado (Dia do Trabalhador)

15 5/5 (terça-feira) Cinética química. Ordem de reação Fogler, Cap. 5

16 8/5 (sexta-feira) Balanços de massa com reação química em sistemas e operações de interesse Felder, cap. 4Himmelblau cap 10Himmelblau, cap. 10

17 12/5 (terça-feira) Exercícios

18 13/5 (quarta-feira) Exercícios (reposição de 1/5)

15/5 (sexta-feira) PROVA P2 (10h00-12h00)

3o bloco aplicações: sistemas gasosos,combustão, processos microbiológicos ecombustão, processos microbiológicos eadsorção

Aula Data Assunto Referências BibliográficasAula Data Assunto Referências Bibliográficas

19 22/5 (sexta-feira) Combustão: sistemas gasosos, propriedades físico-químicas, combustão completa e parcial, ar teórico e em excesso


20 26/5 (terça-feira) Combustão: balanços de massa, caldeiras e emissões gasosas Felder, cap. 4Hi lbl 10Himmelblau, cap. 10


22 2/6 (terça-feira) Sistemas microbiológicos: cinética de processos microbiológicos Schmidell, cap.6Fogler, cap.7

- 5/6 (sexta-feira) recesso de feriado (Corpus Christi) – não há aula

23 9/6 (terça-feira) Sistemas microbiológicos: balanços de massa em biorreatores (descontínuos e contínuos), aplicações em tratamento de efluentes

Schmidell, cap.6Fogler, cap.7


25 16/6 (terça-feira) Adsorção: introdução, aspectos cinéticos, isotermas de adsorção Himmelblau, cap. 20.Reynolds, cap.12.

26 19/6 (sexta-feira) Adsorção: materiais adsorventes, aplicações ambientais Himmelblau, cap. 20.Reynolds, cap.12

A combinar Exercícios

- 23/6 (terça-feira) semana de provas – não há aula

- 26/6 (sexta-feira) PROVA P3 (10h00-12h00)

- 30/6 (terça-feira) semana de provas – não há aula

- 3/7 (sexta-feira) PROVA SUB (10h00-12h00)

- 24/7 (sexta-feira) PROVA REC (10h00-12h00)

bibliografia

FELDER, R.M., ROUSSEAU, R.W. Princípios Elementares dos ProcessosQuímicos. Trad. da 3ª. Ed. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2005.

FOGLER, H.S. Elements of Chemical Reaction Engineering, 2nd ed., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1992, 3rd. ed., 1999, 4th ed., 2006. Há edições emportuguês (traduções da 3ª e 4a edições).p g ( ç ç )

HIMMELBLAU, D.M.; RIGGS, J.B. Engenharia Química – Princípios e Cálculos.Traduções da 7ª. Ed. (2006) e da 8ª Ed. (2014). Editora LTC, Rio de Janeiro.

REYNOLDS, T.D. Unit Operations and Processes in Enviromental Engineering.2nd ed., PWS Publishing Company, Boston, 1996.

SCHMIDELL, W.; LIMA, U.A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. BiotecnologiaIndustrial, volume 2 – Engenharia Bioquímica, Edgard Blucher, São Paulo, 2001.

PQI 3221Cinética Química e Processos QAmbientaisAula 1 Fundamentos Sistemas RegimesAula 1 – Fundamentos. Sistemas. Regimes de operação. Fluxogramas de processos

Prof. Antonio Carlos S. C. TeixeiraProf. Antonio Carlos S. C. TeixeiraCentro de Engenharia de Sistemas QuímicosDepartamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USPEdifício Semi-Industrial, 3o andar,[email protected]

trocas de matéria e energia no ambientetrocas de matéria e energia no ambiente

Adaptado de: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7th Ed., Lewis Publishers, 2000.

VaporVaporÁgua

N2

AR

H2

N2

Nafta

NH3CO2CO

S

NH3

S

Efluente líquidoInsumos líquido

EnergiaInsumos

AuxiliaresEfluentes

trocas de matéria no ambiente: ciclo global de enxofretrocas de matéria no ambiente: ciclo global de enxofre

quantidades ilhõem milhões

de toneladas métricas/ano

H2S

(CH ) S(CH3)2S

SO2

SOSO3

SO42-

HSO -HSO4

P

=

S

Fonte: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7th Ed., Lewis Publishers, 2000.

t d té i bi t h á idtrocas de matéria no ambiente: chuva ácida

Fonte: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7th Ed., Lewis Publishers, 2000.

possíveis inquietações associadas ao problema...

Q t t l d ét i d ã t d 2% d f ãQuantas toneladas métricas de carvão contendo 2% de enxofre sãonecessárias para produzir a quantidade de SO2 emitido pela queima decombustíveis fósseis (em termos de enxofre elementar), mostrada na figura?

Que quantidade de carvão contendo 5% de enxofre precisa ser queimada paragerar a quantidade de H2SO4 que resulte em 30 mm de chuva de pH 3,0 emuma área de 50 km2?

Que quantidade de Ca(OH)2 por tonelada de carvão queimado é necessária emq ( )2 p qum processo projetado para remoção de 99% do SO2 presente no gás dacombustão? Que quantidade de rejeito por tonelada de carvão é gerada nesseprocesso?

trocas de matéria no ambiente:trocas de matéria no ambiente: contaminação por poluentes tóxicos

Adaptado de: Watts, R.J. Hazardous Wastes, John Wiley & Sons, 1997; Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.

Fonte: Frade, V.M.F., Dias, M., Teixeira, A.C.S.C, Palma, M.S.A. Environmental contamination by fluoroquinolones. Braz. J. Pharm. Sci., 50, 41, 2014.

t i l i it f d t iterminologia e conceitos fundamentais

SISTEMA: quantidade de matéria ou parte restrita do universo, arbitrariamente

lhid id ãescolhida, em consideração

VIZINHANÇAS: resto do universo tudo oVIZINHANÇAS: resto do universo, tudo o que está do lado de fora da fronteira do sistema

FRONTEIRA: limite que separa o sistemaFRONTEIRA: limite que separa o sistema das vizinhanças, real ou imaginário, rígido ou móvel


SISTEMA ABERTO: com escoamento; há entrada e/ou saída de matéria. Permite t d i i htrocas de massa com as vizinhanças, acompanhadas ou não por trocas de calor e/ou trabalho

SISTEMA FECHADO: sem escoamento; não há entrada e nem saída de matéria. Não permite trocas de massa com as vizinhanças, embora possam ocorrer trocas de calor e/ou trabalho

fronteira rígida e fronteira móvelfronteira rígida e fronteira móveltanques de estocagem caldeira para geração de vapor

Adaptado de: Watts, R.J. Hazardous Wastes, John Wiley & Sons, 1997.

macroscópico microscópico molecularmacroscópico microscópico molecular

fonte original: cova rasa contendo 20 tambores de 55 galões de óleo diesel; 1000 kg (em base seca) de pesados (l d ) d l d d til ã 1 2% PAH ( l li(lodo) de coluna de destilação com 1-2% PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons); 10 tambores de 55 galões contendo xilenos. A maioria dos tambores rompeu-se e os resíduos vazaram; a maior parte do lodo ainda está presente na superfície e algum líquido resta nos tambores.

superfície do solo (até 1 m): 5000 mg/kg TPH (total petroleum hydrocarbons); 300 mg kg PAH; xilenos não detectadosdetectados.

zona intermediária (até 6 m): 1200 mg/kg TPH; 22 mg kg PAH; 65 mg/kg xilenos.

água subterrânea (abaixo de 6 m): 60 mg/kg TPH; 3 mg kg PAH; 31 mg/kg xilenos.; g g


- transferência de massa

d ã iô i- adsorção e troca iônica

- precipitação

õ d ó id d ã- reações de óxido redução

- oxidação biológica

f ã d l- formação de complexos

- reações de hidrólise

l tili ã- volatilização



ESTADO: condição do sistema, especificada pelos valores de temperatura,

ã i ã tpressão, massa, composição etc. Conjunto de propriedades de caracterizam o sistema (variáveis de estado)

ESTADO ESTACIONÁRIO (REGIME PERMANENTE): em cada ponto dosistema, as propriedades não variam com o tempo. Do ponto de vista dosbalanços materiais, não há acúmulo de massa; do ponto de vista do balançoenergético, a temperatura e pressão em cada ponto do sistema não variamcom o tempo. As vazões de entrada e de saída são constantes

