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Prof. Lucrécio Fábio
Atenção: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didáticos.
PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I
UD 01
INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS – RELACIONAMENTO COM A ENGENHARIA QUÍMICA
2
O que é um processo químico?
Quando se pensa no assunto o que vem à mente?
Indústria químicahttp://www2.nord.com
http://www2.nord.com
PROCESSO QUÍMICO
Definição de processo químico
3
Define-se processo químico como qualquer operação ouconjunto de operações coordenadas que provocamtransformações químicas e/ou físicas num material ou numamistura de materiais.
Objetivo dos processos químicos
O objetivo dos processos químicos é a obtenção de produtos deinteresse a partir de matérias-primas selecionadas ou disponíveispara tal.
PROCESSO QUÍMICO
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Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes fontesde carbono:
mandiocahttp://domescobar.blogspot.com.br
Vista parcial de uma planta para obtenção de etanol, a partir da cana
http://www.empat.com.br
canahttp://cucanaga.blogspot.com.br
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Exemplos de processos químicos
Shreve e Brink jr. (1980) detalham váriosprocessos químicos, entre eles tem-se:
Tratamento de água;Produtos carboquímicos;Indústria de cerâmica;Indústria do açúcar e do amido
6Fluxograma da produção de açúcar (C12H22O11)Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)
C12H22O11
C12H22O11
Exemplo de processo químico
7
Fluxograma da produção de álcool (C2H5OH)Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)
C12H22O11
C2H5OH
C12H22O11 + H2O 2C6H12O6
invertase
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2
levedura
Exemplo de processo químico
8
Análise de processos químicos
De acordo com os processos apresentados, as matérias-primas sãotransformadas em produtos através de uma sequência de etapas.
Essas etapas são denominadas operações unitárias da indústriaquímica e são realizadas em equipamentos específicos, tais comomoendas, evaporadores, centrífugas, secadores e colunas dedestilação.
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colunas de destilaçãohttp://www.pulsarimagens.com.br
centrífuga
http://www.brumazi.com.br
evaporadorhttp://www.termopros.com.br
moendahttp://www.revistaalcoolbras.com.br
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A análise dos processos químicos tem como objetivo a obtençãodas quantidades e propriedades das correntes de produtos apartir de quantidades apropriadas das correntes de alimentação,e vice-versa, nas etapas do processo.
Qual é o objetivo da análise de processos químicos
Assim, deve-se conhecer as principais variáveis envolvidas nosprocessos, tendo como base a lei de conservação de massa eenergia.
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Recursos
• Sólidas
• Líquidas
• Gasosas
• outras
Matérias-primas
• UTILIDADES
• OUTROS RECURSOS
Pessoal / Instalações
Preparação
Vapor, Energia elétrica, Água tratada, Gases, Ar comprimido
Manutenção, Instrumentação, dentre outros
• Sub-produtos
• Resíduos poluentes• Resíduos sólidos recicláveis
• Resíduos sólidos tratáveis
• Resíduos sólidos incineráveis
• Resíduos sólidos para aterros
• Efluentes (líquidos, sólidos e gasosos)
Resíduos
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Logo, o processo consiste na transformação de entradas em saídas.
Em resumo
ProcessInput Output
Feedback
O processo químico compreende várias etapas
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Preparação das matérias-primas
Reações químicas
Embalagem
• OPERAÇÃO: é a ação direta dohomem e equipamentos sobre amatéria-prima e seus produtos(funções que devem ser executadas).
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• PROCESSO: é um conjunto deoperações físicas e transformaçõesquímicas que visam obter produtosfinais a partir de matérias-primas.
Milho
Panela
Sal
Óleo
Processo Pipoca
Operações unitárias
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Segundo Cremasco (2012), Operações Unitárias constituem-se etapasindividuais, visando ao tratamento e/ou separação e/ou transportefísico de matéria e/ou energia, presentes em um processo (bio)químico.
O que vale ressaltar é que em uma operação unitária existe umaalteração física ou uma separação sem ocorrer reação química.
Operações unitárias
Misturação Destilação Evaporação Absorção de gás Extração Processos de separação Secagem
Bombeamento de fluidos Troca de calor Transporte de sólidos Redução de tamanho Peneiração Filtração
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É a aplicação dos princípios da química, da física e dafísico-química (quando necessário, apoiadas por outrasciências) para a transformação da(s) matéria(s)-prima(s) em produtos.
Mas, o que é um PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL?
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Orgânicos
Inorgânicos
Processos industriais
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Processos orgânicos
Fermentação Aminação Carboxilação Hidrogenação Oxidação, dentre outros
Nitração Sulfonação Alquilação Esterificação Polimerização
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Processos inorgânicos
Cimento Vidro Ácidos Álcalis Tintas Explosivos
Tratamento de água Carboquímicos Petroquímica Gases combustíveis Gases industriais Cerâmica
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RENDIMENTO E CONVERSÃO
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100 x Mols do produto principal
Mols do produto principal correspondentes à desaparição completa do reagente mais
importante
Rendimento =
Dados químicos fundamentais
100 x Mols do produto principal
Mols do produto principal correspondentes à carga do reagente mais importante no
equilíbrio químico da reação
Conversão =
Exemplo
Síntese da amônia, a 150 atm e 500oC:
Rendimento é maior que 98%
Conversão 14%
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
Recirculação – economia do processo – equipamentos necessários
RENDIMENTO E CONVERSÃO
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Custosfixos
Custosvariáveis
$
Quantidade produzida
Custo totalde produção
Receita de vendas(faturamento)
Ponto deequilíbrio
X25
CUSTOS DE PRODUÇÃO
Levando em conta um único produto, podemos escrever aseguinte expressão a ser minimizada:
Onde:CT = custo total anualCF = custo fixo unitário (custos associados a cada unidade e que não
dependem de nova decisão. Ex. preço pago ao fornecedor)CA = custo médio unitário de armazenagem durante o anoCP = custo de preparação de máquinaD = demandaQ = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vezn = número de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q
CT = CF.D + CA.Q + CP.n
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CUSTOS DE PRODUÇÃO
Substituindo “ n ” na expressão de CT:
O objetivo é determinar qual valor de Q torna mínimo CT. A esse valorchamaremos de Lote Econômico de Fabricação (QE), que é dado pelaexpressão:
Expressão obtida a partir da derivaçãode CT em relação a Q e igualando a zero.
Q
DCQCDCC
.P.A.FT
A
PE
C
D.CQ
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CUSTOS DE PRODUÇÃO
Conhecidos os valores de CP e CA podemos, pela fórmula acima,calcular o valor do lote econômico QE
É comum expressar CA em função de CF (custo fixo), “ i “ (taxa dejuros) e de “ a “ (taxa de armazenamento), cuja expressão maisusada é:
2
)ai(CC
.FA
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CUSTOS DE PRODUÇÃO
O que mostra que o primeiro membro (CA.QE) é o custo dearmazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens deprodução e, portanto, quando a quantidade obtida for igual ao loteeconômico, os custos de armazenagem tornam-se iguais aos custosde obtenção.
É fácil perceber que a expressão 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 preparação)
CT (custo total)
Graficamente:
CUSTOS DE PRODUÇÃO
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A Indústria de alimentos MF Ltda está planejando as rodadas deprodução para sua linha de iogurtes. Em média, estima-se que o custode preparação de máquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendopouca diferenciação de um sabor e outro. O custo unitário médio defabricação foi calculado em R$ 300,00, sobre o qual, para efeito dearmazenagem, incidirá uma taxa total de 60% entre juros earmazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda para linha deiogurte light situar-se-á em torno de 5.000 caixas. Determinar:
a) Quantas caixas devem ser produzidas de cada vez;
b) Qual o custo total
Obs.: Cada caixa contém 1000 iogurtes. Não levar em conta o custo unitário do iogurte
Aplicação
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Solução
A
PE
C
DCQ
.
2
)(. aiCC
FA
902
6,0300
xCA
a) Número de caixas a serem produzidas de cada vez
409,10590
5000 200
xQE
Logo, o lote econômico será:
Cálculo 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
produção
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 químicos são classificados de acordo com oprocedimento de entrada e saída de matéria do volume decontrole em:
Processos em batelada;
Processos contínuos;
Processos semicontínuos.
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS
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Um equipamento é carregado com as matérias-primas, aoperação ou a conversão ocorrem após um tempodeterminado, quando então o produto é descarregado.
Processo Descontínuo (por batelada)
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O processo descontínuo é utilizado quando o volume de produção épequeno, quando o custo de produção é mais favorável que o do processocontínuo ou quando condições de segurança são fundamentais.
Exemplos:Polimerização, fabricação de produtosfarmacêuticos, de especialidadesquímicas
Autoclave de processamento de línter
Processos contínuos
Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e saídasfluem continuamente ao longo do tempo total de processo.
Centrífuga de processamento de celulose
Visor da centrífuga
Centrífuga
Exemplo:
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O processo contínuo exige uma instrumentação de processo maiscomplexa, que não somente registre, mas também controle asvariáveis do processo (temperatura, vazão, pressão...).
É necessário controlar os desvios e corrigi-los rapidamente.
Controle informatizado do processo.
Custos são altos para pequenas produções mas se diluem paragrandes produções.
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Processos contínuos
Processos semicontínuos
É qualquer processo que não se enquadre nas duas definiçõesanteriores.
Exemplos:
http://campingtotal.blogspot.com.br
http://duquedecaxias.olx.com.br
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39
Os três principais tipos de diagramas usados paradescrever os fluxos de correntes químicas através deum processo são:
– Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD)
– Fluxograma do processo (process flow diagram – PFD)
– Fluxogramas de tubulação e instrumentação (piping andinstrumentation diagram – P&ID):
TIPOS DE FLUXOGRAMAS
Fluxogramas de blocos
Permite a rápida visualização do processo.
Cada bloco ou retângulo representa uma operação unitária ouprocesso unitário.
entrada coagulação floculação
decantação ou sedimentação filtração desinfecção
distribuiçãoTratamento de água
Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:
– Correntes de entrada e saída são representadas por linhas retas quepodem ser horizontais ou verticais;
– A direção do fluxo deve ser claramente indicada por setas;
– As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem lógica;
– As operações unitárias (i.e blocos) devem ser rotulados;
– Quando possível, o diagrama deve ser arrumado de modo que ofluxo material ocorra da esquerda para a direita, com unidades amontante, à esquerda, e unidades a jusante, à direita.
Fluxograma do processo
Contém as informações necessárias para os balanços materiale energético do processo.
O fluxograma de processo apresenta as relações entre osprincipais componentes no sistema, bem como tabula osvalores projetados para o processo para os componentes nos
diferentes modos de operação: mínimo, normal e máximo.
Um fluxograma de processo inclui:
– tubulação do sistema;
– símbolos dos principais equipamentos, nomes e números deidentificação;
– Controles e válvulas que afetam a operação do sistema;
– interconexões com outros sistemas;
– principais rotas de by-pass e recirculação;
– taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura epressão para fluxos mínimo, normal e máximo;
– composição dos fluidos.
Exemplo
Fluxogramas de tubulação e instrumentação
Deve conter toda informação do processo necessária para aconstrução da planta.
• Mostram toda a tubulação incluindo a sequência física deramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação econtroles intertravados;
• São usados para operar o processo de produção;
• Devem apresentar todos os detalhes pertinentes ao processo.
Exemplo
Fonte: www.google.com.br
Industrialmente, os reatores químicos podem ser de váriosmateriais, formatos e dimensões, dependendo das condições emque a conversão química se realiza.
Os reagentes em excesso podem ou não retornar ao processo,formando o reciclo; pode haver catalisador ou não; o catalisadorpode estar em leito fixo ou em leito fluido.
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REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS
Para melhorar o rendimento nas reações químicas
realizadas em condições industriais, geralmente, é
desejável que um ou mais reagentes estejam em excesso
(em relação às quantidades teóricas previstas pelas
equações químicas).
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Exemplo: Processos de nitração
As quantidades máximas dos produtos formados serão
determinadas pela quantidade do REAGENTE-
LIMITANTE, que é aquele que não se encontra em
excesso; o qual servirá de base para o cálculo do
excesso dos demais.
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A equação química fornece informações quali- e quantitativas
essenciais para o cálculo das massas dos materiais envolvidos em
um processo químico, como por exemplo:
A equação química nos fornece, em termos de mols, as razões entre
reagentes e produtos (chamadas razões estequiométricas).
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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EQUAÇÃO QUÍMICA E ESTEQUIOMETRIA
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
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS