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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO Curso de Introdução a Engenharia Química I

PRINCÍPIOS E OPERAÇÕES

PRINCÍPIOS E OPERAÇÕES

PRINCÍPIOS E OPERAÇÕES

PRINCÍPIOS E OPERAÇÕES

UNITÁRIAS

UNITÁRIAS

UNITÁRIAS

UNITÁRIAS

Professores: André Luís Alberton

Antônio Carlos Moreira da Costa Marco Antônio Farah

Processos químicos

Como se desenvolve um produto químico?

PROCESSO Como transformar matéria-prima em produto final? Matéria-prima (MP) Produto de interesse, quimicamente diferente da MP

Tipicamente, este é o cenário.... REAÇÃO Matéria-prima Produtos de interesse!!! PURIFICAÇÃO R e a g e n te n ã o r e a g id o PURIFICAÇÃO Rejeitos Rejeitos Matéria-prima não pura:

Precisa purificar antes do reator.

Reator:

Não converte tudo, nem é 100% seletivo

Purificação adicional: Logo, é necessário purificar o que sai do reator. Reagente não

reagido retorna.

A questão a ser respondida aqui é:

Excetuando o reator, o que rege a escolha

das etapas do processo químico, quais as

operações (unitárias) e os princípios nelas

Nas disciplinas, as operações são divididas

em:

• Mecânicas e separação de fases heterogêneas (Op I)

▫ Bombeamento/Descompressão/Mistura/etc

▫ Sedimentação/Filtração/Centrifugação/Fluidização ▫ Flotação/Separação eletrostática e magnética*

• Térmicas (com e sem mudança de fase) (Op II)

▫ Trocadores de calor/ fornos ▫ Refrigeração/resfriamento

• Separação de fases homogêneas (Op III)

▫ Destilação/Absorção e esgotamento/Cristalização/Troca iônica/ Lixiviação/Secagem e umidificação/Adsorção/Extração líquido-líquido, etc

Modificando pressão (OP I) e

temperatura (e/ou fase) (OP II)

Modificando a pressão (OP I)

Bombas (para líquidos) e compressores (para gases) são empregados para aumentar a pressão de correntes. Tais equipamentos geralmente convertem energia elétrica em energia mecânica.

O aumento da pressão pode ser feito para garantir escoamento, ou ajustar a pressão para a condição necessária de entrada de outro equipamento. Bombas Líquido em baixa pressão Líquido em alta pressão Compressores Gás em baixa pressão Gás em alta pressão

Sopradores e ventiladores podem ser empregados para movimentação de gases, quando a potência requerida é baixa.

Para descompressão de uma corrente, tipicamente, empregam-se válvulas, que promovem perda de energia mecânica (“perda de pressão”).

Para gases, além de válvulas, podem ser empregadas expansores ou turbinas (quando deseja-se recuperar parte da energia da corrente que será perdida na descompressão).

Líquido ou gás em alta pressão Líquido ou gás em baixa pressão Válvula Expansores/ Turbinas Gás em alta pressão Gás em baixa pressão Energia

Esta abordagem é simplificada, porém, adequada para o nível atual de aprendizado

Para modificar a temperatura de uma corrente, a corrente deve atravessar um trocador de calor.

Modificando a temperatura (OP II)

Corrente em baixa T Corrente em alta T Aquecedor Corrente em alta T Corrente em baixa T Resfriador

Um caso especial são fornos. Nele, um combustível é queimado gerando um gás de alta temperatura que pode aquecer nossa corrente desejada. Corrente em baixa T Corrente em alta T Forno Combustível + ar

Os trocadores podem mudar a fase da corrente. Ao aquecer uma fase líquida, se vaporizar a corrente; ao resfriar um gás, pode-se condensá-lo. A reprepode-sentação dos trocadores é a mesma.

