PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I APRESENTAÇÃO DA DISCIPLINA

PROCESSOS QUÍMICOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS IINDUSTRIAIS I

APRESENTAÇÃO DAAPRESENTAÇÃO DA

DISCIPLINADISCIPLINA

UNIDADES DIDÁTICASUNIDADES DIDÁTICAS

1. Introdução ao estudo dos Processos Químicos Industriais. Relacionamento com a Indústria Química.

2. Derivados inorgânicos do nitrogênio.3. Ácido sulfúrico.4. Fósforo e ácido fosfórico.5. Fertilizantes.6. Indústrias de cloro álcalis.7. Indústrias de vidros e materiais

cerâmicos.8. Carga e pigmentos inorgânicos.

1. Introdução ao estudo dos Processos Químicos Industriais. Relacionamento com a Indústria Química.

2. Derivados inorgânicos do nitrogênio.3. Ácido sulfúrico.4. Fósforo e ácido fosfórico.5. Fertilizantes.6. Indústrias de cloro álcalis.7. Indústrias de vidros e materiais

cerâmicos.8. Carga e pigmentos inorgânicos.

REFERÊNCIAS REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICASBIBLIOGRÁFICAS

1. SHREVE, R.N. & BRINK, J.A. – Indústrias de Processos Químicos

2. LIMA, I.R. – Elementos Básicos de Engenharia Química

3. SHERWOOD, T.K. – Projeto de Processos da Indústria Química

4. BÜCHNER, W. – Industrial Inorganic Chemistry

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

6. KUZNETSOV, D. – Chemical Engineering

1. SHREVE, R.N. & BRINK, J.A. – Indústrias de Processos Químicos

2. LIMA, I.R. – Elementos Básicos de Engenharia Química

3. SHERWOOD, T.K. – Projeto de Processos da Indústria Química

4. BÜCHNER, W. – Industrial Inorganic Chemistry

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

6. KUZNETSOV, D. – Chemical Engineering

PROCESSOS QUÍMICOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS IINDUSTRIAIS I

UD 01UD 01INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS

PROCESSOS QUÍMICOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS – RELACIONAMENTO INDUSTRIAIS – RELACIONAMENTO

COM A ENGENHARIA QUÍMICACOM A ENGENHARIA QUÍMICA

PROCESSO QUÍMICOPROCESSO QUÍMICO

A indústria química recebe a A indústria química recebe a (as) matéria (as) prima (as) e (as) matéria (as) prima (as) e gera produtos; a matéria prima gera produtos; a matéria prima pode ser separada em frações pode ser separada em frações (sem sofrer transformação (sem sofrer transformação química) ou em outros produtos química) ou em outros produtos (sofrendo transformação (sofrendo transformação química).química).


Processo Processo químicoquímico

MATÉRIAS-MATÉRIAS-PRIMASPRIMAS

MÃO-DE-MÃO-DE-OBRAOBRA

RECURSOSRECURSOS

PRODUTOPRODUTO

RESÍDUOSRESÍDUOS


MATÉRIAS-PRIMAS:MATÉRIAS-PRIMAS:

• SÓLIDOSSÓLIDOS• LÍQUIDOSLÍQUIDOS• SOLUÇÕESSOLUÇÕES• SUSPENSÕESSUSPENSÕES• GASESGASES

PREPARAÇÃOPREPARAÇÃO


RECURSOS:RECURSOS:• UTILIDADES:UTILIDADES:

•VAPORVAPOR• ENERGIA ELÉTRICAENERGIA ELÉTRICA•ÁGUA TRATADAÁGUA TRATADA•GASESGASES•AR COMPRIMIDOAR COMPRIMIDO

• OUTROS RECURSOS:OUTROS RECURSOS:•MANUTENÇÃOMANUTENÇÃO• INSTRUMENTAÇÃO, ETC.INSTRUMENTAÇÃO, ETC.


RESÍDUOS:RESÍDUOS:

• SUB-PRODUTOSSUB-PRODUTOS• RESÍDUOS POLUENTES:RESÍDUOS POLUENTES:

•RESÍDUOS SÓLIDOS RECICLÁVEISRESÍDUOS SÓLIDOS RECICLÁVEIS•RESÍDUOS SÓLIDOS TRATÁVEISRESÍDUOS SÓLIDOS TRATÁVEIS•RESÍDUOS SÓLIDOS INCINERÁVEISRESÍDUOS SÓLIDOS INCINERÁVEIS•RESÍDUOS SÓLIDOS PARA ATERROSRESÍDUOS SÓLIDOS PARA ATERROS• EFLUENTES (LÍQUIDOS)EFLUENTES (LÍQUIDOS)• EMISSÕES GASOSASEMISSÕES GASOSAS


O PROCESSO QUÍMICO O PROCESSO QUÍMICO COMPREENDE VÁRIAS ETAPAS:COMPREENDE VÁRIAS ETAPAS:

•PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS-PREPARAÇÃO DAS MATÉRIAS-PRIMASPRIMAS•REAÇÕES QUÍMICASREAÇÕES QUÍMICAS•PURIFICAÇÃO DO PRODUTOPURIFICAÇÃO DO PRODUTO•EMBALAGEMEMBALAGEM


ETAPAS:ETAPAS:

• CONVERSÕES – REAÇÕES CONVERSÕES – REAÇÕES QUÍMICASQUÍMICAS

• OPERAÇÕES – OPERAÇÕES – TRANSFORMAÇÕES FÍSICASTRANSFORMAÇÕES FÍSICAS


• OPERAÇÃO:OPERAÇÃO: é a ação direta do é a ação direta do homem e equipamentos sobre a homem e equipamentos sobre a matéria prima e seus produtos matéria prima e seus produtos (funções que devem ser (funções que devem ser executadas).executadas).

• PROCESSO:PROCESSO: é o estudo e é o estudo e acompanhamento do conjunto de acompanhamento do conjunto de variáveis que agem na OPERAÇÃO variáveis que agem na OPERAÇÃO (especificação da matéria prima e (especificação da matéria prima e equipamentos para realizar as equipamentos para realizar as diversas funções).diversas funções).


Quando a matéria prima não sofre Quando a matéria prima não sofre transformação química, para a transformação química, para a obtenção de produtos, dizemos que obtenção de produtos, dizemos que ela foi submetida às OPERAÇÕES ela foi submetida às OPERAÇÕES UNITÁRIAS; ao contrário, quando a UNITÁRIAS; ao contrário, quando a matéria prima sofre transformação matéria prima sofre transformação química, temos a chamada química, temos a chamada CONVERSÃO QUÍMICA ou PROCESSO CONVERSÃO QUÍMICA ou PROCESSO UNITÁRIO. UNITÁRIO.


OPERAÇÕES:OPERAÇÕES:• Bombeamento de fluidosBombeamento de fluidos• Troca de calorTroca de calor• Transporte de sólidosTransporte de sólidos• Redução de tamanhoRedução de tamanho• PeneiraçãoPeneiração• FiltraçãoFiltração• MisturaçãoMisturação• DestilaçãoDestilação• EvaporaçãoEvaporação• Absorção de gásAbsorção de gás• ExtraçãoExtração• Processos de separação Processos de separação • SecagemSecagem


O PROCESSO QUÍMICO O PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL é a aplicação dos INDUSTRIAL é a aplicação dos princípios da química, da física e princípios da química, da física e da físico-química (quando da físico-química (quando necessário, apoiadas por outras necessário, apoiadas por outras ciências) para a transformação ciências) para a transformação da(s) matéria(s)-prima(s) em da(s) matéria(s)-prima(s) em produtos. produtos.


PROCESSOS INDUSTRIAIS:PROCESSOS INDUSTRIAIS:

• ORGÂNICOSORGÂNICOS

• INORGÂNICOSINORGÂNICOS


PROCESSOS ORGÂNICOS:PROCESSOS ORGÂNICOS:•NITRAÇÃONITRAÇÃO•SULFONAÇÃOSULFONAÇÃO•ALQUILAÇÃOALQUILAÇÃO• ESTERIFICAÇÃOESTERIFICAÇÃO•POLIMERIZAÇÃOPOLIMERIZAÇÃO• FERMENTAÇÃOFERMENTAÇÃO•AMINAÇÃOAMINAÇÃO•CARBOXILAÇÃOCARBOXILAÇÃO•HIDROGENAÇÃOHIDROGENAÇÃO•OXIDAÇÃO, ETC.OXIDAÇÃO, ETC.


PROCESSOS INORGÂNICOS:PROCESSOS INORGÂNICOS:• Tratamento de águaTratamento de água• Carboquímicos Carboquímicos • PetroquímicaPetroquímica• Gases combustíveisGases combustíveis• Gases industriaisGases industriais• CerâmicaCerâmica• CimentoCimento• VidroVidro• ÁcidosÁcidos• ÁlcalisÁlcalis• SaisSais• TintasTintas• ExplosivosExplosivos• CorantesCorantes

• Detergentes e sabõesDetergentes e sabões• Perfumes, aromatizantesPerfumes, aromatizantes• AlimentosAlimentos• AgroquímicosAgroquímicos• Óleos, gordurasÓleos, gorduras• Açúcar e amidoAçúcar e amido• FermentaçãoFermentação• Papel e celulosePapel e celulose• Indústria de fósforoIndústria de fósforo• Indústria de potássioIndústria de potássio• Indústria de nitrogênioIndústria de nitrogênio• PlásticosPlásticos• Fibras sintéticasFibras sintéticas• BorrachaBorracha

QUÍMICAQUÍMICA

• Ciência básicaCiência básica• Dados de pesquisas em laboratório Dados de pesquisas em laboratório

aplicação nos processos químicos aplicação nos processos químicos• Atenção para os aspectos Atenção para os aspectos

econômicos dos processos: econômicos dos processos: rendimentos, conversões, rendimentos, conversões, velocidades velocidades constantes de constantes de equilíbrio, tempos de residência, equilíbrio, tempos de residência, velocidade de reação.velocidade de reação.

RENDIMENTO E RENDIMENTO E CONVERSÃOCONVERSÃO

100 x Moles do produto principal100 x Moles do produto principal

RENDIMENTO = RENDIMENTO =

Moles do produto principal Moles do produto principal

correspondentes à desapariçãocorrespondentes à desaparição

completa do reagente mais completa do reagente mais importanteimportante



RENDIMENTO = RENDIMENTO =


correspondentes à desapariçãocorrespondentes à desaparição

completa do reagente mais importantecompleta do reagente mais importante


CONVERSÃO = CONVERSÃO =


correspondentes à carga docorrespondentes à carga do

reagente mais importantereagente mais importante


Exemplo:Exemplo:

Síntese da amônia, a 150 atm e 500ºC:Síntese da amônia, a 150 atm e 500ºC:

Rendimento é maior que 98%Rendimento é maior que 98%

Conversão Conversão 14% 14%

1/2 N1/2 N22 + 3/2 H + 3/2 H22 NH NH33

Recirculação – economia do processo – Recirculação – economia do processo – equipamentos necessáriosequipamentos necessários

CUSTOS DE PRODUÇÃOCUSTOS DE PRODUÇÃO

CustosCustosfixosfixos

CustosCustosvariáveisvariáveis

$$

Quantidade produzidaQuantidade produzida

Custo totalCusto totalde produçãode produção

Receita de vendasReceita de vendas(faturamento)(faturamento)

Ponto dePonto deequilíbrioequilíbrio

XX

PROCESSO CONTÍNUO E PROCESSO CONTÍNUO E PROCESSO DESCONTÍNUOPROCESSO DESCONTÍNUO

Processo Contínuo:Processo Contínuo:

Fluxo constante de matérias-primas e de Fluxo constante de matérias-primas e de produtos em todos os equipamentos.produtos em todos os equipamentos.

Processo Descontínuo (por batelada):Processo Descontínuo (por batelada):

Um equipamento é carregado com as Um equipamento é carregado com as matérias-primas, a operação ou a matérias-primas, a operação ou a conversão ocorrem após um tempo conversão ocorrem após um tempo determinado, quando então o produto é determinado, quando então o produto é descarregado.descarregado.


O processo contínuo exige uma O processo contínuo exige uma instrumentação de processo mais instrumentação de processo mais complexa, que não somente registre, mas complexa, que não somente registre, mas também controle as variáveis do processo também controle as variáveis do processo (temperatura, vazão, pressão...).(temperatura, vazão, pressão...).

É necessário controlar os desvios e É necessário controlar os desvios e corrigi-los rapidamente.corrigi-los rapidamente.

Controle informatizado do processo.Controle informatizado do processo.

Custos são altos para pequenas Custos são altos para pequenas produções mas se diluem para grandes produções mas se diluem para grandes produções.produções.


O processo descontínuo é utilizado O processo descontínuo é utilizado quando o volume de produção é pequeno, quando o volume de produção é pequeno, quando o custo de produção é mais quando o custo de produção é mais favorável que o do processo contínuo ou favorável que o do processo contínuo ou quando condições de segurança são quando condições de segurança são fundamentais.fundamentais.

FLUXOGRAMASFLUXOGRAMAS((FLOW-SHEETFLOW-SHEET))

Seqüência coordenada das conversões Seqüência coordenada das conversões químicas e das operações unitárias, químicas e das operações unitárias, expondo os aspectos básicos do processo expondo os aspectos básicos do processo químico.químico.

Indica pontos de entrada de matérias-Indica pontos de entrada de matérias-primas e de utilidades e os pontos de primas e de utilidades e os pontos de retirada dos produtos e subprodutos.retirada dos produtos e subprodutos.

Podem ser simples, na forma de Podem ser simples, na forma de diagramas de blocos ou detalhados.diagramas de blocos ou detalhados.




REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAISEM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS

Industrialmente, os reatores químicos Industrialmente, os reatores químicos podem ser de vários formatos, dimensões podem ser de vários formatos, dimensões e materiais, dependendo das condições e materiais, dependendo das condições em que a conversão química se realiza e em que a conversão química se realiza e os reagentes em excesso podem ou não os reagentes em excesso podem ou não retornar ao processo, formando o reciclo; retornar ao processo, formando o reciclo; pode haver catalisador ou não; o pode haver catalisador ou não; o catalisador pode estar em leito fixo ou em catalisador pode estar em leito fixo ou em leito fluido. leito fluido.


Por questão de rendimento, geralmente é Por questão de rendimento, geralmente é desejável que, nas reações químicas desejável que, nas reações químicas realizadas em condições industriais, um realizadas em condições industriais, um ou mais reagentes estejam em excesso ou mais reagentes estejam em excesso relativamente às quantidades teóricas relativamente às quantidades teóricas previstas pelas equações químicas e os previstas pelas equações químicas e os produtos encerrarão alguns dos reagentes produtos encerrarão alguns dos reagentes não consumidos, ao lado dos compostos não consumidos, ao lado dos compostos formados na reação.formados na reação.


As quantidades máximas dos produtos As quantidades máximas dos produtos formados serão determinadas pela formados serão determinadas pela quantidade do REAGENTE-LIMITE, que é quantidade do REAGENTE-LIMITE, que é aquele que não se encontra em excesso aquele que não se encontra em excesso relativamente a qualquer outro do relativamente a qualquer outro do processo; este reagente serve como base processo; este reagente serve como base para o cálculo do excesso dos demais. para o cálculo do excesso dos demais.


EQUAÇÃO QUÍMICA E ESTEQUIOMETRIAEQUAÇÃO QUÍMICA E ESTEQUIOMETRIA

A equação química dá várias informações qualitativas A equação química dá várias informações qualitativas e quantitativas essenciais para o cálculo das massas e quantitativas essenciais para o cálculo das massas dos materiais envolvidos em um processo químico, dos materiais envolvidos em um processo químico, como por exemplo:como por exemplo:

CC77HH1616 (v) + 11 O (v) + 11 O22 (g) (g) 7 CO 7 CO22 (g) + 8 H (g) + 8 H22O (v)O (v)

1 mol1 mol 11 moles 7 moles 8 moles 11 moles 7 moles 8 moles

A equação química nos fornece, em termos de moles, A equação química nos fornece, em termos de moles, as razões entre reagentes e produtos, chamadas as razões entre reagentes e produtos, chamadas razões estequiométricas.razões estequiométricas.

A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos e compostos que se combinam. e compostos que se combinam.


EXEMPLO: Uma fábrica de fertilizantes produz EXEMPLO: Uma fábrica de fertilizantes produz superfosfato, tratando fosforita, rocha fosfática superfosfato, tratando fosforita, rocha fosfática contendo fosfato de cálcio, com 87 % de pureza, pelo contendo fosfato de cálcio, com 87 % de pureza, pelo ácido sulfúrico concentrado. Num ensaio realizado, ácido sulfúrico concentrado. Num ensaio realizado, foram misturados 500 kg de fosfato com 255,1 kg de foram misturados 500 kg de fosfato com 255,1 kg de solução de ácido sulfúrico, a 98 %, obtendo-se 280 kg solução de ácido sulfúrico, a 98 %, obtendo-se 280 kg de superfosfato., conforme a equação:de superfosfato., conforme a equação:

CaCa33(PO(PO44))22 + 2 H + 2 H22SOSO44 2 CaSO 2 CaSO44 + CaH + CaH44(PO(PO44))22

Pedem-se:Pedem-se:a) o reagente-limite; (ác. sulfúrico).a) o reagente-limite; (ác. sulfúrico).b) o cálculo do excesso do outro reagente; ( 9,85%)b) o cálculo do excesso do outro reagente; ( 9,85%)c) o rendimento (superfosfato em relação ao fosfato c) o rendimento (superfosfato em relação ao fosfato de cálcio); (84,37%)de cálcio); (84,37%)d) o grau de complementação. (93,8%) d) o grau de complementação. (93,8%)

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