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APOSTILA
DE
PROCESSOS
QUÍMICOS INDUSTRAIS
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PARTE I
INDÚSTRIAS E TIPOS DE INDÚSTRIAS
# Indústrias
As indústrias fazem parte da humanidade desde a Primeira Revolução
Industrial que teve início no final do século XVIII e começo do século XIX na Inglaterra.
Desde aquela época até os dias atuais essa atividade econômica passou por uma
enorme evolução tecnológica, além das mudanças quanto aos tipos de mercadorias
produzidas.
A indústria está incumbida de transformar a matéria-prima em um produto
com a finalidade de ser comercializado para pessoas ou outras indústrias, isso ocorre
com a indispensável participação da força de trabalho humana, incluindo as máquinas
e a energia.
* Tipos de Indústrias
Indústrias de base
A indústria de base atua na transformação de matéria-prima bruta em
produtos a serem utilizados por outras indústrias, nessas podemos destacar:
• Indústria de extração de minérios.
• Indústria de refinaria de combustíveis fósseis.
• Indústria Siderúrgica atua no processamento de minérios.
• Indústria química desenvolve produtos químicos usados nas indústrias e em outras
atividades.
Indústria de bens intermediários
Desenvolvem atividades voltadas para o desenvolvimento de máquinas e
equipamentos direcionados para outras indústrias, com isso destaca-se:
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• Indústria de autopeças.
• Indústria mecânica, produz implementos agrícolas e industriais.
• Indústria naval.
Indústria de bens de consumo
Esse tipo de indústria divide sua atuação em:
. Indústria de bens de consumo duráveis:
• Indústria de automóveis.
• Indústria de eletrodomésticos.
• Indústria de móveis.
. Indústria de bens de consumo não-duráveis:
• Indústria de confecção de roupas.
• Indústria de cosmético.
• Indústria de alimentos.
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PARTE II
CONCEITOS BÁSICOS - 1
Introdução aos Processos Químicos Industriais
# Definição de Processo Químico
Define-se processo químico como qualquer operação ou conjunto de
operações coordenadas (Operações Unitárias e/ou Conversões Químicas) que
provocam transformações químicas e/ou físicas num material ou numa mistura de
materiais.
# Objetivo dos Processos Químicos
O objetivo dos processos químicos é a obtenção de produtos de interesse a
partir de matérias-primas selecionadas ou disponíveis para tal.
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# Etapas de um Processo Químico
Quaisquer que seja a indústria química existirão etapas semelhantes entre
elas, que podem ser estudadas à luz dos princípios físicos e químicos envolvidos,
independentemente do material que está sendo manufaturado. As etapas na
produção de qualquer produto químico podem ser divididas em três grandes
grupos:
* OPERAÇÕES UNITÁRIAS
Antes de entrarem no reator, reagentes ou matérias-primas passam através
de vários equipamentos, onde pressão, temperatura, composição e fase são
ajustadas para que sejam alcançadas as condições em que ocorrem as reações
químicas, ou seja, são as etapas de preparação da carqa para o reator.
Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos,
contaminantes e reagentes não reagidos que devem ser separados em
equipamentos apropriados para se obter o(s) produto(s) na pureza adequada ao
mercado.
Em geral, em todos os equipamentos usados antes e após o reator ocorrem
apenas mudanças físicas no material, tais como: elevação da pressão (bombas e
compressores), aquecimento ou resfriamento (trocadores de calor), mistura,
separação etc. Estas várias operações que envolvem mudanças físicas no material,
independentemente do material que está sendo processado, são chamadas de
operações unitárias da indústria química. São tão importantes quanto as reações
químicas utilizadas para a obtenção do produto. (Parâmetros Físicos).
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* CONVERSÕES QUÍMICAS / PROCESSOS UNITÁRIOS
Com raras exceções, a parte principal de qualquer unidade de produção é o
reator químico, onde ocorre a transformação dos reagentes em produtos. As reações
químicas podem ser classificadas como reações de hidrogenação, nitração,
sulfonação, oxidação, etc. Esses grupos de reações estudadas sob o mesmo enfoque
são conhecidos como conversões químicas ou processos unitários. Compreende o
conjunto de parâmetros que processam as reações químicas: mecanismo de reação,
condições dos reagentes e matérias-primas (grau de pureza, composição de mistura,
etc.) que serão utilizadas nos processos, condição de pressão e temperatura, tipos de
catalisadores, etc. (Parâmetros Químicos).
Conversões Químicas
♦Exemplo de Processo Industrial - Indústria de Bebidas
De forma resumida, um refrigerante pode ser produzido seguindo-se as seguintes
etapas:
- Mistura de água tratada com o xarope açucarado;
- Aquecimento da mistura;
- Filtração da mistura;
- Refrigeração da mistura;
- Incorporação de aditivos alimentícios à mistura;
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- Diluição da mistura;
- Carbonatação da mistura;
- Engarrafamento e expedição
. Esquema da produção industrial de refrigerantes
O.P = Operação Unitária.
C.Q = Conversão Química.
♦ Custos de Produção (noção)
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♦ Equipamentos Industriais
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♦ CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS INDUSTRIAIS E REGIMES DE OPERAÇÃO
. REGIME DE OPERAÇÃO QUANTO AOS FLUXOS
Os processos químicos em relação ao fluxo podem ser classificados em
batelada, contínuos ou semi-contínuos. A classificação unicamente no
procedimento de entrada e saída dos materiais.
- Contínuo: A alimentação e os produtos fluem continuamente enquanto dura o
processo.
- Descontínuo ou Batelada: A alimentação é introduzida no sistema de uma só vez,
no início do processo e todos os produtos são retirados algum tempo depois, sendo
assim a massa não é adicionada ou removida.
- Semi-Contínuo: A entrada de material é praticamente instantânea e a saída é
contínua, ou vice-versa, desta forma ocorre passagem contínua de matéria através
de uma única fronteira (entrada ou saída) do processo.
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. REGIME DE OPERAÇÃO QUANTO AO TEMPO
Os processos químicos em relação ao tempo podem ser classificados em
estacionários ou transientes. A classificação se baseia no procedimento de entrada
e saída dos materiais com relação ao tempo.
- Estado Estacionário: Operação onde todas as condições do processo encontram-
se constantes em relação ao tempo não havendo acúmulo de material.
Entrada = Saída
- Estado Transiente: Operação uma ou mais condições do processo variam em
relação ao tempo, o que gera um acúmulo de material.
Saída= Entrada – Acumulado
♦♦♦♦ FLUXOS ESPECIAIS DE PROCESSOS
Existem algumas correntes de processo que têm um objetivo específico e
aparecem em uma grande quantidade de fluxogramas. Estas correntes são
apresentadas a seguir, bem como uma discussão inicial de suas finalidades.
♦ Reciclo
A corrente de reciclo é uma corrente que retorna parte ou a totalidade da
massa de um ponto avançado do processo para outro em uma posição pela qual
esta massa já tenha passado. Uma representação esquemática de uma corrente de
reciclo é apresentada na figura abaixo. Note que a corrente de reciclo nasce em um
ponto de divisão que não necessariamente é um divisor de corrente. Muitas vezes a
sua origem é em um equipamento de separação, o que trás como consequência que
a sua composição é diferente da composição das outras correntes que saem de tal
equipamento.As correntes de reciclo servem para a recuperação de reagente não
consumido na etapa de reação, para a recuperação de catalisador que seja
arrastado para fora do reator, assim como podem auxiliar no controle de processos
através da diluição da corrente que é alimentado no reator, situação importante em
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reações altamente exotérmicas. Nesses casos, o reciclo é parcial. Há ainda sistemas
onde um fluido opera em circuito fechado, por exemplo, em ciclos de refrigeração e
o circuito de água de resfriamento em plantas de processo. Nesses sistemas a
totalidade da corrente é recirculada.
• By-pass
As correntes de by-pass podem ser entendidas como correntes de reciclo com
o sentido do escoamento invertido. Assim, o fluido que passa por uma corrente de
by-pass não atravessa o(s) equipamento(s) posicionado(s) na direção principal do
processo entre o início do by-pass e o seu retorno para a corrente principal (vide
figura abaixo). As correntes de by-pass, via de regra, são originadas em um divisor
de correntes e terminam em um misturador.
A corrente de by-pass tem a sua utilização ligada principalmente ao controle
operacional da planta, ou especificamente, de equipamentos. Assim, é comum
ocorrer o by-pass de um equipamento, com a vazão que passa por esta corrente
sendo manipulada para manter as condições de saída desejadas.
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• Purga
A corrente de purga é uma corrente que é retirada de outra e é descartada.
Seu objetivo é promover o descarte de substâncias que, sem a purga, iriam se
acumular, principalmente em circuitos de reciclo.
Imagine que haja a formação de um produto secundário na reação e que o
processo de separação não seja capaz de separá-lo da matéria prima não reagida
que é reciclada. Desde modo, a corrente de reciclo conterá toda a quantidade deste
produto secundário. Assim, a corrente de purga retirada do reciclo é o único ponto
de descarte deste produto secundário. Caso isto não fosse feito, haveria um
acúmulo deste produto secundário, pois ele é continuamente formado na reação.
• Make-up
A corrente de make-up é a corrente que repõe perdas em um circuito
fechado. Seja, por exemplo, o circuito de água de resfriamento em uma planta de
processos. Este circuito disponibiliza água, a temperatura ambiente, para retirar
energia de qualquer ponto do processo. Ele é formado, principalmente, por uma
bomba, que joga a água fria para o processo, e por uma coluna de resfriamento, que
recebe a água aquecida que sai do processo e torna a resfriá-la até a temperatura
ambiente, disponibilizando-a para ser novamente bombeada, fechando assim o
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circuito. Neste circuito, vazamentos e evaporação na torre de resfriamento são as
principais causas da diminuição da água que circula. Para manter a quantidade
constante, há a necessidade de repor esta água perdida, o que é feito através de
uma corrente de make-up.
♦♦♦♦ 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.
♦♦♦♦ Noção Elementar de Controle de Processos
. Variáveis de Processos
A variável de processo é qualquer quantidade física que possui valor alterável
com o tempo. Controlar uma variável significa manter constante uma grandeza que
tenderia a variar.
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As variáveis de processo são medidas para fins de controle, indicação, registro,
alarme e totalização. A variável medida é a que determina o tipo do elemento
sensor (falaremos sobre sensores mais adiante). Em princípio, qualquer variável de
processo que possa produzir um movimento, uma força, uma voltagem, corrente
elétrica ou a variação de uma grandeza elétrica passiva (como uma resistência ou
uma capacitância) pode ser medida.
O controle de processo é a regulação ou manipulação das variáveis que
afetam a operação do processo, de modo a obter um produto com qualidade
desejada em quantidade eficiente. É o balanço dos fluxos de energia (pressão e
temperatura) e de material (vazão e nível).
♦ Objetivos de um Sistema de Controle
Controlar um processo significa obter os resultados desejados dentro dos
limites de tolerância razoáveis para um determinado parâmetro. Sempre que
houver um distúrbio, a variável controlada deve retornar exatamente ao valor do
ponto de ajuste previamente estabelecido, dentro do tempo prescrito e com erro
limitado.
Os instrumentos de controle de processo são necessários porque as variáveis
de processo não permanecem constantes ao longo do tempo. O objetivo do sistema
de controle é determinar o valor das variáveis de processo e continuamente
atualizar os dispositivos de atuação que agem diretamente sobre o processo.
♦ Elementos de um Sistema de Controle
Malha de Controle é o conjunto dos instrumentos interligados ao processo
para exercer funções de controle. As malhas de instrumentos podem ser abertas ou
fechadas, determinando assim o tipo de estratégia de controle. Uma Malha de
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Controle é formada basicamente por três elementos: sensores transmissores,
controladores e atuadores.
• O Setor de Utilidades na Indústria
É o setor técnico da indústria responsável em fornecer os insumos às áreas de
produção.
Insumos:
- Energia
- Vapor d’água
- Água
- Gases especiais
- Ar comprimido
- Etc.
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♦ REPRESENTAÇÕES GRÁFICAS DE UM PROCESSO INDUSTRIAL - FLUXOGRAMAS
DE PROCESSO
Uma das principais práticas da indústria química é a utilização de fluxogramas de
processo. O fluxograma facilita muito a interpretação e o entendimento do processo
pois reúne um imenso número de informações em uma simples imagem.
Existem dois tipos de diagramas mais comuns, o diagrama de blocos:
- BFD (Block Flow Diagram) ou o diagrama de processo
- PFD (Process Flow Diagram).
O BFD é usado para fornecer uma visão geral do processo de maneira rápida e
simples, que permita o leitor entender o processo e as etapas que o constituem,
sem entrar em detalhes sobre os equipamentos. É também muito utilizada com fins
educativos.
Ex. 01 -
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Ex.02 -
O PFD já é um desenho mais completo, voltado para o entendimento do
processo pela engenharia e contém muito mais detalhes sobre os equipamentos.
Enquanto o BFD mostra as operações que vão acontecer no processo, o PFD mostra
quais são os equipamentos, os acessórios, as conexões e todas as vazões.
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Além do PFD e BFD temos também o P&ID (Process & Instrumentation Diagram), que
além das informações presentes no PDF, adicionamos também as linhas auxiliares e
os equipamentos de controle da planta, como mostra o desenho abaixo.
