UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO
PROCESSOS QUÍMICOS III Professor Harrison
Objeti o Objetivo
Capacitar o aluno de Engenharia Química para identificação das etapas necessárias para transformação de matérias-primas em produtos desejados, bem como iniciá lo na leitura e interpretação de fluxogramas de processos industriais como iniciá-lo na leitura e interpretação de fluxogramas de processos industriais por meio da exemplificação de processos já conhecidos.
A li õ Avaliações
P1 + Trabalho
Bibliografia recomendada
SMITH, R., Chemical Process Design, McGraw-Hill, Inc., New York, 1995.
LUDWIG, E., Applied Process Design for chemical and petrochemical plants, Vol. 1, 3rd Edition Gulf Professional Publishing Houston 1999
Edition, Gulf Professional Publishing, Houston, 1999.
DANTAS,E., Tratamento de água de refrigeração e caldeiras, José Olympio Editor, 1988. WITTCOFF, H., Organic Chemistry Principles and Industrial Practice, Wiley-VCH, 2003. ROSSELOT, K., Pollution Prevention for Chemical Processes, John Wiley & Sons, 1997. HATCH, L., Chemistry of Petrochemical Processes, Gulf Professional Publishing, 2001.
Estruturação da Disciplina
Trocadores de calor Integração de Processos (IP) Saúde e Segurança O Trocador de calor tubo-duplo Representaçãode Processos Redução de Rejeitos
R
EVISÃ
O
Custo de trocador de
calor EIntegração éti
Industriais
IP para redução
R
calor
Rede de
t d d
Energética de rejeitos
industriais
trocadores de calor e utilidades
Trabalho
(Descrição de um Processo Químico
Industrial)
Análise Pinch
R l ã
Formulação do Projeto
(Noções Básicas)Novo projeto Æ concepção de acordo com as exigências de mercado (pureza, composição, viscosidade, densidade, etc.) é mais “fácil”
Quando a planta já se encontra em funcionamento Æ alterações para atendimento das exigências de mercado requerem atenção especial
Ex.: Planta industrial de caprolactama
A CPL é vendida em solução aquosa de até 65% (p/p) mas, por alguma mudança no mercado, a demanda é por um produto sob a forma de pó.
Alternativa: instalação de unidades de evaporação (thin layers) e de spray-dryers
E d h id d d ã d id d l d d ã ?
E quando houver necessidade de expansão da capacidade anual de produção?
Formulação do Projeto
(Noções Básicas)Estudo de caso: Indústria de óleo
A Nature Oil Co., produtora de óleos naturais, tem como principais consumidores asp p p empresas fabricantes de cosméticos. Para aumentar sua competitividade no mercado, seus diretores decidiram diversificar suas linhas de produtos para atender a demanda das empresas de alimentos e farmacêuticas. Em reunião com os engenheiros de processo, estabeleceu-se que a capacidade anual da planta (CAP) deveria passar dos atuais 10.000 t/a para 35.000 t/a.
A planta industrial baseia-se na produção de ácidos graxos a partir da hidrólise de óleos naturais, tendo a glicerina como principal subproduto.
Solução: instalação de uma nova bateria de colunas de destilação Æ obtenção de
l t ê t d á id (A B C)
pelo menos três correntes de ácidos graxos (A, B, C)
Os engenheiros também observaram a necessidade de aumentar a pureza de uma das correntes (C8 C10) que tinha teores de C12 entre 2 e 3% enquanto o das correntes (C8-C10), que tinha teores de C12 entre 2 e 3%, enquanto o mercado exigia um teor de até 1%
Formulação do Projeto
(estudo de caso)Formulação do Projeto
(estudo de caso)Detalhe dos leitos das colunas de destilação [Faesller et. AL, 2004].
Outro problema: cada coluna empregava uma quantidade de pratos entre 20 e 25, mas o aumento da capacidade exigia uma quantidade superior de pratos.
Formulação do Projeto
(estudo de caso)Fluxograma de processo atualizao [Faesller et. al, 2004].
O revamp deve levar em conta os equipamentos já existentes, avaliando sempre o
Formulação do Projeto
(Noções Básicas)Balanços de massa e de energia Æ auxiliam na contabilização da receita gerada pela empresa, bem como nos custos associados à fabricação de um dado produto
Receita: avaliar os produtos intermediários gerados pelo processo industrial EX.: Petroflex x Nitriflex (consumo de vapor x tratamento de efluentes)
Substituição de fornecedores de matérias-primas pode resultar em alteração físico-química do produto Æ resposta do processo diferente do estipulado na concepção original do projeto Æ necessidade de “correções” Æ modificação dos instrumentos de processos ou calibração
Incertezas no processo Æ conduzem à utilização de fatores de segurança
(“ di i t ”) Æ i ã l ilh d t d j t
(“superdimensionamento”) Æ previsão na planilha de custos de um projeto (contingenciamento – gastos futuros)
Representação de um Processo Químico
Um processo químico só será bem representado com o entendimento preliminar de cada uma das etapas que o compõem
Hierarquia de Decisões (modelo das “camadas de cebola”)
Auxilia na construção inicial do processo químico, baseando-se na identificação do componente principal do processo ou de uma unidade e seguindo para a do componente principal do processo ou de uma unidade e seguindo para a representação dos elementos de significância “menor” para o entendimento do processo
Modelo adotado para auxiliar na representação Modelo adotado para auxiliar na representação de um processo químico que transforma a matéria-prima A em produto B, através de um reator
Representação
Representação
Representação
Representação
Representação
Representação de um Processo Químico
(SILLA, 2003)Representação de um Processo Químico
Detalhe dos Filtros e dos vasos da bomba de vácuo
Representação de um Processo Químico
• Em uma indústria alimentícia, um dos subprodutos de uma reação é uma mistura rica em glicose e frutose, cuja concentração de frutose é de 2 kg/m3. Com o objetivo de preparar um concentrado de frutose com a intenção de revendê-lo aj p p ç uma indústria farmacêutica para a produção de xarope, o engenheiro químico da empresa optou pela instalação de uma coluna de adsorção (C-201) à base de carvão ativado, capaz de adsorver a glicose à 40ºC. A razão adsorvato/adsorvente é de 4:1. Considere que o efluente do reator contém material particulado, cuja presença reduz a eficiência da adsorção. Esboce o fluxograma de processo.
• A indústria Caticon, responsável pela produção de catalisadores, tem uma unidade responsável pela modificação estrutural de um catalisador específico (A),
l d t f d t li d B O t
o qual deve ser transformado em catalisador B. O processo ocorre em um reator em batelada, encamisado, com possibilidade de entrada de água de refrigeração e de vapor, para controle de temperatura interna. O reator é alimentado por uma corrente de ácido sulfúrico (25%) por uma corrente de água deionizada a 25ºC e corrente de ácido sulfúrico (25%), por uma corrente de água deionizada a 25ºC e pelo catalisador A, sob a forma de pó. Sabendo que o efluente do reator sai a uma temperatura de 70ºC e que o armazenamento é feito a 25ºC, esboce um possível fluxograma do processo
Representação de um Processo Químico
(Produção de estireno) (Produção de estireno)
Descrição geral:ç g
A principal matéria-prima do processo de produção de estireno é o etilbenzeno, sendo este produto proveniente de duto de uma planta industrial de etilbenzeno acoplado à planta de estireno.
O etilbenzeno é armazenado em tanques e bombeado para a área 200 onde ocorre a reação.
O etilbenzeno fresco proveniente da área 100 (armazenamento) é misturado ao reciclo do mesmo oriundo da recuperação (área 400). Essa corrente segue para um reator de três estágios, onde ocorre também a entrada de ar comprimido e
t t A i t d d t d ã íd é i d
vapor neste reator. A mistura de produtos de reação e resíduos é enviada para um vaso onde ocorre a separação das fases.
