PQI Aula 2 Conceitos Básicos

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Profa Dra Silvania Maria Netto
PROCESSOS QUÍMICOS 
INDUSTRIAIS
 Conceitos Básicos
 Processos Químicos
 Tipos de Sistema
 Operações Unitárias
 Fluxogramas
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 A indústria química, em geral, converte as matérias
primas no seu estado natural em uma forma mais útil.
Por exemplo:
 A indústria do petróleo;
 A indústria da madeira;
 A indústria do enxofre;
 A indústria do carvão;
 A indústria de alimentos;
 A indústria óleos e gorduras.
Introdução
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É indispensável a aplicação freqüente dos
princípios da física e da físico-química nas
etapas do processo que envolvem separações
físicas, como a destilação, a cristalização, a
adsorção etc.
É fundamental o conhecimento dos
equipamentos de processo envolvidos na
produção, na separação e no transporte dos
produtos.
Introdução
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 A existência de um processo industrial implica na
necessidade de um produto a ser fabricado, pelo
qual existem consumidores dispostos a comprá-lo.
 O produto deve ser fabricado em uma certa
quantidade, satisfazendo exigências de qualidade e a
um preço aceito pelo consumidor.
 Uma análise econômica juntamente com um
planejamento da produção e das vendas são
fundamentais para a sobrevivência da indústria.
Introdução
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O engenheiro químico está sempre preocupado com os aspectos
econômicos da química de um processo e, por isso, deve levar em
conta alguns fatores como:
 REAGENTE LIMITANTE
É o reagente que está presente em menor proporção, está em
menor quantidade estequiométrica em uma reação química.
Conceitos Básicos
Expresso em mols:
PM
m
n 
 REAGENTE EM EXCESSO
É a relação entre o excesso e a quantidade teoricamente
determinada pela equação estequiométrica para combinar com
o reagente limitante.
x100
limitante
limitanteexcesso
%excesso


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Conceitos Básicos
 RENDIMENTO
É o quociente entre a massa de produto realmente obtido
(experimental) (q) e a massa de produtos teóricos (q’) que
seriam obtidos pela equação química correspondente.
'q
q
R 
q - massa de produto experimental
q‘ - massa de produto teórico
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Pode ser expressa em termos de volume, massa e mol
na unidade de tempo
 Vazão Volumétrica (Q) t
V
 Q 
Unidades: m3/s, m3/h, L/h, L/min
 Vazão Mássica (Qm) t
m
Qm 
Unidades: kg/s, kg/h, T/h, Lb/min
 Vazão Molar (Qw) t
n
Qw 
Unidades: mol/min, kmol/h, mol/s
Vazão
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Quando uma massa m e um volume V de um fluido
escoam por uma tubulação e passam através de uma
seção transversal do tubo, as quantidades não são
independentes, mas estão relacionadas pela densidade
do fluido.
Q
Qm
A partir da equação acima, dispondo-se da densidade
do fluido, pode-se converter vazão volumétrica em
vazão mássica e vice-versa.
Densidade do Fluído ()
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Fluxo, ou velocidade média de escoamento, é a relação
entre a vazão de uma corrente de fluido e a área da
seção de escoamento, podendo ser expressa de forma
volumétrica, mássica ou molar.
A
Q
v 
Fluxo volumétrico
AvQ .
Fluxo (n)
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A pressão (P) é definida como a razão entre uma força e
a área sobre a qual esta força age.
A
F
P 
Unidades: N/m2 (Pa), kgf/cm2, mmHg, bar, atm
Pressão Absoluta (Pabs)
 É a pressão total em um ponto qualquer no interior de um
fluido
Pressão (P)
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Pressão Manométrica ou Relativa (Pman)
 É a pressão medida quando se toma como referência a
pressão atmosférica, que indica o quanto a pressão, nesse
ponto, é maior do que a pressão atmosférica e se for inferior é
comumente denominada de vácuo.
atmmanabs PPP 
vacatmabs PPP 
Pressão (P)
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 É a relação entre uma quantidade em massa de uma
substância e seu volume.
V
m

Unidades: g/L, kg/m3 ou g/cm3
Massa Específica ()
Peso Específico (g)
 Peso da massa de uma substância contida num determinado
volume.
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V
gm
V
G
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. g 
Unidades: N/m3; kgf/m3
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 Pode ser definido como o processamento industrial de matérias-
primas químicas, que leva à obtenção de produtos com valor
industrial realçado
 Conjunto de etapas que envolvem alterações na composição
química e/ou alterações físicas no material que está sendo
preparado, ou separado ou purificado
Processo Químico
MATÉRIA
PRIMA
MÃO-DE-
OBRA
RECURSOS
Processo 
químico
RESÍDUOS
PRODUTO
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Processos são mudanças que ocorrem no interior do
sistema
 Sistema: a quantidade de matéria ou região de espaço
escolhida para estudo e cercada por uma fronteira
 Vizinhança: é tudo que se encontra fora do sistema
 Fronteira: é o que separa o sistema de suas vizinhanças
Processo Químico
sistema
entrada saída
fronteira
vizinhança
Esquema de um sistema que representa um processo químico
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O sistema:reator
fronteira:revestimento 
(encamisado)
vizinhança
saída do reator
entrada do reator
Processo Químico
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SISTEMA ABERTO (Sistema com Escoamento)
 Um sistema que permite trocas de massa com suas vizinhanças
Tipos de Sistema
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SISTEMA FECHADO (Sistema sem Escoamento)
 Um sistema que não permite trocas de massa com suas
vizinhanças, embora possa ocorrer transformações no interior do
sistema fechado
Tipos de Sistema
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SISTEMA ESTACIONÁRIO
 Se os valores de todas as variáveis no processo (ou seja,
temperaturas, pressões, volumes, vazões, etc.) não variarem
com o tempo, se diz que o sistema ou processo está operando
em estado estacionário
Tipos de Sistema
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SISTEMA NÃO-ESTACIONÁRIO
 Se qualquer das variáveis do processo muda com o tempo,
diz-se que o sistema opera em estado não-estacionário ou
transiente
Tipos de Sistema
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 Operação unitária é a operação que irá realizar
alguma alteração física em seu produto em
questão.
 Na engenharia química e seus campos relacionados,
uma operação unitária é uma etapa básica de um
processo.
 Um processo tem várias operações unitárias
presentes para que possa se obter produto
desejado.
Operações Unitárias
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Operações Unitárias 
 Processos de separação, transferência de massa e calor
 Processos Unitários  Conversões químicas
 Obtenção de ácido sulfúrico a partir do enxofre:
S + O2  SO2
SO2 + 1/2O2  SO3
SO3 + H2O  H2SO4
Processos Industriais 
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Processos Químicos Unitários 
 Neutralização
 Combustão
 Polimerização
 Esterificação
 Redução
 Hidratação
 Eletrólise
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Operações Unitárias
Operações envolvendo sólidos
 Fragmentação
 Peneiramento
 Transporte e armazenamento
Operações envolvendo fluidos
 Bombeamento
 Compressão
 Mistura e agitação de líquidos
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Operações envolvendo separações
 Filtração
 Peneiração
 Cristalização
 Sublimação 
Transferência de calor
 Condensação
 Ebulição
 Evaporação
Transferência de massa
 Destilação
 Absorção
 Adsorção
 Extração
 Secagem
Operações Unitárias
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Bombas
Decantador
Centrífuga
Ciclone de separação
Destilação
Operações Unitárias
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Desidratação de alimentos
Separação por membranas
Cristalização
Operações Unitárias
Spray Drying
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Contínuo 
 Opera continuamente, elevada produção
 Produção em fluxo ininterrupto
 Refinaria petróleo, fabricação de papel
Batelada (descontínuo)
 A operação tem períodos em que é repetida, enquanto produz-se 
um lote
 Maior variedade de produtos e menor volume
 Polimerização, Indústria de corante
Tipos de Processos
OPERAÇÕES UNITÁRIAS → TRANSFORMAÇÕES FÍSICAS
PROCESSO UNITÁRIO → REAÇÕES QUÍMICAS
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 É a representação gráfica simplificada por meio de
figuras e letras, de estrutura e do funcionamento de
instalações de processamento
 Os principais tipos de gráficos ou diagramas usados
para descrever os fluxos de correntes químicas
através de um processo são: Diagramas de Blocos
(Block Flow Diagrams – BFD) e Fluxograma do
Processo (Process Flow Diagram – PFD)
Representação Gráfica
 Diagrama de Blocos
 É o mais simples dos fluxogramas, indicando apenas as
atividades realizadas sem diferenciá-las por tipos;
 Utilizado para uma visualização rápida do processo;
 Pode ser horizontal ou vertical;
 Devem ser utilizadas frases curtas que identifiquem as
atividades realizadas.
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 Apresentam a sequência coordenada das conversões
químicas e das operações unitárias.
 Indicam pontos de entrada das matérias-primas e da
energia necessária e também os pontos de remoção
do produto e dos subprodutos.
Fluxogramas
Trigo 
Fermento
Misturador Forno Confeitaria
Açucar
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Fluxogramas
Produção de biodiesel
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Exercício
No Brasil, a principal fonte de obtenção de álcool é a
partir da cana de açúcar, através de processo
bioquímico. Partindo-se cana, imaginem quais deveriam
ser os processos unitários necessários até a produção de
etanol. Descreva processo através de um diagrama de
blocos.
Fluxogramas
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Exercício
No Brasil, a principal fonte de obtenção de álcool é a
partir da cana de açúcar, através de processo
bioquímico. Partindo-se cana, imaginem quais deveriam
ser os processos unitários necessários até a produção de
etanol. Descreva processo através de um diagrama de
blocos.
Fluxogramas
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Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:
 Operações ou processos unitários tais como misturadores,
separadores, reatores, colunas de destilação e trocadores de
calor são usualmente denotados por um bloco simples ou
retângulo;
Fluxogramas
 Grupos de operações unitárias podem ser denotados por um
bloco simples;
 As correntes de fluxo do processo entrando e saindo dos blocos
são representadas por linhas retas que podem ser horizontais
ou verticais;
 A direção do fluxo deve ser claramente indicada por setas;
 As operações unitárias (i.e blocos) devem ser rotuladas;
 Quando possível, o diagrama deve ser arrumado de modo que
o fluxo material ocorra da esquerda para a direita.
 As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem
lógica;
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matéria-prima
seleção
secagem à 
105ºC/24h
fragmentação 
à 5cm
moagem
peneiração
ativação química
carbonização 
600ºC/1h
resfriamento
trituração
peneiramento
carvão ativado
adição de 
cloreto de 
zinco 0,3 g/mL
Fluxogramas
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Produção de cimento Portland
Fluxograma do Processo