Introdução ao conceito de engenharia quimica

Prévia do material em texto

INTRODUÇÃO À ENGENHARIA QUÍMICA
Prof. D. Sc.: Flávia Duta Pimenta
 email: fpduta@Hotmail.com
FACULDADE SENAI CETIQT
COORDENAÇÃO DE GRADUAÇÃO
CURSO DE ENGENHARIA QUÍMICA
Ementa
Histórico da engenharia química.
Química industrial e Engenharia Mecânica. 
Bases legais para a formação. 
Processos químicos industriais e de pesquisa. 
Unidades e Dimensões. 
Princípios de Análise Dimensional. Introdução ao Balanço de Massa e Energia. 
Conceito de Regime Permanente e Regime Transiente. 
Rendimento e Eficiência
Bibliografia Básica
BRASIL, N. I. Introdução à Engenharia Química. 3ª Ed, Ed. Interciência, Rio de Janeiro, 2017.
HIMMELBLAU, D. M., RIGGS, J. B. Engenharia Química: Princípios e Cálculos, Tradução, 8ª Ed., LTC, 2014.
FELDER, R. M., ROUSSEAU, R. W. Princípios Elementares dos Processos Químicos, Tradução, 3ª Ed., LTC, 2005.
Bibliografia Complementar
THOMPSON, E. V., CECKLER, W. H. Introduction to Chemical Engineering, McGraw-Hill, USA, 1977.
BRASIL, N. I. Sistema Internacional de Unidades. 2ª Ed., Ed. Interciência, Rio de Janeiro, 2013.
CREMASCO, M.A. Vale a pena estudar engenharia química, 3ª Ed., Ed. Blücher, 2015.
PERRY, R. H.; CHILTON, C. H. Manual de engenharia química. Rio de Janeiro: Guanabara Dois, 1980.
MCCABE, W. L.; SMITH, J. C. Unit operations of chemical engineering. 3rd Ed, New York: McGraw-Hill, 1976.
Conceitos importantes: 
O que é ser engenheiro? 
Qual o papel do engenheiro?
O engenheiro aplica conhecimentos empíricos, técnicos e científicos à criação e à modificação de mecanismos, estruturas e processos para converter recursos naturais e não naturais nas formas de matéria e/ou energia em formas adequadas as necessidades humanas.
O que é Engenharia Química?
Engenharia: É fundamental o domínio da ciência...
Ampliar o conhecimento para explicar, classificar e prever fenômenos naturais e não naturais.
Surgimento da Informática -> elaboração de projetos mais complexos ou de um processo real em um universo virtual.
 Ex: nanotecnologia e o desenvolvimento da engenharia de chip.
Necessidade do mundo / Expectativas da sociedade
A responsabilidade profissional engloba um somatório de fatores:
Fatores de característica individual (pessoal);
Fatores ligados à técnica, às leis, à ética e à sociedade.
“As habilidades técnicas, humana e conceitual devem contribuir para o aprimoramento e desenvolvimento da humanidade, e conservar a vida em toda a sua amplitude.”
Característica da Engenharia
Domínio da ciência;
Necessidade de interação do profissional com o universo: gestão de processos, produtos e pessoas.
Engenharia Domínio de ferramentas de gestão
Habilidades necessárias ao Engenheiro
“O novo engenheiro não deve ser apenas competente, mas ter consciência crítica, capaz de atuar na transformação social”.
HABILIDADE CONCEITUAL
 HABILIDADE TÉCNICA
 HABILIDADE HUMANA
Habilidades necessárias ao Engenheiro
PROFISSIONAL
 SISTÊMICO
Técnicas - Coisas
Humana - pessoas
Conceitual - Ideias
Competências do Engenheiro
A Legislação Brasileira estabelece como competências do Engenheiro, dentre outras atividades:
Aplicar conhecimentos matemáticos, científicos, tecnológicos e instrumentais;
Projetar e conduzir experimentos e interpretar resultados;
Conceber, projetar e analisar sistemas, produtos e processos;
Identificar, formular e resolver problemas;
Supervisionar a operação e manutenção de sistemas;
Atuar em equipes multidisciplinares;
Avaliar a viabilidade econômica de projetos de Engenharia;
Assumir a postura de atualização profissional.