Os resíduos gasosos e condensados, provenientes do vaso são enviados para ETRI (área 600)
ico
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Chemical Process
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Representação de Processos Químicos
A representação esquemática de um processo químico industrial deve sempre ter o compromisso com o projeto pensado.
Deve contribuir para melhor entendimento do processo, auxiliando nos balançosp p ç de massa e energia, bem como na proposição de futuras modificações visando à redução de rejeitos industriais e/ou novas estratégias de controle.
Conforme a informação desejada e o grau de complexidade exigida, a representação pode ser feita sob as seguintes formas:
9 Diagramas de Blocos 9
9 Fluxogramas de Processos
Diagrama de Blocos
Diagrama
de blocos da queima do carvão.
Informações
em lb/h (W
Fluxograma de Processos
(Walas, 1990)Bandeiras para condições típicas do processo
P&I
(Simbologia)P&I
(Simbologia)P&I
(Simbologia)P&I
(Simbologia)P&I
(Simbologia)P&I
(Simbologia)P&I
Identifique os
instrumentos presentes
no fluxograma,
de acordo
com a
P&I
Identifique os
instrumentos presentes no
fluxograma, de
acordo com
a
Processos Químicos Industriais
Além dos fluxogramas empregados para melhor entendimento de um dado processo químico, torna-se essencial, um outro nível de detalhamento, imaginar
p q , , , g
como estarão distribuídas as unidades em um dado espaço disponível
Para tanto, deverão ser levados em conta alguns fatores:
9 Vizinhança (rural urbana de alta ou baixa densidade etc ) 9 Vizinhança (rural, urbana, de alta ou baixa densidade etc.)
9 Possibilidade de evacuação (disponibilidade de áreas de escapes e pontos de encontro)
9 Número de funcionários alocados em uma unidade de produção 9 Número de funcionários alocados em uma unidade de produção 9 Visibilidade
9 Presença de lençol freático
Processos Químicos Industriais
ALGUNS EXEMPLOS DE PROCESSOS
ALGUNS
EXEMPLOS
DE
PROCESSOS
Produção de enxofre
Produção de enxofre
Usado para:
9 Fabricação de ácido sulfúrico 9 Produção de fertilizantes
9
Produção de enxofre
(Shrieve, 2005)H2S + 3/2O2 SO2 + H2O
SO2 SO3
Produção de enxofre
Caldeira
FUNCIONAMENT
O
DE UMA
CALDEIRA
Ã
(DIVULGAÇ
Ã
Produção de enxofre
C ld i (I t t ã i d )
Caldeira (Instrumentação associada):
9 Visor de nível
9 Medidor de nível tipo “displacer” (deslocador) 9 Medidor de nível tipo displacer (deslocador)
Visores de nível
9 Utilizam o princípio de vasos comunicantes, oferecendo grande confiabilidade na leitura. Podem ser tubulares
ser tubulares
Produção de enxofre
D l d (Di l )
Deslocador (Displacer)
Sensor de transmissão de nível na forma de um cilindro maciço fabricado em diversos materiais (aço inox Monel Hastelloy Teflon etc ) A escolha do material diversos materiais (aço inox, Monel, Hastelloy, Teflon etc.). A escolha do material é determinada principalmente pela temperatura e corrosividade do fluido (0,35 < L < 3,00 m)
O displacer é ligado a um torque tube cuja rotação (4 a 5º) é usada em
instrumentos transmissores, registradores e controladores. O mesmo displacer
pode ser utilizado para efetuar switches de alto e baixo nível
pode ser utilizado para efetuar switches de alto e baixo nível
Produção de enxofre
Deslocador (
Displacer
Produção de enxofre
(Shrieve, 2005)9Transferência com aquecimento
9Bomba encamisada (aprox. 119°C)
Produção de enxofre
Produção de enxofre
Rotas de obtenção
Produção de enxofre
Conversor
catalítico
Produção de H
2
SO
4
Conversor
catalítico
Produção de H
2
SO
4
Produção de óleos e gorduras vegetais
(Shrieve, 2005)De um modo geral:
9
9 Coleta das oleaginosas (grãos, sementes, outras fontes ricas em tecidos vegetais)
9 T t t d l i ( i t d´á ) d t ã
9 Tratamento das oleaginosas (aquecimento com vapor d´água) – desnaturação de proteínas que possam afetar a qualidade do produto final
9 Remoção de cascas fibras e demais impurezas 9 Remoção de cascas, fibras e demais impurezas
9 Extração do óleo – por ação mecânica ou por extração com solvente
9 Purificação do óleo obtido
9 Tratamento (neutralização desmulcilaginação desodorização descoloração
9 Tratamento (neutralização, desmulcilaginação, desodorização, descoloração, hidrogenação)
Hidrogenação: usado para converter óleos em gorduras
Produção de óleos e gorduras vegetais
(Shrieve, 2005)Produção de óleos e gorduras vegetais
Produção de óleos e gorduras vegetais
Especificação de
correias
Produção de óleos e gorduras vegetais
FIG. 21-5 Bucket-elevator types and bucket details. (a) Centrifugal-discharge spaced buckets. (b) Positive-discharge spaced buckets. (c) Continuousbucket. (d) Supercapacity continuous bucket. (PERRY)
(a) Cestos separados para impedir interferência entre a carga e descarga
Produção de óleos e gorduras vegetais
(Shrieve, 2005)Papel e Celulose
(Perry)
9Discos submersos de 30 a 50% em um vaso contendo a lama a ser filtrada 9Aplicação de vácuo
Papel e Celulose
(Shrieve, 2005)Beneficiamento e processamento
Batedeira Máquina Jordan Batedeira Máquina Jordan
Papel e Celulose
(Shrieve, 2005)Beneficiamento e processamento
Máquina Fourdrinier
9 Controle da gramatura (g/m2) 9 Controle do teor de água
Ácido clorídrico
(Shrieve, 2005)9 Tratamento de sulfato de sódio com ácido sulfúrico 9 Reação endotérmica
9 Formação de bissulfato de sódio e HCl em uma primeira etapa 9 Formação de bissulfato de sódio e HCl, em uma primeira etapa
Bromo
(Shrieve, 2005)Gás carbônico
(Shrieve, 2005)9 A li ã i dú t i d b bid 9 Aplicação na indústria de bebidas 9 Fabricação de gelo seco
9 Obtido ou pela queima direta de fontes ricas em carbono ou como subprodutos de reações incluindo os bioprocessos
Processos de Refino de Petróleo
Principais constituintes de petróleo:
9 Hidrocarbonetos (alifáticos, olefínicos, naftênicos, aromáticos)
9 S di t
9 Sedimentos
9 Água
9 Compostos à base de enxofre 9 Compostos à base de nitrogênio 9 Compostos à base de nitrogênio
Processos de refino visam à redução e/ou eliminação das impurezas (compostos não hidrocarbônicos) presentes no óleo cru
não hidrocarbônicos) presentes no óleo cru
Essa eliminação tem o objetivo de adequar as correntes às especificações operacionais de processo ambientais e de produto
operacionais, de processo, ambientais e de produto
Processos de Refino: Agregação de valor à cadeia produtiva
9 Separação
9 Conversão química (craqueamentos térmico, catalítico, hidrocraqueamento, reforma a vapor)
9 Tratamento (desasfaltação a propano, desaromatização a furfural, desparafinação a metil-isobutilcetona)( ç p p , ç , p ç )
Craqueamento catalítico
(Shrieve, 2005)Zeólitas: aluminossilicatos constituídos por estruturas tetraédricas de óxidos de alumínio e silício unidos entre si por átomos de oxigênio
Difusão das moléculas de reagentes no estrutura porosa das zeólitas Difusão das moléculas de reagentes no estrutura porosa das zeólitas
(Luna et al, 2001)
Á
9 Áreas de contato elevadas para garantir a adsorção
9 Propriedades de adsorção de natureza hidrofóbica e hidrofílica 9 Possibilidade de criação de sítios ativos em sua estrutura
9 T h d id d í i i i d d