Post on 02-Oct-2015
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Prof. Lucrcio Fbio
Ateno: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram reproduzidas estritamente com fins didticos.
PROCESSOS QUMICOS INDUSTRIAIS I
UD 01
INTRODUO AO ESTUDO DOS PROCESSOS QUMICOS INDUSTRIAIS RELACIONAMENTO COM A ENGENHARIA QUMICA
2O que um processo qumico?
Quando se pensa no assunto o que vem mente?
Indstria qumicahttp://www2.nord.com
http://www2.nord.com
PROCESSO QUMICO
Definio de processo qumico
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Define-se processo qumico como qualquer operao ouconjunto de operaes coordenadas que provocamtransformaes qumicas e/ou fsicas num material ou numamistura de materiais.
Objetivo dos processos qumicos
O objetivo dos processos qumicos a obteno de produtos deinteresse a partir de matrias-primas selecionadas ou disponveispara tal.
PROCESSO QUMICO
4Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes fontesde carbono:
mandiocahttp://domescobar.blogspot.com.br
Vista parcial de uma planta para obteno de etanol, a partir da cana
http://www.empat.com.br
canahttp://cucanaga.blogspot.com.br
5Exemplos de processos qumicos
Shreve e Brink jr. (1980) detalham vriosprocessos qumicos, entre eles tem-se:
Tratamento de gua;Produtos carboqumicos;Indstria de cermica;Indstria do acar e do amido
6Fluxograma da produo de acar (C12H22O11)Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)
C12H22O11
C12H22O11
Exemplo de processo qumico
7Fluxograma da produo de lcool (C2H5OH)Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)
C12H22O11
C2H5OH
C12H22O11 + H2O 2C6H12O6invertase
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2levedura
Exemplo de processo qumico
8Anlise de processos qumicos
De acordo com os processos apresentados, as matrias-primas sotransformadas em produtos atravs de uma sequncia de etapas.
Essas etapas so denominadas operaes unitrias da indstriaqumica e so realizadas em equipamentos especficos, tais comomoendas, evaporadores, centrfugas, secadores e colunas dedestilao.
9colunas de destilaohttp://www.pulsarimagens.com.br
centrfuga
http://www.brumazi.com.br
evaporadorhttp://www.termopros.com.br
moendahttp://www.revistaalcoolbras.com.br
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A anlise dos processos qumicos tem como objetivo a obtenodas quantidades e propriedades das correntes de produtos apartir de quantidades apropriadas das correntes de alimentao,e vice-versa, nas etapas do processo.
Qual o objetivo da anlise de processos qumicos
Assim, deve-se conhecer as principais variveis envolvidas nosprocessos, tendo como base a lei de conservao de massa eenergia.
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Recursos
Slidas
Lquidas
Gasosas
outras
Matrias-primas
UTILIDADES
OUTROS RECURSOS
Pessoal / Instalaes
Preparao
Vapor, Energia eltrica, gua tratada, Gases, Ar comprimido
Manuteno, Instrumentao, dentre outros
Sub-produtos
Resduos poluentes Resduos slidos reciclveis
Resduos slidos tratveis
Resduos slidos incinerveis
Resduos slidos para aterros
Efluentes (lquidos, slidos e gasosos)
Resduos
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Logo, o processo consiste na transformao de entradas em sadas.
Em resumo
ProcessInput Output
Feedback
O processo qumico compreende vrias etapas
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Preparao das matrias-primas
Reaes qumicas
Embalagem
OPERAO: a ao direta dohomem e equipamentos sobre amatria-prima e seus produtos(funes que devem ser executadas).
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PROCESSO: um conjunto deoperaes fsicas e transformaesqumicas que visam obter produtosfinais a partir de matrias-primas.
Milho
Panela
Sal
leo
Processo Pipoca
Operaes unitrias
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Segundo Cremasco (2012), Operaes Unitrias constituem-se etapasindividuais, visando ao tratamento e/ou separao e/ou transportefsico de matria e/ou energia, presentes em um processo (bio)qumico.
O que vale ressaltar que em uma operao unitria existe umaalterao fsica ou uma separao sem ocorrer reao qumica.
Operaes unitrias
Misturao Destilao Evaporao Absoro de gs Extrao Processos de separao Secagem
Bombeamento de fluidos Troca de calor Transporte de slidos Reduo de tamanho Peneirao Filtrao
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a aplicao dos princpios da qumica, da fsica e dafsico-qumica (quando necessrio, apoiadas por outrascincias) para a transformao da(s) matria(s)-prima(s) em produtos.
Mas, o que um PROCESSO QUMICO INDUSTRIAL?
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Orgnicos
Inorgnicos
Processos industriais
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Processos orgnicos
Fermentao Aminao Carboxilao Hidrogenao Oxidao, dentre outros
Nitrao Sulfonao Alquilao Esterificao Polimerizao
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Processos inorgnicos
Cimento Vidro cidos lcalis Tintas Explosivos
Tratamento de gua Carboqumicos Petroqumica Gases combustveis Gases industriais Cermica
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RENDIMENTO E CONVERSO
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100 x Mols do produto principal
Mols do produto principal correspondentes desapario completa do reagente mais
importante
Rendimento =
Dados qumicos fundamentais
100 x Mols do produto principal
Mols do produto principal correspondentes carga do reagente mais importante no
equilbrio qumico da reao
Converso =
Exemplo
Sntese da amnia, a 150 atm e 500oC:
Rendimento maior que 98%
Converso 14%
N2 + 3H2 2NH3Recirculao economia do processo equipamentos necessrios
RENDIMENTO E CONVERSO
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Custosfixos
Custosvariveis
$
Quantidade produzida
Custo totalde produo
Receita de vendas(faturamento)
Ponto deequilbrio
X25
CUSTOS DE PRODUO
Levando em conta um nico produto, podemos escrever aseguinte expresso a ser minimizada:
Onde:CT = custo total anualCF = custo fixo unitrio (custos associados a cada unidade e que no
dependem de nova deciso. Ex. preo pago ao fornecedor)CA = custo mdio unitrio de armazenagem durante o anoCP = custo de preparao de mquinaD = demandaQ = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vezn = nmero de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q
CT = CF.D + CA.Q + CP.n
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CUSTOS DE PRODUO
Substituindo n na expresso de CT:
O objetivo determinar qual valor de Q torna mnimo CT. A esse valorchamaremos de Lote Econmico de Fabricao (QE), que dado pelaexpresso:
Expresso obtida a partir da derivaode CT em relao a Q e igualando a zero.
Q
DCQCDCC
.P.A.FT
A
PE
C
D.CQ
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CUSTOS DE PRODUO
Conhecidos os valores de CP e CA podemos, pela frmula acima,calcular o valor do lote econmico QE
comum expressar CA em funo de CF (custo fixo), i (taxa dejuros) e de a (taxa de armazenamento), cuja expresso maisusada :
2
)ai(CC
.FA
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CUSTOS DE PRODUO
O que mostra que o primeiro membro (CA.QE) o custo dearmazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens deproduo e, portanto, quando a quantidade obtida for igual ao loteeconmico, os custos de armazenagem tornam-se iguais aos custosde obteno.
fcil perceber que a expresso de QE
( ) pode ser transformada em:
A
PE
C
DCQ
.
E
.PEA
Q
DCQ.C
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QQE
CF.D(custo fixo)
CA.Q(custo de armazenagem)
R$
CP.D/Q(custo de preparao)
CT (custo total)
Graficamente:
CUSTOS DE PRODUO
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A Indstria de alimentos MF Ltda est planejando as rodadas deproduo para sua linha de iogurtes. Em mdia, estima-se que o custode preparao de mquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendopouca diferenciao de um sabor e outro. O custo unitrio mdio defabricao foi calculado em R$ 300,00, sobre o qual, para efeito dearmazenagem, incidir uma taxa total de 60% entre juros earmazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda para linha deiogurte light situar-se- em torno de 5.000 caixas. Determinar:
a) Quantas caixas devem ser produzidas de cada vez;
b) Qual o custo total
Obs.: Cada caixa contm 1000 iogurtes. No levar em conta o custo unitrio do iogurte
Aplicao
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Soluo
A
PE
C
DCQ
.
2
)(. aiCC
FA
902
6,0300
xCA
a) Nmero de caixas a serem produzidas de cada vez
409,10590
5000 200
xQE
Logo, o lote econmico ser:
Clculo de CA
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c) Custo total e custo total em estoque
Parcela correspondente ao custo de armazenagem
Parcela correspondente ao custo de emitir ordens de
produo
CT= R$ 1.518.974,00
CT= R$ 1.500.000,00 + R$ 9.487,00 + R$ 9.487,00
CT= 300 x 5000 + 90 x 105,409 + 200 x 5000
105,409
CT= CF .D + CA.Q + CP.n
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Os processos qumicos so classificados de acordo com oprocedimento de entrada e sada de matria do volume decontrole em:
Processos em batelada;
Processos contnuos;
Processos semicontnuos.
CLASSIFICAO DOS PROCESSOS
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Um equipamento carregado com as matrias-primas, aoperao ou a converso ocorrem aps um tempodeterminado, quando ento o produto descarregado.
Processo Descontnuo (por batelada)
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O processo descontnuo utilizado quando o volume de produo pequeno, quando o custo de produo mais favorvel que o do processocontnuo ou quando condies de segurana so fundamentais.
Exemplos:Polimerizao, fabricao de produtosfarmacuticos, de especialidadesqumicas
Autoclave de processamento de lnter
Processos contnuos
Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e sadasfluem continuamente ao longo do tempo total de processo.
Centrfuga de processamento de celulose
Visor da centrfuga
Centrfuga
Exemplo:
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O processo contnuo exige uma instrumentao de processo maiscomplexa, que no somente registre, mas tambm controle asvariveis do processo (temperatura, vazo, presso...).
necessrio controlar os desvios e corrigi-los rapidamente.
Controle informatizado do processo.
Custos so altos para pequenas produes mas se diluem paragrandes produes.
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Processos contnuos
Processos semicontnuos
qualquer processo que no se enquadre nas duas definiesanteriores.
Exemplos:
http://campingtotal.blogspot.com.br
http://duquedecaxias.olx.com.br
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Os trs principais tipos de diagramas usados paradescrever os fluxos de correntes qumicas atravs deum processo so:
Fluxogramas de blocos (block flow diagrams BFD)
Fluxograma do processo (process flow diagram PFD)
Fluxogramas de tubulao e instrumentao (piping andinstrumentation diagram P&ID):
TIPOS DE FLUXOGRAMAS
Fluxogramas de blocos
Permite a rpida visualizao do processo.
Cada bloco ou retngulo representa uma operao unitria ouprocesso unitrio.
entrada coagulao floculao
decantao ou sedimentao filtrao
desinfeco
distribuioTratamento de gua
Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:
Correntes de entrada e sada so representadas por linhas retas quepodem ser horizontais ou verticais;
A direo do fluxo deve ser claramente indicada por setas;
As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem lgica;
As operaes unitrias (i.e blocos) devem ser rotulados;
Quando possvel, o diagrama deve ser arrumado de modo que ofluxo material ocorra da esquerda para a direita, com unidades amontante, esquerda, e unidades a jusante, direita.
Fluxograma do processo
Contm as informaes necessrias para os balanos materiale energtico do processo.
O fluxograma de processo apresenta as relaes entre osprincipais componentes no sistema, bem como tabula osvalores projetados para o processo para os componentes nos
diferentes modos de operao: mnimo, normal e mximo.
Um fluxograma de processo inclui:
tubulao do sistema;
smbolos dos principais equipamentos, nomes e nmeros deidentificao;
Controles e vlvulas que afetam a operao do sistema;
interconexes com outros sistemas;
principais rotas de by-pass e recirculao;
taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura epresso para fluxos mnimo, normal e mximo;
composio dos fluidos.
Exemplo
Fluxogramas de tubulao e instrumentao
Deve conter toda informao do processo necessria para aconstruo da planta.
Mostram toda a tubulao incluindo a sequncia fsica deramificaes, redutores, vlvulas, equipamentos, instrumentao econtroles intertravados;
So usados para operar o processo de produo;
Devem apresentar todos os detalhes pertinentes ao processo.
Exemplo
Fonte: www.google.com.br
Industrialmente, os reatores qumicos podem ser de vriosmateriais, formatos e dimenses, dependendo das condies emque a converso qumica se realiza.
Os reagentes em excesso podem ou no retornar ao processo,formando o reciclo; pode haver catalisador ou no; o catalisadorpode estar em leito fixo ou em leito fluido.
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REAES QUMICAS REALIZADAS EM CONDIES INDUSTRIAIS
Para melhorar o rendimento nas reaes qumicas
realizadas em condies industriais, geralmente,
desejvel que um ou mais reagentes estejam em excesso
(em relao s quantidades tericas previstas pelas
equaes qumicas).
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Exemplo: Processos de nitrao
As quantidades mximas dos produtos formados sero
determinadas pela quantidade do REAGENTE-
LIMITANTE, que aquele que no se encontra em
excesso; o qual servir de base para o clculo do
excesso dos demais.
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A equao qumica fornece informaes quali- e quantitativas
essenciais para o clculo das massas dos materiais envolvidos em
um processo qumico, como por exemplo:
A equao qumica nos fornece, em termos de mols, as razes entre
reagentes e produtos (chamadas razes estequiomtricas).
A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos e compostos
que se combinam.
C7H16 (v) + 11 O2 (g) 7 CO2 (g) + 8 H2O (v)
1 mol 11 mols 7 mols 8 mols
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EQUAO QUMICA E ESTEQUIOMETRIA
1. SHREVE, R.N. & BRINK, J.A. Indstrias de Processos Qumicos
2. LIMA, I.R. Elementos Bsicos de Engenharia Qumica
3. SHERWOOD, T.K. Projeto de Processos da Indstria Qumica
4. BCHNER, W. Industrial Inorganic Chemistry
5. CONSIDINE, D.M. Chemical and Process Technology Encyclopedia
6. KUZNETSOV, D. Chemical Engineering
REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS