Processos Químicos II UERJ - parte 1.1

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO 
Ana Maria Furtado 
ana.furtado.sousa@gmail.com 
Parte 1.1 - Tipos de Processos 
LIVROS: 
 CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
 ANALYSIS, SYNTHESIS AND DESIGN OF CHEMICAL PROCESSES – 4ED. RICHARD 
TURTON 
 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN PRINCIPLES, PRACTICE AND ECONOMICS OF 
PLANT AND PROCESS DESIGN, 2ED, GAVIN TOWLER 
 CHEMICAL PROCESS EQUIPAMENT: SELECTION AND DESIGN, STANLEY M. WALAS 
 
 
 
Conteúdo: 
 Tipos de processos químicos. 
 Fluxogramas. 
 Processo Batelada. 
 Design e hierarquia de um processo químico, modelo 
irredutível e superestrutura. 
 Reatores ideais. 
 Sistema de Separação. 
 Elaboração de uma proposta de fluxograma (PFD) a partir de 
uma Patente. 
PROCESSOS QUÍMICOS II 
PRODUTO 
($) 
MATÉRIA-
PRIMA 
• AUXILIARES DE 
PROCESSOS 
• ENERGIA (UTILIDADES) 
 
• SUBPRODUTOS 
• REJEITOS 
• ENERGIA 
 
RECURSO HUMANO CAPACITADO 
DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO (PROCESSO/PRODUTO) 
GESTÃO 
Processo 
Definição: É um conjunto de etapas sequenciais, que 
através de mudanças químicas, físicas, mecânicas ou 
térmicas transformam matéria-prima em 
produto. 
Matéria-Prima 
Auxiliares de processo 
Energia 
 
Produto 
Subproduto 
Rejeitos 
Energia 
Processo Químico 
 
DESENVOLVIMENTO DO 
PRODUTO 
 
 
DESENVOLVIMENTO DO 
PROCESSO 
 
“O Sucesso de um novo produto não depende somente do 
design em si, mas também do projeto da planta que irá 
fabricá-lo.” 
DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO 
Novo Produto (risco comercial) – 
Nasce de uma necessidade. 
 
 Atender as necessidades dos clientes (seguinte e o final). 
 Ultrapassar expectativas. 
 Inovação. 
 Custo. 
Entender as “necessidades e expectativas” 
 
Traduzir em “especificação” 
 
Desenvolver de modo a atender a aplicação 
Desenvolvimento de Produto 
 Novo produto 
 
 Melhoria de produto existente 
 
Os produtos podem ser classificados em: 
 Moléculas ou produtos químicos 
 Formulações 
 Materiais 
 Equipamentos, dispositivos, peças. 
Desenvolvimento de Produto 
 Novas Moléculas ou Produtos Químicos 
 
U.S. Environmental Protection Agency (EPA) regula a fabricação, 
importação e exportação de 83.000 produtos químicos. 
 
European Chemicals Agency (ECHA) restringe o uso de produtos químicos 
> 143.000 produtos . 
 
MOTIVOS PARA DESENVOLVER??? 
 
 ATENDER A UMA NECESSIDADE ESPECÍFICA. 
 
 Especialidades, aditivos, princípios ativos (fármacos). 
 
Exemplo: Proibição dos CFCs (clorofluorcarbono)  Fluorcarbono 
Freon 12  R134a. 
Desenvolvimento de Produtos 
 Novas Formulações 
 
“ Maioria dos produtos vendidos ao publico em geral”. 
Exemplos: 
 Cosméticos, 
 Remédios, 
 Higiene pessoal, 
 Bebidas, 
 Tintas, 
 Adesivos, 
 Óleos lubrificantes, 
 Produtos de limpeza. 
O que você prefere??? 
 
Lavar as mãos com: 
 
Alquilbenzeno sulfonato linear 
 
ou 
 
Alquilbenzeno sulfonato linear misturado em 
um gel com aroma, que tenha coloração 
atrativa, esfoliante etc. 
 
Nota: O mesmo surfactante pode ser usado para lavar: carro, roupa, pratos 
etc... o que vai diferenciar o uso é a formulação. 
Desenvolvimento de Produtos 
 Novas formulações 
 
MOTIVOS PARA DESENVOLVER??? 
 Mercado: impulsionada para atender a necessidade do cliente. 
 Lucro: margem da empresa (substituição de matéria-prima). 
 Associado a marketing: uso de justificativas para ganho de mercado ou 
nicho específico. Exemplos: produtos de maior valor agregado como 
“orgânico”, “verde”, “sustentável”, “base água”. 
Nota: São produtos regulados e apresentam riscos de responsabilidade por causa 
do grande número de usuários finais. Por este motivo existem restrições RÍGIDAS 
a serem consideradas no desenvolvimento. 
Desenvolvimento de Produtos 
 Novos Materiais 
 
 
Exemplos: 
 Polímeros, 
 Fibras, 
 Compósitos, 
 Papel, 
 Catalisadores, 
 Cerâmicos, 
 
As propriedades destes produtos são 
determinadas tanto pelo processo de 
fabricação, como pela composição 
química. 
 
Exemplo: Diferentes grades de polietileno 
podem ser produzidos dependendo da 
rota e da massa molar. 
 
Desenvolvimento de Produtos 
 Novos Materiais 
 
MOTIVOS PARA DESENVOLVER??? 
 
 Substituir materiais 
 Atender novos requisitos 
 Reduzir custos 
 
Exemplos: Polímeros  metal, madeira, vidro. 
 
Nota: O desenvolvimento de novos materiais requer uma 
colaboração estreita com o CLIENTE FINAL. 
 
 
A maioria das especificações do produto será baseada em 
propriedades: 
• mecânicas, térmicas, químicas, barreira etc (aplicação). 
• fluxo (facilidade de fabricação). 
 Equipamentos, dispositivos e peças. 
 
 
Desenvolvimento de Produtos 
 Relacionados ao processos químicos que envolvam 
reação química e processos de separação e de 
transporte. 
 
Exemplo: “Customizar” equipamentos para processo 
químicos específicos, como por exemplo, secadores, 
cristalizadores, unidades de membranas etc. 
PROCESSOS QUÍMICOS II 
PRODUTO 
 Produtos químicos 
 Formulações 
 Materiais 
MATÉRIA-
PRIMA 
• AUXILIARES DE 
PROCESSOS 
• ENERGIA (UTILIDADES) 
 
• SUBPRODUTOS 
• REJEITOS 
• ENERGIA 
 
RECURSO HUMANO CAPACITADO 
DESENVOLVIMENTO TECNOLÓGICO (PROCESSO/PRODUTO) 
GESTÃO 
Processo 
Matéria-Prima 
Auxiliares de processo 
Energia 
 
Produto 
Subproduto 
Rejeitos 
Energia 
Processo Químico 
Processos 
Químico 
Contínuo 
Batelada 
Processo Contínuo. 
 
 
 
Processo com fluxo constante de matérias-primas e de produtos em 
todos os equipamentos (24horas/dia; 7dias/semana; ano inteiro). 
Os parâmetros de processo não se alteram com o tempo. 
Processo Batelada. 
 
 
 
 Uma quantidade finita (batelada) de produto é 
fabricado durante um período de horas ou dias. 
Fluxo de matérias-primas, produtos e parâmetros de 
processo (T, P, concentração, troca térmica etc.) variam 
com o tempo. 
 Unidades são projetadas para executar uma atividade por 
um determinado período de tempo (operação/parada). 
 Etapa de limpeza/esterilização. 
 
 
Processo Batelada. 
 
 
 
Processo Contínuo versus Batelada 
Fatores considerados na escolha entre 
processos contínuo e batelada: 
 
 Volume de Produção. 
 Demanda de Produto e disponibilidade de matéria-prima. 
 Certificação da Qualidade do Produto. 
 Retrabalho do Produto. 
 Flexibilidade Operacional. 
 Produção de Multiprodutos. 
 Eficiência do Processo. 
 Cinética da reação. 
 Incrustação dos equipamentos. 
 Segurança e controle. 
 Custo de operação. 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
VOLUME DE PRODUÇÃO 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo CONTÍNUO 
Pequeno Volume favorece a 
escolha do processo em 
batelada. 
 
Muitos Grades de produto. 
Grande volume favorece a escolha do 
processo contínuo. 
 
Poucos Grades de produto. 
 
Plantas de processo contínuo são 
projetadas para volume elevado e 
deve operar o ano todo. 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
DEMANDA DE PRODUTO E DISPONIBILIDADE DE MATÉRIA-PRIMA 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo CONTÍNUO 
Quando ocorre sazonalidade o 
processo preferido é o batelada. 
Exemplos: 
Matéria-prima: Vinícolas, açúcar e 
álcool. 
Produtos: fertilizantes.Como o processo contínuo só é 
rentável se operar sem paradas. No 
caso de sazonalidade: 
• Trabalhar com estoque. 
• Avaliar fornecedores externos. 
• Avaliar a possibilidade de 
fabricação de um produto similar 
(+ difícil). 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
CERTIFICAÇÃO DA QUALIDADE DO PRODUTO 
 
Mercado exige que a qualidade do produto seja garantida e rastreada 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
CONTÍNUO 
 
O processo em batelada é o 
preferido (principalmente para a 
indústria farmacêutica e alimentícia). 
O processo contínuo pode ser escolhido se 
houve somente a exigência de verificação 
periódica da qualidade do produto. 
Nota: a verificação periódica não garante 
100% da produção. No entanto, processo 
contínuo pode ser usado se permitir que o 
produto não conforme seja misturado, 
separado, ou retrabalhado, o que é muito 
difícil. 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
PRODUTO FORA DA ESPECIFICAÇÃO - RETRABALHO 
 
Se não é possível retrabalhar o produto fora de especificação. 
 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo CONTÍNUO 
 
 
 
o processo deve ser projetado para 
operar em bateladas e com lotes 
pequenos. 
Muito difícil, normalmente não é 
viável. 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
FLEXIBILIDADE OPERACIONAL 
(uso do equipamento em diferentes funções) 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo CONTÍNUO 
 
 
 
 
 
 
Permite que os equipamentos 
sejam usados em múltiplas 
operações, ou seja, um tanque 
agitado pode ser usado como 
misturador, em seguida como reator 
e também como um decantador. 
Não é viável 
 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
PRODUÇÃO DE MULTIPRODUTOS 
Vantagens/desvantagens para o 
Processo BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
CONTÍNUO 
 
 
 
 
 
 
 
 Processos em batelada podem ser 
facilmente modificados para 
produção de múltiplos produtos. 
 
Nota: neste tipo de planta é muito 
importante a programação da 
sequência da produção. 
 Não é recomendável. 
Os equipamentos do processo contínuo 
normalmente são projetados e otimizados para 
fabricar um restrito número de produtos a 
partir de Matéria-prima especificas. 
Obs: Se houver aumento na demanda ou 
restrição de Matéria-prima a planta deverá ser 
adequada a nova necessidade. 
(Retrofit - modernização) 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
EFICIÊNCIA DO PROCESSO 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
CONTÍNUO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
• Requer rigoroso planejamento e 
controle da produção. 
• Dificilmente o processo pode ser 
otimizado para TODOS os produtos 
fabricados. 
• Integração energética nem sempre é 
possível (aumento no consumo de 
energia). 
• Reciclo de MP não é tão fácil como no 
processo contínuo. 
Geralmente,  volume de produção, + 
eficiente é o processo. 
Ex. redução na perda de energia nos 
equipamentos (bombas, compressores); 
Reciclo de matéria-prima não reagida e 
integração energética são praticas 
comuns e facilmente implantadas. 
 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
CINÉTICA DA REAÇÃO (PROBLEMA:  velocidade/taxa de reação) 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
CONTÍNUO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Reações que requerem um alto tempo 
de residência (baixa velocidade de 
reação): o processo em batelada é o 
preferido. 
 
Exemplos: Fermentação. 
Se a velocidade da reação é muito 
lenta, os equipamentos serão maiores 
(ou haverá muitos equipamentos) e a 
vazão será baixa 
(o processo pode ter problemas tais 
como má dispersão ou acúmulo). 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
INCRUSTAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
CONTÍNUO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Se existir elevada tendência, o 
processo em batelada é o 
recomendável, já que este problema 
será evitado com as etapas de limpeza. 
Este é um problema sério no processo 
contínuo. 
 Tentar minimizar no projeto/processo. 
 Unidades em paralelo permitindo a 
limpeza, no entanto há um aumento 
no custo capital 
 Uso de aditivos para minimizar o 
acumulo ou injeção temporária de 
solvente/vapor 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
SEGURANÇA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
CONTÍNUO 
 
 
 
 
 
 
 
 
Neste tipo de processo os operários 
estão mais expostos ao produtos 
químicos, como também existe maior 
probabilidade de erro operacional. 
 
Este processo requer constante 
treinamento operacional! 
A planta deve ser projetada de modo a 
garantir o controle do processo (ex. 
desvio T/P são corrigidos). 
Comparativamente, este processo 
apresenta menor risco ao operador. 
Este processo também requer 
treinamento operacional! 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
CONTROLE 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
CONTÍNUO 
 
 
 
 
 
 
Padronizar o controle é uma tarefa 
difícil já que um mesmo equipamento 
pode ter funções distintas na 
fabricação de diferentes produtos. 
É essencial! Requer rigorosa 
instrumentação de processo, que 
controle e corrija automaticamente os 
desvios. 
Muita P&D vem sendo desenvolvida 
nesta área 
Nota: CONTROLE FÍSICO (POR INSTRUMENTOS) e CONTROLE QUÍMICO (POR ANÁLISES 
CLÁSSICA E INSTRUMENTAL) 
Fatores considerados na escolha entre processo 
contínuo e batelada 
CUSTO DE OPERAÇÃO ($/TON) – Processos comparáveis 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
BATELADA 
Vantagens/desvantagens para o Processo 
CONTÍNUO 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Alto custo de operação devido as 
etapas de limpeza e tempo de 
preparação. 
Menor custo de operação