PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I

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 química

http://www2.nord.com

http://www2.nord.com

Definição de processo químico

Define-se processo químico como qualquer operação ou conjunto de operações coordenadas que provocam transformações químicas e/ou físicas num material ou numa mistura de materiais.

Objetivo dos processos químicos

O objetivo dos processos químicos é a obtenção de produtos de

4 Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes fontes

de carbono:

mandioca

http://domescobar.blogspot.com.br

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

http://www.empat.com.br

cana

Exemplos de processos químicos

Shreve e Brink jr. (1980) detalham vários processos químicos, entre eles tem-se:

Tratamento de água;

Produtos carboquímicos; Indústria de cerâmica;

6 Fluxograma da produção de açúcar (C₁₂H₂₂O₁₁)

Fonte: Shreve; Brink jr. (1980) C₁₂H₂₂O₁₁

C₁₂H₂₂O₁₁

Fluxograma da produção de álcool (C₂H₅OH)

Fonte: Shreve; Brink jr. (1980) C₁₂H₂₂O₁₁

C₂H₅OH

C

H

O

+ H

O 

invertase

2C

H

O

Exemplo de processo químico

8

Análise de processos químicos

De acordo com os processos apresentados, as matérias-primas são transformadas em produtos através de uma sequência de etapas.

Essas etapas são denominadas operações unitárias da indústria química e são realizadas em equipamentos específicos, tais como moendas, evaporadores, centrífugas, secadores e colunas de destilação.

colunas de destilação

http://www.pulsarimagens.com.br

centrífuga

10 A análise dos processos químicos tem como objetivo a obtenção das quantidades e propriedades das correntes de produtos a partir 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 nos processos, tendo como base a lei de conservação de massa e

12

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)

Logo, o processo consiste na transformação de entradas em saídas.

Em resumo

Process

Input

_Output

O processo químico compreende várias etapas

Preparação das

matérias-primas

Reações químicas

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

16

• PROCESSO: é um conjunto de operações físicas e transformações químicas que visam obter produtos finais a partir de matérias-primas.

Milho Panela

Sal Óleo

 Operações unitárias

Segundo Cremasco (2012), Operações Unitárias constituem-se etapas individuais, visando ao tratamento e/ou separação e/ou transporte físico de matéria e/ou energia, presentes em um processo (bio) químico.

O que vale ressaltar é que em uma operação unitária existe uma alteração 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 18

É a aplicação dos princípios da química, da física e da

físico-química (quando necessário, apoiadas por outras

ciências) para a transformação da(s)

matéria(s)-prima(s) em produtos.

Orgânicos

Inorgânicos

Processos industriais

Processos orgânicos

 Fermentação

 Aminação

 Carboxilação

 Hidrogenação

 Oxidação, dentre outros

 Nitração

 Sulfonação

 Alquilação

 Esterificação

 Polimerização

Processos inorgânicos

 Cimento

 Vidro

 Ácidos

 Álcalis

 Tintas

 Explosivos

 Tratamento de água

 Carboquímicos

 Petroquímica

 Gases combustíveis

 Gases industriais

 Cerâmica

22

RENDIMENTO E CONVERSÃO

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

Exemplo

Síntese da amônia, a 150 atm e 500

o

_C:

Rendimento é maior que 98%

Conversão



14%

N

₂

+ 3H

₂

↔ 2NH

₃

Recirculação – economia do processo – equipamentos necessários

RENDIMENTO E CONVERSÃO

Custos fixos Custos variáveis

$

Custo total de produção Receita de vendas (faturamento) Ponto de equilíbrio

CUSTOS DE PRODUÇÃO

Levando em conta um único produto, podemos escrever a

seguinte expressão a ser minimizada:

Onde:

C_T = custo total anual

C_F = custo fixo unitário (custos associados a cada unidade e que não dependem de nova decisão. Ex. preço pago ao fornecedor)

C_A = custo médio unitário de armazenagem durante o ano C_P = custo de preparação de máquina

D = demanda

Q = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vez

n = número de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q

C

_T

= C

_F

.D + C

_A

.Q + C

_P

.n

26

CUSTOS DE PRODUÇÃO

Substituindo “ n ” na expressão de C_T:

O objetivo é determinar qual valor de Q torna mínimo C_T. A esse valor chamaremos de Lote Econômico de Fabricação (Q_E), que é dado pela expressão:

Expressão obtida a partir da derivação

Q

D

C

Q

C

D

C

C

T



F.



A.



P.

D

.

C

CUSTOS DE PRODUÇÃO

Conhecidos os valores de

C

_P

e

C

_A

podemos, pela fórmula acima,

calcular o valor do lote econômico

Q

_E

É comum expressar

C

_A

em função de

C

_F

(custo fixo)

, “

i

“ (taxa de

juros) e de “

a

“ (taxa de armazenamento), cuja expressão mais

usada é:

2

)

a

i

(

C

C

A F.





28

CUSTOS DE PRODUÇÃO

O que mostra que o primeiro membro

(C

_A

.Q

_E

)

é o custo de

armazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens de

produção e, portanto, quando a quantidade obtida for igual ao lote

É fácil perceber que a expressão de

Q

_E

(

) pode ser transformada em:

A P E

C

D

C

Q



.

E . P E A

Q

D

C

Q

.

C



Q Q_E C_F.D (custo fixo) C_A.Q (custo de armazenagem) R$ C_P.D/Q (custo de preparação) C_T(custo total)

Graficamente:

CUSTOS DE PRODUÇÃO

30

A Indústria de alimentos MF Ltda está planejando as rodadas de produção para sua linha de iogurtes. Em média, estima-se que o custo de preparação de máquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendo pouca diferenciação de um sabor e outro. O custo unitário médio de fabricação foi calculado em R$ 300,00, sobre o qual, para efeito de armazenagem, incidirá uma taxa total de 60% entre juros e armazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda para linha de iogurte 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

Solução

A P E

C

D

C

Q



.

2

)

(

.

i

a

C

C

A F





90

2

6

,

0

300

_



x

C

A

a) Número de caixas a serem produzidas de cada vez

409

,

105

90

5000

200





x

Q

E

Logo, o lote econômico será:

Cálculo de C

_A

c) Custo total e custo total em estoque

Parcela correspondente ao custo de armazenagem

Parcela correspondente ao custo de emitir ordens de

produção

C

_T

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

C

_T

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

105,409

Os processos químicos são classificados de acordo com o

procedimento de entrada e saída de matéria do volume de

controle em:

Processos em batelada;

Processos contínuos;

Processos semicontínuos.

CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS

Um equipamento é carregado com as matérias-primas, a

operação ou a conversão ocorrem após um tempo

determinado, quando então o produto é descarregado.

 Processo Descontínuo (por batelada)

O processo descontínuo é utilizado quando o volume de produção é

Exemplos:

Polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos, de especialidades químicas

 Processos contínuos

Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e saídas

fluem continuamente ao longo do tempo total de processo.

Centrífuga de processamento de celulose

Visor da centrífuga

Centrífuga

Exemplo:

O processo contínuo exige uma instrumentação de processo mais

complexa, que não somente registre, mas também controle as

variáveis 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 para

grandes produções.

Processos semicontínuos

É qualquer processo que não se enquadre nas duas definições anteriores.

Exemplos:

http://campingtotal.blogspot.com.br

http://duquedecaxias.olx.com.br

Os três principais tipos de diagramas usados para

descrever os fluxos de correntes químicas através de

um processo são:

– Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD) – Fluxograma do processo (process flow diagram – PFD)

– Fluxogramas de tubulação e instrumentação (piping and instrumentation diagram – P&ID):

Fluxogramas de blocos

Permite a rápida visualização do processo.

Cada bloco ou retângulo representa uma operação unitária ou processo unitário.

entrada coagulação floculação

decantação ou

sedimentação filtração desinfecção

distribuição

Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:

– Correntes de entrada e saída são representadas por linhas retas que podem 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 o fluxo material ocorra da esquerda para a direita, com unidades a

Fluxograma do processo

Contém as informações necessárias para os balanços material

e energético do processo.

O fluxograma de processo apresenta as relações entre os

principais componentes no sistema, bem como tabula os

valores 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 de identificação;

– 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 e pressão para fluxos mínimo, normal e máximo;

Fluxogramas de tubulação e instrumentação

Deve conter toda informação do processo necessária para a

construção da planta.

• Mostram toda a tubulação incluindo a sequência física de ramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação e controles intertravados;

• São usados para operar o processo de produção;

Exemplo

Industrialmente, os reatores químicos

podem ser de vários

materiais, formatos e dimensões, dependendo das condições em

que a conversão química se realiza.

Os reagentes em excesso podem ou não retornar ao processo,

formando o reciclo; pode haver catalisador ou não; o catalisador

pode estar em leito fixo ou em leito fluido.

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).

48

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

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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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