Aula 2 - UI - Introdução aos Processos Químicos - INCOMPLETA

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Utilidades 
Industriais
Prof. Me. Elenilson Tavares Cabral
170101295@prof.uninassau.edu.br
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As conversões químicas, que podem ser definidas como as reações
químicas aplicadas ao processamento industrial. Incluem:
1) a química fundamental de cada reação particular;
2) o equipamento em que ocorre a reação;
3) a operação de todo o processo a um custo suficientemente baixo para
ser competitivo e eficiente e levar à obtenção de lucro.
Estas conversões não foram formuladas ou classificadas, nem científica
nem quantitativamente, como as operações físicas, em virtude da
diversidade e complexidade que apresentam; fornecem, no entanto, uma
abordagem poderosa de ampla utilidade no projeto de novos processos de
fabricação.
PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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1. Cada conversão química tem aspectos unitários, ou assemelhados, num
grupo de numerosas reações químicas individuais. Estes aspectos
unitários, além de serem pertinentes à família química na sua
generalidade, podem referir-se a uma variação de energia, ou a
semelhanças de pressão, de tempo de reação, ou de equilíbrio ou de
matérias-primas.
2. Muitas vezes há uma segregação na fábrica, baseada em processos
químicos de conversão que se assemelham, em virtude da qual um
edifício, ou uma seção de um edifício, fica dedicado à fabricação de vários
produtos químicos mediante uma dada conversão química; por exemplo, a
nitração, a hidrogenação, a esterificação, a fermentação ou a alquilação.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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3. Existe frequentemente uma estreita semelhança entre os diversos tipos
de equipamento usados para fabricar diversos produtos mediante uma
única conversão química. Por exemplo, o reator em ferro fundido,
homogêneo, com serpentinas de arrefecimento, denominado nitrador, é
usado na reação de nitração da manufatura de diversos produtos, como o
nitrobenzeno, o nitronaftaleno e o TNT.
4. Quando se tem produção pequena, ou os produtos são variáveis, o
equipamento pode ser transferido, conveniente e economicamente, da
manufatura de um produto para a de outro, ambas baseadas numa mesma
conversão química.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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Um dos objetivos do gerente de produção é manter todo o equipamento
constantemente em uso. Para isso, muitas vezes é necessário fabricar, no
mesmo reator, primeiro um produto e depois outro — num sulfonador, por
exemplo. Esta múltipla utilização do equipamento é aproveitada mais
facilmente quando há segregação das conversões químicas.
5. A classificação das conversões químicas possibilita que o engenheiro
químico infira o desempenho de um novo produto a partir do desempenho
de um grupo de produtos numa classe de conversões semelhantes.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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É preciso conhecer principalmente os princípios e utilizá-los, em lugar de
saber comportamentos específicos. Este método de tratamento facilita
grandemente a fabricação de qualquer substância química mediante o
conhecimento acumulado pertinente aos dados generalizados de uma
conversão particular. Este procedimento evita a necessidade de
memorização das observações individuais.
6. Em virtude de os materiais serem usualmente caros e a energia ser
relativamente barata, um pequeno aumento no rendimento químico afetará
substancialmente o lucro da sequência de fabricação.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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7. Os procedimentos inorgânicos e orgânicos não precisam ser separados
na indústria. Tendo em vista que os equipamentos e os problemas de
fabricação são frequentemente muito semelhantes para os produtos
orgânicos e inorgânicos, pode ser vantajoso agrupá-los numa certa
indústria.
Por exemplo, as condições e o equipamento usado para a hidrogenação do
nitrogênio a amônia são surpreendentemente análogos aos da
hidrogenação do monóxido de carbono a metanol, diferindo as duas
conversões apenas na matéria-prima inicial e no catalisador.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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8. O projeto do equipamento pode ser muitas vezes simplificado mediante
generalizações provenientes dos dispositivos que visam a uma conversão
química e não através da consideração separada de cada reação. O que a
experiência aconselha para um conjunto de reações assemelhadas, em
conversões análogas, constitui um guia excelente para uma nova reação
dentro do mesmo grupo.
Ao analisar as conversões químicas, a concepção da usina será melhor, a
taxa de conversão será maior e os custos serão mais baixos, na medida
em que for mais completo o entendimento da físico-química subjacente aos
equilíbrios e às velocidades de reação. E fundamentalmente importante
conhecer a velocidade de reação e seu avanço no equilíbrio.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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Em muitos casos, conforme se comenta a propósito da manufatura do
ácido sulfúrico pelo processo de contato, as condições que aumentam a
velocidade diminuem o avanço no equilíbrio.
Por isso, tal como aparece no projeto do conversor de tri-óxido de enxofre,
asseguram-se inicialmente as condições que provocam uma elevada
velocidade de reação, o que possibilita o uso de um equipamento
relativamente pequeno; depois, no final do processo, alteram-se as
condições de modo a favorecer o equilíbrio.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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Principais conversões químicas
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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O número cada vez maior de engenheiros químicos que ocupam posições de
vendas, de executivos ou de gerência. Para todos estes — o especialista, o homem
de vendas, o gerente — os fluxogramas propiciarão uma visão geral, logicamente
concatenada, dos diversos processos, desde as matérias-primas até os produtos
acabados.
Todos os engenheiros químicos devem estar familiarizados com os preços de
venda correntes das principais substâncias químicas com que operam.
A apresentação das indústrias de processos químicos mediante fluxogramas e
modificações de energia deve levar ao acompanhamento de uma sequência
organizada de etapas e não a uma tentativa de memorização puramente descritiva.
Desta forma, o foco será o porquê e não o como dos procedimentos industriais, ou
seja, o pensamento aquisitivo.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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Para resumir, o processamento químico pode ser definido como o
processamento industrial de matérias-primas químicas, que leva à
obtenção de produtos com valor industrial mais elevado.
A realização industrial de um processamento químico, envolvendo
conversões químicas e operações físicas numa usina química, pressupõe
equipamento em escala de fábrica e experiência em engenharia química.
Para impedir que a própria fábrica seja deteriorada, o engenheiro químico
projetista deve ter escolhido os materiais de construção apropriados.
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Para evitar impurezas nocivas nas matérias-primas, para seguir o
desenvolvimento das reações químicas e para garantir o rendimento e a
pureza dos produtos, é indispensável a análise periódica para o controle do
processo, além da instrumentação moderna e dos controles automáticos,
baseados em padrões pré-determinados pela pesquisa, pelo
desenvolvimento e pelo projeto.
Todos os processos devem ser realizados de maneira segura, para garantir
os trabalhadores e a fábrica. Muitas etapas e muitos equipamentos numa
fábrica estão garantidos por períodos limitados, fixados pelas leis de
patentes americanas, de modo a proteger os processos contra uma
competição excessiva e assegurar um retorno adequado às grandes
quantias desembolsadas na pesquisa e na própria planta.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
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Para garantir o progresso,propiciar os lucros continuados e substituir os
processos e o equipamento obsoletos, é indispensável dedicar muita
atenção e despender muito dinheiro com a incessante pesquisa e
desenvolvimento (P&D).
As fábricas não devem permitir a descarga de materiais tóxicos no ar ou
nos cursos de água locais, para evitar a contaminação das correntes.
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A seguir serão descritos os fundamentos dos processos químicos
industriais.
1. Dados químicos fundamentais:
a. Rendimentos da reação; grau de avanço da reação;
b. Conversão na reação; eficiência da reação evidenciada pelos
balanços de massa;
c. Cinética e catálise; velocidade da reação; rapidez do avanço da
reação d. Termodinâmica; trocas de energia envolvidas na reação
química e a energia necessária de fontes externas, como calor ou
potência de outra forma.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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1. Dados químicos fundamentais
A química é a ciência básica sobre a qual repousam as indústrias de processos
químicos. A função do engenheiro químico é aplicar a química de um processo
particular mediante o uso coordenado de princípios científicos e de engenharia.
Para que esta ação tenha eficiência, é necessário recolher os resultados obtidos
pelo químico, no laboratório de pesquisa, e introduzi-los num processo químico
econômico. O engenheiro químico está sempre preocupado com os aspectos
econômicos da química de um processo e, por isso, leva em conta rendimentos,
conversões, velocidades, expressos de diferentes formas, em termos de constantes
de equilíbrio, tempos de residência e velocidade de reação.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
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1. Dados químicos fundamentais
A eficiência operacional das usinas químicas é interpretada em termos do
rendimento e da conversão. Estes dois conceitos podem ser definidos da seguinte
forma:
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
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1. Dados químicos fundamentais
CINÉTICA: A velocidade de uma reação química é, às vezes, muito baixa para ser
econômica, sendo necessária, então, uma investigação sobre a catálise. A reação
química da síntese do amoníaco só se tornou industrialmente econômica depois de
Haber e Bosch terem mostrado que a velocidade de hidrogenação do nitrogênio podia
ser muito aumentada pelo contato com um catalisador de ferro, tendo como portador
pequenas percentagens de K20 e de Al203.
BALANÇOS DE MASSA, MODIFICAÇÕES DE ENERGIA E BALANÇOS DE
ENERGIA: São os conceitos que devem estar na mente do engenheiro químico que
planeja comercializar uma reação. Os princípios da termodinâmica também fornecem
dados físicos e químicos sobre reagentes e produtos.
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2. Processos contínuos e descontínuos
A tendência favorável ao processamento contínuo, em contraposição à operação
descontínua, especialmente nos processos em grande escala, envolve uma
instrumentação de processo que não apenas registra a temperatura, a pressão e o
volume, mas também requer o máximo no controle de desvios e a correção
automática de afastamentos indesejáveis frente a padrões estabelecidos.
Para controlar os procedimentos complicados de alguns processos químicos,
especialmente dos contínuos, estão sendo usados, em escala crescente,
computadores automáticos, que economizam trabalho e tempo.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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2. Processos contínuos e descontínuos
Os processos descontínuos, a bateladas, ainda são extensamente usados, em
especial quando a produção é pequena ou quando as razões de segurança exigem
que se opere, de cada vez, com pequenas quantidades; é o caso de muitos
explosivos.
Além disto, as operações descontínuas propiciam uma cinética ótima, embora
variável, para as reações lentas, em contraposição ao estado permanente do
processamento contínuo, e são frequentemente mais fáceis de controlar.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
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2. Processos contínuos e descontínuos
A fabricação de muitas substâncias químicas se faz, no início, mediante operações
descontínuas, quando o mercado se amplia, passa-se para o processamento
contínuo. A redução do custo da fábrica, por unidade de produção, constitui, muitas
vezes, o fator decisivo da mudança.
À medida que o volume de produção aumenta, o engenheiro químico calculará o
ponto em que as despesas de mão-de-obra, de pesquisa, de instrumentação e do
equipamento contínuo justificam a operação contínua, com o investimento unitário
mais baixo, menor custo operacional e qualidade mais uniforme.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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3. Fluxogramas
Os fluxogramas apresentam a sequência coordenada das conversões químicas
unitárias e das operações unitárias, expondo, assim, os aspectos básicos do
processo químico.
Indicamos pontos de entrada das matérias-primas e da energia necessária e também
os pontos de remoção do produto e dos subprodutos. Na avaliação global do
processo, desde a concepção inicial até o fluxograma detalhado para o projeto e a
operação da planta instalada, é preciso desenhar muitos fluxogramas.
Nas etapas iniciais, serão de um tipo muito grosseiro, de blocos, tornando-se mais
detalhados e dimensionados, com maior número de informações, à medida que o
processo se desenvolve no sistema característico de uma indústria química moderna.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
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3. Fluxogramas
Diagrama de bloco do processo de produção de amônia.
DIAGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS
Introdução
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3. Fluxogramas
Um processo químico é composto de várias etapas, como apresentado abaixo.
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