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♦ Convenções para a construção de fluxogramas
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• Cores de tubulações industriais
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EXERCÍCIOS PROPOSTOS SOBRE MONTAGEM DE DIAGRAMA DE BLOCOS
DE PROCESSOS INDUSTRIAIS
1)
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2) PI – TRATAMENTO DE ÁGUA PROCESSOS INDUSTRIAIS ELABORAÇÃO DE
DIAGRAMA DE BLOCOS
I) Processo de Tratamento de Água :
Sabe-se queapós a captação da água a partir de um certo curso d’água, com o
auxílio de bombas, o processo de tratamento daquela substância para o consumo
humano, numa ETA ( Estação de Tratamento de Água ) segue as seguintes etapas
básicas :
- Floculação
Floculação é o processo onde a água recebe uma substância química chamada de
sulfato de
alumínio – Al2(SO4)3 . Este produto faz com que as impurezas se aglutinem formando
flocos para serem facilmente removidos;
- Decantação
Na decantação, como os flocos de sujeira são mais pesados do que a água caem e se
depositam no fundo do decantador, na forma de lama ou de lodo que será tratado
para posterior descarte;
- Filtração
Nesta fase, a água passa por várias camadas filtrantes onde ocorre a retenção dos
flocos menores que não ficaram na decantação. A água então fica livre das
impurezas.
Estas três etapas: floculação, decantação e filtração recebem o nome de clarificação.
Nesta fase, todas as partículas de impurezas são removidas deixando a água límpida.
Mas ainda não está pronta para ser usada. Para garantir a qualidade da água, após a
clarificação é feita a desinfecção;
- Cloração
A cloração consiste na adição de cloro. Este produto é usado para destruição de
micro-organismos presentes na água ;
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- Fluoretação
A fluoretação é uma etapa adicional. O produto aplicado tem a função de colaborar
para redução da incidência da cárie dentária;
- Laboratório
Análises físico-químicas e bacteriológicas para a avaliação da qualidade da água ;
- Bombeamento
Concluindo o tratamento, a água é armazenada em reservatórios quando então,
através de canalizações, segue até as residências.
Com base nessas informações, elabore um Diagrama de Blocos sobre este processo,
indicando no esquema onde ocorrem operações unitárias ( OP ) e onde ocorrem
conversões químicas ( CQ ) .
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3)
Processo de Obtenção de Gás Acetileno por Craqueamento e Oxidação Parcial do
Gás Natural:
O gás acetileno ( C2H2 ) é empregado juntamente com gás oxigênio ( O2 ) na
obtenção de elevadas temperaturas de solda e participa da fabricação de um
número sempre crescente de compostos industriais, como o cloreto de vinila, a
acrilonitrila, a polivinilpirrolidona, o tricloroetileno e o ácido acético .
Dentre os processos industriais possíveis para a obtenção do C2H2, o craqueamento
e a oxidação parcial do gás natural é o método mais usado por fabricantes químicos
americanos experientes, tais como:
Carbide and Carbon , Tennessee Eastman , Monsanto , American Cyanamid, Rohm
and Hass.
Sobre este processo, fazem-se abaixo as seguintes citações resumidas:
A- Etapas do processo:
. Aquecimento de gás oxigênio a 650 0C por queima de gás combustível;
. Aquecimento de gás natural a 650 0C por queima de gás combustível;
. Envio dos gases aquecidos a um reator onde são misturados numa proporção
molar de oxigênio-metano(GN) igual 0,6/100 com conversão por combustão e cisão
do metano de 90 a 95%;
. O acetileno e os gases de combustão, como o dióxido de carbono ( CO2 ), e mais
resíduos são resfriados por jatos nebulizados de óleo e água;
. Remoção de fuligem por filtros de carvão ativado;
. Compressão dos gases limpos;
. Remoção do acetileno pelo solvente seletivo dimetil-formamida ; o dióxido de
carbono é extraído do solvente numa coluna em que se fraciona o acetileno,
conseguindo-se um produto a 99% ou mais comum rendimento de 30 a 36 % do
carbono no gás natural ;
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. o solvente ( regenerado ) é recuperado e reutilizado retornando ao processo ;
B- Equipamentos do processo ( não na ordem das etapas do processo )
.resfriador de gases;
.absorvedor de acetileno;
.compressor;
.aquecedor de gás oxigênio;
.filtro de carvão ativado;
.coluna de fracionamento;
.reator/queimador;
.aquecedor de gás natural;
C- Reações do processo:
CH4 (g) + 1 O2 (g) → C (s) + 2 H2O (v)
CH4 (g) + 2 O2 (g) → CO2 (g) + 2 H2O (v)
CH4 (g) →C (s) + 2 H2 (g)
2 CH4 (g) → C2H2 (g) + 3 H2(g)
____________________________________________________________
5 CH4 (g) + 3 O2 (g) → 2 C (s) + 5 H2 (g ) + C2H2 (g) + CO2 (g) + 4 H2O (v)
Com base nas informações acima, represente o diagrama de blocos do processo de
obtenção do acetileno mencionado, indicando no esquema onde ocorrem as OP e as
CQ.
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PARTE II
CONCEITOS BÁSICOS - 2
Introdução aos Processos Químicos Industriais
ASPECTOS GERAIS
FISÍCO-QUÍMICOS, ECONÔMICOS, SOCIAIS E AMBIENTAIS DE UM PROCESSO
QUÍMICO INDUSTRIAL.
* Aspectos Físico-Químicos
* Aspectos Econômicos
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* Aspectos Sociais
♦♦♦♦ Responsabilidade Social
Responsabilidade social é quando as empresas decidem, voluntariamente,
contribuir para uma sociedade mais justa e para um ambiente mais limpo.
O conceito de responsabilidade social pode ser compreendido em dois níveis: o nível
interno relaciona-se com os trabalhadores e, a todas as partes afetadas pela
empresa e que, podem influenciar no alcance de seus resultados. O nível externo
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são as consequências das ações de uma organização sobre o meio ambiente, os seus
parceiros de negócio e o meio em que estão inseridos.
Existem diversos fatores que originaram o conceito de responsabilidade social, em
um contexto da globalização e das mudanças nas indústrias, surgiram novas
preocupações e expectativas dos cidadãos, dos consumidores, das autoridades
públicas e dos investidores em relação as organizações. Os indivíduos e as
instituições, como consumidores e investidores, começaram a condenar os danos
causados ao ambiente pelas atividades econômicas e também a pressionar as
empresas para a observância de requisitos ambientais e exigindo a entidades
reguladoras, legislativas e governamentais a produção de quadros legais
apropriados e a vigilância da sua aplicação.
♦ Responsabilidade Social Corporativa
Existe também a responsabilidade social corporativa, que é o conjunto de ações que
beneficiam a sociedade e as corporações que são tomadas pelas empresas, levando
em consideração a economia, educação, meio-ambiente, saúde, transporte,
moradia, atividades locais e governo. Geralmente, as organizações criam programas
sociais, o que acaba gerando benefícios mútuos entre a empresa e a comunidade,
melhorando a qualidade de vida dos funcionários, e da própria população.
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♦ Responsabilidade Social Empresarial
Responsabilidade Social Empresarial está intimamente ligada a uma gestão ética e
transparente que a organização deve ter com suas partes interessadas, para
minimizar seus impactos negativos no meio ambiente e na comunidade. As
empresas de hoje em dia têm cada vez mais uma consciência social, o que é
traduzido pela responsabilidade social demonstrada.
♦ Boas Práticas de Fabricação (BPF & C)
As Boas Práticas de Fabricação e Controle são adequações das técnicas operacionais
de fabricação aos critérios de segurança e controle exigido para produção,
segurança e ambiente.
É um conjunto de ações que objetiva especialmente a qualidade, segurança de uso e
eficácia nos produtos e serviços.
A sigla BPF&C refere-se a uma série de práticas que durante fabricação do produto
vai protegê-lo contra danos, para não trair a confiança do cliente e da sociedade, ou
seja: Fabricar, Comercializar e Distribuir Produtos com qualidade, confiabilidade e
segurança.
* Aspectos Ambientais
. Indústria Sustentável
As indústrias têm o dever de reduzir sua pegada ambiental, existem inúmeros
recursos para que isso se torne possível:
• Otimização de processos
• Mudançana tecnologia dos processos
• Busca por produtos mais amigáveis ao meio ambiente
• Redução do desperdício de matérias-primas e produtos intermediários
• Reutilização ou tratamento adequado de resíduos
• Melhoria em instalações obsoletas
• Etc….
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PARTE II
CONCEITOS BÁSICOS - 3
Introdução aos Processos Químicos Industriais
NOÇÕES SOBRE BALANÇO DE MASSA E BALANÇO DE ENERGIA
# BALANÇO DE MASSA
O Balanço de Massa (BM) é uma restrição imposta pela natureza. A Lei da
Conservação da Massa nos diz que a massa não pode nem ser criada, nem
destruída. Logo, não havendo acúmulo de massa no interior de um equipamento,
tem-se ao longo de um determinado intervalo de tempo que: massa total na
entrada = massa total na saída.
Fazendo o intervalo de tempo tender à zero, ao invés de quantidades de
massa, passamos a falar em termos de vazões:
vazão mássica total que entra = vazão mássica total que sai.
Entrada transformação
Saída
*Lei de Lavoisier:
Matéria prima Produto final
Massa entrada = Massa saída
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Há diversas formas de se fazer um balanço de massa. Tudo irá depender do
tipo de processo considerado, se o processo é contínuo (em regime permanente ou
em regime transiente) ou se o processo é descontínuo, se o processo envolve ou
não reações químicas, ou se ainda, trata-se de um balanço integral, ou seja, que
envolve todo o processo, ou diferencial, se abrange um balanço que ocorre num
determinado instante do processo.
* Exemplos de Nível Básico de aplicação para processos contínuos – regime
estacionário e sem reação:
(01) - 1000 kg/h de uma mistura de benzeno (C6H6) e tolueno (C7H8) que contém
50% em massa são separados em uma coluna de destilação em duas frações. A
vazão mássica de benzeno na corrente de saída do topo é 450 kg B / h e para o
tolueno na corrente de saída do fundo é 475 kg T / h. A operação se desenvolve em
regime permanente. Escreva os balanços de massa para o benzeno e o tolueno.
Calcular as vazões não conhecidas nas correntes de saída.
Solução: Processo contínuo em estado estacionário, sem reação química e sem acúmulo no
sistema:
- Balanço para o benzeno: 500 kg B / h = 450kg B/ h + q2 ⇒ q2 = 50 kg B / h
- Balanço para o tolueno: 500 kg T / h = q1 + 475 kg T / h ⇒ q1 = 25 kg T / h
- Conferindo: Balanço de massa total -
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ENTRA = 1000 kg / h = SAI = 450 + q1 + q2 + 475 = 1000 kg / h
(02) Dióxido de carbono pode ser produzido por decomposição térmica do
carbonato de cálcio, formando também, óxido de cálcio. Sabendo que a reação
ocorre com 85% de eficiência num reator contínuo, pedem-se determinar, qual a
composição em massa do resíduo na corrente de saída, contendo CaO e CaCO3 não
reagido, e qual a composição em massa de CO2 na corrente de topo do reator, para
uma alimentação de entrada do processo de 100 kg/h. ( Consultar as massas
molares dos elementos envolvidos, na Tabela Periódica).
Solução: Processo contínuo em estado estacionário, com reação química e sem
acúmulo no sistema:
a) Equação Química balanceada do processo: reação de decomposição do CaCO3
1 CaCO3 (s) → 1 CaO (s) + 1 CO2(g)
∆
b) Esquema do processo:
a) Cálculos:
. Composição de topo do CO2:
Pela estequiometria da reação, tem-se que:
1 CaCO3 (s) → 1 CaO (s) + 1 CO2(g)
1 mol 1 mol 1 mol
- quantidade de mols de CaCO3 na entrada:
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n =
)/(
)(
molgM
gm
=
molg
kg
/100
100
=
molg
g
/100
000.100
= 1000 mol = 1 kmol CaCO3
Se a reação tivesse 100% de eficiência, 1 kmol de CaCO3 produziria 1 kmol de CO2 (
reação 1:1) mas como a reação tem eficiência de 85%, significa que de 1kmol CaCO3
, só 85% reagem ou seja reage 0,85 kmol de CaCO3 gerando 0,85 kmol de CO2.
Agora, calcula-se a composição em massa do CO2, na corrente de topo do reator,
multiplicando-se 0,85 kmol pela massa molar do gás ( 44 g/mol ):
� Composição em massa do CO2 no topo do reator = 0,85 kmol x 44 g/mol = 37,4 kg/h.
. Composição do resíduo sólido, na saída do reator:
CaO
Se reagem 0,85 kmol de CaCO3, então formam-se 0,85 kmol de CaO ( reação 1:1).
Dessa forma para o cálculo da composição em massa do CaO, na corrente de saída
do reator, multiplica-se 0,85 kmol pela massa molar do óxido ( 56 g/mol ):
� Composição em massa do CaO na saída do reator = 0,85 kmol x 56 g/mol = 47,6 kg/h.
CaCO3
Se reagiram 85% de CaCO3, significa que ficaram sem reagir 15% que acabam
compondo o resíduo sólido na saída do reator juntamente com o CaO.
Portanto, se de 1 kmol de CaCO3, 0,85 kmol reagem, ficam sem reagir 0,15 kmol de
CaCO3. Então, para se calcular a massa de CaCO3 na saída do reator, basta multiplicar
0,15 kmol pela massa molar do carbonato:
� Composição em massa do CaCO3 na saída do reator = 0,15 kmol x 100 g/mol = 15,0 kg/h.
*Conferindo, então, o balanço de massa total do processo:
ENTRADA = SAÍDA
100 Kg/h de CaCO3 = 37,4 kg/h CO2 + 47,6 kg/h CaO + 15 kg/h CaCO3
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(03) - (Proposto) - Considere-se um processo que opera em regime permanente,
sem reação química e sem acumula de material no sistema, tendo uma entrada de
massa F de 100 kg/h, sendo que a sua fração molar de corrente em um ácido A é
dada por X(ácido,F) = 0,2 e, uma entrada de massa W de 35 kg/h com fração molar
de corrente X(ácido,W) = 0,5. Com base nesses dados, pedem-se determinar:
b) A saída de massa P.
c) A fração molar de corrente do ácido em P / X(ácido,P).
(04) Uma mistura contendo 45,0% de benzeno (B) e 55,0% de tolueno (T) em massa
é alimentada em uma coluna de destilação. A corrente de saída do topo contém
95,0% de B em massa. A corrente de fundo contém 8,0% de benzeno alimentado. A
taxa de alimentação é de 2000,0 kg/h. Determine a vazão da corrente de topo e
fundo, além da composição mássica da corrente de fundo.
Resolução:
. Cálculo da vazão mássica de entrada de benzeno – C6H6 (VMEC6H6):
VMEC6H6 = 45% x M => VMEC6H6 = 0,45 x 2000,0 = 900 kg/h
. Balanço de massa global: (entra = sai)
M = M1 + M2 => 2000 = M1 + M2 => M2 = 2000 – M1
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 37
. Balanço de massa para o benzeno – C6H6:
Benzeno que entra (alimentação) = 95% de benzeno em M1 + 8% de benzeno
alimentado em M2
900 = 0,95 x M1 + 0,08 x 900
M1 = 871,6 kg/h C6H6 (vazão mássica no topo)
. Cálculo da vazão mássica de tolueno – C7H8 no fundo:
Como: M2 = 2000 – M1 => M2 = 2000 – 871,6 = 1128,4 kg/h C7H8
. Cálculo das frações mássicas na corrente de fundo:
xC6H6 =
nofundocatotalvazãomássi
HmassaC
−
66
=
4,1128
90008,0 x
=
4,1128
72
= 0,064
Ocorre que: xC6H6 + xC7H8 = 1 => 0,064 + xC7H8 = 1 => xC7H8 = 0,936
(05) (Proposto) - Um reator de um processo industrial que opera em regime
estacionário, sem reação química e sem acumular material, é alimentado por uma
corrente A de vazão de entrada igual 1500 mols/h, a qual contém 35% de uma
substância “R” e 65% de uma substância “S”. Sabe-se que na corrente de vazão de
topo do reator há 80% do componente “R”, e que na corrente de vazão de fundo sai
10% do componente “R” que é alimentado. Com base nessas informações, pedem-
se calcular:
A- as vazões mássicas detopo (T) e de fundo (F) do reator;
B- as frações molares (x) de “R” e “S” na corrente de fundo.
Dados:
Definição de fração molar: é a relação que existe entre a quantidade de mols de um
componente e a quantidade total de mols da mistura da qual ele faz parte.
Matematicamente, tem-se:
- fração molar da substância R: xR =
amisturaolstotaisdqtidadedem
sRqtidademol
- fração molar da substância S: xS =
amisturaolstotaisdqtidadedem
sSqtidademol
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- propriedade: xR + xS = 1
* Exercício de PI – Balanço de Massa em Processo com By Pass –
Exemplo Resolvido.
A unidade de osmose reversa produz uma água com concentração de 100 mg de
sais/L. Determine o valor de P em L/s e a concentração de sais na salmoura exausta
em mg/L.
Resolução
. Definição dos sistemas 1,2 e 3 do Processo para aplicação do Balanço de Massa:
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 39
• Balanço de massa global para o sistema 1:
F = F’ + B , então : 10 = F’ + B => B = 10 – F’
• Balanço de massa global para o sistema 2:
B + C = P => (10 – F’) + 0,20 F’ = P => P = 10 – F’ + 0,20 F’ = P =>
P = 10 – 0,8F’
• Balanço de massa por componente para o sistema 2:
10.000 . B + 100 . C = 500 . P
Substituindo: B = 10 – F’ ; C = 0,20F’ e P = 10 – 0,8F’ na expressão acima, tem-se:
10.000 . ( 10 – F’) + 100 (0,20F’) = 500 . (10 – 0,80F’)
100.000 – 10.000 F’ + 20 F’ = 5.000 – 400 F’
100.000 – 9.980 F’ = 5.000 – 400 F’
100.000 – 5.000 = 9.980 F’ – 400 F’
95.000 = 9.580 F’ => F’ =
9580
95000
=> F’ = 9,9165 L/s
A partir de F’ pode-se determinar os valores de B, C, P e W :
. B = 10 – F’ => B = 10 – 9,9165 => B = 0,0835 L/s
. C = 0,20 F’ => C = 0,20 (9,9165) = > C = 1,9833 L/s
. P = 10 – 0,80 F’ => P = 10 – 0,80 (9,9165) => P = 10 – 7,9332 => P = 2,0668 L/s
. W = 0,80 F’ => W = 0,80 (9,9165) => W = 7,9332 L/s
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• Determinação da concentração de sal na salmoura na saída do sistema 3:
- Balanço por componente no sistema 3
10.000 . F’ = 100 . C + W . (conc sal na salmoura)
10.000 . (9,9165) = 100 . (1,9833) + 7,9332 . (conc sal na salmoura)
99.165 = 198,33 + 7,9332 . (conc sal na salmoura)
99.165 – 198,33 = 7,9332 . (conc sal na salmoura)
98.966,67 = 7,9332 . (conc sal na salmoura)
(conc sal na salmoura) =
9332,7
67,98966
=> (conc sal na salmoura) = 12.475 mg/L
# BALANÇO DE ENERGIA
Balanço de energia é uma exposição sistemática dos fluxos e
transformações de energia em um sistema. A base teórica para um balanço
energético é a primeira Lei da Termodinâmica segundo a qual a energia não pode
ser criada ou destruída, apenas modificada em forma. As fontes de energia ou ondas
de energia são, portanto, as entradas e saídas do sistema em observação.
Para escrever um balanço de energia, nós precisamos saber que tipo de energia
pode entrar ou sair de um sistema. Portanto, o balanço de energia é uma aplicação
direta da primeira Lei da Termodinâmica. Embora a energia assuma diversas formas,
a quantidade total de energia é constante e, quando a energia desaparece em uma
forma, ela reaparece simultaneamente em outras formas.
Portanto, guardadas as devidas proporções e características, aplicar um balanço
de energia a um processo químico industrial, é muito semelhante a aplicar um
balanço de massa como visto anteriormente. Ou seja, de um modo simples:
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ENERGIA (Q) QUE ENTRA = ENERGIA (Q) QUE SAI
Q trocada
Q entra Q sai
Q transformada
Q entra = Q trocada + Q transformada = Q sai
PROCESSO
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PARTE III
O Estudo
Dos
Processos Industriais
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III A
A Indústria do Enxofre
• O Enxofre
- Posição da Tabela Periódica: Calcogênio (VIA), 3º período.
- Alótropos:
O enxofre possui a maior variedade de formas alotrópicas (S2, S4, S6 e
S8), que podem ser encontradas, principalmente, em lugares propensos a ocorrer
erupções vulcânicas. Porém, duas formas alotrópicas do enxofre se destacam, sendo
que ambas possuem a fórmula S8, isto é, suas moléculas são formadas por oito
átomos de enxofre ligados em forma de anel. A diferença está somente nas
arrumações de suas moléculas no espaço.
. Enxofre Rômbico ou Enxofre alfa (αααα): Essa é a forma alotrópica mais estável do
enxofre e, portanto, a mais comum. Aparece na forma de cristais amarelos e
transparentes. Seu ponto de fusão é igual a 112, 8ºC e seu ponto de ebulição é de
444,6ºC.
. Enxofre Monoclínico ou Enxofre beta (ββββ): Esse alótropo do enxofre apresenta-se
na forma de agulhas finas e opacas, como mostra a figura abaixo. É menos estável
que o enxofre rômbico, seu ponto de fusão é maior (119 ºC ) e possui o mesmo
ponto de ebulição (444,6ºC).
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 44
- Usos: Na indústria, o enxofre é usado na vulcanização da borracha para a
fabricação de pneus, na produção do Ácido Sulfúrico (H2SO4), de pólvora negra,
inseticidas, antibióticos à base de sulfa, cosméticos, entre outros.
• Processos de Obtenção do Enxofre
- O Método Siciliano
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- O Método Frasch
O processo de Frasch foi criado por Herman Frasch em Louisiana, Texas em 1891.
Foi o primeiro processo de extração de enxofre comercialmente rentável e que deu
grande impulso ao desenvolvimento das indústrias que dependem deste elemento
químico.
O método consiste em injetar vapor de água superaquecido no subsolo ou em
jazidas submarinas para fundir o enxofre, que posteriormente é bombeado para o
exterior utilizando-se ar comprimido. O equipamento para perfurar os poços até o
fundo dos estratos sulfurosos é o usado comumente na perfuração de poços de
petróleo. Na superfície, o enxofre líquido passa por linhas aquecidas a vapor até um
separador, onde se remove o ar. O enxofre pode ser solidificado em grandes cubas
de depósito, ou pode ser mantido em estado líquido, em tanques de
armazenamento aquecidos a vapor.
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O processo é utilizado até hoje e responsável por 23% da produção mundial.
Este método baseia-se na perfuração do solo com 03 tubos concêntricos. O primeiro
é de 200 m e o diâmetro do mais externo é de 25 cm.
Por um dos tubos injeta-se vapor de água superaquecido (170 0C) , o qual provoca a
fusão do enxofre (PF = 120 0C). Em seguida injeta-se ar comprimido pelo tubo
central, o qual arrastará a mistura de água e enxofre (existem válvulas para
controlar as vazões de entrada e de saída). O ar e água são separados,
permanecendo o enxofre cristalizado, o qual é fragmentado com o auxílio de
explosivos. Obtém-se , assim, enxofre rômbico de alta pureza (99,5%).
( não se faz escavações na forma de galerias para a extração do enxofre, pois ele
ocorre em regiões de pântano).
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- O Processo de Claus
. Diagrama de Blocos do Processo de Claus
Referências do esquema:
A – Caldeira D – Reaquecedor
B – 1º conversor E – 2º conversor ( com catalisador de Fe2O3)
C – Torre separadoraF – Torre separadora
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III B
A Indústria do Ácido Sulfúrico
H2SO4
• Obtenção do H2SO4 pelo Método do Contato
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. Exercícios
1) Calcule quantas toneladas de ácido sulfúrico podem ser produzidas por dia,
através de um processo que usa 3,2 t/d de SO2, com uma eficiência de conversão de
70%. É dada a reação abaixo:
SO2 + ½ O2 + H2O → H2SO4
2) Qual massa de H2SO4 é produzida a partir de 8 t/d de enxofre ? São dadas as
reações abaixo:
- S + O2 → SO2
- SO2 + ½ O2 → SO3
- SO3 + H2O → H2SO4
3) Em uma indústria química, tem-se um tanque cilíndrico e reto de altura H = 6 m e
diâmetro D = 5 m, cuja área da base (Ab) cilíndrica, é numericamente igual ao
diâmetro em unidades métricas quadradas, destinado ao armazenamento de H2SO4
96% em massa. Retirou-se uma amostra desse tanque que foi levado ao laboratório
para a determinação da densidade, a qual apresentou valor igual 0,184 kg/L.
Considerando que o tanque encontra-se preenchido com 1/3 de sua capacidade,
perguntam-se:
a) O que um operador deve fazer para obter um ácido a 40% em massa? (resposta
em L)?
b) Qual o volume ocupado do tanque depois da alteração? (resposta em m3)
c) Quantos % o volume alterado representa em relação à capacidade total do
tanque? (resposta em %).
d) O volume alterado equivale a qual fração do volume total do tanque?
a) Qual a concentração comum do ácido após a alteração do volume?
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III C
As Indústrias do Nitrogênio (N2),
da Amônia (NH3) e do Ácido Nítrico (HNO3)
# NITROGÊNIO (N2)
# AMÔNIA (NH3)
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 52
• Diagrama de Blocos do Processo Haber-Bosch
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 53
# Ácido Nítrico
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 54
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 55
Exercícios
1) Qual deve ser o diâmetro D (em m) de um tanque-esfera, utilizado para
armazenar completamente um certo volume V de amônia gasosa, produzida pelo
processo Haber-Bosch, a 2 atm e 250 C, partindo-se de 13,71 kmol de nitrogênio
gasoso em reação com gás hidrogênio? Considere a eficiência do processo igual a
80% ( dado: volume do tanque = 4/3 πR3).
2) A partir do Processo de Ostwald para a obtenção do ácido nítrico, efetue o que se
pede:
a) Calcule o calor de formação do ácido nítrico.
b) Determine o volume, em m3, de nitrogênio, nas condições ambientes (P=1atm;
t=250 C), que se deve utilizar para a produção de meia tonelada de HNO3.
3) À temperatura de 500 0C , a constante de equilíbrio em termos de concentração
em mol/L, Kc, para a reação de fixação do nitrogênio para a produção de amônia,
tem um valor de 6.10 -2. Se em um reator em particular a esta temperatura, há 0,25
mol hidrogênio, 0,05 mol de amônia, qual é a concentração do nitrogênio?
4) A partir das etapas do processo de Haber-Ostwald, para a obtenção industrial do
HNO3, determine:
a) a quantidade total de calor produzida na transformação:
12 NH3(g) + 21 O2(g) → 8 HNO3(l) + 14 H2O(g) + 4 NO(g).
b) a quantidade de NH3, em toneladas, necessária para produzir 20 m
3 de HNO3 de
densidade 1,51 g/cm3, considerando-se uma eficiência processual de conversão,
igual a 87%.
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III D
A Indústria de Produção do Aço
MATÉRIAS PRIMAS PARA A FABRICAÇÃO DO AÇO
* MINÉRIOS DE FERRO.
Os principais minérios de ferro são:
- hematita (Fe2O3),
- limonita (Fe2O3.2H2O),
- magnetita(Fe3O4), dentre outros.
- Os sulfetos de ferro, como a pirita (FeS2), são abundantes na natureza, mas não
servem para a extração e produção do ferro, pois o enxofre é um dos elementos
mais prejudiciais às propriedades do ferro e do aço.
A extração ou metalurgia do ferro e de suas ligas recebe o nome de siderurgia. Os
principais produtos siderúrgicos são:
� ferro gusa: liga de ferro com 2% a 5% de carbono, além de impurezas como Mn,
Si, P, dentre outros;
� ferro fundido: liga de ferro com de 2% a 5% de carbono, mas com quantidades
de impurezas menores que o gusa;
� aço, aço comum, aço-carbono: liga de ferro com de o,2% a 1% de carbono e
baixa concentração de impurezas (Mn, Si, P, S, dentre outros);
� aço doce: aço que contém menos de 0,2% de carbono;
� aços-liga: aços que contém outros elementos químicos e que apresentam
quantidades especiais.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 57
* CARVÃO MINERAL
Um dos principais tipos de carvão mineral é o carvão denominado HULHA, o qual
contém em torno de 80% em carbono.
Da destilação seca da Hulha obtém-se:
1) Uma fração gasosa – utilizada como combustível.
2) Uma fração líquida formada por duas fases:
a- fase leve: águas amoniacais – utilizada para a produção de fertilizantes.
b- fase pesada: alcatrão – do qual se extrai por destilação, hidrocarbonetos
aromáticos.
3) Uma fração sólida – COQUE – utilizado para a produção do SÍNTER (coque moído
+ finos de minério de ferro + CaCO3 + carepas de laminação) que é o “alimento do
alto forno”)
A produção do ferro e suas ligas começou na pré-história (Idade do Ferro) e
cresceu muito a partir de 1750, quando teve início a era da industrialização.
Atualmente o processo siderúrgico começa, via de regra, pela produção do gusa
(ferro líquido incandescente), nos chamados altos-fornos.
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O Alto Forno
HISTÓRICO
O ferro se combina tão fortemente com o oxigênio, que é preciso
temperaturas muito altas – mais de 1.000 °C – para separá-lo do minério de ferro.
Na pré-história (período que os historiadores definem como sendo anterior à
escrita), com fogueiras e fornos comuns, tais temperaturas eram muito difíceis de
serem alcançadas.
O bronze – liga de cobre e estanho – já era obtido há cerca de 5.300 anos, mas
o ferro só pôde ser obtido mais tarde, com o aperfeiçoamento de fornos com os
quais se obtinham temperaturas mais altas (basicamente com mecanismos, como o
fole, que sopravam o ar no meio do fogo).
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 59
Melhorias subsequentes possibilitaram a produção de pequenas quantidades
de aço. Com a invenção do alto-forno na Idade Média, uma quantidade maior de
aço pôde ser fabricada e utilizada principalmente em armas, como espadas, e em
armaduras e escudos. O processo industrial de obtenção do aço ocorreu no século XIX,
aumentando enormemente a quantidade fabricada e barateando o produto final.
ETAPAS DA PRODUÇÃO DO AÇO
PREPARAÇÃO DA CARGA
A carga é levada por caçambas e introduzida na parte superior do alto-forno e
é formada fundamentalmente por: minério de ferro, carvão coque (queima
produzindo o calor necessário ao funcionamento do forno, e produz também o CO
que é o principal redutor do minério de ferro), fundente (considerando que as
impurezas do minério de ferro são, em geral, sílica (SiO2) e silicatos de difícil fusão,
usa-se como fundente o calcário (CaCO3). O produto da reação, o CaSiO3, irá formar
a escória, que será retirada na parte inferior do forno.
Alto Forno
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As impurezas presentes no minério de ferro são removidas com seu
aquecimento -juntamente com carvão mineral e outras substâncias – em alto
forno. O alto-forno é um forno especial com revestimento para resistir a altas
temperaturas – a mais de 1200 °C. Desse processo de aquecimento resulta o ferro-
gusa – usado na produção do aço – e a escória, constituída de impurezas que são
removidas (podendo ser usadas na fabricação de cimento).
REFINO: FERRO GUSA
Pela parteinferior, são escoados, a cada 4 ou 5 horas, em primeiro lugar
a escória (que é utilizada para pavimentação ou fabricação de cimento) e, em
segundo lugar o ferro-gusa. O ferro-gusa é aquecido em um forno
chamado conversor. A injeção de oxigênio ajuda a eliminar
as impurezas restantes. Outras substâncias são acrescentadas para conferir
propriedades. Ao fim do processo é produzido o aço na forma líquida.
LINGOTE
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O aço refinado é transportado à unidade de lingotamento contínuo e ali vazado em
um distribuidor com diversos veios. Em cada veio, o aço líquido passa por moldes
de resfriamento para solidificar-se no formato conveniente para a laminação.
LAMINAÇAO
Na laminação o lingote de aço passa por entre dois cilindros que o comprimem para
reduzira espessura da peça de modo semelhante ao que ocorre nas máquinas de
preparo de massa para pastéis.
PRINCIPAIS UNIDADES DO FLUXO DE PRODUÇÃO DE AÇO NUMA SIDERÚRGICA - RESUMO
1) PÁTIO DE CARVÃO – (ARMAZENAMENTO DAS PEDRAS DE CARVÃO)
2) COQUERIA - ( OBTÉM-SE O COQUE + SUBPRODUTOS DA HULHA)
3) SINTERIZAÇÃO – (OBTENÇÃO DO SÍNTER E DAS PELOTAS DE SÍNTER)
4) ALTO FORNO – (OBTENÇÃO DO FERRO GUSA + SUBPRODUTOS)
5) ACIARIA – (TRANSFORMAÇÃO DO FERRO GUSA EM AÇO LÍQUIDO/SÓLIDO)
6) LAMINAÇÃO – (TRANSFORMAÇÃO MECÂNICA DO AÇO EM CHAPAS)
7) PÁTIO DE PLACAS – (ÁREA DE CONTROLE DE QUALIDADE DAS PLACAS DE AÇO)
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 62
USOS DO AÇO
Diversas indústrias transformam os produtos das siderúrgicas para ser aplicados na
construção civil ou em objetos presentes no nosso dia-a-dia.
As características do aço comum
� Porcentagem do carbono – aços com teores baixos de carbono são mais
maleáveis e dúcteis; aços com mais carbono são mais duros e tenazes.
� Tratamento térmico – é o aquecimento seguido de resfriamento do aço, com
intensidades e velocidades variáveis; isso altera as propriedades do aço, pois
modifica sua estrutura cristalina.
Dois exemplos de tratamento térmico importantes são:
� têmpera: é o aquecimento seguido de resfriamento rápido do aço, com esse tratamento, o aço
fica mais “duro”, porém mais “quebradiço”.
� recozimento: é o aquecimento seguido de resfriamento mais lento do aço, com isso ele fica
mais elástico, porém menos “duro”.
TIPOS DE AÇO
� aço inoxidável: Fe + C + Cr + Ni
� aço para trilhos: Fe + C + Mn
� aço para ferramenta de corte: Fe + C + W + Mo
� aço para ímãs: Fe + C + Al + Ni + Co
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III E
A Indústria de Refino de Petróleo
• Considerações Gerais
A – O que é o Petróleo?
O petróleo é um líquido viscoso, menos denso que a água, de odor
característico, inflamável, sendo por isso considerado um combustível fóssil, cuja
coloração varia do negro ao âmbar, e que é resultado de transformações químicas
ocorridas em meios não oxidantes, a grandes pressões e temperaturas, sobre a
matéria orgânica soterrada em grandes profundidades, como consequência de
diversos processos geológicos ocorridos no planeta Terra, ao longo de sua
existência, entre 10 a 600 milhões de anos passados.
O termo petróleo deriva do latim: petra = pedra ; oleum = óleo , significando
literalmente “óleo de pedra” .
B – Teoria de Formação / Origem do Petróleo
Os restos de matéria orgânica, bactérias, produtos nitrogenados e sulfurados
no petróleo indicam que ele é o resultado de uma transformação da matéria
orgânica acumulada no fundo dos oceanos e mares durante milhões de anos, sob
pressão das camadas de sedimentos que foram se depositando e formando rochas
sedimentares. O conjunto dos produtos provenientes desta degradação,
hidrocarbonetos e compostos voláteis, misturados aos sedimentos e aos resíduos
orgânicos, está contido na rocha-mãe; a partir daí o petróleo é expulso sob efeito da
compactação provocada pela sedimentação, migrando para impregnar areias ou
rochas mais porosas e mais permeáveis, tais como arenitos ou calcários. Uma
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 64
camada impermeável, quando constitui uma “armadilha”, permite a acumulação
dos hidrocarbonetos, impedindo-os de escapar.
C – Condições de ocorrência para a formação de bacias de petróleo e acumulações
A existência de acumulações de petróleo depende das características e do
arranjo de certos tipos de rochas sedimentares no subsolo. Basicamente, é preciso
que existam rochas geradoras que contenham a matéria-prima que se transforma
em petróleo e rochas-reservatório, ou seja, aquelas que possuem espaços vazios,
chamados poros, capazes de armazenar o petróleo. Essas rochas são envolvidas em
armadilhas chamadas trapas, compartilhamentos isolados no subsolo onde não tem
condições de escapar.
A ausência de qualquer um desses elementos impossibilita a existência de
uma acumulação petrolífera. Logo, a existência de uma bacia sedimentar não
garante, por si só, a presença de jazidas de petróleo.
As rochas geradoras são assim chamadas por tratar-se de um mineral formado
principalmente pelo acúmulo de fragmentos de outros minerais e detritos
orgânicos, e que, quando se encontra num ambiente de pouca permeabilidade o
Plânctons e outros seres minúsculos
Soterramento por convulsão da natureza
Resultam numa mistura orgânica chamada “sapropel”
Sofre decomposição sob ação do tempo, bactérias, calor, pressão
PETRÓLEO
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 65
que inibe a ação de água circulante e diminui a quantidade de oxigênio existente
cria as condições necessárias para a formação do petróleo.
Após o processo de formação do petróleo, para que o mesmo se acumule,
formando posteriormente um reservatório, é necessário que após a geração ocorra
a migração do petróleo, e que no percurso desta migração exista alguma armadilha
geológica que permita a acumulação do óleo. Esta migração ainda é um assunto que
gera certa polêmica entre os geólogos; no entanto, o que se percebe é que o
petróleo é expulso da rocha onde foi gerado, talvez pelo micro fraturamento já
observado nas rochas geradoras ou devido ás altas pressões de compactação
existentes.
Assim, o petróleo migra da rocha geradora para outra rocha, porosa e
permeável, chamada Rocha Reservatório, e continua seu fluxo no interior da
mesma, até ser contido por uma armadilha, isto é, uma estrutura geológica
compreendida dentro de uma rocha selante (impermeável), que permita que o óleo
ali se confine.
Não havendo a presença de uma rocha selante e de uma armadilha (trapa), o
petróleo não se acumularia, e continuaria seu fluxo rumo a áreas de menor pressão,
culminando em exsudações ou perda por degradação bacteriana e oxidação.
* Rochas Sedimentares:
São aquelas constituídas por sedimentos ( materiais que se depositam em
camadas), que são as inúmeras partículas de rocha, lama, matéria orgânica,
podendo até mesmo possuir em sua composição restos corpóreos de vegetais e
animais.
* Rochas Geradoras: são aquelas rochas nas quais são geradas o petróleo, quando
submetidas a condições físico-químicas necessárias para tal.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 66
* Rochas Reservatório: são rochas porosas e permeáveis para onde migra e se
acumula o petróleo.
* Rochas Selantes: são rochas impermeáveis dotadas de plasticidade, que selam e
que impedem que o petróleo continue migrando e se dispersando através do meio
geológico, permitindo a formação de reservatórios.
D – Bacias Sedimentares
São manifestações do relevo terrestre que correspondem a depressões geológicas,
as quais com o passar do tempo, foram sendo preenchidas por vários tipos de
sedimentos.
E – Tipos de Bacias Sedimentares de Petróleo
. BACIAS ON SHORE: são as bacias queocorrem nas porções terrestres do planeta.
. BACIAS OFF SHORE: são aquelas que ocorrem nas plataformas continentais, ou
seja, encontram-se nas profundidades oceânicas.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 67
F- Composição Química Básica do Petróleo
O petróleo é formado basicamente por compostos orgânicos constituídos
exclusivamente por átomos de carbono e de hidrogênio, denominados
Hidrocarbonetos (HC).
O tipo de hidrocarboneto gerado, presente no óleo ou gás, é determinado
pela constituição da matéria orgânica original e pela intensidade do processo
térmico atuante sobre ela.
- Petróleo Parafínico: petróleo com grande concentração de hidrocarbonetos
parafínicos ( 75% ou mais ) ; ou seja, ricos em alcanos, que são HC de cadeia
carbônica aberta e saturada ( CnH2n+2 ).
. Brasil e E.U.A
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 68
- Petróleo Naftênico: petróleo com grande quantidade de hidrocarbonetos
naftênicos ( 70% ) ; ou seja, são ricos em cicloalcanos, que são HC de cadeia
carbônica cíclica e saturada ( CnH2n ).
. Rússia
- Petróleo Aromático: com grande concentração de hidrocarbonetos aromáticos (
50% no mínimo) ; ou seja, derivados do benzeno.
. Venezuela, Indonésia, Àfrica, Oriente Médio.
Além dos hidrocarbonetos mencionados, o petróleo apresenta outros
constituintes em menor percentual, compostos orgânicos contendo elementos
químicos como nitrogênio, enxofre, oxigênio (chamados genericamente de
compostos NSO) e metais, principalmente níquel e vanádio. Tais constituintes são
considerados nocivos aos produtos, equipamentos e ao meio ambiente, sendo por
isso, considerados impurezas, devendo ser removidos em processos de tratamento
específicos. Juntamente com o petróleo são também encontradas outras impurezas,
como a água, sais e sedimentos.
G – Classificação do Petróleo por densidade / Qualidade de um Petróleo
O Grau API é uma escala hidrométrica criada pelo American Petroleum Institute
(API), ela é utilizada para medir a densidade relativa de óleos e derivados, e como o
petróleo se trata de um óleo viscoso, podemos usá-la para classificá-lo.
O 0API pode ser determinado pela fórmula:
ºAPI = (141,5 ÷ densidade da amostra à temperatura de 60°F) - 131,5
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 69
em que a densidade é medida relativamente à densidade da água
A densidade, portanto, pode ser obtida por:
. Obs: 60 0F correspondem a 15,55 °C
A escala API é medida em graus e permite definir o petróleo como:
• Petróleo leve: Possui ºAPI maior que 30, constituído basicamente por alcanos, e
uma porcentagem de 15 a 25% de cicloalcanos.
• Petróleo médio: Grau ºAPI de 22 a 30. Além de alcanos, contém de 25 a 30% de
hidrocarbonetos aromáticos.
• Petróleo pesado: Possui ºAPI menor que 22 e é composto só de hidrocarbonetos
aromáticos.
•Petróleo extrapesado: Possui ºAPI menor que 10, é constituído de
hidrocarbonetos de cadeia longa ( superior ao pentano )
Quanto maior o grau API, maior o valor do produto no mercado. O 0API é maior
quando o petróleo é mais leve, como por exemplo, o petróleo classificado como
médio é mais caro que o pesado.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 70
. Por que é importante classificar o petróleo na escala API?
Quando a medida do 0API é feita na plataforma antes de refinar o petróleo, permite
verificar se o petróleo é pesado, extrapesado, etc. Se for constatado que se trata de
um petróleo extrapesado, é preciso então investir na exploração das jazidas, com
novas tecnologias e aparelhagem apropriada (bombas de sucção altamente
potentes) para extrair o óleo de viscosidade elevada.
• Segmentos básicos da Indústria do Petróleo
A localização, produção, transporte, processamento e distribuição dos
hidrocarbonetos existentes nos poros e canais de uma rocha reservatório, que
pertence a um determinado campo petrolífero, estabelecem os cinco segmentos
básicos da indústria do petróleo:
1) Exploração / Prospecção
2) Explotação
3) Transporte
4) Processamento de Refino
5) Distribuição
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 71
. EXPLORAÇÃO / PROSPECÇÃO
Corresponde à fase inicial da pesquisa para se verificar a possibilidade de
existência de petróleo, e consiste na reconstrução da história geológica de uma
área, através da observação de rochas e formações rochosas, determina a
probabilidade da ocorrência de rochas reservatório. A utilização de medições
gravimétricas, magnéticas e sísmicas permitem o mapeamento das estruturas
rochosas e composições do subsolo. A definição do local com maior probabilidade
de um acúmulo de óleo e gás é baseada na sinergia entre a Geologia, a Geofísica e a
Geoquímica, destacando-se a área de Geo-Engenharia de Reservatórios.
. EXPLOTAÇÃO
Refere-se à fase explotatória do campo petrolífero engloba as técnicas de
desenvolvimento e produção da reserva comprovada de petróleo de um campo
petrolífero.
• Exploração e Explotação
O termo exploração, em geologia, relaciona-se à fase de prospecção: busca e
reconhecimento da ocorrência dos recursos naturais, e estudos para determinar se
os depósitos têm valor econômico. A explotação é a retirada do recurso com
máquinas adequadas, para fins de beneficiamento, transformação e utilização, ou
seja, é a fase de otimização do poço para a retirada do petróleo.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 72
Extração do petróleo – campo onshore
. TRANSPORTE
Pelo fato dos campos petrolíferos não serem localizados, necessariamente,
próximos dos terminais e refinaria de óleo e gás, é necessário o transporte da
produção através de embarcações, caminhões, vagões, ou tubulações (oleodutos e
gasodutos).
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 73
. PROCESSAMENTO E REFINO
Apesar da separação da água, óleo, gás e sólidos produzidos, ocorrer em estações
ou na própria unidade de produção, é necessário o processamento e refino da
mistura de hidrocarbonetos proveniente da rocha reservatório, para a obtenção dos
componentes que serão utilizados nas mais diversas aplicações (combustíveis,
lubrificantes, plásticos, fertilizantes, medicamentos, tintas, tecidos).
• REFINARIA
Refinaria é o nome usual para referir-se as destilarias de petróleo que realizam o
processo químico de limpeza e refino do óleo cru extraído dos poços e minas de
óleo bruto, produzindo diversos derivados de petróleo, como lubrificantes, aguarrás,
asfalto, coque, diesel, gasolina, GLP, nafta, querosene, querosene de aviação e
outros.
O petróleo bruto (não processado) é composto de diversos hidrocarbonetos, com
propriedades físico-químicas diferentes. Por isso, tem pouca utilidade prática ou
uso.
No processo de refino, os hidrocarbonetos são separados, por destilação, e as
impurezas removidas. Estes produtos podem então ser utilizados em diversas
aplicações.
. DISTRIBUIÇÃO
Os produtos finais das estações e refinarias (gás natural, gás residual, GLP, gasolina,
nafta, querosene, lubrificantes, resíduos pesados e outros destilados) são
comercializados com as distribuidoras, que se encarregarão de oferecê-los, na sua
forma original ou aditivada, ao consumidor final.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 74
♦ Termos associados à cadeia produtiva do petróleo
Normalmente se divide a operação da indústria de petróleo em três partes:
"upstream", "midstream" e "downstream".
• Upstream: Engloba as atividades de busca, identificação e localização das fontes
de óleo, e ainda o transporte deste óleo extraído até as refinarias, onde será
processado. Resumindo, são as atividades de exploração, perfuração e produção.
• Midstream: É a fase em que as matérias-primas são transformadas em produtos
prontos para uso específico (gasolina, diesel querosene, GLP,...). São as atividades
de refinamento.
• Downstream: É a parte logística. Transporte dos produtosda refinaria até os
locais de consumo. Compreendendo o transporte, distribuição e comercialização.
• Operação de Refino
O petróleo é uma mistura complexa de hidrocarbonetos, que apresenta
diferentes quantidades de átomos de carbono em suas cadeias estruturais. Assim,
portanto, possuem diferentes massas moleculares e consequente, diferentes
pontos de ebulição.
Com base nesse princípio, é feita então, a separação do diversos componentes do
petróleo, utilizando-se um processo físico, denominado Destilação Fracionada.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 75
. Destilação Fracionada
A destilação fracionada é o método utilizado para separar misturas
homogêneas , do tipo líquido – líquido . Exemplo de mistura deste tipo é o petróleo ,
ou uma simples mistura de água e álcool , que será demonstrada a seguir . Na
destilação fracionada os líquidos são separados através de seus pontos de ebulição,
desde que eles não sejam muito próximos. Durante o aquecimento da mistura, é
separado, primeiramente o líquido de menor P.E ( ponto de ebulição) , depois o
líquido de P.E intermediário e sucessivamente até o líquido de P.E maior .
Na indústria do refino de petróleo a operação de destilação fracionada, ocorre num
equipamento denominado “torre ou coluna de fracionamento”:
Colunas de fracionamento
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 76
Diagramas de uma típica torre de destilação industrial de petróleo
. Ponto de Orvalho: “é a temperatura na qual a fase leve contida no petróleo
começa a sofrer condensação”.
. Ponto de Bolha: “é a temperatura na qual a fase pesada contida no petróleo
começa a passar para a fase de vapor”.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 77
. Etapas do Processo
1- Aquecer a mistura de duas ou mais substâncias (líquidos) de diferentes pontos de
ebulição a alta temperatura. O aquecimento costuma ser feito com vapor de alta
pressão para temperaturas de cerca de 600 °C.
2- A mistura entra em ebulição formando vapor (gases). A maior parte das
substâncias passa para a fase de vapor.
3- O vapor entra no fundo de uma coluna longa (coluna de destilação fracionada)
cheia de bandejas ou placas.
3.1- elas possuem muitos orifícios ou proteções para bolhas a fim de permitir a
passagem do vapor
3.2- as placas aumentam o tempo de contato entre o vapor e os líquidos na coluna
3.3- elas ajudam a coletar os líquidos que se formam nos diferentes pontos da
coluna
3.4- há uma diferença de temperatura pela coluna (mais quente embaixo, mais frio
em cima)
4- O vapor sobe pela coluna.
5- Conforme o vapor sobe pelas placas da coluna, ele esfria.
6- Quando uma substância na forma de vapor atinge uma altura em que a
temperatura da coluna é igual ao ponto de ebulição da substância, ela condensa e
forma um líquido.
A substância com o menor ponto de ebulição irá se condensar no ponto mais alto
da coluna. Já as substâncias com pontos de ebulição maiores condensarão em
partes inferiores da coluna.
7- As placas recolhem as diferentes frações líquidas.
8- As frações líquidas recolhidas podem:
8.1- passar por condensadores, onde serão resfriadas ainda mais, e depois ir para
tanques de armazenamento;
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 78
8.2- ir para outras áreas para passar por outros processos químicos, térmicos ou
catalíticos.
. O Processo de refino – Resumo
1- Retirada do sal e da água, que se misturaram ao petróleo ( Dessalgação )
2 - Aquecimento do óleo em fogo direto a 320ºC e então, começa a se separar.
3 - Na coluna atmosférica, o petróleo é aquecido junto com vapor de água, para
facilitar a destilação.
4 - Saída dos produtos, já separados.
5 - Produtos consumíveis.
TABELA DAS PRINCIPAIS FRAÇÕES DO PETRÓLEO
Frações ou Cortes
Composição
aproximada
Ponto de
ebulição/°C
Utilização principal
Gás natural
C1 a C2 carbonos
CH4 (70% a 99%)
C2H6 (de 0,5 a 7%)
H2S, CO2, N2, He, etc.
-162 a -75
Combustível e
matéria-prima na
síntese de
compostos
orgânicos e na
fabricação de
plásticos.
GLP (gás liquefeito
do petróleo)
C3 a C4 carbonos -42 a 20
Combustível, gás de
cozinha e matéria-
prima na síntese de
compostos
orgânicos e na
fabricação de
borracha.
Éter de petróleo C5 a C6 carbonos 20 a 60 Solventes em
lavagens a seco. O
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 79
nome éter vem da
alta volatilidade
desses
hidrocarbonetos.
Benzina C7 a C8 carbonos 60 a 90 Solvente orgânico
Nafta ou ligroína C8 a C9 carbonos 90 a 120
Solvente e matéria-
prima na industria
petroquímica.
Gasolina C6 a C10 carbonos 40 a 200
Combustível de
motores de
explosão.
Querosene C10 a C16 carbonos 150 a 300
Iluminação,
solvente,
combustível
doméstico, e
combustível para
aviões.
Óleo diesel C15 a C18 carbonos 250 a 350
Combustível de
ônibus e caminhões.
Óleo lubrificante C16 a C20 carbonos 300 a 400
Lubrificantes de
máquinas e
motores.
Vaselina
acima de 20
carbonos
-------
Lubrificante,
pomadas,
cosméticos,
indústria alimentícia.
Parafina
sólidos de massa
molar elevada
47 a 65
Fabricação de velas,
indústria de
alimentos, indústria
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 80
cosmética,
impermebealização,
revestimento de
papel.
Asfalto
mistura de
hidrocarbonetos
parafínicos,
aromáticos e
compostos
heterocíclicos que
contém, enxofre,
nitrogênio e
oxigênio.
132 (ponto de
inflamação)
Pavimentação de
ruas e calçadas,
vedação de
encanamentos e
paredes,
impermeabilização
de cascos de
embarcações,
adesivos e
laminados elétricos,
revestimentos
antioxidantes.
Coque
Resíduo sólido da
destilação destrutiva
(carbonização do
petróleo)
-------
Redução do ferro
em alto forno,
revestimento de
fornos refratários,
obtenção do
alumínio e como
fonte de gás de
síntese.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 81
PRODUTROS DERIVADOS DO PETRÓLEO
• Processamento químico das frações do petróleo
Processamento químico
Pode-se transformar uma fração em outra usando um destes três métodos:
- dividindo grandes cadeias de hidrocarbonetos em pedaços menores
(craqueamento);
- combinando pedaços menores para criar outros maiores (reforma);
- rearranjando vários pedaços para fazer os hidrocarbonetos desejados (alquilação).
. Craqueamento
O craqueamento divide grandes cadeias de hidrocarbonetos em pedaços menores.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 82
Há vários tipos de craqueamento:
- Térmico: grandes cadeias de hidrocarbonetos são aquecidas a altas temperaturas
(e algumas vezes a altas pressões também) até que elas se quebrem (craqueiem).
- vapor: vapor de alta temperatura (816°C) é usado para craquear etano, butano e
nafta em etileno e benzeno, que são usados para fabricar produtos químicos;
- viscorredução: os resíduos da torre de destilação são aquecidos (482°C), resfriados
com gasóleo e rapidamente colocados em uma torre de destilação. Este processo
reduz a viscosidade de óleos pesados e produz o alcatrão;
- coqueamento: os resíduos da torre de destilação são aquecidos a temperaturas
acima de 482°C até que se quebrem em óleo pesado, gasolina e nafta. Ao final do
processo, sobra um resíduo pesado, quase puro, de carbono (coque). O coque é
limpo e vendido.
- Catalítico: usa um catalisador para aumentar a velocidade da reação de
craqueamento. Os catalisadores incluem a zeólita, hidrossilicato de alumínio,
bauxita e alumino-silicatos.
- craqueamento catalítico fluido ("fluid cracking catalysis", FCC): um catalisador
fluido aquecido (538°C) craqueia gasóleo pesado em óleo diesel e gasolina;
- hidrocraqueamento: semelhante ao craqueamento catalítico fluído, mas usa um
catalisador diferente, temperaturas menores, pressãomaior e gás hidrogênio.
Ele craqueia o óleo pesado em gasolina e querosene (combustível de aviação).
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 83
Após vários hidrocarbonetos terem sido craqueados em outros menores, os
produtos passam por mais uma coluna de destilação fracionada para separá-los.
