Prof. Lucrcio Fbio

Ateno: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didticos.

PROCESSOS QUMICOS INDUSTRIAIS I

UD 01

INTRODUO AO ESTUDO DOS PROCESSOS QUMICOS INDUSTRIAIS RELACIONAMENTO COM A ENGENHARIA QUMICA

2O que um processo qumico?

Quando se pensa no assunto o que vem mente?

Indstria qumicahttp://www2.nord.com

http://www2.nord.com

PROCESSO QUMICO

Definio de processo qumico

3

Define-se processo qumico como qualquer operao ouconjunto de operaes coordenadas que provocamtransformaes qumicas e/ou fsicas num material ou numamistura de materiais.

Objetivo dos processos qumicos

O objetivo dos processos qumicos a obteno de produtos deinteresse a partir de matrias-primas selecionadas ou disponveispara tal.

PROCESSO QUMICO

4Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes fontesde carbono:

mandiocahttp://domescobar.blogspot.com.br

Vista parcial de uma planta para obteno de etanol, a partir da cana

http://www.empat.com.br

canahttp://cucanaga.blogspot.com.br

5Exemplos de processos qumicos

Shreve e Brink jr. (1980) detalham vriosprocessos qumicos, entre eles tem-se:

Tratamento de gua;Produtos carboqumicos;Indstria de cermica;Indstria do acar e do amido

6Fluxograma da produo de acar (C12H22O11)Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)

C12H22O11

C12H22O11

Exemplo de processo qumico

7Fluxograma da produo de lcool (C2H5OH)Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)

C12H22O11

C2H5OH

C12H22O11 + H2O 2C6H12O6invertase

C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2levedura

Exemplo de processo qumico

8Anlise de processos qumicos

De acordo com os processos apresentados, as matrias-primas sotransformadas em produtos atravs de uma sequncia de etapas.

Essas etapas so denominadas operaes unitrias da indstriaqumica e so realizadas em equipamentos especficos, tais comomoendas, evaporadores, centrfugas, secadores e colunas dedestilao.

9colunas de destilaohttp://www.pulsarimagens.com.br

centrfuga

http://www.brumazi.com.br

evaporadorhttp://www.termopros.com.br

moendahttp://www.revistaalcoolbras.com.br

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A anlise dos processos qumicos tem como objetivo a obtenodas quantidades e propriedades das correntes de produtos apartir de quantidades apropriadas das correntes de alimentao,e vice-versa, nas etapas do processo.

Qual o objetivo da anlise de processos qumicos

Assim, deve-se conhecer as principais variveis envolvidas nosprocessos, tendo como base a lei de conservao de massa eenergia.

11

12

Recursos

Slidas

Lquidas

Gasosas

outras

Matrias-primas

UTILIDADES

OUTROS RECURSOS

Pessoal / Instalaes

Preparao

Vapor, Energia eltrica, gua tratada, Gases, Ar comprimido

Manuteno, Instrumentao, dentre outros

Sub-produtos

Resduos poluentes Resduos slidos reciclveis

Resduos slidos tratveis

Resduos slidos incinerveis

Resduos slidos para aterros

Efluentes (lquidos, slidos e gasosos)

Resduos

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Logo, o processo consiste na transformao de entradas em sadas.

Em resumo

ProcessInput Output

Feedback

O processo qumico compreende vrias etapas

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Preparao das matrias-primas

Reaes qumicas

Embalagem

OPERAO: a ao direta dohomem e equipamentos sobre amatria-prima e seus produtos(funes que devem ser executadas).

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PROCESSO: um conjunto deoperaes fsicas e transformaesqumicas que visam obter produtosfinais a partir de matrias-primas.

Milho

Panela

Sal

leo

Processo Pipoca

Operaes unitrias

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Segundo Cremasco (2012), Operaes Unitrias constituem-se etapasindividuais, visando ao tratamento e/ou separao e/ou transportefsico de matria e/ou energia, presentes em um processo (bio)qumico.

O que vale ressaltar que em uma operao unitria existe umaalterao fsica ou uma separao sem ocorrer reao qumica.

Operaes unitrias

Misturao Destilao Evaporao Absoro de gs Extrao Processos de separao Secagem

Bombeamento de fluidos Troca de calor Transporte de slidos Reduo de tamanho Peneirao Filtrao

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a aplicao dos princpios da qumica, da fsica e dafsico-qumica (quando necessrio, apoiadas por outrascincias) para a transformao da(s) matria(s)-prima(s) em produtos.

Mas, o que um PROCESSO QUMICO INDUSTRIAL?

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Orgnicos

Inorgnicos

Processos industriais

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Processos orgnicos

Fermentao Aminao Carboxilao Hidrogenao Oxidao, dentre outros

Nitrao Sulfonao Alquilao Esterificao Polimerizao

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Processos inorgnicos

Cimento Vidro cidos lcalis Tintas Explosivos

Tratamento de gua Carboqumicos Petroqumica Gases combustveis Gases industriais Cermica

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RENDIMENTO E CONVERSO

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100 x Mols do produto principal

Mols do produto principal correspondentes desapario completa do reagente mais

importante

Rendimento =

Dados qumicos fundamentais

100 x Mols do produto principal

Mols do produto principal correspondentes carga do reagente mais importante no

equilbrio qumico da reao

Converso =

Exemplo

Sntese da amnia, a 150 atm e 500oC:

Rendimento maior que 98%

Converso 14%

N2 + 3H2 2NH3Recirculao economia do processo equipamentos necessrios

RENDIMENTO E CONVERSO

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Custosfixos

Custosvariveis

$

Quantidade produzida

Custo totalde produo

Receita de vendas(faturamento)

Ponto deequilbrio

X25

CUSTOS DE PRODUO

Levando em conta um nico produto, podemos escrever aseguinte expresso a ser minimizada:

Onde:CT = custo total anualCF = custo fixo unitrio (custos associados a cada unidade e que no

dependem de nova deciso. Ex. preo pago ao fornecedor)CA = custo mdio unitrio de armazenagem durante o anoCP = custo de preparao de mquinaD = demandaQ = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vezn = nmero de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q

CT = CF.D + CA.Q + CP.n

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CUSTOS DE PRODUO

Substituindo n na expresso de CT:

O objetivo determinar qual valor de Q torna mnimo CT. A esse valorchamaremos de Lote Econmico de Fabricao (QE), que dado pelaexpresso:

Expresso obtida a partir da derivaode CT em relao a Q e igualando a zero.

Q

DCQCDCC

.P.A.FT

A

PE

C

D.CQ

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CUSTOS DE PRODUO

Conhecidos os valores de CP e CA podemos, pela frmula acima,calcular o valor do lote econmico QE

comum expressar CA em funo de CF (custo fixo), i (taxa dejuros) e de a (taxa de armazenamento), cuja expresso maisusada :

2

)ai(CC

.FA

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CUSTOS DE PRODUO

O que mostra que o primeiro membro (CA.QE) o custo dearmazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens deproduo e, portanto, quando a quantidade obtida for igual ao loteeconmico, os custos de armazenagem tornam-se iguais aos custosde obteno.

fcil perceber que a expresso de QE

( ) pode ser transformada em:

A

PE

C

DCQ

.

E

.PEA

Q

DCQ.C

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QQE

CF.D(custo fixo)

CA.Q(custo de armazenagem)

R$

CP.D/Q(custo de preparao)

CT (custo total)

Graficamente:

CUSTOS DE PRODUO

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A Indstria de alimentos MF Ltda est planejando as rodadas deproduo para sua linha de iogurtes. Em mdia, estima-se que o custode preparao de mquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendopouca diferenciao de um sabor e outro. O custo unitrio mdio defabricao foi calculado em R$ 300,00, sobre o qual, para efeito dearmazenagem, incidir uma taxa total de 60% entre juros earmazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda para linha deiogurte light situar-se- em torno de 5.000 caixas. Determinar:

a) Quantas caixas devem ser produzidas de cada vez;

b) Qual o custo total

Obs.: Cada caixa contm 1000 iogurtes. No levar em conta o custo unitrio do iogurte

Aplicao

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Soluo

A

PE

C

DCQ

.

2

)(. aiCC

FA

902

6,0300

xCA

a) Nmero de caixas a serem produzidas de cada vez

409,10590

5000 200

xQE

Logo, o lote econmico ser:

Clculo de CA

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c) Custo total e custo total em estoque

Parcela correspondente ao custo de armazenagem

Parcela correspondente ao custo de emitir ordens de

produo

CT= R$ 1.518.974,00

CT= R$ 1.500.000,00 + R$ 9.487,00 + R$ 9.487,00

CT= 300 x 5000 + 90 x 105,409 + 200 x 5000

105,409

CT= CF .D + CA.Q + CP.n

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Os processos qumicos so classificados de acordo com oprocedimento de entrada e sada de matria do volume decontrole em:

Processos em batelada;

Processos contnuos;

Processos semicontnuos.

CLASSIFICAO DOS PROCESSOS

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Um equipamento carregado com as matrias-primas, aoperao ou a converso ocorrem aps um tempodeterminado, quando ento o produto descarregado.

Processo Descontnuo (por batelada)

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O processo descontnuo utilizado quando o volume de produo pequeno, quando o custo de produo mais favorvel que o do processocontnuo ou quando condies de segurana so fundamentais.

Exemplos:Polimerizao, fabricao de produtosfarmacuticos, de especialidadesqumicas

Autoclave de processamento de lnter

Processos contnuos

Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e sadasfluem continuamente ao longo do tempo total de processo.

Centrfuga de processamento de celulose

Visor da centrfuga

Centrfuga

Exemplo:

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O processo contnuo exige uma instrumentao de processo maiscomplexa, que no somente registre, mas tambm controle asvariveis do processo (temperatura, vazo, presso...).

necessrio controlar os desvios e corrigi-los rapidamente.

Controle informatizado do processo.

Custos so altos para pequenas produes mas se diluem paragrandes produes.

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Processos contnuos

Processos semicontnuos

qualquer processo que no se enquadre nas duas definiesanteriores.

Exemplos:

http://campingtotal.blogspot.com.br

http://duquedecaxias.olx.com.br

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39

Os trs principais tipos de diagramas usados paradescrever os fluxos de correntes qumicas atravs deum processo so:

Fluxogramas de blocos (block flow diagrams BFD)

Fluxograma do processo (process flow diagram PFD)

Fluxogramas de tubulao e instrumentao (piping andinstrumentation diagram P&ID):

TIPOS DE FLUXOGRAMAS

Fluxogramas de blocos

Permite a rpida visualizao do processo.

Cada bloco ou retngulo representa uma operao unitria ouprocesso unitrio.

entrada coagulao floculao

decantao ou sedimentao filtrao

desinfeco

distribuioTratamento de gua

Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:

Correntes de entrada e sada so representadas por linhas retas quepodem ser horizontais ou verticais;

A direo do fluxo deve ser claramente indicada por setas;

As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem lgica;

As operaes unitrias (i.e blocos) devem ser rotulados;

Quando possvel, o diagrama deve ser arrumado de modo que ofluxo material ocorra da esquerda para a direita, com unidades amontante, esquerda, e unidades a jusante, direita.

Fluxograma do processo

Contm as informaes necessrias para os balanos materiale energtico do processo.

O fluxograma de processo apresenta as relaes entre osprincipais componentes no sistema, bem como tabula osvalores projetados para o processo para os componentes nos

diferentes modos de operao: mnimo, normal e mximo.

Um fluxograma de processo inclui:

tubulao do sistema;

smbolos dos principais equipamentos, nomes e nmeros deidentificao;

Controles e vlvulas que afetam a operao do sistema;

interconexes com outros sistemas;

principais rotas de by-pass e recirculao;

taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura epresso para fluxos mnimo, normal e mximo;

composio dos fluidos.

Exemplo

Fluxogramas de tubulao e instrumentao

Deve conter toda informao do processo necessria para aconstruo da planta.

Mostram toda a tubulao incluindo a sequncia fsica deramificaes, redutores, vlvulas, equipamentos, instrumentao econtroles intertravados;

So usados para operar o processo de produo;

Devem apresentar todos os detalhes pertinentes ao processo.

Exemplo

Fonte: www.google.com.br

Industrialmente, os reatores qumicos podem ser de vriosmateriais, formatos e dimenses, dependendo das condies emque a converso qumica se realiza.

Os reagentes em excesso podem ou no retornar ao processo,formando o reciclo; pode haver catalisador ou no; o catalisadorpode estar em leito fixo ou em leito fluido.

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REAES QUMICAS REALIZADAS EM CONDIES INDUSTRIAIS

Para melhorar o rendimento nas reaes qumicas

realizadas em condies industriais, geralmente,

desejvel que um ou mais reagentes estejam em excesso

(em relao s quantidades tericas previstas pelas

equaes qumicas).

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Exemplo: Processos de nitrao

As quantidades mximas dos produtos formados sero

determinadas pela quantidade do REAGENTE-

LIMITANTE, que aquele que no se encontra em

excesso; o qual servir de base para o clculo do

excesso dos demais.

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A equao qumica fornece informaes quali- e quantitativas

essenciais para o clculo das massas dos materiais envolvidos em

um processo qumico, como por exemplo:

A equao qumica nos fornece, em termos de mols, as razes entre

reagentes e produtos (chamadas razes estequiomtricas).

A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos e compostos

que se combinam.

C7H16 (v) + 11 O2 (g) 7 CO2 (g) + 8 H2O (v)

1 mol 11 mols 7 mols 8 mols

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EQUAO QUMICA E ESTEQUIOMETRIA

1. SHREVE, R.N. & BRINK, J.A. Indstrias de Processos Qumicos

2. LIMA, I.R. Elementos Bsicos de Engenharia Qumica

3. SHERWOOD, T.K. Projeto de Processos da Indstria Qumica

4. BCHNER, W. Industrial Inorganic Chemistry

5. CONSIDINE, D.M. Chemical and Process Technology Encyclopedia

6. KUZNETSOV, D. Chemical Engineering

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS