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Técnico em Química Indústria de Processos Químicos Prof. Ms. Vonivaldo Gonçalves Leão.

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1 Técnico em Química Indústria de Processos Químicos Prof. Ms. Vonivaldo Gonçalves Leão

2 2014 Curso: Técnico em Química Integrado Disciplina: Indústria de Processos Químicos Carga horária: 120 horas-aula Objetivos: Proporcionar aos estudantes conhecimentos- chave relacionados aos processos da indústria de transformação química Plano de Ensino

3 Ementa Conceitos do processamento químico industrial. Operações unitárias nas indústrias químicas. Classificação dos processos de produção química. Classificação das indústrias químicas e seus segmentos. Tipos de fluxogramas. Necessidade de energia nas indústrias químicas. Processos químicos industriais. Indústrias químicas e o meio ambiente. Plano de Ensino

4 Conteúdo Programático 1. CONCEITOS DO PROCESSAMENTO QUÍMICO INDUSTRIAL 2. OPERAÇÕES UNITÁRIAS NAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS 3. CLASSIFICAÇÃO DE PROCESSOS DE PRODUÇÃO QUÍMICA 3.1 Batelada 3.2 Contínuos 3.3 Semi-contínuos 4. TIPOS DE FLUXOGRAMAS Plano de Ensino

5 5. CLASSIFICAÇÃO DAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS E SEUS SEGMENTOS 5.1 Fabricação de produtos químicos inorgânicos 5.2 Fabricação de produtos químicos orgânicos 5.3 Fabricação de resinas e elastômeros 5.4 Fabricação de fibras artificiais 5.5 Fabricação de defensivos agrícolas e desinfetantes domissanitários 5.6 Fabricação de sabões, detergentes, produtos de limpeza, cosméticos, produtos de perfumaria de higiene pessoal. 5.7 Fabricação de tintas, vernizes, esmaltes, lacas e produtos afins 5.8 Fabricação de produtos e preparados químicos diversos 5.9 Fabricação de produtos farmoquímicos e farmacêuticos Plano de Ensino

6 6. NECESSIDADES DE ENERGIA NAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS 7. INDÚSTRIAS QUÍMICAS E O MEIO AMBIENTE 8.1 Impactos ambientais 8.2 Impactos econômicos 8.3 Impactos sociais Plano de Ensino

7 8. PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS 7.1 Tratamento de água para uso doméstico e industrial 7.2 Produtos carboquímicos 7.3 Indústrias de cerâmicas 7.4 Indústrias de álcool e derivados 7.5 Indústrias agroquímicas 7.6 Sabões e detergentes 7.7 Indústria petroquímica e 7.8 Refinação do Petróleo 7.9 Indústrias farmacêuticas 7.10 Processos químicos na metalurgia Plano de Ensino

8 As aulas serão teóricas. As aulas teóricas serão expositivas com exercícios descritivos em classe. Trabalhos sobre temas específicos preparados pelos alunos. Método de Ensino

9 Serão realizadas duas avaliações no semestre, A1 e A2. As notas destas avaliações serão compostas da seguinte forma: Prova escrita: Peso 8 (oito) Exercícios em sala de aula, atividades extra classe e Seminários: Peso 2 (dois) Nota da A1 ou A2 = Prova Escrita x 0,8 + Nota de Exercícios x 0,2 A nota semestral será resultado da média das duas avaliações, ou seja, (A1 + A2)/2. Será realizada uma prova substitutiva (P3) para o aluno que não pôde fazer a prova P1 ou P2. Para a prova P3 será considerado toda a matéria do semestre. No caso do aluno perder as duas primeiras provas, ou seja, P1 e P2, a prova P3 substituirá apenas uma delas. Caso a média seja menor que 5,0 (cinco), o aluno deverá fazer a prova de recuperação. Na prova de recuperação o aluno será avaliado como suficiente ou insuficiente. Caso seja suficiente receberá a média final igual a 5,0 (cinco). Método de Avaliação

10 Bibliografia Básica SHREVE, R. Norris, JUNIOR, Joseph A. Brink. Indústrias de Processos Químicos. Editora: Guanabara, Rio de Janeiro, ª. Ed. ABIQUIM - Bibliografia Complementar: FELDER, Richard M., ROUSSEAU, Ronald W., Princípios Elementares de Processos Químicos, Editora: LTC, 2005, 3ª. Ed. Referências Bibliográficas

11 O processamento químico pode ser definido como o processamento industrial de matérias-primas químicas, que leva à obtenção de produtos com valor industrial realçado. Em todas as operações químicas, estão intimamente envolvidas operações físicas, como transferência de calor e controle de temperatura, que são necessárias para garantir bons rendimentos que são indispensáveis nas indústrias competitivas. Outro exemplo seria a transferência de massa em forma líquida ou de sólidos em suspensão, de um lugar para o outro para um reator químico Conceitos de Processos Químicos Industriais

12 Processo químico MATÉRIAS- PRIMAS MÃO-DE- OBRA RECURSOS PRODUTO RESÍDUOS Conceitos de Processos Químicos Industriais

13 Indústria Química Quando a matéria prima não sofre transformação química, para a obtenção de produtos, dizemos que ela foi submetida às OPERAÇÕES UNITÁRIAS; ao contrário, quando a matéria prima sofre transformação química, temos a chamada CONVERSÃO QUÍMICA ou PROCESSO UNITÁRIO. Este processamento industrial químico, em geral, envolve: Conceitos de Processos Químicos Industriais

14 Indústria Química Operações Unitárias Operações Unitárias ou Operações Físicas, podem ser: Bombeamento de fluidos Destilação Troca de calor Evaporação Transporte de sólidos Absorção de gás Extração Controle de Calor Peneiração Processos de separação Filtração Secagem Misturação Conceitos de Processos Químicos Industriais

15 Indústria Química – Processos Unitários – Processos Unitários ou Conversão Química exemplo – obtenção de ácido sulfúrico (H 2 SO 4 )a partir do enxofre: » S + O 2 SO 2 » SO 2 + 1/2O 2 SO 3 » Solução aquosa de SO 3 H 2 SO 4 Conceitos de Processos Químicos Industriais

16 Industria Química A produção em escala industrial de um produto envolve três fases: 1.Desenvolvimento em laboratório - estudo detalhado das conversões químicas e das condições físicas (temperatura, quantidades, catalisadores, etc.) necessárias para sua execução; 2.Desenvolvimento do produto em escala semi-industrial - equipamentos que reproduzem o processo planejado - conversão química e operações físicas necessárias numa escala bem menor que a industrial. 3.Projeto e implantação do processo em escala industrial. Conceitos de Processos Químicos Industriais

17 1.Dados químicos fundamentais Rendimentos da reação: Conversão na reação: Ex: Na síntese da amônia a 150 atm e 500º. C, o rendimento é frequentemente acima de 98% enquanto a conversão está limitada a cerca de 14%, o que significa que 86% da carga não reagem e devem ser recirculados. Rendimento percentual = 100 x Moles do produto principal Moles do produto principal equivalentes à desaparição completa do reagente mais importante Rendimento percentual = 100 x Moles do produto principal Moles do produto principal equivalentes à carga do reagente mais importante Conceitos de Processos Químicos Industriais

18 1.Dados químicos fundamentais Velocidade da reação - rapidez de avanço da reação, catálise, cinética Termodinâmica - troca de energia envolvidas na reação química e energia necessária de fontes externas como calor ou potência. Conceitos de Processos Químicos Industriais

19 2. Tipo do Processo Processo contínuo - Opera em volumes maiores e variedade ainda menor que a produção em massa. Geralmente são literalmente contínuos, pois seus produtos são indivisíveis e produzidos em fluxo ininterrupto. São associados a tecnologias relativamente inflexíveis, de capital intensivo e fluxo altamente previsível. Exs.: refinarias de petróleo, petroquímicas, produção de papel em larga escala, usinas de eletricidade, de tratamento de água. Conceitos de Processos Químicos Industriais

20 Produção em Massa Produzem bens em altos volumes e com variedade relativamente baixa, em termos de aspectos fundamentais de produto. Exemplo típico: montagem final de automóveis – o projeto básico é o mesmo, mas pode haver grande variedade de opcionais, cores, motorização. Outros exemplos: fabricação de bebidas, injeção de plásticos em alto volume. Conceitos de Processos Químicos Industriais

21 2. Tipo do Processo Processo descontínuo (bateladas) – Os processos são usados quando a produção é pequena ou em reações de segurança; Exigem que se operem pequenas quantidades de cada vez, como é o caso de explosivos, esse processos propicia uma ótima cinética e é frequentemente mais fácil de ser controlado; Cada batelada é um sistema fechado e a massa de cada batelada é fixa; O tempo de reação para todos os elementos do fluido é o mesmo; A composição da batelada muda com o respectivo tempo; A batelada é uniforme a partir de um determinado tempo devido a eficiente agitação;. Ex: polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos. Conceitos de Processos Químicos Industriais

22 2. Tipo do Processo Processo descontínuo (bateladas) – Na indústria química, é típico de produtos com maior valor agregado, com especificações direcionadas a um tipo de cliente e menores volumes. Exs. Polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos, de especialidades químicas.. Ex: polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos. Conceitos de Processos Químicos Industriais

23 2. Tipo do Processo Processo Semi- Contínuo: Processo Semi- Contínuo: São processos onde as partidas ( bateladas) do mesmo produto são feitas uma após a outra. ou Onde uma parte do processamento é feito em batelada e a outra parte é feita de forma contínua. Conceitos de Processos Químicos Industriais

24 3. Fluxogramas para representar um processo químico : Servem de base para o projeto e a operação na planta-piloto e na fábrica. O fluxograma deve conter as operações unitárias, as conversões químicas, o equipamento utilizado, o balanço de massa e de energia, mão-de-obra e utilidades. Conceitos de Processos Químicos Industriais

25 4. Escolha do processo químico, projeto e operação Esta etapa envolve análise para planejamento e operação eficientes das plantas-piloto e de produção, projeto e execução da planta piloto, definição dos equipamentos, materiais de construção, análise de durabilidade e corrosão no processo, instrumentação e automação do processo, definições de variáveis como pressões, alto-vácuo, etc... Conceitos de Processos Químicos Industriais

26 5. Controle e instrumentação dos processos químicos: Isto inclui definição da estratégia de controle e monitoração do processo - automatizado ou manual. Na maioria dos processos competitivos, a monitoração, controle e operação é em sua, maioria, automatizada e controlada por computador. Conceitos de Processos Químicos Industriais

27 Técnico em Química 6. Economia do processo químico: Prevê a análise e avaliação dos processos competitivos, avaliação dos investimentos, tempo para retorno do investimentos, despesas gerais (seguro, impostos, consultorias), capital (juros e depreciação), fatores de produção, reparos e manutenção, custos globais. Conceitos de Processos Químicos Industriais

28 7.Avaliação do mercado - Planejamento de Marketing: Sugere a avaliação de estatísticas de crescimento de mercado, localização dos mercados, durabilidade do produto, tipos de embalagens, estratégias de vendas e serviços pós-venda. Conceitos de Processos Químicos Industriais

29 8. Localização da fábrica: A definição da localização inclui a avaliação das matérias-primas envolvidas, transporte e mercado, logística de suprimentos e distribuição. Outros fatores como energia, água, disponibilidade de mão-de-obra, custos de terreno, descarte dos rejeitos interferem na escolha da localização. Conceitos de Processos Químicos Industriais

30 9. Segurança, avaliação dos riscos para saúde ocupacional e meio ambiente: No projeto de qualquer processo químico é fundamental a avaliação e minimização de impactos ambientais e na saúde e segurança dos operadores. Existem ferramentas de análise dos riscos e todo processo deve estar em conformidade com a legislação ambiental. Conceitos de Processos Químicos Industriais

31 10. Construção da fábrica: Normalmente, é confiada a empresas especializadas em construção de fábricas. Conceitos de Processos Químicos Industriais

32 11. Melhoria contínua e otimização de processos: Uso das ferramentas da qualidade, buscando maior eficiência nos processos. Conceitos de Processos Químicos Industriais

33 Fluxogramas Os fluxogramas são parte fundamental em um projeto, estes apresentam a seqüência coordenada das conversões químicas unitárias e das operações unitárias, expondo assim, os aspectos básicos do processo. É o mais efetivo meio de comunicar informações sobre um processo industrial. Indicam pontos de entrada das matérias-primas e da energia necessária e também os pontos de remoção do produto e dos subprodutos. Na avaliação global do processo, desde sua concepção inicial até o fluxograma detalhado para o projeto e operação da planta, é preciso desenhar muitos fluxogramas. Conceitos de Processos Químicos Industriais

34 Tipos de fluxogramas Os três principais tipos de diagramas usados para descrever os fluxos de correntes químicas através de um processo são: – a) Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD) – b) Fluxograma do processo (process flow diagram – PFD) – c) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (pipping and instrumentation diagram – P&ID): Conceitos de Processos Químicos Industriais

35 Fluxogramas de blocos São úteis na conceitualização de um processo ou de um número de processos em um grande complexo. Pouca informação sobre as correntes é fornecida, mas uma clara visão geral do processo é apresentada. Conceitos de Processos Químicos Industriais

36 Fluxogramas de blocos Tanque de liquido TL01 Tanque de liquido TL02 Misturador M08 Reator R102 Separador S56 Os blocos ou retângulos representam uma operação unitária ou processo unitário. Os blocos são conectados por linhas retas que representam as correntes de fluxo do processo entre as unidades. Essas correntes de fluxo podem ser misturas de líquidos, gases e sólidos fluindo em dutos ou sólidos sendo transportados em correias transportadoras. Conceitos de Processos Químicos Industriais

37 Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos: – Operações ou processos unitários tais como misturadores, separadores, reatores, colunas de destilação e trocadores de calor são usualmente denotados por um bloco simples ou retangulo. – Grupos de operações unitárias podem ser denotados por um bloco simples. – Correntes de fluxo do processo entrando e saindo dos blocos 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 montante, à esquerda, e unidades a jusante, à direita. Fluxogramas de blocos Conceitos de Processos Químicos Industriais

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39 Fluxograma do processo Contém toda informação necessária para os balanços material e energético completos no processo. Adicionalmente, informações importantes tais como a pressão das correntes, tamanhos de equipamentos e principais controles são incluídos. Conceitos de Processos Químicos Industriais

40 Fluxogramas de processo Conceitos de Processos Químicos Industriais

41 Fluxogramas de processo Um fluxograma de processo mostra as relações entre os principais componentes no sistema. Ele também tabula os valores projetados para o processo para os componentes nos diferentes modos de operação, tipicamente mínimo, normal e máximo. Conceitos de Processos Químicos Industriais

42 Fluxogramas de processo 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 – composição dos fluidos Conceitos de Processos Químicos Industriais

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44 Fluxogramas de processo Conceitos de Processos Químicos Industriais

45 Fluxogramas de tubulação e instrumentação Contém toda informação do processo necessária para a construção da planta. Estes dados incluem tamanho dos tubos (dimensionamento da tubulação e localização de toda instrumentação para ambas as correntes de processo e de utilidades). Conceitos de Processos Químicos Industriais

46 Fluxogramas de tubulação e instrumentação Conceitos de Processos Químicos Industriais

47 Fluxogramas de tubulação e instrumentação Este fluxogramas mostram toda a tubulação incluindo a seqüência física de ramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação e controles intertravados. Estes fluxogramas são usados para operar o processo de produção. Conceitos de Processos Químicos Industriais

48 Fluxogramas de tubulação e instrumentação Um FTI deve incluir: Instrumentação e designações Equipamentos mecânicos com nomes e números Todas as válvulas e suas identificações Processo de tubulação, tamanhos e identificação Micelânea: ventilação, drenagem, amostragem, redutores, aumentadores Permanent start-up and flush lines Direção dos fluxos Referencias das interconexões Controles de inputs, outputs e intertravamento Nível de qualidade Sistemas de controle computadorizados Identificação dos componentes e subsistemas entregues por outros Seqüencia física dos equipamentos Conceitos de Processos Químicos Industriais

49 O que é indústria química? Os produtos químicos podem ser agrupados em dois grandes blocos:

50 Conceitos de Processos Químicos Industriais Produtos químicos de uso industrial Produtos inorgânicos Produtos orgânicos Resinas e elastômeros Produtos e preparados químicos diversos

51 Produtos químicos de uso industrial Tratamento de água Carboquímicos Petroquímica Gases combustíveis Gases industriais Cerâmica Cimento Vidro Ácidos Álcalis Sais Tintas Explosivos Corantes Plásticos Fibras sintéticas Borracha Detergentes e sabões Perfumes, aromatizantes Alimentos Agroquímicos Óleos, gorduras Açúcar e amido Fermentação Papel e celulose Indústria de fósforo Indústria de potássio Indústria de nitrogênio Plásticos Fibras sintéticas Borracha

52 Produtos químicos de uso industrial REAÇÕES ORGÂNICAS NITRAÇÃO SULFONAÇÃO ALQUILAÇÃO ESTERIFICAÇÃO POLIMERIZAÇÃO FERMENTAÇÃO AMINAÇÃO CARBOXILAÇÃO HIDROGENAÇÃO OXIDAÇÃO, ETC

53 Produtos químicos de uso final Produtos farmacêuticos Higiene pessoal, perfumaria e cosméticos Adubos e fertilizantes Defensivos agrícolas Sabões, detergentes e produtos de limpeza Tintas, esmaltes e vernizes Outros

54 US$ 2,8 Produtos químicos de uso industrial US$ 61,2 Produtos farmacêu- ticos Higiene pessoal, perfumaria e cosméticos US$ 10,4 Adubos e fertilizantes US$ 14,2 Defensivos agrícolas US$ 7,0 Sabões e detergentes US$ 6,3 US$ 3,0 vernizes Tintas, esmaltes e Total: US$ 122 bilhões Faturamento líquido Indústria química

55 A indústria química brasileira está entre as 10 maiores do mundo

56 Ranking da indústria química mundial Faturamento líquido em US$ bilhões Estados Unidos China Alemanha Japão França Coréia Reino Unido Itália Brasil Índia Espanha65 9ª posição

57 Onde estão os produtos químicos? Alguns exemplos:

58 Tratamento de água cloro dióxido de cloro São utilizados para oxidar detritos e destruir microorganismos cloreto de ferro sulfato de alumínio Absorvem e precipitam a sujeira, eliminando cor, gosto e odores carvão ativo Retém micropoluentes e detergentes hidróxido de sódio Neutraliza a acidez da água

59 Agricultura Fertilizantes químicos Repõem elementos, como nitrogênio, fósforo e potássio, cálcio, entre outros, retirados do solo pela ação de chuvas, ventos, queimadas e constantes colheitas.

60 Agricultura Defensivos químicos Garantem a qualidade dos alimentos, a produtividade e evitam a disseminação de doenças.

61 Saúde animal Medicamentos veterinários e alimentação animal Preservam a saúde, evitam epidemias e aumentam a produtividade.

62 Construção civil acetato de polivinila dióxido de titânio estão presentes na formulação das tintas – Resinas Acrílicas

63 Hidróxido de Cálcio resinas alquídicas resinas maléicas resinas epóxi resinas acrílicas poliuretano nitrocelulose naftenatos octoatos solventes policloreto de vinila (PVC) plastificantes ftálicos trióxido de antimônio polietileno de baixa densidade linear (PEBDL) polietileno de baixa densidade (PEBD) polietileno de alta densidade (PEAD) policloreto de vinila (PVC) polietileno de alta densidade (PEAD) resinas poliéster Construção civil Vernizes Argamassa de Alvenaria Caixa D’água Fios e Cabos Tubos e Conexões

64 Automóveis poliuretano polipropileno (PP) resina de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS) painel pneus borracha de estireno butadieno negro de carbono poliamida baterias ácido sulfúrico polietileno de alta densidade (PEAD) para-choques polipropileno (PP) óleos lubrificantes óleos minerais aditivos pastilha e lonas para freio resinas fenólicas

65 Informática resina de acrilonitrila- butadieno-estireno (ABS) Gabinetes titanatos zirconatos Componentes eletronicos cloreto de polivinila (PVC) plastificantes ftálicos trióxido de antimônio Fios e Cabos vidro (carbono neutro de sódio + carbonato de lítio + hidróxido de sódio + carbonato de potássio) carbonato de bário Cinescópio

66 Inovação Foi a indústria química que, com as fibras sintéticas, permitiu ao setor têxtil ampliar a produção e baratear os preços das roupas. A indústria química investe grande parte do seu faturamento em pesquisa e desenvolvimento. Com os plásticos, foram criadas embalagens que conservam alimentos e remédios por longos períodos, tubos resistentes à corrosão e peças e componentes utilizados pelas mais diferentes indústrias.


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