. Reforma
Algumas vezes, é preciso combinar hidrocarbonetos menores para fazer
outros maiores. Este processo é chamado de reforma. O principal processo á a
reforma catalítica, que utiliza um catalisador (platina, mistura platina-rênio)
para transformar nafta de baixo peso molecular em compostos aromáticos, usados
na fabricação de produtos químicos e para misturar na gasolina. Um subproduto
importante dessa reação é o gás hidrogênio, usado para o hidrocraqueamento ou
vendido.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 84
. Alquilação
Às vezes, as estruturas de moléculas em uma fração são rearranjadas para
produzir outra. Isso normalmente é feito por meio de um processo chamado
alquilação. Na alquilação, compostos de baixo peso molecular, como o propileno e o
buteno, são misturados na presença de um catalisador como o ácido fluorídrico ou
ácido sulfúrico (um subproduto da remoção de impureza de muitos produtos do
petróleo). Os produtos da alquilação são hidrocarbonetos ricos em octanas, usados
em tipos de gasolina para reduzir o poder de detonação.
Isomerização
É o processo pelo qual a partir de um HC de cadeia normal, se obtém um outro
isômero de cadeia ramificada.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 85
Tratando e misturando as frações obtidas no refino de petróleo
Frações destiladas e processadas quimicamente são tratadas para que as impurezas
como compostos orgânicos contendo enxofre, nitrogênio, oxigênio, água,
metais dissolvidos e sais inorgânicos sejam removidas. O tratamento costuma ser
feito ao passar as frações pelas seguintes etapas:
- uma coluna de ácido sulfúrico remove hidrocarbonetos insaturados (os que
possuem ligações duplas carbono-carbono), compostos de nitrogênio, compostos de
oxigênio e sólidos residuais (alcatrão, asfalto)
- uma coluna de absorção preenchida com agentes secantes para remover a água
- tratamento para remover o enxofre e compostos de enxofre
Após o tratamento das frações, elas são resfriadas e misturadas para formar vários
produtos, tais como:
- gasolina de vários tipos, com ou sem aditivos
- óleos lubrificantes de diferentes pesos moleculares e tipos (por exemplo, 10W-40,
5W-30)
- querosene de vários tipos
-combustível de aviação
- óleo diesel
- óleo combustível
- diferentes tipos de produtos químicos para a produção de plásticos e outros
polímeros.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 86
• Xisto Betuminoso
O xisto é uma camada de rocha sedimentar, originada sob temperaturas e
pressões elevadas, contendo matéria orgânica disseminada em seu meio mineral.
Consiste numa fonte energética não renovável.
É um tipo de rocha encontrada na natureza em duas formas diferentes: o
betuminoso e o pirobetuminoso, ambos são ricos em betume. As características de
cada um são:
. Xisto Pirobetuminoso – A matéria orgânica (querogênio), que depois será
transformada em betume, é sólida à temperatura ambiente, o betume é obtido
através do aquecimento da rocha.
. Xisto Betuminoso – são hidrocarbonetos (substâncias constituídas de hidrogênio e
carbono) que aparecem em rochas sedimentares. A matéria orgânica (betume)
disseminada em seu meio é quase fluida, sendo facilmente extraída.
O óleo do xisto refinado é idêntico ao petróleo de poço, sendo um combustível
muito valorizado. Para a obtenção desse óleo é necessária à extração do betume
existente na rocha.
Atualmente, os Estados Unidos possui a maior reserva mundial de xisto,
seguido pelo Brasil, Estônia, China e Rússia.
O Brasil possui um dos maiores volumes mundiais de xisto, contém em seu
território reservas de 1,9 bilhão de barris de óleo. A Superintendência Industrial de
Xisto (SIX) da Petrobrás atua como um centro de desenvolvimento de tecnologia, e
processa diariamente cerca de 7.800 toneladas de xisto betuminoso, que geram
3.870 barris de óleo de xisto, 120
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 87
toneladas de gás combustível, 45 toneladas de gás liquefeito de xisto e 75 toneladas
de enxofre.
Para que ocorra a exploração de xisto são necessários grandes investimentos
econômicos, além de ser extremamente poluente e de pouco retorno.
Os principais impactos ambientais ocasionados pela exploração de xisto são:
poluição hídrica, emissão de gases poluentes na atmosfera durante o
processamento, risco de combustão espontânea dos resíduos.
• Gasolina Natural – Índice de Octanagem e Qualidade
A gasolina natural é a gasolina extraída diretamente por destilação do petróleo.
Composição da gasolina básica
A gasolina é um combustível constituído basicamente por hidrocarbonetos e,
em menor quantidade, por produtos oxigenados. Esses hidrocarbonetos são, em
geral, mais "leves" do que aqueles que compõem o óleo diesel, pois são formados
por moléculas de menor cadeia carbônica (normalmente de 4 a 12 átomos de
carbono).
Além dos hidrocarbonetos e dos oxigenados, a gasolina contém compostos de
enxofre, compostos de nitrogênio e compostos metálicos, todos eles em baixas
concentrações. A faixa de destilação da gasolina automotiva varia de 30 a 220ºC.
A gasolina básica (sem oxigenados) possui uma composição complexa. A sua
formulação pode demandar a utilização de diversas correntes nobres oriundas do
processamento do petróleo como nafta leve (produto obtido a partir da destilação
direta do petróleo), nafta craqueada que é obtida a partir da quebra de moléculas
de hidrocarbonetos mais pesados (gasóleos), nafta reformada (obtida de um
processo que aumenta a quantidade de substâncias aromáticas), nafta alquilada (de
um processo que produz iso-parafinas de alta octanagem a partir de iso-butanos e
olefinas), dentre outros.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 88
Muitas vezes é considerado o principal componente da gasolina o composto:
2,2,4-trimetilpentano (“iso octano”)
♦ Índice de Octanagem (I.O)
A gasolina é composta de uma mistura complexa de hidrocarbonetos que
pode variar de uma para a outra, por isso que há diferentes índices de octanagem.
A gasolina é uma fração de hidrocarbonetos derivada do petróleo que entra
em combustão no motor de explosão interna do automóvel, liberando energia, que
é usada para fazer o carro se movimentar.
Abaixo é mostrado um esquema resumido de como esse tipo de motor
funciona:
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 89
Esquema de funcionamento de um motor a explosão de quatro tempos
Observe que no 2º tempo a mistura de ar e vapor da gasolina é comprimida e
no 3º tempo uma faísca causa a sua combustão. Assim, a gasolina é considerada de
melhor qualidade quando resiste a essa taxa de compressão sem sofrer combustões
prematuras, mas explodindo na hora certa, que é no terceiro tempo.
Visto que a composição de uma gasolina para a outra diferencia, o
desempenho desse combustível também varia, sendo que algumas resistem mais à
compressão do que outras. Essa resistência à compressão passou então a ser
chamada de octanagem ou índice de octanas. Quanto maior for o índice de
octanagem da gasolina, melhor será o seu desempenho.
Quando o índice de octanagem da gasolina é baixo, isso pode prejudicar o
funcionamento do motor, diminuindo sua potência e causando um barulho
característico conhecido por “batida de pino”. Consequentemente, o dono do
veículo terá mais gastos com combustível. Mas além do impacto negativo sobre o
bolso do consumidor, ainda tem o lado pior: mais gases poluentes serão lançados na
atmosfera.
Esse nome “octanagem” veio daescala que se criou para medi-la, baseada no
fato de que se atribuiu ao isoctano o valor 100 de octanagem ou 100 octanas. O
valor de zero foi atribuido ao heptano. Assim, se tivermos, por exemplo, uma
gasolina de 80 octanas, significa que ela se comporta como se fosse uma mistura de
80% de isoctano e 20% de heptano.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 90
Estrutura do iso octano e do heptano
O I.O, portanto, indica a proporção volumétrica de uma gasolina em relação
aos teores de heptano e de iso octano nela presente.
Dessa forma se uma gasolina apresentar I.O = 80, isto significa que ela
“apresenta” 80% em volume de iso octano e 20% de heptano, sendo considerada
portanto, uma gasolina de boa qualidade.
Note, porém, que isso não significa que a gasolina tem mesmo o iso ctano e o
heptano em sua composição. Na verdade, ela apenas se comporta como uma
mistura desses hidrocarbonetos.
Para se determinar o índice de octanagem de uma gasolina, o que se faz é
comparar o funcionamento de um motor padrão de um cilindro trabalhando com
esse combustível com o funcionamento do mesmo motor com uma mistura de
heptano e iso ctano.
Antidetonantes
Existem meios de se aumentar a octanagem da gasolina, um deles é
adicionar determinados compostos, chamados de antidetonantes, tais como o
etanol e o metil-t-butil-éter ou MTBE.
Um antidetonante muito utilizado no passado, mas que foi banido por
provocar prejuízos ao meio ambiente, é o tetraetil chumbo – (C2H5)4Pb.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 91
• Tipos de gasolina Petrobras
GASOLINA COMUM
A Gasolina Comum é a mais consumida no país e facilmente encontrada em
qualquer um de nossos postos.
Principais características da Gasolina Comum:
• É a gasolina mais simples (IAD = 87);
• Não recebe nenhum tipo de aditivo;
• Recebe adição de álcool anidro, conforme legislação vigente;
• Possui teor de enxofre = 50* ppm;
• Não recebe corante, possuindo assim, a coloração natural das gasolinas (incolor a
amarelada);
• Pode ser utilizado em qualquer veículo movido a gasolina;
* Teor de enxofre válido a partir de 1° de janeiro de 2014. Até 31 de dezembro de
2013 o teor vigente é de 800 ppm (max.).
GASOLINA SUPRA ADITIVADA
A gasolina aditivada Petrobras é encontrada em nossos postos com o nome Supra e
o seu principal diferencial é a adição de dispersantes e detergentes em sua
composição.
Com isso, a Gasolina Supra Aditivada mantém o sistema de injeção limpo e reduz o
custo com manutenção do veículo.
Ela possui o melhor pacote de aditivos, desenvolvido especialmente para o mercado
brasileiro, que deve conter álcool anidro, conforme legislação em vigor.
Principais características da Gasolina Supra Aditivada:
• Possui a mesma octanagem da gasolina comum (IAD = 87), diferenciando-se desta
em razão da presença de detergentes/dispersantes que mantém limpo os bicos
injetores e as válvulas do motor;
• Recebe adição de álcool anidro, conforme legislação vigente;
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 92
• Possui teor de enxofre = 50* ppm;
• Recebe um corante que a deixa com a cor esverdeada para diferenciá-la da
gasolina comum;
• Pode ser utilizada em qualquer veículo movido a gasolina, especialmente os
equipados com injeção eletrônica.
GASOLINA PREMIUM
Apresenta as mesmas características da gasolina aditivada, porém apresenta
maior IAD (IAD=91).
GASOLINA PODIUM
É uma gasolina com o mais alto IAD comercializada mundialmente (IAD=95).
Principais características da Gasolina Podium
• Contém detergentes/dispersantes que mantêm limpo o sistema de combustão,
evitando formação de depósitos no motor;
• Recebe adição de álcool anidro, conforme legislação vigente;
• É menos poluente, apresentando teor de enxofre = 30 ppm;
• É levemente alaranjada devido ao corante laranja adicionado ao álcool anidro;
• Pode ser utilizada em qualquer veículo movido a gasolina, especialmente os
equipados com injeção eletrônica, sendo recomendada para veículos que possuem
motores de alto desempenho (taxa de compressão a partir de 10:1) e/ou que
requeiram combustível com alta octanagem.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 93
Determinação do teor de álcool (etanol) numa gasolina
A gasolina é um produto combustível derivado intermediário do petróleo, na
faixa de hidrocarbonetos de 5 a 20 átomos de carbono.
Uma das propriedades mais importantes da gasolina é a octanagem. A
octanagem mede a capacidade da gasolina de resistir à detonação, ou sua
capacidade de resistir ás exigências do motor sem entrar em auto-ignição antes do
momento programado. A detonação (conhecida como "batida de pino") leva à
perda de potência e pode causar sérios danos ao motor. Existe um índice mínimo
permitido de octanagem para a gasolina comercializada no Brasil, que varia
conforme seu tipo.
O álcool etílico, umas das substâncias adicionadas à gasolina tem vital papel
na sua combustão, pois sua função é aumentar a octanagem em virtude do seu
baixo poder calorífico. Além disso, o fato propicia uma redução na taxa de produção
de CO. A porcentagem de álcool é regulamentada por Lei, e recentemente foi
estabelecido um novo padrão que é de 18 a 24%. Se por um lado existe vantagens,
existem as desvantagens também, como maior propensão à corrosão, maior
regularidade nas manutenções do carro, aumento do consumo e aumento de
produção de óxidos de nitrogênio (NOx)
Disso tudo, nota-se a importância para a frota automotiva brasileira e para o
meio ambiente, o rigoroso controle dessa porcentagem.
MATERIAL UTILIZADO:
- Proveta de 100 mL com tampa.
- Amostra de Gasolina.
- Solução saturada de NaCl.
- Luvas e óculos de proteção.
PROCEDIMENTO
1 - Colocar 50 mL de gasolina comum em uma proveta de 100 mL ± 0,5 mL com
tampa.
2 - Completar o volume até 100 mL com a solução saturada de NaCl.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso
FIGURA 1
3 - Fechar a proveta, misturar os líquidos invertendo
OBSERVAÇÃO: Segure firme para evitar vazamentos.
FIGURA 2
4 - Manter em repouso até a separação das duas fases.
5 - Ler o volume de ambas as fases.
6 - Denominar o volume da fase aquosa de V'.
7 - Subtrair de V', 50 mL e denominar este novo volume de V'', conforme a
seguinte equação:
V'' = V' - 50 mL
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 94
FIGURA 1 - Montagem do experimento.
proveta, misturar os líquidos invertendo-a 05 vezes.
Segure firme para evitar vazamentos.
FIGURA 2 – agitação da proveta.
Manter em repouso até a separação das duas fases.
Ler o volume de ambas as fases.
volume da fase aquosa de V'.
Subtrair de V', 50 mL e denominar este novo volume de V'', conforme a
Subtrair de V', 50 mL e denominar este novo volume de V'', conforme a
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 95
V'' corresponderá à quantidade de etanol presente em 50 mL da amostra de
gasolina.
8 - Calcular a % de álcool na gasolina, através da seguinte relação:
50 mL — 100%
V" — x %
CUIDADOS IMPORTANTES:
- Não acender ou ligar nenhum tipo de fonte de calor.
- Usar óculos de proteção e luvas.
- Realizar o experimento na Capela, preferencialmente.
- Guardar a fase não aquosa em recipiente adequado que estará disponível no
laboratório para que seja adequadamente tratado.
• Processos de Obtenção de Gasolina Sintética
� Processo Bergius
Surgiu em 1917, durante a Primeira Guerra Mundial, criado por Friedrich Bergius.
Consiste no tratamento juntamente com hidrogênio de carvão finamente dividido e
impulsionado em óleo, a 450°C, 200atm e catalisadores. Formam-se assim uma
mistura de hidrocarbonetos, que é submetida à destilação, originando três frações:
- Gasolina sintética: contém 74% de parafinas, 22% de aromáticos e 4% de olefinas.- Gasóleo.
- Resíduos: esta fração é reciclada, entretanto no processo para produzir mais
gasolina
450
0
C destilação
C(s) + H2(g) → →
200 atm/cat
CXHy
Gasolina sintética
Gasóleo
Resíduos
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 96
� Processo Fisher-Tropsch
Processo de Fischer-Tropsch Surgiu em 1933, criado por Franz Fischer e
Hans Tropsch. Consiste na conversão do carvão em gás e este posteriormente, é
tratado com hidrogênio na presença de catalisadores, a 200°C.
Etapas do Processo:
1000
0
C
1ª etapa: C(s) + H2O(v) → CO(g) + H2(g) ( gás d’água)
200
0
C
Destilação
2ª etapa: [CO(g) + H2(g)] + H2(g) → + H2O →
Comparação dos produtos obtidos Bergius X Fisher-Tropsch:
- Bergius: gasolina => melhor qualidade ; gasóleo => menor qualidade.
- Fisher-Tropsch: gasolina=> menor qualidade ; gasóleo = melhor qualidade.
• Aproveitamento de Energia dos Combustíveis – Reações de Combustão
Equações de Combustão
Uma equação de combustão é a representação química de uma reação de queima
de um determinado combustível, utilizando as fórmulas químicas dos reagentes e
dos produtos da combustão.
A equação química de combustão segue o seguinte esquema geral:
CXHy
Gasolina sintética
Gasóleo
Resíduos
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 97
combustível + comburente →→→→ produtos de combustão
- Combustão completa ou total ( chama azul )
Aquela na qual todos os átomos de carbono do combustível se combinam com
todos os átomos de oxigênio do comburente, formando dióxido de carbono ou gás
carbônico – CO2 (g) e, todos os átomos de hidrogênio do combustível se combinam
com todos os átomos de oxigênio do comburente, produzindo água – H2O (v) .
Numa combustão completa a quantidade de oxigênio ocorre em excesso e a energia
liberada é muito elevada, não restando energia “util” nas moléculas dos produtos,
especialmente no CO2(g), que se mostra ao final do processo, assim como água,
incombustível.
Dessa forma, pode-se ter:
. Hidrogenados / Hidrocarbonetos - CxHy
- CxHy +
4
yx +
O2 ( g) → x CO2 (g) +
2
y
H2O (v) + Energia ↑↑↑
- C8H18 (l) +
2
25
O2 (g) → 8 CO2 + 9 H2O (v) + Energia ↑↑↑
. Combustíveis Oxigenados - CxHyOz
- CxHyOz +
4
4 zyx −+
O2 (g) → x CO2 (g) + H2O (v) + Energia ↑↑↑
- C2H6 O (l) + 3 O2 (g) → 2 CO2 + 3 H2O (v) + Energia ↑↑↑
- Combustões incompletas (chama amarela)
São aquelas nas quais, nem todos os átomos de carbono do combustível, reagem
com todos os átomos de oxigênio do comburente, não havendo, portanto, a
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 98
formação de gás carbônico mas, de monóxido de carbono – CO(g) ou carbono
fuligem – C(s) , dependendo das quantidades de oxigênio que são utilizadas, e que
são menores do que as usadas numa combustão completa. Os átomos de
hidrogênio do combustível em combinação com os átomos de oxigênio do
comburente, também produzem água como um dos produtos.
Nas combustões incompletas as energias liberadas são menores do que nas
combustões completas.
Dessa forma, ainda resta alguma energia “util” nas moléculas dos produtos,
especialmente no CO(g) e /ou no C(s), que após o processo, continuam se
mostrando combustíveis, podendo ser consumidos por nova queima.
- C8H18 (l) +
2
17
O2 (g) → 8 CO (g) + 9 H2O (v) + Energia ↓↓
- C8H18 (l) +
2
9
O2 (g) → 8 C (s) + 9 H2O (v) + Energia ↓
- CH4O (l) +
2
3
O2 (g) → CO (g) + 2 H2O (v) + Energia ↓↓
- CH4O (l) +
2
1
O2 (g) → C(s) + 2 H2O (v) + Energia ↓
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 99
• A Indústria Petroquímica
É a atividade industrial que gira em torno de matérias primas como as
frações do petróleo e do gás natural. É sem dúvida a maior parcela da indústria
química atuante de um país desenvolvido, que gera desde plásticos, resinas e fibras,
aos produtos farmacêuticos, inseticidas, detergentes, cosméticos, explosivos e um
sem número de outros produtos.
Dessa forma, como se vê, o petróleo e o gás natural são fontes, por
excelência, das indústrias petroquímicas, as quais produzem matérias-primas que,
muitas vezes, passam por segundos e terceiros processos de transformação antes de
serem empregadas na fabricação do produto final. Por isso mesmo, o setor é
dividido nos seguintes segmentos:
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 100
• Indústrias de 1ª geração: as que utilizam as matérias-primas (nafta, gás natural,
GLP, gás de xisto etc) para gerar os produtos ou matérias-primas básicas.
• Indústrias de 2ª geração: aquelas que, a partir de matérias-primas básicas,
produzem intermediários que serão matérias-primas para outras indústrias, embora
também já possam ter uma aplicação final nesta fase.
• Indústrias de 3° geração: aquelas que constituem o setor de manufaturados.
• Indústrias de 4° geração: as chamadas indústrias de ponta, que utilizam os
manufaturados como componentes de suas montagens industriais ou para itens
bem especializados de suas atividades, bem como para as especialidades químicas
(matérias-primas para indústrias como a cosmética, a farmacêutica e a veterinária).
Um bom exemplo de como os derivados do petróleo percorrem todas essas
indústrias antes de se transformarem em produtos finais é a fabricação do PVC
(cloreto de polivinila). Na cadeia de transformação dele, as duas matérias-primas
iniciais, o eteno e o cloro (1ª geração) primeiramente dão origem ao dicloroetano-
DCE (2ª geração), que constitui matéria-prima para a produção do monômero de
cloreto de vinila-MVC (3ª geração), que, por sua vez é usado na fabricação do PVC
(4ª geração)
Pode-se afirmar que a indústria petroquímica propriamente dita está contida
na primeira e na segunda gerações; a terceira e a quarta constituem os seus
mercados. A tabela abaixo traz, de forma bem resumida, uma relação das matérias-
primas da indústria petroquímica e suas transformações em produtos acabados, que
podem ser aproveitados diretamente ou passar por outros processos de
transformação, dando origem à imensa variedade de substâncias utilizadas na
indústria.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 101
1ª Geração 2ª Geração 3ª Geração 4ª Geração
Gás natural
Gás de síntese de amônia:
H2(g), N2(g),CO(g) e CO2(g)
Amoníaco e uréia
Fertilizantes
Resinas
aminopláticas
Etanolaminas
Gás de síntese de
metanol: H2(g) e CO(g)
Metanol e
formaldeído
Resinas
Síntese baseada em
reações de oxidação
Álcoois
Aldeídeos
Cetonas
Gás de síntese do ácido
cianídrico: NH3(g)e CH4(g)
Acrilonitrila
Borracha
sintética
Fibras
sintéticas
Gás de
refinaria
Acetileno C2H2(g)
Tetracloroetano Solventes
Vinilacetileno Cloropreno
Etileno: C2H4(g)
Óxido de etileno Etilenoglicol
Álcool etílico Ácido acético
Dicloroetileno
Resinas
vinílicas
Tricloroetileno Solventes
Cloreto de etila
Chumbo-
tetraetila
Fluroetanos
Fluídos
frigoríficos
Aerossol
Polietileno
Gás Liquefeito
de Petróleo
(GLP)
Propileno: C3H6(g)
Álcool isopropílico Acetona
Glicerina Explosivos
Polpropileno
Butilenos: C4H8(g)
Borracha butilaButadieno: C4H6(g)
Borracha
sintética
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 102
III F
A Indústria dos Polímeros
* DEFINIÇÃO
Polímero é qualquer material orgânico ou inorgânico, sintético ou natural,
que tenha um alto peso molecular e com variedades estruturais repetitivas, sendo
que normalmente esta unidade que se repete é de baixo peso molecular.
(MANRICH, 2005).
A palavra POLÍMERO vem do grego Poli, cujo significado é muito, e de mero,
que quer dizer “parte” ou “unidade” (que se repete).
A matéria-prima para a produção de um polímero é o monômero.
Um polímero é formado por MACROMOLÉCULAS , ou seja, moléculas de grandes
dimensões e que atingem altas massas moleculares..
* REAÇÃO DE POLIMERIZAÇÃO
Exemplo:
. n ou GP = grau de polimerização = quantidade de vezes que o mero se repete na
formação de uma molécula polimérica (dá a ideia do tamanho da cadeia de uma
molécula do polímero).
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 103
. Exercício resolvido de aplicação (grau de polimerização)
. Uma molécula contém, conforme a figura dada abaixo, 1000 átomos de C, 1500
átomos de H e 500 átomos de Cl. Cada mero do polímero possui respectivamente, 2,
3 e 1 dos átomos citados. Calcular o GP e dar a representação do polímero em
questão. ( H=1,00 u ; C=12,0 u ; Cl =35,5 u ).
- ( CH2 –CH –CH2-CH ) –
| |
Cl Cl
Policloreto de vinila - PVC
. Resolução:
1) Cálculo do MMP : MMP = 1000 x 12 + 1500 x 1 + 500 x 35,5
MMP = 31.250 u
2) Cálculo da MMM : mero => C2H3Cl
MMM = 2 x12 + 3x1 + 1x35,5 = 62,5 u
3) Cálculo do GP : GP =
MMM
MMP
=> GP =
5,62
250.31
=> GP = 500 meros / molécula
4) Representação do polímero : - (CH2-CH)500 -
|
Cl
- MMP : massa molecular da cadeia polimérica.
- MMM: massa molecular do mero.
* CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS POLÍMEROS E EXEMPLOS DE POLÍMEROS
Os materiais poliméricos podem ser classificados de acordo como diversos critérios.
Os mais usuais são:
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 104
♦ Quanto a ocorrência:
# - Natural: São polímeros que já existem normalmente na natureza. Dentre os mais
importantes estão os carboidratos (celulose, amido, glicogênio etc), as proteínas
(existente em todos os seres vivos) e os ácidos nucléicos (existentes no núcleo das
células vivas e responsáveis pelas características genéticas dos seres vivos).
# - Artificial ou Sintético: São polímeros fabricados pelo homem, a partir de
moléculas simples. Dentre eles estão o nylon, o polietileno, o PVC etc. No setor de
fibras têxteis, além de falarmos em fibras naturais (algodão, seda, juta etc) e
artificiais (naylon, poliéster, etc), falamos também em fibras artificiais ou
modificadas, como, por exemplo, o rayon.
♦ Quanto ao tipo de cadeia:
# - Polímero de Cadeia Homogênea: Quando o esqueleto da cadeia é formada
apenas por átomos de carbono.
# - Polímero de Cadeia Heterogênea: Quando no esqueleto da cadeia existem
átomos diferentes de carbono (heteroátomos).
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♦ Quanto ao tipo de reação de polimerização que dá origem ao polímero:
# - Polímero por reação de adição (ou homopolímero): são formados pela “adição”,
“soma” ou “junção” de moléculas pequenas (monômeros), sendo que todas são
iguais entre si. A reação de polimerização que dá origem a polímeros por adição
pode é chamada particularmente de reação de homopolimerização.
Monômero Polímero
n CH2 ═ C H2 → (... ─ CH2 ─ CH2─ ...)
etileno polietileno (PE)
polímero por adição
# - Polímero por reação de condensação: Os polímeros de (ou por) condensação,
também são conhecidos como polímeros de eliminação, são formados pela reação
entre monômeros (que podem ser iguais ou diferentes), com a eliminação de
moléculas pequenas.
Neste exemplo a molécula pequena eliminada é a molécula de água.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 106
♦ Quanto a estrutura final da cadeia do polímero:
#- Polímero de Cadeia Linear: Nos polímeros lineares, as macromoléculas são
encadeamentos lineares (normais ou ramificados) de átomos.
#- Polímero de Cadeia Tridimensional: Quando a macromolécula se desenvolve em
todas as direções, isto é, há ligações entre cadeias adjacentes, através de átomos
localizados ao longo da cadeia.
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♦ Quanto ao comportamento térmico do polímero:
• TERMOPLÁSTICOS
Os polímeros lineares são denominados de TERMOPLÁSTICOS ou TERMOFLEXÍVEIS,
isto é, podem ser amolecidos pelo calor e endurecidos pelo resfriamento, repetidas
vezes, sem perder suas propriedades. Um caso interessante é o do polietileno, que
pode ser de dois tipos diferentes:
• o polietileno de baixa densidade (PEBD), obtido sob pressões elevadas, é formado
por cadeias ramificadas; sendo mais flexível, é usado para a produção de sacolas, de
filmes para embalagens etc.
• o polietileno de alta densidade (PEAD), obtido sob pressões ambientes e com o
uso de catalisadores especiais, é formado por cadeias normais:
... – (CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 – CH2 ) - …
Essas cadeias normais se compactam melhor, formando um plástico de maior massa
molecular, mais denso e mais rígido do que o polietileno de baixa densidade; por
isso é usado na fabricação de copos, canecas, utensílios de cozinha etc.
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•TERMOFIXOS:
Os polímeros de cadeia tridimensional são denominados de Termofixos,
termorrígidos ou termoendurecentes, ou ainda, termoestáveis, são plásticos
(polímero artificial) cuja rigidez não se altera com a temperatura, diferente dos
termoplásticos que amolecem e fundem-se. A determinadas temperaturas,
polímeros termofixos se decompõem, não então podendo ser fundidos e
remoldados novamente.
Exemplos como a borracha e como a baquelite (cabos de panela) são casos de
polímeros termofixos.
* REPRESENTAÇÃO DE UM POLÍMERO
... – (MERO)n -...
. Exemplo:
Polietileno
Ou
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* NOMENCALTURA BÁSICA DE UM POLÍMERO
As normas internacionais publicadas pela IUPAC indicam que o princípio geral
para nomear os polímeros é utilizando-se o prefixo poli-, seguido da unidade
estrutural repetitiva que define ao polímero, escrita entre parênteses.
. Exemplo: - Poli (tio-1,4-fenileno).
As normas da IUPAC são geralmente usadas para nomear os polímeros de
estrutura complexa, uma vez que permitem identificá-los sem produzir
ambiguidades nas bases de dados de artigos científicos. Porém, não costumam ser
usadas para polímeros de estrutura mais simples e de uso comum, principalmente
porque esses polímeros foram inventados antes que se publicassem as primeiras
normas da IUPAC, em 1952, e por isso seus nomes tradicionais já haviam sido
popularizados.
Na prática, os polímeros de uso comum costumam ser denominados das seguintes
maneiras:
• Prefixo poli- seguido do monômero de onde obtém o polímero. Esta convenção
é distinta da convenção da IUPAC porque o monômero nem sempre coincide com a
UER, e utiliza uma denominação sem uso de parêntese e, em muitos casos, seguindo
uma nomenclatura "tradicional". Exemplo: polietileno em vez de "poli (metileno)";
poliestireno em vez de "poli(1-feniletileno)".
• Para copolímeros, costumam-se listar simplesmente os monômeros que os
formam, precedidos da palavra "goma", se é um elastômero,ou "resina", se é um
plástico. Exemplos: acrilonitrilo butadieno estireno; goma estireno-butadieno;
resina fenol-formaldeído.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 110
• É frequente também o uso indevido de marcas comerciais como sinônimos de
polímeros, independentemente da empresa que o fabrique.
• Exemplos:
- Nylon para poliamida,
- Teflon para politetrafluoeretileno,
- Neopreno para policloropreno, Isopor para poliestireno.
A IUPAC reconhece que os nomes tradicionais estão firmemente fixados por
seu uso e não pretende aboli-los, apenas reduzindo-os gradativamente em suas
utilizações nas publicações científicas.
* PROCESSOS OU TÉCNICAS INDUSTRIAIS DE POLIMERIZAÇÃO
Existem quatro técnicas industriais empregadas na polimerização de um
monômero: a polimerização em massa, em solução, em suspensão e em
emulsão. Cada uma destas técnicas possui condições específicas, originando
polímeros com características diferentes.
• Polimerização em Massa:
A polimerização em massa é uma técnica simples, homogênea, onde só o
monômero e o iniciador estão presentes no sistema. Caso a polimerização seja
iniciada termicamente ou por radiação, só haverá monômero no meio
reacional. Logo, esta técnica é econômica, além de produzir polímeros com
um alto grau de pureza. Esta polimerização é altamente exotérmica,
ocorrendo dificuldades no controle da temperatura e da agitação do meio
reacional, que rapidamente se torna viscoso desde o início da polimerização. A
agitação durante a polimerização deve ser vigorosa para que haja a dispersão
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 111
do calor de formação do polímero, evitando-se pontos superaquecidos, que
dão uma cor amarelada ao produto. Este inconveniente pode ser evitado ao
se usar inicialmente um pré-polímero (mistura de polímero e monômero), que
é produzido a uma temperatura mais baixa, com uma baixa conversão e
condições controladas. A caminho do molde, o pré-polímero é aquecido
completando-se a polimerização.
A polimerização em massa é muito usada na fabricação de lentes plásticas
amorfas, devido às excelentes qualidades ópticas obtidas pelas peças
moldadas, sem pressão, como no caso do poli(metacrilato de metila).
• Polimerização em Solução:
Na polimerização em solução, além do monômero e do iniciador,
emprega-se um solvente, que deve solubilizá-los, formando um sistema
homogêneo. O solvente ideal deve ser barato, de baixo ponto de ebulição e de
fácil remoção do polímero. Ao final desta polimerização, o polímero formado
pode ser solúvel ou insolúvel no solvente usado. Caso o polímero seja
insolúvel no solvente, é obtido em lama, sendo facilmente separado do meio
reacional por filtração. Se o polímero for solúvel, utiliza-se um não-solvente
para precipitá-lo sob a forma de fibras ou pó. A polimerização em solução
possui como vantagem a homogeneização da temperatura reacional, devido à
fácil agitação do sistema, que evita o problema do superaquecimento.
Entretanto, o custo do solvente e o retardamento da reação são
inconvenientes desta técnica. A polimerização em solução é utilizada
principalmente quando se deseja usar a própria solução polimérica, sendo
muito empregada em policondensações. Essa polimerização ocorre em um
solvente orgânico inerte. O monômero e o polímero são solúveis no solvente.
À medida que ocorre a polimerização a viscosidade da solução aumenta. A
polimerização em solução ocorre via iônica onde podem ser usados
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 112
catalisadores estereoespecíficos para alcançar uma determinada estrutura.
* Polimerização em Emulsão:
A polimerização em emulsão é uma polimerização heterogênea em
meio aquoso, que requer uma série de aditivos com funções específicas como:
emulsificante (geralmente um sabão), tamponadores de pH, colóides
protetores, reguladores de tensão superficial, reguladores de polimerização
(modificadores) e ativadores (agentes de redução).
Nesta polimerização, o iniciador é solúvel em água, enquanto o
monômero é parcialmente solúvel. O emulsificante tem como objetivo formar
micelas, de tamanho entre 1nm e 1mm, onde o monômero fica contido.
Algumas micelas são ativas, ou seja, a reação de polimerização se processa
dentro delas, enquanto outras são inativas (gotas de monômeros),
constituindo apenas uma fonte de monômero. À medida que a reação ocorre,
as micelas inativas suprem as ativas com monômero, que crescem até
formarem gotas de polímeros, originando posteriormente os polímeros.
A figura abaixo representa o esquema de um sistema de polimerização
em emulsão.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 113
A polimerização em emulsão tem uma alta velocidade de reação e conversão,
sendo de fácil controle de agitação e temperatura. Os polímeros obtidos por
esta técnica possuem altas massas moleculares, mas são de difícil purificação
devido aos aditivos adicionados. Esta técnica é muito empregada em
poliadições. A polimerização em emulsão ocorre via radical livre e deixa
resíduo do emulsificante no polímero.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 114
• Polimerização em Suspensão:
A polimerização em suspensão, também conhecida como polimerização
por pérolas ou contas, pela forma como os polímeros são obtidos, é uma
polimerização heterogênea, onde o monômero e o iniciador são insolúveis no
meio dispersante, em geral, a água.
A polimerização se passa em partículas em suspensão no solvente, com
um tamanho médio entre 1 a 10 mm, onde se encontram o monômero e o
iniciador. A agitação do sistema é um fator muito importante nesta técnica,
pois, dependendo da velocidade de agitação empregada, o tamanho da
partícula varia.
Além do monômero, iniciador e solvente, também são adicionados ao
meio reacional surfactantes, substâncias químicas que auxiliam na suspensão
do polímero formado, evitando a coalizão das partículas e,
consequentemente, a precipitação do polímero, sem a formação das pérolas.
A precipitação do polímero também pode ser evitada pela adição ao meio
reacional de um polímero hidrossolúvel de elevada massa molecular, que
aumente a viscosidade do meio. A incorporação destes aditivos ao sistema
dificulta a purificação do polímero obtido.
Além destas técnicas de polimerização, alguns polímeros podem ser
produzidos pela polimerização interfacial. Nesta técnica, a polimerização
ocorre na interface entre dois solventes imiscíveis, em que cada um dos
monômeros está em uma das fases. O polímero é formado nesta interface,
sendo logo removido a fim de facilitar a polimerização. Este método é restrito
a um pequeno número de polimerizações em etapas, devido às condições
reacionais necessárias.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 115
É possível obter polímeros com propriedades e características
tecnológicas preestabelecidas através do controle sistemático das reações de
polimerização. Fatores como condições de reação (temperatura, pressão,
catalisadores etc.), introdução de substâncias capazes de promover
reticulações e/ou copolimerizações, são determinantes.
TIPO
VANTAGENS
DESVANTAGENS
MASSA Alto grau de pureza
Requer equipamentos
simples
Difícil controle de temperatura
Distribuição de massa
molecular larga
SOLUÇÃO Fácil controle da temperatura
A solução polimérica formada
pode ser diretamente
utilizada
O solvente reduz a massa
molecular e a velocidade da
reação
Dificuldades na remoção dos
Solvents
EMULSÃO Polimerização rápida
Obtenção de polímeros com
alta massa molecular
Fácil controle da temperature
Contaminação do polímero
com agentes estabilizantes e
água
SUSPENSÃO Fácil controle da temperatura
Obtenção do polímero na
forma de pérolas
Contaminação do polímero
com agentes estabilizantes e
água
Requer agitação continua
Montagem: Prof.Luciano Cardoso 116
* PROCESSOS INDUSTRIAIS PARA A MOLDAGEM DE POLÍMEROS (plásticos)
♦♦♦♦ Moldagem por Extrusão
O processo de Extrusão de um termoplástico consiste em forçar a
passagem contínua do material através da extrusora. Esta passagem segue até
o final do conjunto, onde encontra a matriz que dá o formato final do produto
desejado. Apesar de a extrusora possuir múltiplas funções para os polímeros,
o fundamento principal que rege é o de que ela funciona como uma bomba,
mecanicamente falando. Este equipamento, normalmente, deve ser capaz de
prover uma pressão uniforme no material para promover um fluxo igualmente
uniforme e constante do polímero até alcançar a saída da matriz. O conjunto
cilindro/rosca da extrusora tem acabamento interno de cós especiais para
resistir aos esforços internos e condições de processamento.
Resumidamente, as extrusoras servem para fundir e homogeneizar o
termoplástico e transportá-lo a uma taxa constante de fluxo, sob uma
condição também constante de pressão, até a matriz.
Sem dúvida nenhuma, o processo de extrusão é o mais importante método de
transformação das poliolefinas. Com a extrusora podem-se obter diversos
artigos plásticos, incluindo tubos, placas, chapas finas, filamentos e cabos,
fibras e filmes, que são de grande interesse comercial.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 117
♦♦♦♦ Moldagem por Injeção
O processo de moldagem por injeção consiste de um funil, uma rosca,
um cilindro – mais conhecido como canhão e um bico de injeção, além de
outros componentes como mostra a figura abaixo. Esse sistema confina e
transporta o plástico progressivamente, fazendo com que passe pelos estágios
de alimentação, compressão, fusão e injeção.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 118
♦♦♦♦ Moldagem por fiação (por fusão)
Consiste em passar o polímero fundido por uma fieira, formando-se
filamentos viscosos que se solidificam por resfriamento e são enrolados em
bobinas.
♦♦♦♦ Moldagem por sopro
A Moldagem por Sopro, e um processo de produção usado para
produzir peças de plástico ocas inflando um tubo de plástico aquecido até
preencher um molde com a forma desejada. A matéria prima neste processo e
um termoplástico no formato de pequenas pelotas ou granulados, o qual
primeiro é fundido e conformado dentro de um tubo oco chamado tubo de
sopro. O tubo de sopro então é preso entre dois moldes bipartidos e insuflado
por ar comprimido, até que se adapte a forma do interior da cavidade
(parede) do molde. Geralmente a pressão é de 25 Á 150 psi, menor do que
utilizado na modelagem por injeção. Por último, após a peça ter esfriado, as
partes do molde são separadas e a peça é retirada.
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 119
Final
Montagem: Prof. Luciano Cardoso 120
Referências:
- Apontamento de aula, Professor Luciano Cardoso.
- Websites diversos.Mais conteúdos dessa disciplina
Lista de exercícios - Ligações químicas (1) (1)- Screenshot 2025-04-29 at 23-54-31 Dados da prova
- Screenshot 2025-04-29 at 23-54-40 Dados da prova
- Screenshot 2025-04-29 at 23-54-47 Dados da prova
- Screenshot 2025-04-29 at 23-54-56 Dados da prova
- Screenshot 2025-04-29 at 23-55-03 Dados da prova
- Screenshot 2025-04-29 at 23-55-11 Dados da prova
- Screenshot 2025-04-29 at 23-55-17 Dados da prova
- Screenshot 2025-04-27 at 16-05-02 Prova Online
- Screenshot 2025-04-27 at 16-05-11 Prova Online
- A quantidade relativa de elétrons em um átomo determina as suas propriedades químicas. O número de elétrons é igual ao número atômico Z. Núcleos at...
- 77 - Fenômeno químico é aquele que altera a natureza da matéria, isto é, é aquele no qual ocorre uma transformação química. Em qual alternativa não...
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- O gráfico a seguir representa a solubilidade do KNO3 em água em pressão constante. Qualquer ponto sobre a linha de solubilidade de KNO3 representa uma
- quimica analitica Ap1
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