PQI-I-aula1-Introducao-ao-estudo-dos-pq

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Prof. Lucrécio Fábio
Atenção: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras 
fontes foram reproduzidas estritamente com fins didáticos.
PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I
UD 01
INTRODUÇÃO AO ESTUDO DOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS 
– RELACIONAMENTO COM A ENGENHARIA QUÍMICA
2
O que é um processo químico?
Quando se pensa no assunto o que vem à mente?
Indústria química
http://www2.nord.com
http://www2.nord.com
PROCESSO QUÍMICO
Definição de processo químico
3
Define-se processo químico como qualquer operação ou
conjunto de operações coordenadas 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.
PROCESSO QUÍMICO
4
Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes fontes
de carbono:
mandioca
http://domescobar.blogspot.com.br
Vista parcial de uma planta para 
obtenção de etanol, a partir da cana
http://www.empat.com.br
cana
http://cucanaga.blogspot.com.br
5
Exemplos de processos químicos
Shreve e Brink jr. (1980) detalham vários
processos químicos, entre eles tem-se:
Tratamento de água;
Produtos carboquímicos;
Indústria de cerâmica;
Indústria do açúcar e do amido
6
Fluxograma da produção de açúcar (C12H22O11)
Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)
C12H22O11
C12H22O11
Exemplo de processo químico
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Fluxograma da produção de álcool (C2H5OH)
Fonte: Shreve; Brink jr. (1980)
C12H22O11
C2H5OH
C12H22O11 + H2O  2C6H12O6
invertase
C6H12O6  2C2H5OH + 2CO2
levedura
Exemplo de processo químico
8
Análise de processos químicos
De acordo com os processos apresentados, as matérias-primas são
transformadas em produtos através de uma sequência de etapas.
Essas etapas são denominadas operações unitárias da indústria
química e são realizadas em equipamentos específicos, tais como
moendas, evaporadores, centrífugas, secadores e colunas de
destilação.
9
colunas de destilação
http://www.pulsarimagens.com.br
centrífuga
http://www.brumazi.com.br
evaporador
http://www.termopros.com.br
moenda
http://www.revistaalcoolbras.com.br
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A análise dos processos químicos tem como objetivo a obtenção
das quantidades e propriedades das correntes de produtos a
partir de quantidades apropriadas das correntes de alimentação,
e vice-versa, nas etapas do processo.
Qual é o objetivo da análise de processos químicos
Assim, deve-se conhecer as principais variáveis envolvidas nos
processos, tendo como base a lei de conservação de massa e
energia.
11
12
Recursos 
• Sólidas
• Líquidas
• Gasosas
• outras
Matérias-
primas
• UTILIDADES
• OUTROS RECURSOS
Pessoal / 
Instalações
Preparação
Vapor, Energia elétrica, Água tratada, 
Gases, Ar comprimido
Manutenção, Instrumentação, 
dentre outros
• Sub-produtos
• Resíduos poluentes
• Resíduos sólidos recicláveis
• Resíduos sólidos tratáveis
• Resíduos sólidos incineráveis
• Resíduos sólidos para aterros
• Efluentes (líquidos, sólidos e gasosos)
Resíduos
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Logo, o processo consiste na transformação de entradas em saídas.
Em resumo
ProcessInput Output
Feedback 
O processo químico compreende várias etapas
15
Preparação das 
matérias-primas
Reações químicas
Embalagem
• OPERAÇÃO: é a ação direta do
homem e equipamentos sobre a
matéria-prima e seus produtos
(funções que devem ser executadas).
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• PROCESSO: é um conjunto de
operações físicas e transformações
químicas que visam obter produtos
finais a partir de matérias-primas.
Milho
Panela 
Sal
Óleo 
Processo Pipoca 
 Operações unitárias
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Segundo Cremasco (2012), Operações Unitárias constituem-se etapas
individuais, visando ao tratamento e/ou separação e/ou transporte
físico de matéria e/ou energia, presentes em um processo (bio)
químico.
O que vale ressaltar é que em uma operação unitária existe uma
alteração física ou uma separação sem ocorrer reação química.
Operações unitárias
 Misturação
 Destilação
 Evaporação
 Absorção de gás
 Extração
 Processos de separação 
 Secagem
 Bombeamento de fluidos
 Troca de calor
 Transporte de sólidos
 Redução de tamanho
 Peneiração
 Filtração
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É a aplicação dos princípios da química, da física e da
físico-química (quando necessário, apoiadas por outras
ciências) para a transformação da(s) matéria(s)-
prima(s) em produtos.
Mas, o que é um PROCESSO QUÍMICO INDUSTRIAL?
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Orgânicos
Inorgânicos
Processos industriais
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Processos orgânicos
 Fermentação
 Aminação
 Carboxilação
 Hidrogenação
 Oxidação, dentre outros
 Nitração
 Sulfonação
 Alquilação
 Esterificação
 Polimerização
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Processos inorgânicos
 Cimento
 Vidro
 Ácidos
 Álcalis
 Tintas
 Explosivos
 Tratamento de água
 Carboquímicos
 Petroquímica
 Gases combustíveis
 Gases industriais
 Cerâmica
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RENDIMENTO E CONVERSÃO
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100 x Mols do produto principal
Mols do produto principal correspondentes à 
desaparição completa do reagente mais 
importante
Rendimento = 
Dados químicos fundamentais
100 x Mols do produto principal
Mols do produto principal correspondentes à 
carga do reagente mais importante no
equilíbrio químico da reação
Conversão = 
Exemplo
Síntese da amônia, a 150 atm e 500oC:
Rendimento é maior que 98%
Conversão  14%
N2 + 3H2 ↔ 2NH3
Recirculação – economia do processo – equipamentos necessários
RENDIMENTO E CONVERSÃO
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Custos
fixos
Custos
variáveis
$
Quantidade produzida
Custo total
de produção
Receita de vendas
(faturamento)
Ponto de
equilíbrio
X
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CUSTOS DE PRODUÇÃO
Levando em conta um único produto, podemos escrever a
seguinte expressão a ser minimizada:
Onde:
CT = custo total anual
CF = custo fixo unitário (custos associados a cada unidade e que não
dependem de nova decisão. Ex. preço pago ao fornecedor)
CA = custo médio unitário de armazenagem durante o ano
CP = custo de preparação de máquina
D = demanda
Q = quantidade fabricada (ou comprada) de cada vez
n = número de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q
CT = CF.D + CA.Q + CP.n
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CUSTOS DE PRODUÇÃO
Substituindo “ n ” na expressão de CT:
O objetivo é determinar qual valor de Q torna mínimo CT. A esse valor
chamaremos de Lote Econômico de Fabricação (QE), que é dado pela
expressão:
Expressão obtida a partir da derivação
de CT em relação a Q e igualando a zero.
Q
DC
QCDCC
.P
.A.FT 
A
P
E
C
D.C
Q 
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CUSTOS DE PRODUÇÃO
Conhecidos os valores de CP e CA podemos, pela fórmula acima,
calcular o valor do lote econômico QE
É comum expressar CA em função de CF (custo fixo), “ i “ (taxa de
juros) e de “ a “ (taxa de armazenamento), cuja expressão mais
usada é:
2
)ai(C
C
.F
A


28
CUSTOS DE PRODUÇÃO
O que mostra que o primeiro membro (CA.QE) é o custo de
armazenagem e o segundo representa o custo de emitir ordens de
produção e, portanto, quando a quantidade obtida for igual ao lote
econômico, os custos de armazenagem tornam-se iguais aos custos
de obtenção.
É fácil perceber que a expressão de QE
( ) pode ser transformada em:
A
P
E
C
DC
Q
.

E
.P
EA
Q
DC
Q.C 
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QQE
CF.D
(custo fixo)
CA.Q
(custo de armazenagem)
R$
CP.D/Q
(custo de preparação)
CT (custo total)
Graficamente:
CUSTOS DE PRODUÇÃO
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A Indústria de alimentos MF Ltda está planejando as rodadas de
produção para sua linha de iogurtes.Em média, estima-se que o custo
de preparação de máquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendo
pouca diferenciação de um sabor e outro. O custo unitário médio de
fabricação foi calculado em R$ 300,00, sobre o qual, para efeito de
armazenagem, incidirá uma taxa total de 60% entre juros e
armazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda para linha de
iogurte light situar-se-á em torno de 5.000 caixas. Determinar:
a) Quantas caixas devem ser produzidas de cada vez;
b) Qual o custo total
Obs.: Cada caixa contém 1000 iogurtes. Não levar em conta o custo unitário do iogurte
Aplicação
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Solução
A
P
E
C
DC
Q
.

2
)(. aiC
C
F
A


90
2
6,0300

x
CA
a) Número de caixas a serem produzidas de cada vez
409,105
90
5000 200

x
QE
Logo, o lote econômico será:
Cálculo de CA
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c) Custo total e custo total em estoque
Parcela correspondente ao 
custo de armazenagem
Parcela correspondente ao 
custo de emitir ordens de 
produção 
CT= R$ 1.518.974,00
CT= R$ 1.500.000,00 + R$ 9.487,00 + R$ 9.487,00
CT= 300 x 5000 + 90 x 105,409 + 200 x 5000 
105,409
CT= CF .D + CA.Q + CP.n
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Os processos químicos são classificados de acordo com o
procedimento de entrada e saída de matéria do volume de
controle em:
Processos em batelada;
Processos contínuos;
Processos semicontínuos.
CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS
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Um equipamento é carregado com as matérias-primas, a
operação ou a conversão ocorrem após um tempo
determinado, quando então o produto é descarregado.
 Processo Descontínuo (por batelada)
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O processo descontínuo é utilizado quando o volume de produção é
pequeno, quando o custo de produção é mais favorável que o do processo
contínuo ou quando condições de segurança são fundamentais.
Exemplos:
Polimerização, fabricação de produtos
farmacêuticos, de especialidades
químicas
Autoclave de processamento de línter
 Processos contínuos
Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e saídas
fluem continuamente ao longo do tempo total de processo.
Centrífuga de processamento de celulose 
Visor da centrífuga
Centrífuga 
Exemplo:
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O processo contínuo exige uma instrumentação de processo mais
complexa, que não somente registre, mas também controle as
variáveis do processo (temperatura, vazão, pressão...).
É necessário controlar os desvios e corrigi-los rapidamente.
Controle informatizado do processo.
Custos são altos para pequenas produções mas se diluem para
grandes produções.
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 Processos contínuos
Processos semicontínuos
É qualquer processo que não se enquadre nas duas definições
anteriores.
Exemplos:
http://campingtotal.blogspot.com.br
http://duquedecaxias.olx.com.br
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39
Os três principais tipos de diagramas usados para
descrever os fluxos de correntes químicas através de
um processo são:
– Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD)
– Fluxograma do processo (process flow diagram – PFD)
– Fluxogramas de tubulação e instrumentação (piping and
instrumentation diagram – P&ID):
TIPOS DE FLUXOGRAMAS
Fluxogramas de blocos
Permite a rápida visualização do processo.
Cada bloco ou retângulo representa uma operação unitária ou
processo unitário.
entrada coagulação floculação
decantação ou 
sedimentação filtração
desinfecção
distribuiçãoTratamento de água
Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:
– Correntes de entrada e saída são representadas por linhas retas que
podem ser horizontais ou verticais;
– A direção do fluxo deve ser claramente indicada por setas;
– As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem lógica;
– As operações unitárias (i.e blocos) devem ser rotulados;
– Quando possível, o diagrama deve ser arrumado de modo que o
fluxo material ocorra da esquerda para a direita, com unidades a
montante, à esquerda, e unidades a jusante, à direita.
Fluxograma do processo
Contém as informações necessárias para os balanços material
e energético do processo.
O fluxograma de processo apresenta as relações entre os
principais componentes no sistema, bem como tabula os
valores projetados para o processo para os componentes nos
diferentes modos de operação: mínimo, normal e máximo.
Um fluxograma de processo inclui:
– tubulação do sistema;
– símbolos dos principais equipamentos, nomes e números de
identificação;
– Controles e válvulas que afetam a operação do sistema;
– interconexões com outros sistemas;
– principais rotas de by-pass e recirculação;
– taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura e
pressão para fluxos mínimo, normal e máximo;
– composição dos fluidos.
Exemplo 
Fluxogramas de tubulação e instrumentação
Deve conter toda informação do processo necessária para a
construção da planta.
• Mostram toda a tubulação incluindo a sequência física de
ramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação e
controles intertravados;
• São usados para operar o processo de produção;
• Devem apresentar todos os detalhes pertinentes ao processo.
Exemplo
Fonte: www.google.com.br
Industrialmente, os reatores químicos podem ser de vários
materiais, formatos e dimensões, dependendo das condições em
que a conversão química se realiza.
Os reagentes em excesso podem ou não retornar ao processo,
formando o reciclo; pode haver catalisador ou não; o catalisador
pode estar em leito fixo ou em leito fluido.
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REAÇÕES QUÍMICAS REALIZADAS EM CONDIÇÕES INDUSTRIAIS
Para melhorar o rendimento nas reações químicas
realizadas em condições industriais, geralmente, é
desejável que um ou mais reagentes estejam em excesso
(em relação às quantidades teóricas previstas pelas
equações químicas).
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Exemplo: Processos de nitração
As quantidades máximas dos produtos formados serão
determinadas pela quantidade do REAGENTE-
LIMITANTE, que é aquele que não se encontra em
excesso; o qual servirá de base para o cálculo do
excesso dos demais.
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A equação química fornece informações quali- e quantitativas
essenciais para o cálculo das massas dos materiais envolvidos em
um processo químico, como por exemplo:
A equação química nos fornece, em termos de mols, as razões entre
reagentes e produtos (chamadas razões estequiométricas).
A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos e compostos
que se combinam.
C7H16 (v) + 11 O2 (g) → 7 CO2 (g) + 8 H2O (v)
1 mol 11 mols 7 mols 8 mols
50
EQUAÇÃO QUÍMICA E ESTEQUIOMETRIA
1. SHREVE, R.N. & BRINK, J.A. – Indústrias de Processos Químicos
2. LIMA, I.R. – Elementos Básicos de Engenharia Química
3. SHERWOOD, T.K. – Projeto de Processos da Indústria Química
4. BÜCHNER, W. – Industrial Inorganic Chemistry
5. CONSIDINE, D.M. – Chemical and Process Technology Encyclopedia
6. KUZNETSOV, D. – Chemical Engineering
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS