NOÇÕES SOBRE PROCESSOS QUÍMICOS (1) 19 de setembro de 2006

1. PRIMEIROS CONCEITOS 1.1. Engenharia Química e Sociedade 1.2. Sistema 1.3. Processo Químico 1.4. Corrente (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1.5 Equipamento (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos

1. PRIMEIROS CONCEITOS 1.2 Sistema 1.3 Processo Químico 1.4 Corrente (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1.5 Equipamento (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1.1 Engenharia Química e Sociedade

SOCIEDADE 1.1 Engenharia Química e Sociedade Principais Segmentos Segmento de interesse profissional do Engenheiro Químico ? COMÉRCIO BANCOS ENERGIA TRANSPORTE CONSTRUÇÃO EDUCAÇÃO COMUNICAÇÕES AGRICULTURA SAÚDE INDÚSTRIA

INDÚSTRIA Segmento responsável por transformações e produção de bens. MECÂNICA CIVIL NAVAL ALIMENTOS SIDERGÚRGICA TÊXTIL ELETRO-ELETRÔNICA FARMACÊUTICA Ramos da Indústria Ramo da Indústria de maior interesse para o Engenheiro Químico ? QUÍMICA

INDÚSTRIA QUÍMICA Ramo da Indústria responsável pela produção de produtos químicos. É constituída por empresas que vendem os seus produtos à população ou a outras empresas (intermediários). POLÍMEROS CORANTES TINTAS E VERNIZES PETRÓLEO VIDRO SABÃO E DETERGENTES

EMPRESA QUÍMICA Organização formada com a finalidade de produzir um ou mais produtos de forma lucrativa. Compreende diversos setores. Setor da Empresa de interesse mais imediato do Engenheiro Químico ? CONTABILIDADE VENDAS RECURSOS HUMANOS DIRETORIA SEGURANÇA MANUTENÇÃO PLANTA INDUSTRIAL

PLANTA INDUSTRIAL Instalação física onde ocorre a transformação da matéria prima no produto de interesse. Transformação complexa que exige diversas etapas. O conjunto das etapas constitui o Processo Químico Matéria Prima Produto Processo Químico Planta Industrial O Engenheiro Químico é o profissional responsável pela concepção do processo químico, pelo projeto e pela operação da planta industrial e pelo funcionamento rentável da Empresa.

Matéria Prima Produto PLANTA INDUSTRIAL

ENGENHARIA QUÍMICA ENGENHARIA: aplicação de conhecimentos científicos e tecnológicos à construção e operação de artefatos, engenhos, dispositivos e instalações, genericamente chamados de sistemas, destinados ao bem-estar do homem. O termo se aplica a : - sistemas baseados em fenômenos naturais: mecânica, elétrica, química. - sistemas ligados a organização e métodos: produção, computação, etc.

ENGENHARIA QUÍMICA ENGENHARIA QUÍMICA Ramo da Engenharia em que: Sistema: instalação que transforma matérias primas em produtos. Fenômenos explorados: reação química, absorção, evaporação, condensação, compressão, expansão, aquecimento, etc. O Engenheiro Químico é o profissional responsável pela concepção do processo químico, pelo projeto e pela operação da planta industrial e pelo funcionamento rentável da Empresa.

1. PRIMEIROS CONCEITOS 1.1 Engenharia Química e Sociedade 1.3 Processo Químico 1.4 Corrente (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1.5 Equipamento (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1.2 Sistema

1.2 SISTEMA Denominação genérica aplicada a organismos, dispositivos ou instalações, com as seguintes características: (a) conjuntos de elementos interdependentes. (b) cada elemento é capaz de executar uma ação específica (sub-tarefa) (c ) a finalidade do conjunto é a execução de uma ação mais complexa do que a de qualquer um dos elementos (tarefa).

Sistemas são formados por elementos e conexões que tanto podem ser concretos como abstratos. Possuem uma Finalidade que tanto pode ser estabelecida como apenas constatada homem.

Abrangência do Conceito de Sistema FINALIDADE CONCRETOS ABSTRATOS Constatada pelo homem Corpo Humano Eco - Sistemas Estabelecida pelo homem Processo Químico Sistemas Econômicos 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.

1. PRIMEIROS CONCEITOS 1.1 Engenharia Química e Sociedade 1.2 Sistema 1.4 Corrente (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1.5 Equipamento (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1.3 Processo Químico

Pode ser considerado um tipo de Sistema 1.3 PROCESSO QUÍMICO Matéria Prima Produto Pode ser considerado um tipo de Sistema Elementos: equipamentos. Conexões: correntes. Finalidade: transformação de uma matéria prima num produto de interesse comercial, de forma econômica, segura, limpa e em escala industrial. Vantagem: a Engenharia Química pode se beneficiar dos procedimentos desenvolvidos pela Engenharia de Sistemas para estudar os Processos Químicos de maneira formal e eficiente.

Conhecendo o sistema Processo Químico

1.1 PRIMEIROS CONCEITOS 1. 1 Engenharia Química e Sociedade 1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1. 5 Equipamento (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1. 6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1.4 Corrente

Substância ou mistura em trânsito de um equipamento para outro ou 1.4 CORRENTE Substância ou mistura em trânsito de um equipamento para outro ou entrando ou saindo do processo através de um duto ou esteira. Matéria Prima Produto As correntes são as conexões do sistema Processo Químico.

(a) Correntes Típicas em Processos reposição “make up” reciclo desvio “by pass” saída alimentação reciclo purga

saída reciclo reposição “make up” purga desvio “by pass” alimentação Entrada da matéria prima

Desvia uma fração de uma corrente alimentação saída reciclo reposição “make up” purga Desvia uma fração de uma corrente desvio “by pass”

alimentação reciclo reposição “make up” purga desvio “by pass” saída Saída do produto

alimentação saída reposição “make up” purga desvio “by pass” Reaproveitamento de um solvente reciclo reciclo Reaproveitamento de um excesso de reagente

alimentação saída reciclo reposição “make up” desvio “by pass” purga Evita o acúmulo de algum inerte que acompanha o reagente.

Reposição de solvente perdido com o produto na saída ou com o inerte na purga reposição “make up” alimentação saída reciclo purga desvio “by pass”

(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.

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

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 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 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

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)

Correntes: Substâncias e Misturas em Trânsito Além das propriedades inerentes às substâncias puras e às misturas (estado físico, densidade, capacidade calorífica, viscosidade, pressão, temperatura, composição) a corrente é caracterizada pela sua vazão. 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]

1. PRIMEIROS CONCEITOS 1. 1 Engenharia Química e Sociedade 1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico 1. 4 Corrente (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos 1. 6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1.1.5 Equipamento

Os equipamentos são os elementos do sistema processo químico. Ambiente especialmente projetado para abrigar fenômenos naturais, provocados de forma controlada, sediando uma das etapas de um processo químico . Matéria Prima Produto Os equipamentos são os elementos do sistema processo químico.

Principais Equipamentos e Operações Típicas Realizadas 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. Integração Material e Energética: Movimentação material de reagentes, produtos e sub-produtos, 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.

Transformação química da matéria prima no produto. Reação Transformação química da matéria prima no produto. Realizada em diversos tipos de reatores.

REATOR TANQUE AGITADO Operação em batelada ou contínua

REATOR TUBULAR

resíduos dos reagentes, bem como impurezas dos reagentes. 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.

TORRE DE DESTILAÇÃO

Torre ou Coluna de Destilação Prato ou Bandeja

Torre ou Coluna de Absorção

EVAPORADOR

EXTRATOR solução com soluto Tanque de Mistura solvente extrato = solvente + soluto Tanque de decantação rafinado = solução “empobrecida” do soluto.

Integração Material e Energética Movimentação material de reagentes, produtos e sub-produtos, executada por bombas, compressores e sistemas de tubulações. Fornecimento e remoção de energia dos equipamentos, executado por trocadores de calor, fornos e caldeiras.

BOMBA

TROCADOR (PERMUTADOR) DE CALOR WQ, TSQ WF, TEF Corrente Quente Fria WQ, TEQ WF, TSF

Tanque de Mistura Bifurcação Ponto de Mistura

(b) Variáveis características de equipamentos - Relativas ao tamanho: comprimento (de um tubo), altura (de uma torre), diâmetro (de um tanque esférico), área superficial (de um tubo), volume (de um tanque). - Relativas às condições de operação: pressão, temperatura (no interior do equipamento). - Relativas ao consumo de energia: potência (energia consumida por unidade de tempo para mover partes de equipamentos como bombas, compressores e agitadores). - Relativas ao número de itens: número de estágios de uma coluna de destilação, número de equipamentos de uma bateria.

1. PRIMEIROS CONCEITOS 1.1Engenharia Química e Sociedade 1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico 1. 4 Corrente (a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes 1. 5 Equipamento (a) Principais Equipamentos de Processos (b) Variáveis Características de Equipamentos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos 1. 6 Representação de Processos

1. 6 REPRESENTAÇÃO DE PROCESSOS Processos podem ser representados de duas formas: fluxogramas e modelos matemáticos. Fluxograma Representação gráfica visual em que aparecem os equipamentos e as correntes do processo na sequência do processamento. Modelo Matemático Representação matemática dos fenômenos que se passam nos equipamentos que permite obter informações de natureza quantitativa.

Exemplo de Fluxograma (1): Processo de produção de B a partir de A pela reação A  B + C. A é acompanhado de uma impureza I indesejada na reação. Remoção prévia da Impureza I presente na fonte de A, pelo Separador S. Formação do Produto Principal B e do Sub-Produto C no Reator R. Separação do resíduo do reagente A pelo Separador S1 e seu Reciclo. Separação do produtos B e C pelo Separador S2.

Exemplo de Fluxograma (2) Processo de recuperação do ácido benzóico de uma corrente aquosa diluída, por extração com benzeno (Rudd & Watson). A solução aquosa é alimentada a um extrator que recebe benzeno como solvente. O rafinado do extrator é descartado. O extrato é enviado a um evaporador onde é concentrado por evaporação do benzeno. O concentrado é o produto do processo. O benzeno evaporado é reciclado ao extrator, passando sucessivamente por um condensador, um resfriador e um misturador, onde recebe corrente de reposição (“make up”).

MISTURADOR RESFRIADOR CONDENSADOR W14 T14 14 W12 T12 W12 T12 12 9 Benzeno 13 10 W13 T13 W10 T10 Ar Ac W11 T11 11 W8 T8 8 Benzeno Água Água W5 T5 W15 T15 15 W3 x13 T3 f13 f23 5 EXTRATOR BOMBA EVAPORADOR 3 1 Vd Ae W1 x11 T1 f11 f31 Extrato W6 T6 7 6 W2 x12 T2 f12 f32 W7 T7 Vapor W4 x14 T4 f14 f24 2 4 Alimentação Condensado Rafinado Produto

Modelo Matemático Representação matemática dos fenômenos que se passam nos equipamentos. Permite obter informações de natureza quantitativa (“bola de cristal)”. São sistemas de equações algébricas do tipo: f (x1, x2, …, xn) = 0

Exemplo de Modelo Matemático (Extrator do processo anterior) 01. Balanço Material do Ácido Benzóico: f11 - f12 - f13 = 0 02. Balanço Material do Benzeno: W15 - f23 = 0 03. Balanço Material da Água: f31 - f32 = 0 04. Relação de Equilíbrio Líquido-Líquido: f13 - k (f23/f32) f12 = 0 05. Balanço de Energia: (f11 Cp1 + f31 Cp3) (T1 - T2) + W15 Cp2l (T15 - T2) = 0 06. Equilíbrio Térmico no Decantador: T2 - T3 = 0 07. Equação de Dimensionamento: Vd -  (f11 /1 + W15/2 + f31/3) = 0 08. Fração Recuperada de Ácido Benzóico: r - f13/f11 = 0

Dimensionamento MISTURADOR RESFRIADOR CONDENSADOR W14 = 1.080 kg/h T*14 = 25 oC 14 W12 = 59.969 kg/h T*12 = 30 oC W12 = 228.101 kg/h T*12 = 30 oC 12 9 13 10 W13 = 36.345 kg/h T13 = 25 oC W10 =36.345 kg/h T*10 = 80 oC Ar = 361 m2 Ac = 119 m2 11 8 W11 = 59.969 kg/h T*11 = 15 oC W8 = 228.101 kg/h T*8 = 15 oC W5 = 36.345 kg/h T*5 = 80 oC 15 W15 = 37.425 kg/h T13 = 25 oC W3 = 37.544 kg/h x13 = 0,002 T3 = 25 oC f13 = 120 kg/h f23 = 37.424 kg/h 5 EXTRATOR BOMBA EVAPORADOR 3 Ae = 124 m2 1 Vd = 11.859 l W6 =8.615 kg/h T*6 = 150 oC t*= 0,0833 h Extrato W*1 = 100.000 kg/h x*11 = 0,002 T*1 = 25 oC f11 = 200 kg/h f31 = 99.800 kg/h r* = 0,60 7 6 W2 = 99.880 kg/h x12 = 0,0008 T2 = 25 oC f12 = 80 kg/h f32 = 99.800 kg/h W7 = 8.615 kg/h T*7 = 150 oC W4 = 1.200 kg/h x*14 = 0,1 T4 = 80 oC f14 = 120 kg/h f24 = 1.080 kg/h 2 4 Dimensionamento Rafinado