NOÇÕES SOBRE PROCESSOS QUÍMICOS (1)

1. NOÇÕES SOBREPROCESSOS QUÍMICOS(1) Atualização: 09 de agosto de 2007

2. 1.1.2 Sistemas 1.1.3 Correntes (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1.1.4 Equipamentos (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1.1.5 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1. Introdução 1.1 Primeiros Conceitos 1.1.1 Processos Químicos

3. Desde que surgiu no mundo, o homem vive do que a natureza lhe oferece em termos de alimentação e material para a produção de objetos. Em algum momento ele começou a tomar consciência de algumas leis naturais e passou a criar dispositivosprimitivos que lhe permitiam fazer uso desse conhecimento. Exemplos:alavanca, roldanas, rodas d'água, etc...

4. Com a evolução humana surgiram a Ciência e a Tecnologia: Ciência: estudo sistemático da natureza Tecnologia: aplicação prática do conhecimento adquirido O homem tornou-se capaz de criar dispositivos cada vez mais sofisticados, explorando os diversos fenômenos naturais que aprendeu a observar e compreender.

5. Fenômenos de natureza mecânica, química, eletro-eletrônica, nuclear e suas aplicações práticas: • mecânicos: veículos, grandes estruturas, máquinas complexas... • eletro-eletrônicos: geração e transmissão de energia, comunicações, eletrodomésticos, computadores, ... • químicos: combustíveis, plásticos, fertilizantes, produtos químicos de uso geral,... • nucleares: geração de energia

6. O conhecimento dos fenômenos e o ensino das aplicações práticas começou a ser organizado e difundido através de Cursos Superiores, especializados de acordo com os fenômenos explorados Por exemplo, na Escola de Química, são ministrados quatro Cursos : - Engenharia Química - Engenharia de Alimentos - Engenharia de Bioprocessos - Química Industrial

7. Esses Cursos estão voltados para o aproveitamento prático de uma classe de fenômenos que lhes são comuns: os fenômenos químicos, físico - químicos e bioquímicos. O resultado prático deste aproveitamento é a transformação de matérias primas em produtos químicos de interesse, em escala industrial.

8. Essa transformação exige diversas etapas. Processo Químico Matéria Prima Produto O conjunto de etapas constitui o Processo Químico As etapas ocorrem fisicamente no interior dos equipamentos (reatores, separadores, bombas, trocadores de calor) O conjunto dos equipamentos interligados constitui aPlanta Industrial.

9. PLANTA INDUSTRIAL Instalação física onde ocorre o processo de transformação da matéria prima no produto de interesse.

10. Processo Químico é um conceito abrangenteInclui todas as transformações químicas, sejam espontâneas, sejam resultantes da ação de catalisadores (processos catalíticos) ou de microrganismos (processos biotecnológicos)

11. RECAPITULANDO Homem Consciência de leis naturais  artefatos primitivos Ciência e Tecnologia  dispositivos complexos No nosso caso: Processos Químicos  Planta Industrial

12. Processo Químico Matéria Prima Produto O Engenheiro Químico é o profissional responsável pelo estudo dos fenômenos e do aproveitamento dos mesmos em cada etapa do processo, bem como da combinação das etapas formando o processo completo. Ele é também o profissional responsável pela operação da planta industrial e pelo funcionamento rentável da Empresa.

13. Como surgem um Processo Químico e uma Planta Industrial? Através de um Projeto

14. PROJETO É o conjunto de ações desenvolvidas Até Um plano bem definido para a construção e a operação da instalação industrial. DesdeA decisão de se produzir um determinado produto químico  É um conjunto numeroso e diversificado de ações !!!

15. Investigar disponibilidade de matéria prima Investigar mercado para o produto Calcular o consumo de utilidades Estabelecer o número e o tipo dos reatores Definir o fluxogramado processo Investigar reagentesplausíveis Calcular a vazão dascorrentes intermediárias Estabelecer as condições da reação e sub-produtos Avaliar a lucratividadedo processo Definir o número e o tipo de trocadores de calor Definir o número e o tipo dos separadores Calcular as dimensõesdos equipamentos Calcular o consumo de insumos Calcular o consumo de matéria prima Estabelecer malhas de controle

16. Para executar todas essas ações, o profissional necessita uma sólida formação que é fornecida pelos Cursos. Nesses Cursos, o conhecimento é organizado sob a forma de disciplinas logicamente concatenadas

17. As disciplinas analisam os fenômenos envolvidos em cada etapa do processo e ensinam uma série de cálculos matemáticos, dos mais simples aos mais complexos. Esses cálculos incluem o consumo de matéria prima e de insumos, o tamanho dos equipamentos, os custos financeiros, etc.

18. Investigar disponibilidade de matéria prima Investigar mercado para o produto Calcular o consumo de utilidades Estabelecer o número e o tipo dos reatores Definir o fluxogramado processo Investigar reagentesplausíveis Calcular a vazão dascorrentes intermediárias Estabelecer as condições da reação e sub-produtos Avaliar a lucratividadedo processo Definir o número e o tipo de trocadores de calor Definir o número e o tipo dos separadores Calcular as dimensõesdos equipamentos Calcular o consumo de insumos Calcular o consumo de matéria prima Estabelecer malhas de controle

19. Na base de todos esses cálculos se encontram os chamados balanços de massa e de energia. Sem eles os demais cálculos não podem ser efetuados.

20. 1. Introdução 1.1 Primeiros Conceitos 1.1.1 Processos Químicos 1.1.3 Correntes (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1.1.4 Equipamentos (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1.1.4 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1.1.2 Sistemas

21. O trabalho do Engenheiro Químico ganha em eficiência quando ele enfoca o processo como um SISTEMA

22. 1.1.2. SISTEMAS Denominação genérica aplicada a organismos, dispositivos ou instalações, com as seguintes características: (a) são conjuntos de elementos interdependentes (mediante conexões), cada umcapaz de executar uma ação específica. (b) a sua finalidadeé executar uma ação complexa resultante da combinação das ações dos seus elementos (não há um elemento capaz de executar sozinho a ação desejada). SISTEMA: elementos, conexões, finalidade

23. Os elementos e as conexões tanto podem ser concretos como abstratos. A finalidade tanto pode ser estabelecidacomo apenas constatada pelo homem. Isso torna o sistema um conceito bastante abrangente. (Quase tudo no mundo é um sistema...)

24. Processos Químicos como Sistemas Matéria Prima Produto Os Processos Químicos podem ser considerados como um tipo particular de Sistema em que Os elementos são osequipamentos. As conexões são as correntes. A finalidade é a transformação de uma matéria prima num produto de interesse comercial, de forma econômica, segura, limpa e em escala industrial.

25. ENGENHARIA DE SISTEMAS Campo do conhecimento que estuda Sistemas independentemente da natureza dos seus elementos. Desenvolve técnicas matemáticas poderosas de aplicação geral, a todos os ramos da Engenharia. ENGENHARIA QUÍMICA Sistema: instalação que transforma matérias primas em produtos.

26. Vantagem em se tratar os Processos Químicos como Sistemas Usar as ferramentas da Engenharia de Sistemas para projetar e analisar os Processos Químicos maneira formal e eficiente (tempo e custos).

27. A representação gráfica do sistema Processos Químico é chamada de B (I) B (I) B (I) REATOR SEPARADOR B (I) B (I) A C, B (I) C Fluxograma constituído pelos equipamentos e pelas correntes Eis um fluxograma típico de um processo (A + B  C) com impureza I

28. Conhecendo o Sistema Processo Químico Matéria Prima Produto Conhecendo as conexões:correntes. Conhecendo os elementos:equipamentos.

29. 1. Introdução 1.1 Primeiros Conceitos 1.1.1 Processos Químicos 1.1.2 Sistemas (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1.1.4 Equipamentos (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1.1.5 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1.2 Histórico da Engenharia Química 1.3 Dimensões e Unidades 1.4 Sistemas de Unidades 1.5Principais Parâmetros na Descrição de Correntes de Processos 1.1.3 Correntes

30. 1.1.4 CORRENTES Matéria Prima Produto São substâncias em trânsito de um equipamento para outro ou entrando ou saindo do processo através de um duto (fluidos) ou de uma esteira (sólidos). As correntes são as conexões do sistema Processo Químico.

31. (a) Correntes Típicas em Processos (A + B  C) REATOR SEPARADOR Conversão total de A e parcial de BPresença de impureza inerte I com B Evita o acúmulo da impureza inerte I que "apaga" a reação (perda de B) Reposição (“make up”)do reagente B B (I) Reciclo B (I) Reaproveitamento do reagente B não consumido Purga B (I) B (I) Saída Alimentação A C, B (I) C As correntes são caracterizadas pelas propriedades físicas das suas substâncias. Mas a variável mais importante é a sua VAZÃO

32. Vazão Quantidade de matéria transportada por unidade de tempo - Mássica - Por componente: fij = massa de i na corrente j/tempo [kg i/h] - Total: Fj = fij [kg/h] - Molar - Por componente: fij = mol de i na corrente j/tempo [kmol i/h] - Total: Fj = fij [kmol/h] - Volumétrica - Por componente: fij = volume de i na corrente j/tempo [m3 i/h] - Total: Fj = fij [m3/h]

33. (b) Variáveis Características de Correntes Correntes são constituídas de substâncias puras ou de misturas. Variáveis características das substâncias - quantidade de matéria (armazenada, escoando, reagindo…), expressa em gmol, lbmol, g, kg, ton, lbm, slug… - estado físico: sólido, líquido, gás, vapor. - densidade: quantidade de matéria por unidade de volume ocupado, expressa em g/cm3, lbm/ft3, g/l, … - capacidade calorífica: quantidade de calor necessária para elevar a unidade de massa de um grau . Expressa em cal/g oC , BTU/lb oF - viscosidade: indicador da resistência ao escoamento, expressa em poise. - pressão e temperatura: afetam as propriedades físicas e a velocidade de reação.

34. Densidade, Volume Específico, Densidade Relativa Densidade:quantidade de matéria por unidade de volume ocupado . Mássica () : g/cm3, lb/ft3, … Molar (mol) : gmol/cm3, lbmol/ft3…  =  (P, T)

35. Variáveis características de misturas - frações - concentração - propriedades de misturas

36. FRAÇÕES Fração mássica Para uma mistura de n componentes, cada um com a massa mi: - massa total: M = mi - fração mássica do componente i: xi = mi/M (adimensional) Pela definição de xi: xi = (mi/M) = (1/M) mi = 1 (!!!)

37. FRAÇÕES Fração molar Para uma mistura de n componentes, cada um com ni mol: - mol total: N = ni - fração molar do componente i: xi = ni/N (adimensional) Pela definição de xi: xi = (ni/N)= (1/N) ni= 1

38. FRAÇÕES Fração volumétrica Para uma mistura de n componentes, cada um ocupando o volume vi : - volume total: V = vi - fração volumétrica do componente i: xi=vi/V (adimensional) Pela definição de vi: xi = (vi/V)= (1/V) vi= 1

39. Exemplo: Mistura de O2, CO, CO2 e N2. (a) composição mássica ? (b) composição molar (c) massa molecular média ? Fraçãomássica Fraçãomolar m (g) x = m / m M (g/gmol) n =m /M z = n / n z M i i i i i i i i i i i O 16 0,16 32 0,500 0,152 4,86 2 CO 4 0,04 28 0,143 0,044 1,23 CO 17 0,17 44 0,386 0,118 5,19 2 N 63 0,63 28 2,250 0,686 19,21 2 m = 100 n = 3,279 30,49

40. Concentração Representa a quantidade de um soluto por unidade de volume de um solvente ou da solução (mistura). - Mássica: massa de soluto/volume de solução [g/l,kg/m3,lb/ft3,… - Molar:mol de soluto/volume de solução [gmol/l, gmol/m3, lbmol/ft3 (molaridade) - Molalidade: mol de soluto/massa de solvente [gmol/kg] (pouco usada em engenharia) - Parte por milhão (ppm): uma parte do soluto por 1 milhão de partes do solvente. Usado para soluções muito diluídas.

41. 1. Introdução 1.1 Primeiros Conceitos 1.1.1 Processos Químicos 1.1.2 Sistemas 1.1.3 Correntes (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1.1.5 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1.2 Histórico da Engenharia Química 1.3 Dimensões e Unidades 1.4 Sistemas de Unidades 1.5Principais Parâmetros na Descrição de Correntes de Processos 1.1.4 Equipamentos

42. 1.1.5 EQUIPAMENTOS Os equipamentos são os elementos do sistema processo químico. Matéria Prima Produto São dispositivos especialmente concebidos para abrigar fenômenos naturais provocados intencionalmente e de forma controlada com alguma finalidade prática.

43. 5.1 Principais Equipamentos de Processos Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos Reação Separação Integração Material e Energética Controle

44. Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos Reação: transformação química da matéria prima no produto. Realizada em diversos tipos de reatores. Separação: consiste em separar o produto principal da reação dos sub-produtos e de resíduos dos reagentes, bem como impurezas dos reagentes. Realizada em diversos tipos de separadores.

45. Integração Material e Energética: Movimentação material de reagentes, produtos e subprodutos, executada por bombas, compressores e sistemas de tubulações. Fornecimento e remoção de energia dos equipamentos, executado por trocadores de calor, fornos e caldeiras. Controle: Manutenção do processo em condições operacionais estáveis e seguras, corrigindo perturbações, garantindo a qualidade do produto e a segurança da instalação. Executado por instrumentos de medição e controladores.

46. Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos REAÇÃO Transformação química da matéria prima no produto. Realizada em diversos tipos de reatores.

47. REATOR TANQUE AGITADO Operação em batelada ou contínua

48. REATOR TUBULAR

49. Operações Típicas Realizadas pelos Equipamentos SEPARAÇÃO Consiste em separar o produto principal da reação dos sub-produtos e de resíduos dos reagentes, bem como impurezas dos reagentes. Realizada em diversos tipos de separadores.

50. TORRE DE DESTILAÇÃO