Produção de Ácido Sulfúrico

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ANÁLISE DO PROCESSO DE PRODUÇÃO DE ÁCIDO 
SULFÚRICO: UMA APLICAÇÃO DO CONTROLE ESTATÍSTICO 
DE PROCESSOS 
 
 
Caroline Fontoura Barreto 
barretofcarol@gmail.com 
Júlia Queiroz Cajado 
juliacajado@gmail.com 
Laura Beatriz de Carvalho Embiruçu 
laura.embirucu@gmail.com 
RESUMO​: 
O conceito de melhoria contínua é amplamente aplicado na indústria e é uma área crescente 
nas empresas ao qual a produção de ácido sulfúrico (H2SO4) faz a sua aplicação objetivando o 
controle de qualidade bem como a satisfação do cliente. Nesse sentido, o presente artigo 
surgiu da necessidade de analisar as variáveis envolvidas na produção de ácido sulfúrico e o 
principal objetivo deste estudo é aplicar o Controle Estatístico de Processos (CEP) nos 
componentes do produto final do processo de produção de ácido sulfúrico, visando a qualidade 
do produto de modo a analisar se o mesmo está dentro das especificações exigidas pelos 
clientes da fábrica XXW. A metodologia utilizada para tal análise foi a realização do 
levantamento dos dados de composição do ácido sulfúrico adquiridos através do software da 
empresa XXW e posterior estudo da concentração do H2SO4 e do contaminante arsênio (As) 
por meio da utilização da base de dados disponibilizada. Após a coleta de todas as 
informações necessárias, foi utilizado o software Minitab para obtenção das cartas de controle, 
análise de controle, capabilidade e performance do processo. Encerrando a análise com a 
recomendação de uma amostra maior do ácido sulfúrico, devido ao resultado de alta 
variabilidade do processo. 
 
PALAVRAS CHAVE:​ H2SO4; Minitab; Produção; Controle; Análise. 
 
 
1. INTRODUÇÃO 
 
 
1.1 PRODUÇÃO DE H2SO4 
 
O ácido sulfúrico, também conhecido como vitríolo, é composto pelos 
elementos: hidrogênio, enxofre e oxigênio. Possui fórmula molecular H2SO4 e 
massa molecular de 98,08 g/mol (ATKINS, 2008). Suas propriedades gerais 
mais características descritas na Ficha de Informação de Segurança de 
Produtos Químicos (FISPQ) são: o seu caráter altamente ácido; possuir alto 
teor corrosivo para metais e quando em contato com a pele pode gerar 
queimaduras de até segundo grau. Sua coloração é límpida e incolor e possui 
aparência de um líquido viscoso, tem ponto de fusão e densidade (solução) 
iguais a, respectivamente, 10,31°C e 1,8302 g/cm³. O H2SO4 pode ser 
apresentado de diversas formas, das quais pode-se citar baterias ácidas, ácido 
de câmara ou ácido fertilizante, ácido de Torre ou ácido de Glover e 
concentrado em diversos processos. 
 
O ácido sulfúrico representa um papel muito importante na indústria mundial, 
visto que sua utilização é atrelada a diversos processos e sua 
representatividade é evidenciada quando observa-se que a produção de ácido 
sulfúrico é um indicador de força industrial de um país. Historicamente a 
produção em escala industrial só foi possibilitada no ano de 1736, por Joshua 
Ward, um farmacêutico londrino que estudou e adaptou para a grande 
demanda uma forma de síntese desenvolvida por John Roebuck, que até então 
só havia sido realizada em escala laboratorial. O processo consiste na na 
obtenção do ácido por meio da queima de enxofre com nitrato de potássio 
(KNO3) na presença de vapor, dessa forma a medida que o Nitrato vai se 
decompondo, ele oxida o enxofre, que se combina com a água formando o 
H2SO4. 
 
Considera-se a produção de ácido sulfúrico um processo pioneiro com amplo 
reconhecimento na área da química, visto que houve todo o estudo de como 
evoluir esse processo que até então era apenas de bancada para uma escala 
industrial. No entanto, a concentração final do ácido é baixa, chegando a 
apenas 65% nesse processo. 
 
Como o mercado necessitava de um ácido com concentração mais elevada, o 
químico francês Joseph Louis Gay-Lussac desenvolveu o método que 
posteriormente viria a ser conhecido como câmara de chumbo. ​Dessa forma foi 
possibilitado o desenvolvimento de um ácido com concentração de até 78%. 
No entanto, esta concentração ainda não era suficiente para atender a 
demanda de mercado, então em 1831 Peregrine Phillips desenvolveu o método 
que é utilizado até hoje chamado de processo por contato. Como demonstrado 
na figura 1 consiste na passagem de dióxido de enxofre sobre um catalisador, 
e posterior o 
absorção do trióxido de enxofre em ácido sulfúrico. Gerando assim uma 
concentração de 98,5 a 99%. Dessa forma dando o retorno esperado e o 
melhor custo benefício. 
 
 
Figura 1 - Fluxograma típico de produção ácido sulfúrico pelo processo de contato 
(SHREVE, 1997) 
 
 
 
 
 
1.2. MEDIÇÃO DE CONTAMINANTES 
 
A poluição do ar representa hoje um dos maiores problemas de Saúde Pública, 
afetando a saúde dos seres humanos, de outros animais e das plantas. O 
rápido avanço tecnológico do mundo moderno trouxe consigo um aumento na 
quantidade e na variedade de poluentes eliminados na atmosfera, prejudicando 
de maneira muito séria a qualidade de vida em nosso planeta, além de afetar 
os produtos que estão sendo fabricados. 
Altos níveis de poluição do ar podem desencadear crises (exacerbações) em 
pessoas com asma ou doença pulmonar obstrutiva crônica. As doenças 
pulmonares relacionadas à poluição do ar também aumentam o risco de 
distúrbios do coração e dos vasos sanguíneos e podem aumentar o risco de 
câncer de pulmão. 
Por isso há a importância de evitar poluentes atmosféricos, e para isso é 
importante fazer a medição correta dos contaminantes que serão liberados na 
atmosfera. Na fábrica XXW existe uma filtração dos componentes aos quais 
tem como objetivo maximizar a porcentagem do produto final (H2SO4) e 
diminuir os outros elementos, purificando mais o ar liberado na fábrica, onde os 
principais componentes químicos analisados e filtrados são: As, Cl-, Cr, Cu, F-, 
H2SO4, Hg e Ni. 
As medições são feitas através de Espectrômetro de emissão ótica, 
representado pela figura 2, que hoje já gera registros de forma gráfica 
digitalmente e/ou mediante de imagens de altíssima resolução espacial e/ou 
espectral. Várias técnicas existem para isso como a Ressonância magnética 
Nuclear, Difração de Elétrons e Nêutrons, Efeito Mossbauer e Difração de raios 
X, mas as técnicas ópticas têm a vantagem de serem altamente sensíveis, 
principalmente no que diz respeito à constituição da matéria. 
Grande parte das técnicas espectroscópicas utiliza o fenômeno da absorção e 
emissão da radiação pela espécie atômica. Através da análise espectroscópica 
da luz absorvida/emitida é possível identificar e determinar a concentração de 
diferentes espécies químicas. Esses espectros característicos ocupam uma 
porção ampla do espectro da radiação eletromagnética, e vão da região das 
microondas (devido a transições rotacionais da molécula) ao ultravioleta (onde 
as transições eletrônicas provêm das camadas exteriores). 
 
Figura 2 - Espectrômetro de emissão óptica 
 
1.3. CONTROLE ESTATÍSTICO DE PROCESSOS 
 
O controle estatístico de processos (CEP) é um conjunto de ferramentas de 
monitoramento, controle e melhoria da qualidade de processos através de 
análises estatísticas que avalia o comportamento dos processos e previne 
defeitos,possibilitando redução de custos e consequente aumento do lucro (DE 
VRIES & RENEAU, 2010; SLACK, 2009). 
 
Destaca-se no processo de implementação do CEP o papel das cartas de 
controle, também chamadas de gráficos de controle. Eles são utilizados para a 
análise dos dados obtidos, através da qual é possível identificar as causas 
existentes em um processo, que dividem-se em especiais, originadas por 
falhas ocasionais, e comuns, inerentes ao processo. A partir dos dados obtidos 
através da análise destes gráficos, é possibilitado o auxílio no diagnóstico do 
processo, bem como a tomada decisões preventivas e controle de eventuais 
desvios de variabilidade no processo produtivo (MICHEL & FOGLIATTO, 
2002). 
 
Apesar de ser uma característica importante para o controle do processo, a 
estabilidade em si, analisada através das cartas de controle, não garante o 
aproveitamento máximo do potencial produtivo. Tendo em vista essa 
realidade, o CEP ​utiliza de ferramentas de análise de capabilidade para 
verificar se dentro da estabilidade alcançada os critérios de engenharia vêm 
sido atingidos e indicar suas possíveis tendências de desvios 
(MONTGOMERY, 2012). 
 
Neste contexto, o objetivo do presente artigo é apresentar o estudo realizado 
sobre Controle Estatístico de Processos para a análise de contaminantes no 
processo de produção de ácido sulfúrico. 
 
2. METODOLOGIA 
 
Para a criação deste artigo foram utilizados dados da fábrica XXW, ao qual 
está localizada no município de Dias D'ávila na Bahia é do ramo de produtos 
químicos fabricando Cobre primário, Ácido sulfúrico e outros tipos de produtos 
da área. Os dados foram coletados por um gestor do laboratório de química, 
obtidos a partir do software ligado ao dispositivo Espectrômetro de emissão 
óptica, ao qual cada amostra gera um conjunto de dados sobre os elementos 
químicos presentes nesta amostra. 
Cada elemento químico contido na amostra é chamado de contaminante, 
exceto o Ácido sulfúrico que é o produto final. Temos 25 subgrupos onde cada 
uma delas têm os dados destes contaminantes, que são o Ar, Cr, Cu, H2SO4, 
Hg, F-, Cl- e Ni, todos classificados em Parte por milhão (ppm), exceto do 
Ácido sulfúrico que é em porcentagem (%). 
De acordo com a organização dos dados recebidos a carta escolhida foi 
Medidas individuais e Amplitude móvel, porque os dados são gerados de forma 
automática pelo software. Serão analisados os dados referentes ao produto 
final (H2SO4) e os contaminantes mais importantes Cr e Ni, onde o critério de 
escolha para os elementos mais relevantes foi indicação pela empresa devido 
a estudos a respeito da manutenção das torres utilizadas na produção do ácido 
sulfúrico. 
Através do software Minitab analisaremos as amostras por meio da carta 
escolhida, que foi a de Medidas Individuais e Amplitude móvel. O Minitab foi 
selecionado pois é um programa estatístico muito difundido no mercado e 
possui todos os níveis de ferramentas estatísticas, desde o mais básico ao 
mais avançado. Além disso, com ele é possível otimizar funções, transformar 
dados e facilitar nos cálculos. Em razão desta variedade de possibilidades e de 
ser um software conhecido e fácil de ser utilizado, ele foi escolhido. 
3. FÓRMULAS 
Para o desenvolvimento do referido estudo, é necessário o conhecimento de 
algumas fórmulas de estatística, das cartas para medidas individuais e 
amplitude móvel, bem como dos índices de capacidade do processo. Tais 
equações estão descritas nas tabelas 1 a 5 a seguir. 
Tabela 1 - Equações Gerais 
 
Tabela 2 - Equações para análise da Amplitude Móvel 
 
 
Tabela 3 - Equações para análise das Medidas Individuais 
 
Tabela 4 - Equações para análise das Medidas Individuais 
 
 
Equação 1: Média Equação 2: Amplitude Equação 3: Amplitude Móvel 
 
 
Equação 4: Cálculo da LC Equação 5: Cálculo da LSC Equação 6: Cálculo da LIC 
 
 
Equação 7: Cálculo da LC Equação 8: Cálculo da LSC Equação 9: Cálculo da LIC 
 
 
Equação 10: Cálculo da LC Equação 11: Cálculo da LSC Equação 12: Cálculo da LIC 
 
 
Tabela 5 - Equações para cálculo dos índices de capacidade do processo 
 
 
4. DISCUSSÃO E RESULTADOS 
 
A partir da aplicação da metodologia supracitada somada ao referencial teórico 
abordado no presente artigo, foram estudados os dados do contaminante As e 
do produto H2SO4. Como resultado de tal estudo, foram obtidos os gráficos 
das Figuras 3 a 9. 
 
Figura 3 - Gráfico de Controle para Amplitude Móvel As 01 
Observa-se no gráfico da Figura 3 a existência de um ponto fora de controle, 
localizado acima do Limite Superior de Controle (LSC), no subgrupo 6. Uma 
vez identificado este ponto, foi retirado o respectivo subgrupo da base de 
dados e obtido um novo gráfico de controle para amplitude móvel do As, 
representado pela Figura 4. 
 
Equação 13: Cálculo do desvio padrão estimado Equação 14: Cálculo do Cp 
 
 
Equação 15: Cálculo da faixa de especificação 
usada pelo sistema 
Equação 16: Cálculo do Cpk 
 
Figura 4 - Gráfico de Controle para Amplitude Móvel As 02 
 
Figura 5 - Gráfico de Controle para Medidas Individuais As 01 
 
Observa-se no gráfico da Figura 5 a existência de uma sequência de 6 pontos 
acima da linha central, começando no subgrupo 6 e terminando no 12. Uma 
vez identificado este sinal de variabilidade do processo, estes subgrupos foram 
retirados da base de dados e obtido um novo gráfico de controle para 
amplitude móvel do As, representado pela Figura 6. 
 
Figura 6 - Gráfico de Controle para Amplitude Móvel As 03 
 
Figura 7 - Gráfico de Controle para Medidas Individuais As 02 
 
Figura 8 - Análise de Capacidade As 
A partir dos gráficos das Figura 6 e 7, conclui-se que o processo associado ao 
contaminante As está sob controle, uma vez que não possui nenhum dos sete 
sinais de variabilidade. Após esta conclusão, é possível realizar a análise de 
capabilidade do processo. Os resultados dos índices Cp e Cpk indicam que o 
processo, com todas as variações inerentes ao mesmo, é capaz de atender de 
maneira aceitável as especificações pretendidas. 
Após analisar a capabilidade do processo, é possível realizar a análise dos 
índices de performance do processo Pp e Ppk, os quais indicam que o 
processo se comportou, em geral, aceitavelmente dentro das especificações. 
No entanto, o mesmo não está centralizado e tende ao limite superior de 
especificação, como é possível visualizar na Figura 8. 
 
Figura 9 - Gráfico de Controle para Amplitude Móvel H2SO4 
Após o estudo de controle do contaminante As, inicia-se a análise do H2SO4 a 
partir do gráfico da Figura 9. Observa-se, neste gráfico, a existência de dois 
pontos fora de controle acima do Limite Superior de Controle (LSC), nos 
subgrupos 1 e 2. Além disso, é identificada uma sequência de pontos abaixo da 
linha central, do subgrupo 6 ao 17. 
Após realizarmos a retirada dos 14 dados que indicam sinais de variabilidade 
do processo, a amostra se reduz a mais de 50% do valor inicial. Esta redução 
evidencia um alto grau de variabilidade, impossibilitando o prosseguimento da 
análise deste processo. 
 
CONSIDERAÇÕES FINAIS 
 
A partir das evidências analisadas foi obtido o resultado de um alto grau de 
variedade do ácido sulfúricoimpossibilitando a continuidade da análise, sendo 
assim sugere-se, para trabalhos futuros, que seja coletada uma amostra 
superior à a adquirida para a elaboração deste artigo, que totalizou 25 
subgrupos, para a reanálise do processo, melhor identificação de um padrão e 
estudo mais aprofundado do controle, da capabilidade e da performance do 
processo. Não obstante, o processo do Arsênio (As) mostrou-se dentro dos 
padrões esperados, mantendo-se em controle estatístico de processo apesar 
de descentralizado. 
 
 
REFERÊNCIAS 
 
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Bookman, 2008. 
ATKINS, P.; JONES, L. ​Princípios de Química – Questionando a Vida Moderna e o 
Meio Ambiente​. 3. ed. Porto Alegre: Bookman, 2006. 
Cia. Nitro Química Brasileira. ​Ficha de Informação de Segurança de Produto Químico 
– FISPQ ÁCIDO SULFÚRICO 98%​. 2006. 
Costa, C.A.J., (2013) ​Ácido Sulfúrico​, Rev. Ciência Elem., V1(1):070 
SHREVE, R. N.; BRINK JR., JOSEPH A. ​Indústrias de Processos Químicos​. 4. ed. 
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