“Formação generalista, humanista, crítica e reflexiva, e ser capacitado a absorver e desenvolver novas tecnologias, estimulando a sua atuação crítica e criativa na identificação e resolução de problemas, considerando aspectos políticos , sociais, ambientais e culturais para atender às demandas da sociedade”.
Perfil desejado ao do Engenheiro
Conclusões: Engenharia atua na vida das pessoas
Não há divisão do humanista e do técnico;
Ser humano – não significa abrir mão das habilidades específicas e convicções pessoais;
Trabalhar para manter o planeta vivo para as futuras gerações;
Ter capacidade gerencial para atuar em processos e produtos, bem como para lidar com pessoas, é fundamental ao engenheiro.
I – Histórico da Engenharia Química
Todos nós sabemos a origem e o porquê de nossos nomes, mas você sabe o motivo do surgimento do seu curso? 
Além de estudar todos os cálculos e reações, saber a razão da implantação da Engenharia Química é entender o nosso papel social.
Vamos voltar um pouco ao tempo?
I – Histórico da Engenharia Química
Com a revolução industrial iniciada na Inglaterra no século XVIII, certos produtos químicos como ácido sulfúrico, carbonato de sódio e potássio passaram a ser constantemente requisitados em escala industrial para a produção de têxteis, vidros, sabão, entre outros.
 
No período não haviam profissionais especializados nem técnicas eficazes para elaboração dos mesmos, concomitantemente existiam pressões econômicas que exigiam cada vez mais o desenvolvimento e modernização da indústria química a fim de evitar a sua falência. 
I – Histórico da Engenharia Química
Nas primeiras décadas do século XIX iniciou-se a efetiva implantação da indústria química com a invenção do Processo Le Blank para a transformação do sal marinho em soda (Nicholas Le Blank, 1810); do Processo Solvay, processo mais direto que substituiu o Processo Le Blank porém sendo utilizado em escala industrial apenas 60 anos mais tarde (A. J. Fresnel,1811) e do processo da Torre de Glover – criado para reutilizar o nitrato perdido para a atmosfera durante a produção de ácido sulfúrico.
I – Histórico da Engenharia Química
Nesse período, entretanto, a indústria química era operada por engenheiros mecânicos com experiência ou conhecimentos de processos químicos, mas sem formação técnica na área. 
Por outro lado, os desenvolvimentos laboratoriais eram de responsabilidades dos químicos. Além desses, os inspetores de segurança tiveram um papel essencial na prevenção de acidentes, que na época eram frequentes.
I – Histórico da Engenharia Química
Um desses inspetores, George Davis (Britânico,1880), foi o primeiro a identificar a necessidade do surgimento de uma nova profissão ligada a indústria química. 
Assim, aos estudantes que finalizaram um conjunto de doze aulas ministradas por ele na “Manchester Technical School” foram denominados Engenheiros Químicos. 
Esta definição não foi bem aceita pela comunidade acadêmica e demais engenheiros, sendo apenas em 1888 que nasceu efetivamente o curso de engenharia química, na época denominado “Course X”, na universidade americana “Massachussets Institute of Technology – MIT”. 
I – Histórico da Engenharia Química
Em 1891, nessa mesma universidade, sete pessoas receberam o diploma de engenheiros químicos, sendo que o primeiro a receber o título foi William Page Bryant (MIT, Course X).
 
Já na Europa, o curso de engenharia química iniciou-se apenas em meados de 1920 na “Imperial College of London” e na “University College of London”. 
Na Alemanha apenas em 1950 o curso se desvinculou da engenharia mecânica. 
I – Histórico da Engenharia Química
Em alguns países o surgimento da graduação foi decorrente da pressão da própria indústria, como ocorreu com a criação de um Departamento de Engenharia Química na Universidade de Cambridge, em 1945, patrocinado pela Shell.
No Brasil, o primeiro curso de engenharia química surgiu em 1925 na Escola Politécnica da Universidade de São Paulo.
Atualmente, de acordo com dados recentes do MEC, há no país entre as universidades públicas e privadas, 175  instituições de ensino credenciadas que oferecem o curso de engenharia química.
I – Histórico da Engenharia Química
Ao longo de todos estes anos o ensino da engenharia química sofreu e ainda sofre mudanças: 
desenvolvimento dos reatores operados em modo contínuo (em oposição aos reatores embatelada); 
recuperação e reciclagem dos reagentes em excesso assim como tratamento dos efluentes; 
surgimento do conceito de operações unitárias evidenciando que cada processo pode ser considerado formado por unidades menores, baseados em processos físico-químicos comuns. 
I – Histórico da Engenharia Química
Ademais, com o avanço da informática os projetos e operações são cada vez mais automatizados exigindo maiores conhecimentos na área. 
A modelagem de processos passou a ser peça chave na indústria pois a simulação com auxílio de recursos computacionais permite prever o comportamento interno e externo de uma indústria, dentre outras mais.
I – Histórico da Engenharia Química
Dessa maneira, vemos o quão importante é a nossa profissão para a sociedade, sendo que há aproximadamente três séculos esta necessidade foi fundamentada com pressões da própria indústria e consequente criação do curso. 
A área ainda sofre contínuas transformações e nós, futuros ou já engenheiros químicos, temos como papel acompanhar tais mudanças e buscar alternativas a fim de aprimorar e diminuir os impactos gerados pelas indústrias e seus resíduos e efluentes.
“Engenheiros químicos, orgulhemo-nos de sermos reconhecidos e requisitados a anos”.
II - A profissão do Engenheiro Químico
A engenharia química serve a humanidade por meio:
 da pesquisa,
 do desenvolvimento de novos processos e produtos,
 do projeto, 
 da construção e,
 da operação de plantas industriais 
para fabricação de produtos químicos de utilidade para as pessoas.
A engenharia química é uma especialidade da engenharia com forte dependência na química bem como na Física e na Matemática.
Se a Engenharia Química pudesse ser definida em apenas uma palavra esta certamente seria "transformação". 
A Engenharia Química é o ramo da Engenharia responsável pela transformação na composição, estado físico ou conteúdo energético de matérias primas em uma série de produtos úteis ao ser humano.
O Instituto Americano de Engenheiros Químicos (AICHE) define a Engenharia Química como a "área/profissão que se dedica à concepção, desenvolvimento, dimensionamento, melhoramento e aplicação dos Processos e dos seus Produtos. Neste âmbito inclui-se a análise econômica, dimensionamento, construção, operação, controle e gestão das Unidades Industriais que concretizam esses Processos, assim como a investigação e formação nesses domínios".
Como será a engenharia química nos próximos vinte ou trinta anos? 
	É difícil responder a esta pergunta, mas com certeza, pode-se afirmar que independente de qualquer coisa, a engenharia química deverá obedecer às leis da física e da química.
III - A Indústria Química
Conjunto de etapas com modificações na composição química ou alterações de propriedades físicas ou físico-químicas.
O que é uma propriedade?
É um atributo ou uma característica do material que pode ser medido ou calculado.
Esse conjunto de etapas químicas e físicas é chamado de processamento
Engenheiro químico = Engenheiro de processamento ou 
 Engenheiro de processos
IV - O Engenheiro Químico
Define: 
As etapas necessárias para a produção do bem;
A ordem que as etapas devem estar configuradas;
Condições para a realização de cada etapa.
Etapas químicas
Ocorrem nos reatores
Etapas físicas
Ocorrem em diversos equipamentos;
Geralmente são em maior número; 
Geralmente tomam maior tempo do engenheiro;
Principalmente na etapa de purificação do bem final.
IV - O Engenheiro Químico
Precisa conhecer os equipamentos onde ocorrem as etapas físicas e químicas;
Interface com outros ramos da engenharia, principalmente a mecânica.
Cabe ao engenheiro químico
 Dimensionar os equipamentos 
 Especificar os tipos de acessórios internos
 Definir as características dos materiais do equipamento em função da provável ação corrosiva das substâncias do processo.
 Especificar a potência dos equipamentos de transporte de fluidos.
IV - O Engenheiro Químico
Ferramentas importantes para o exercício da profissão:
Matemática: Solução de equações diferenciais.
Informática:
Análise econômica e financeira do investimento .
Solução de equações diferenciais.
Métodos iterativos e tediosos pela solução manual.
Simuladores de processo (estáticos e dinâmicos)
Além da competência técnica, para ter sucesso um engenheiro químico deve desenvolver as seguintes características (se não as tiver):
 Habilidade para realizar o trabalho.
Nem sempre todos os dados necessários para a solução de um problema estão disponíveis.
 Comunicabilidade (relações interpessoais)
 Defesa clara e lógica dos métodos usados para chegar ao resultado para convencer os supervisores.
 Comunicações escritas ou orais são ferramentas importantes.
 Fracassos por essas falhas são mais frequentes do que treinamento técnico deficiente.
 O envolvimento dos operadores é fundamental para o sucesso do trabalho, devido ao conhecimento tácito que eles possuem.
 Iniciativa (proatividade).
 Não esperar que o que deve ser feito venha sempre do supervisor.
 Sugerir novas atividades ou métodos.
 Procurar soluções para a melhoria da eficiência dos equipamentos e do processo como um todo.
 Vontade de manter-se atualizado
 Com os novos desenvolvimentos tecnológicos.
 Com as novas ferramentas (principalmente de informática).
 Participar de Seminários nacionais e internacionais (se possível).
 Voltar à Universidade se necessário.
V - Conceitos Básicos da Engenharia Química 
 Operação Contínua
 Principalmente para processos de grande capacidade.
 Se espera que o desempenho do processo seja o mesmo em qualquer momento, desde que as condições operacionais sejam mantidas constantes.
 Para isso, é necessário a instalação de sistemas de controle automático de processos que, apesar das perturbações inerentes ao processo, tentarão conduzi-lo à estabilidade, a fim de manter a qualidade dos produtos.
V - Conceitos Básicos da Engenharia Química 
Operação descontínua (ou em batelada)
 Processos de baixa capacidade.
 Processo corrosivo muito acentuado ou por outra conveniência (custo, número de operadores, etc).
V - Conceitos Básicos da Engenharia Química 
Regime permanente (ou estado estacionário)
 As condições operacionais em um dado ponto do processo não variam com o tempo.
 É claro que as condições operacionais variam ao longo processo. 
Regime transiente (ou estado não estacionário)
 As condições operacionais em um dado ponto do processo variam com o tempo.
 A análise desse tipo de operação é mais complexa. É necessária a modelagem dinâmica do processo. 
Vazão
 Razão entre a quantidade de um fluido que escoa através de uma tubulação ( ou do dos equipamentos de processo) e o tempo.
 Taxa é um termo equivalente. Mais usual para energia.
 Três tipos de vazão: mássica, volumétrica ou molar.
 Normalmente se mede a vazão volumétrica e eventualmente a vazão mássica
 A vazão molar e a vazão mássica são calculadas a partir da vazão volumétrica a partir de propriedades do fluido. 
Escoamento paralelo e contracorrente
 Operações de transferência de massa (contato direto) e de energia (contato indireto).
V - Conceitos Básicos da Engenharia Química 
Operações Unitárias
1. Transporte de fluidos ( mecânica dos fluidos)
Compressor axial
Operações Unitárias
2. Transferência de calor
Trocador casco-tubo
Trocador de placas
Operações Unitárias
3. Agitação e mistura
Vaso com agitador
Operações Unitárias
4. Operações de separação
 4.1 Filtração
Misturas heterogêneas
Filtro de areia (usual em tratamento de água)
Remoção de sólidos dispersos em gás ou líquido
Operações Unitárias
4.2. Absorção (misturas gasosas) 
 Torre ou coluna de absorção
 Representação esquemática
Operações Unitárias
4.3. Extração (misturas líquidas)
Torre ou coluna de extração ( tipo dispersão )
Operações Unitárias
4.4. Adsorção (misturas gasosas ou líquidas)
 Torre adsorvedora de carvão ativo
 Representação esquemática
Secador de bandejas descontínuoOperações Unitárias
4.5. Secagem (normalmente de sólidos)
Operações Unitárias
4.6. Umidificação (inverso da secagem)
 Torre de resfriamento de água 
Operações Unitárias
4.6. Umidificação (inverso da secagem)
 Representação esquemática
Operações Unitárias
4.7 Evaporação
 Evaporador de triplo efeito
Operações Unitárias
4.8. Destilação
 Torre de destilação
 Representação esquemática
O processo químico
 Fluxograma simplificado do processo de produção de amônia
 Diagrama de blocos do processo de produção de amônia
 Caixa preta do processo de produção de amônia