ESTADO NÃO-ESTACIONÁRIO (REGIME TRANSIENTE OU REGIME(DINÂMICO): pelo menos uma ou mais condições do sistema (p. ex.,temperatura, pressão, quantidade de matéria) variam com o tempo.

processos descontínuosprocessos descontínuos

processo batelada (batch)

não há adição de massa no sistema e nem remoção de massa do sistema durante a operação

processo batelada alimentada(semi-batelada ou

i b t h)semi-batch)

sistema aberto processo contínuo emsistema abertodescontínuo

processo contínuo em estado estacionário

destilação em batelada: destilação sem reposição contínua de alimentação

extração líquido-líquido

Fonte: Himmelblau, D.M.; Riggs, J.B. Engenharia Química – Princípios e Cálculos. Trad. da 7ª. Ed. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2006.

tíA PAT0m

processo contínuoA → P

solvente(%)Aw

A P (%)w mA, Psolvente T

(%)Aw m

exercício A1.1 – classificação de sistemasÁgua entra com uma vazão de 6 kg/s em um tanque de 2 m3, que e é esvaziadoÁgua entra com uma vazão de 6 kg/s em um tanque de 2 m , que e é esvaziadocom uma vazão de 3 kg/s. O tanque está inicialmente pela metade. Esteprocesso é contínuo, batelada ou em semi-batelada? É transiente ouestacionário?

exercício A1.2 – classificação de sistemas

Classifique os sistemas ou processos a seguir (batelada, semi-batelada,contínuo, aberto, fechado, estacionário, dinâmico). Mais de uma classificaçãopode ser aplicada. Conforme o caso, considere um período de tempocaracterístico. (a) O reservatório de abastecimento de água da Cantareira; (b)O ciclo completo de carbono na Terra; (c) O ciclo de carbono em uma floresta;(d) D ti t d bl d l l ( ) U lh d(d) Derretimento de um bloco de gelo ao sol; (e) Um aparelho de arcondicionado em relação ao fluido refrigerante; (f) Tanque de armazenagem deóleo em uma refinaria; (g) Seção de um rio entre duas pontes; (h) Uma caldeirai d t i l á ã dindustrial a gás para geração de vapor.

exercício A1.3 – biorremediação de solo contaminado (bioventing)(bioventing)

Analise a figura a seguir (adaptada de Environ. Sci. Technol., 27, 1975, 1993),que representa um processo de biorremediação de solo contaminado acimaque representa um processo de biorremediação de solo contaminado acimado lençol freático. O sistema é aberto ou fechado? Opera em estadoestacionário ou transiente?

t õ d fl drepresentações de processos – fluxogramas de processo

representações de etapas e de sequências

de etapas de processamento etapa 1

(operações)

etapa i

etapa n

exemploexemplo

produção de café a partir de água e grãos de café torrado

fluxograma do processo de produção de café

a partir de água e grãos de café torrado

aquecerágua

aquecer água

extrairseparar sólido:

café

extrair café

L-S (filtrar)

sólido:rejeito

moer os grãos

café

(grãos) líquido: produtoconexões produto

etapas

conexões (correntes)

etapas (operações)

exemplo:

d d ã d til li lprocesso de produção de etileno glicol

Etapa 1: eteno (etileno) + oxigênio → óxido de etileno

aditivos para sistemas de

f i ãEtapa 2: óxido de etileno + água → etileno glicol refrigeração

produção de poliéster

exemplo:

processo de produção de etileno glicolprocesso de produção de etileno glicol

Etapa 1: C2H4+ ½ O2 → C2H4O (fase gasosa), catalisada

C H + 3 O → 2 CO + 2 H O (fase gasosa)C2H4+ 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O (fase gasosa)

condições:temperatura pressão proporção molar C H : O

Etapa 2: C H O+ H O → C H (OH) (fase líquida)

temperatura, pressão, proporção molar C2H4 : O2

Etapa 2: C2H4O+ H2O → C2H4(OH)2 (fase líquida)

C (O )

H2O

C2H4(OH)2H2O, outros

ar

C H (OH)

?? ??

reator 1 reator 2C2H4 C2H4O C2H4(OH)2

C2H4O, CO2, O2, N2, H2O, C2H4 líquido,temperatura ambiente

gásalta temperatura

lt ã

ppressão ambiente

alta pressão

C H (OH)

ar H2O

C2H4(OH)2H2O, outros

ar

C H (OH)reator 1 reator 2

C2H4 C2H4O C2H4(OH)2

C2H4O, CO2, O2, N2, H2O, C2H4

produtoproduto

rejeitos recicláveis

ar H2O

?? ??ar

C H O

?? ??

reator 1 reator 2C2H4 C2H4O C2H6O2

são necessárias etapas intermediárias com as seguintes funções:

1.Mudança de condição termodinâmica (temperatura, pressão)2.Separação de componentes das misturas

3 Recuperação ou descarte de alguns componentes3.Recuperação ou descarte de alguns componentes

ar H2O

?? ??ar

C H O

?? ??

reator 1 reator 2C2H4 C2H4O C2H6O2

operações unitárias:

1.Trocadores de calor, bombas, compressores, ...2.Colunas de destilação, absorção, ...

processo de produção de etileno glicolp p ç g



exercício A1 3 – processo de tratamento de efluentesexercício A1.3 – processo de tratamento de efluentesElabore uma breve descrição da sequência de operações envolvidas no processo detratamento de efluentes, conforme os fluxogramas apresentados a seguir.tratamento de efluentes, conforme os fluxogramas apresentados a seguir.

tratamento primário

tratamento secundáriosecundário

Adaptado de: Spiro, T.G.; Stigliani, W.M. Chemistry of the Environment, 2nd Ed., Prentice Hall, 2003.

í i A1 3 ( ) d d flexercício A1.3 (cont.) – processo de tratamento de efluentes

tratamento terciário Remoção de material solúvel não removidonas etapas anteriores: nutrientes (N e P),

t i d t â imetais pesados, compostos orgânicosrecalcitrantes, cor e odor. Pode visardesinfecção.

Adaptado de: Spiro, T.G.; Stigliani, W.M. Chemistry of the Environment, 2nd Ed., Prentice Hall, 2003.

documentação: fluxograma de processodocumentação: fluxograma de processo

documentação: fluxograma de tubulações edocumentação: fluxograma de tubulações e instrumentos (P & I)

estrutura de um processo industrialestrutura de um processo industrial

Adaptado de: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7th Ed., Lewis Publishers, 2000; Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.

síntese de processos e prevenção de poluiçãop p ç p çhierarquia de gestão de resíduos proposta pela EPA (Environmental

Protection Agency) - Pollution Prevention Act, EUA, 1990

processo originaloriginal

- redução de volumes- substituição de matérias-primas- reuso

1. redução na fonte

- reuso- modificações de processos- intensificação de processos- segregação de correntes

2 i l2. reciclo no processo (in-process recycle)

Adaptado de: Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.

- solventes- água de processo- ácidos

síntese de processos e prevenção de poluiçãop p ç p ç

3. reciclo na planta (on site recycle)(on-site recycle)

- solventes- água de processo

á id- ácidos

4. reciclo em outra planta (off-site recycle)planta (off-site recycle)



end-of-pipe5. tratamento de resíduos

- neutralização de pH- remoção de metais- remoção de orgânicos- tratamentos térmicos- controle de emissões gasosas

6. disposição segura 7. descarte no meio ambiente



antes

depois


exercício A1.4 – prevenção de poluiçãoexercício A1.4 prevenção de poluiçãoAnalise o processo de recuperação de solvente descrito a seguir em termos dahierarquia de gestão de resíduos da EPA (Environmental Protection Agency, EUA),discutindo suas características quanto à prevenção da poluiçãodiscutindo suas características quanto à prevenção da poluição.

Uma indústria automobilística emprega robôs para pintura da carcaça de automóveisantes de sua montagem nos chassis, instalação de componentes e finalização. Demodo a permitir o uso de diferentes cores, as linhas de tinta devem ser lavadas comum solvente apropriado e então recarregadas com a tinta de cor diferente. Antes, osolvente e os resíduos de tinta eram dispostos como resíduos perigosos ouincinerados. A operação atual de pintura spray emprega um processo de recuperaçãoincinerados. A operação atual de pintura spray emprega um processo de recuperaçãode solvente, como esquematizado na figura.

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