Modificando a fase (OP II)

Corrente líquida Corrente gasosa ou mista Aquecedor Corrente gasosa Corrente líquida ou mista Resfriador

Caldeiras ou fornos especiais permitem aumentar tanto T quanto P na mudança de fase. Corrente em baixa T e baixa P Corrente em alta T e alta P Caldeira Combustível + ar

Fases heterogêneas

Partículas sólidas (ex: ouro e areia) A B B A A B A B A B Fluido + partículas ou gotas dispersas (A) e (B)

A B

Fluido

Sólido + Sólido Partículas dispersas _{em um fluido}

Aqui é genérico: podem ser:

• Gotas de líquido em ar;

• Gotas de líquido em outro líquido (imiscível);

• Partículas sólidas em gás;

• Partículas sólidas em líquido;

Princípios de separação

Ação de um campo mais intenso sobre A do que sobre B. Modificação da trajetória. A B A A B B Velocidade com fluido que A e B são alimentados A B Fluido

Mudança de trajetória sob ação de campo (gravitacional, centrífugo, elétrico, magnético)

Equipamentos: Gravitacionais (câmaras de poeira, decantadores, vasos de separação gás-líquido, etc); Separadores centrífugos

(ciclones, centrífugas); Eletrostáticos (precipitador eletrostático); Magnéticos (separador magnético de sólidos).

Princípios de separação

Retenção por tamanho

A

B B

Fluido, A e B alimentados

A é retido pelo tamanho, enquanto o fluido e B atravessam o sistema

A

B Fluido, A e B alimentados A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + B

A é retido por afinidade eletrostática

A B A B Fluido, A e B alimentados

A é retido por afinidade eletrostática

Princípios de separação

Retenção por afinidade eletrostática

Equipamentos: Membranas funcionalizadas, flotação, etc Bolhas

Princípios de separação

Choque acompanhado ou não de coalescência (crescimento)

Fluido e partículas

ou gotas pequenas Chocam-se com barreiras estruturadas ou gotas maiores

Partículas podem ser coletadas diretamente pelo choque ou crescem

e agora podem ser coletadas

Equipamentos: Lavadores (ex. lavador Venturi), eliminadores de névoa (separação G+L), coalescedores para aumentar diâmetro de gota em separadores L+L, separadores de impacto para eliminação de poeira, etc

Ilustração de alguns equipamentos

Partículas saem por baixo com um pouco

de fluido Centrífuga decantadora Líquido sai por cima Partículas chocam-se e são coletadas Ciclone Fluido sai por cima Partículas são coletadas no fundo Precipitador eletrostático Gás atravessa Partículas eletricamente carregadas são atraídas às

placas

Separador magnético

Partículas magnéticas têm sua trajetória desviada pela ação de um

Ilustração de alguns equipamentos

Centrífuga filtrante (ex, máquina de lavar) Líquido atravessa Sólidos ficam retidos no filtro

Como escolher o sistema de separação?

Não há resposta fácil para esta pergunta!! Aliás, ela é muito complicada e dependerá de cada caso!!!

Apresentaremos alguns gráficos que estabelecem linhas gerais de escolha, mas são absolutas.

Uma destas linhas é: se a partícula cair com velocidade razoável sob a gravidade, escolhemos separadores gravitacionais. Se a partícula for muito pequena ou possuir baixa diferença de densidade em relação ao fluido, ela cai muito lentamente. Nestes casos, precisamos de outros separadores, como centrífugos, eletrostáticos, etc.

Aqui consideraremos que a separação G+L pode ser feita em vasos de separação gravitacional!!!

1 10 100 1000 10000 1 10 100

% de sólidos na alimentação

D

iâ

m

e

tr

o

d

e

p

a

rt

ícu

la

s

(μ

m

)

Sólido - líquido

D

iâ

m

e

tr

o

d

e

p

a

rt

ícu

la

s

(μ

m

)

Vazão de gás (ft

/min)

os d_p’s) Separadores úmidos (d_p>1μm) Precipitadores eletrostáticos ou Filtros ou Separadores úmidos (d_p>1μm)

Bancos com multiciclones de pequeno diâmetro (d_p>5μm)

Ciclones com elevado diâmetro e alta eficiência (d_p>15μm) Câmaras gravitacionais (d_p>50μm) 103 ₁₀4 ₁₀5 ₁₀6 10-1 100 10+1 10+2

Sólido - gás

Flotação

Separadores eletrostáticos Separadores magnéticos úmidos

Separadores magnéticos secos

Jigs Mesa separadora

Câmaras gravitacionais, ciclones Centrífugas Hidroseparadores Hidrociclones 0,001 0,01 0,1 1 10 100

Sólido - sólido

Diâmetro de partículas (μm)

Líquido-líquido (imiscível)

Figura- Seleção preliminar de sistemas de separação líquido-líquido (baseado em Rosseuau, 1987)

Ex 1-) Elabore as etapas de purificação de um ar. A composição do ar é dada nas Tabelas a seguir, sendo a pressão de alimentação 1,5 atm e a temperatura 55°C.

Deseja-se remover todas as partículas sólidas > 1 micra.

Deve-se também remover parte da água; para tanto, considere que, se você modificar a pressão para 4 atm e a temperatura para 12°C, boa parte da água irá se condensar, gerando uma mistura L+G, podendo ser separada para atingir a especificação desejada.

Elabore as etapas necessárias.

Espécie O₂ N₂ água Outros

Fração molar 0,20 0,76 0,03 <1%

Tabela – Composição dos gases

Particulados 1<D_P<10 micra 10<D_P<10 0micra

% na corrente 1% 1,2%

Processo

Partículas 10 < D_{P <100 μm} Partículas 1 < D_{P<10 μm}

O₂+N₂+outros

+água (pouca água)

Partículas 10 < D_{P<100 μm} Partículas 1 < D_{P <10 μm} + água

Vamos fazer em duas etapas para separação dos sólidos e depois a separação da água. Sep 1 Partículas 10 < D_{P<100 μm} Sep 2 Partículas 1 < D_{P <10 μm} Sep 3 Água líquida

Quando olhamos as tecnologias disponíveis, vemos que, pela faixa de diâmetro, podemos empregar ciclones para remoção de partículas entre 10 e 100 micra, e filtros para todos os diâmetros de partículas.

A água encontra-se em fase gás. Parte dela pode ser condensada ao reduzir a temperatura e aumentar a pressão: com isto, formaremos uma mistura heterogênea. A separação G+L pode ser feita em um vaso de separação gravitacional (as gotas caem).

Note que aumentar P e reduzir T pode ser feito inserindo-se um compressor e um trocador de calor, conforme segue:

CIclones Partículas 10 < D_{P<100 μm} Filtro Partículas 1 < D_{P <10 μm} Vaso Água (L)

Ex 2-) Em uma solução líquida contendo cristais, deseja-se obter tais cristais puros. Os cristais possuem diâmetro de partícula na faixa de 0,5 a 5 μm. Proponha as etapas necessária para obter os cristais secos.

Processo

Cristais secos

Água

Note que, pela faixa de diâmetros, podemos empregar filtros ou centrífugas. Vamos empregar centrífugas. Contudo, os cristais obtidos serão úmidos. Porém, serão essencialmente sólidos, mas úmidos. Podemos empregar a secagem. Logo, as etapas ficam:

Centrifugação

Água

Secagem

Princípios de separação

Uma estratégia é promover mudança de fase gerando uma mistura heterogênea. Tipicamente, a nova fase será mais rica em um

composto que em outro. Se fizermos múltiplas etapas, iremos cada vez mais enriquecer a fase em um composto.

Ex: ar + H₂O em fase G Ao resfriar e/ou aumentar a

pressão, parte da água se condensa. Formam-se duas

fases (L+G).

O líquido pode ser separado do gás em um vaso Resfriador Ex: Destilação (G) (L) Resfriador (G) (L) (G)+(L)

Seja A mais volátil. Ao condensar sucessivamente a fase gás, a fase líquida irá se enriquecer em B e a fase gás em A.

Princípios de separação

Seja uma mistura A+B homogênea.

Outra estratégia para separar a mistura é inserir outro composto C em fase distinta das demais. O composto A pode se transferir mais do que o composto B para a nova fase. A fase C pode ser fixa

(geralmente sólida) ou móvel (geralmente líquida). Note que depois, temos que separar A de C.

C

A irá se transferir para fase C

Fase C fixa (ex, filtro de carvão, coluna de adsorção, troca iônica)

B

Por um tempo, B sairá puro. Porém em dado momento, a coluna irá saturar, devendo ser

regenerada.

Fase C móvel (ex, coluna de absorção, extração L+L) A+B C C+A B Aqui, C é continuamente alimentado e retirado do equipamento

Fenômenos/Processos

Vamos primeiro estabelecer uma tendência. Tipicamente,

aumentar T e diminuir P favorecem a mudança ou transferência de massa para a fase mais fluida, e vice-versa (pense no gelo, água e vapor)

Fase Sólida Fase Líquida Fase Gás

Aumento de T e diminuição de P

Diminuição de T e aumento de P

A pressão influencia pouco a passagem da fase líquida para a sólida e vice versa, mas influencia muito quando há uma fase gás

Fenômenos/Processos

Extração L+L: ao colocar líquidos imiscíveis em contato, um pouco do líquido 1 irá para o líquido 2, e vice versa.

(L1) (L2) L1 irá para L2 e vice-versa Altas T favorecem a transferência de massa Fase 1 Fase 2

Transferência de massa entre fases: ao colocar duas fases em contato, SEMPRE, ainda que em quantidades muito pequenas, compostos da fase 1 serão transferidos para a fase 2 e

vice-versa!

Processos industriais como EXTRAÇÃO, ABSORÇÃO, ESGOTAMENTO, fazem uso deste princípio

Fenômenos/Processos

Absorção: ao colocar um gás em contato com o líquido, um pouco do gás irá para o líquido.

(G) (L) Gás será absorvido pelo líquido O processo é favorecido em baixa T e alta P

Esgotamento*: ao colocar um gás em contato com o líquido, um pouco do líquido também irá para a fase gás

(G) (L) Espécies da fase líquida se transferem para a fase gás O processo é favorecido em alta T e baixa P

Fenômenos/Processos

Um bom exemplo para compreender estes processos são garrafas de refrigerante. O refrigerante é gaseificado com CO₂

Para transferir CO₂ para o líquido, o processo industrial emprega baixa T e alta P

Se você esquentar o refrigerante, verá que começa a borbulhar. É porque o CO₂ que estava feliz da vida em fase líquida em baixa T

tentará passar para a fase gás em alta T

Se esquentada fechada, a garrafa está em alta pressão. Quando aberta a pressão será igualada com a pressão atmosférica (a pressão irá cair). Baixas pressões e altas temperaturas favorecem a saída do CO₂ da fase líquida. Por

Fenômenos/Processos

Adsorção: ao colocar um gás ou líquido em contato com um sólido, um pouco do fluido se ligará física ou quimicamente na superfície do sólido. (G ou L) (S) Fluido será adsorvido pelo sólido O processo é favorecido em baixa T e alta P

Dessorção: É o processo contrário. Quando moléculas adsorvidas saem da superfície do sólido.

O processo é favorecido em alta T e baixa P

Fenômenos/Processos

Um bom exemplo para compreender estes processos são filtros de carvão.

Filtros de carvão adsorvem uma série de impurezas da água, por exemplo.

Para purificação de correntes gasosas, o processo de adsorção é bastante empregado.

Neste caso, pode-se regenerar o adsorvente (ex carvão) ou por aquecimento ou por diminuição da pressão, ou ambas.

Depois de saturados, podemos purificar o carvão passando água quente (alta T favorece a dessorção)

Fenômenos/Processos

Troca iônica: similar à adsorção. Há uma resina catiônica ou aniônica, ou mista, que contém espécies iônicas “capturadas”. Inicialmente, a resina tipicamente possui H+ _{e/ou OH}

-“capturados”. Se a concentração de outros íons na solução (ex, Na+_{, Ca}2+

, SO42-) em que a resina está imersa for alta, ela trocará H+ _{e OH}- _{por estes íons. Ex de resina catiônica:}

Resina sólida iônica H+

- _{+ Na}+

Na+

- _{+ H}+

Espécie em

solução Resina sólida iônica

Espécie em solução

Podemos remover íons da solução, a vantagem é: liberamos H+ _{e OH} -(que nada mais é do que água). Como a reação é reversível, para

regenerar a resina, basta aumentar no meio a concentração de H+ e/ou OH- _{(no caso das aniônicas). Ou seja, regeneramos com um} ácido ou uma base.

Fenômenos/Processos

Cristalização: Consiste na formação de cristais sólidos a partir de

espécies dissolvidas em um líquido. Tipicamente, é feito reduzindo a temperatura e adicionando alguns cristais (sementes) sobre os quais as espécies dissolvidas vão crescer.

Adição de sementes Íons em solução Redução da temperatura Solução + cristais

Temos então uma mistura heterogênea

Fenômenos envolvidos

Evaporação: Quando apenas um composto vai pra fase vapor, podemos evaporar a solução (tipicamente empregada em

processos alimentícios, como concentração de sucos, por ex)

(L2)

Líquido irá evaporar

Secagem: Similar à evaporação, mas com sólidos. É empregada quando temos sólidos úmidos.

Calor A solução ficará mais concentrada Calor Sólidos úmidos Umidade Sólidos secos

Fenômenos envolvidos

Dissolução (lixiviação*): Dissolução de espécies sólidas em um líquido. Exemplo, dissolver açúcar em água.

Sólido irá se dissolver total ou parcialmente no líquido Obteremos uma solução Sólido Adição de líquido _Lixiviação favorecida em alta T

*Lixiviação é o nome do processo industrial onde dissolvemos sólidos, geralmente, quando queremos purificar um sólido, promovermos a dissolução preferencial de apenas

Ilustração de alguns equipamentos

A+B A B “A” é mais volátil A+B (G) B (G) C (L) C +A (L) Colunas de esgotamento B (G) B+ A (G) C +A (L) C (L)

Listas mais detalhadas de podem ser encontradas na literatura técnica, por ex. em: Couper et al. 2012, Chemical Process Equipment: Selection and Design, 3Ed, pg 21

Ilustração de alguns equipamentos

Listas mais detalhadas de podem ser encontradas na literatura técnica, por ex. em: Couper et al. 2012, Chemical Process Equipment: Selection and Design, 3Ed, pg 21

O p e ra n d o R e g e n e ra n d o Alta P Baixa P Colunas de extração A+B (L) B (L) C (L) C +A (L) A+H₂O (solução diluída)

Coisas interessantes

Recuperação de solvente em absorção

Se uma mistura A+B for separada por absorção, empregando um solvente (C) para absorver (A), teremos uma corrente C+A em fase líquida.

ABSORÇÃO

Precisaremos remover A de C para reutilizar no processo.

Podemos empregar uma destilação ou um processo de stripping DESTILAÇÃO OU STRIPPING

Ex 3-) Um gás B está contaminado com pequenas quantidades de A. Optou-se por empregar uma coluna de absorção, fazendo uso de um solvente C, com afinidade por A. Porém, após separação, C deve ser regenerado. Não há interesse econômico em A. Proponha as etapas necessárias. Pode-se fazer uso de gás inerte para separação.

Processo

A+B +

gás

inerte

B

A + gás

inerte

Empregaremos uma coluna de absorção para obter B “puro”. Para favorecer a passagem do A da fase gás para líquida, empregamos baixa T e alta P.

Contudo, a corrente de líquido que sai da coluna contém C+A. Precisamos eliminar A desta corrente para regenerar o solvente.

Isto pode ser feito em uma coluna de esgotamento com um gás inerte, ou em uma coluna de destilação. Esta segunda etapa objetiva remover A da fase líquida, devendo ser feita em maior T e menor P que a primeira.

A

b

s

o

rç

ã

o

E

s

g

o

ta

m

e

n

to

Devido à perdas inevitáveis, há pequena reposição de C, chamada

Ex 4-) Uma mistura A+B deve ser separada. A espécie A é adsorvida em carvão ativado, enquanto B praticamente não adsorve. Tanto A quanto B são líquidos, sem afinidade pela fase aquosa. Há interesse em obter tanto A quanto B.

Processo

A+B

B

A

O problema sugere que podemos empregar carvão ativado como adsorvente, A ficará retido enquanto B irá passar pela coluna. Para regenerar a coluna, após esta estar saturada com A, podemos subir a temperatura. Uma forma é empregar água quente ou vapor d’água como arraste. Depois, A+H₂O deve ser separado. Se empregarmos água líquida, basta utilizar um separador gravitacional L+L (imiscível); se empregarmos vapor d´’agua, basta também empregar um vaso de separação gravitacional G+L.

Alta T Água (L) O p e ra n d o R e g e n e ra n d o

A+B

B

Vamos empregar água líquida quente como inerte para regenerar a coluna. Neste caso, não vamos recuperar a água que sai do processo. Há alguns detalhes que vamos omitir por simplicidade.

Baixa T Água +A

_{Separação L+L}

(imiscível)

Bibliografia

• Rousseaul, Ronald W, ed. 1987. Handbook of Separation

Process Technology. John Wiley & Sons.

• Towler, G., and Ray Sinnott. 2008. Chemical Engineering

Design: Principle, Practice and Economics of Plant and

Process Design. Burlington: Butterworth-Heinemann.