aula 01

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PROCESSOS QUÍMICOS 
INDUSTRIAIS 
AULA 01 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof.ª Thaís Helena Curi Braga 
 
 
 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
São numerosas as opções de trabalho que o Engenheiro de Produção 
pode vir a assumir. Dentro da indústria de processamento químico, é importante 
o conhecimento da terminologia usada nas conversas de “chão de fábrica” e 
reuniões de diretoria. Economia, tendências de produção e alternativas de 
processo só podem ser avaliadas com uma boa fundamentação sobre 
fluxogramas de processo e suas variáveis, tipos de equipamentos industriais e 
para que são usados, como operam e como são controlados. Otimização de 
energia, conversões químicas e impactos ambientais estarão presentes neste 
estudo. 
Figura 1 – Vista de indústria petroquímica 
 
Toda linha de processamento químico industrial tem início no papel. Essa 
linguagem simbólica escrita precisa ser conhecida pelo Engenheiro de 
Produção. Ele não irá projetar a unidade industrial, mas deverá estar apto a 
dialogar com os colegas debruçados sobre uma planta industrial. Começaremos 
apresentando essa linguagem simbólica, devidamente acompanhada do 
vocabulário técnico. Há o fluxograma de processo, no qual equipamentos são 
ligados em uma linha de produção recebendo matérias-primas e fornecendo 
produtos intermediários e finais. Além disso, veremos também a matemática que 
acompanha o processo em termos de massa e energia, denominada balanço de 
massa e energia. 
 
 
 
 
 
 
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Figura 2 – Representação isométrica de uma refinaria de óleo 
 
 
Essa mesma linguagem simbólica estará estampada em um monitor de 
controle de processo. Em uma segunda fase de estudo, serão apresentadas as 
operações unitárias, termo que define os processos de transformação física, tais 
como moagem, evaporação, destilação e secagem. Para a realização das 
operações unitárias, existem muitos tipos de equipamentos que possibilitam 
escolhas mais assertivas e rentáveis. Para o controle do processo, será 
apresentada uma introdução à instrumentação industrial e sistemas de controle. 
Figura 3 – Engenheiros na sala de controle 
 
 
TEMA 1 – FLUXOGRAMA DE 
PROCESSO E OUTRAS REPRESENTAÇÕES 
A seguir, você pode ver novamente o monitor de controle de uma 
indústria. Ele é muito similar ao fluxograma de processo, em que equipamentos 
(ou operações unitárias) são desenhados de forma padronizada e as tubulações 
aparecem como linhas de processo unindo os equipamentos. Os fluxogramas 
fazem parte do projeto básico e são acompanhados de planilhas contendo os 
resultados dos balanços de massa e de energia. 
 
 
 
 
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Figura 4 – Monitor de controle de uma planta industrial 
 
 
Repare que o esquema visualizado no monitor é muito similar ao 
fluxograma básico de projeto de uma unidade de extração de óleo apresentado 
a seguir, no qual foi utilizada a mesma linguagem simbólica para representar 
equipamentos e tubulações de processo. As tubulações recebem uma 
diferenciação de cores para identificar mais facilmente o material que está sendo 
transportado. 
Figura 5 – Fluxograma de processo de uma unidade de extração de óleo 
 
 
A representação isométrica é uma forma mais detalhada de fluxograma, 
na qual equipamentos e tubulações aparecem em perspectiva. 
 
 
 
 
 
 
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Figura 6 – Vista aérea de uma indústria petroquímica 
 
Figura 7 – Modelo 3D de uma refinaria 
 
O diagrama de blocos é uma forma simplificada do fluxograma de 
processo, no qual os equipamentos são representados por retângulos e as 
tubulações são substituídas por setas indicando o sentido do fluxo. O diagrama 
de blocos é suficiente para o desenvolvimento e a análise dos balanços de 
massa e de energia e será a linguagem simbólica usada para desenvolver os 
próximos temas. 
Acompanhe no Anexo 1 do material on-line mais exemplos de 
fluxogramas de processo, representações isométricas e diagramas de blocos. 
Para visualizar melhor uma planta isométrica, assista ao vídeo no link: 
https://youtu.be/T8G1SG3WNRs 
 
 
 
TEMA 2 – FUNDAMENTOS 
 
 
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Lei da conservação da massa 
Em qualquer processo físico ou químico, não é possível criar ou destruir 
matéria, apenas transformá-la. Conhecida como a Lei de Lavoisier, essa 
afirmação fundamenta desde o estudo das proporções entre reagentes e 
produtos em reações químicas até a conservação de energia expressa pela 
Primeira Lei da Termodinâmica. 
 
Classificação dos processos 
● A maneira como matérias-primas e produtos entram e saem de 
uma unidade industrial em relação ao tempo de processamento classifica os 
processos como batelada, semibatelada e contínuo. 
● A maneira como as variáveis de processo (vazão, temperatura, 
composição, pressão) se comportam em relação ao tempo de processamento 
classifica os processos como estacionários ou transientes. 
 
A equação geral de balanço de massa 
A equação geral de balanço, fundamentada na lei de conservação da 
massa, expressa matematicamente o que acontece com a quantidade de 
matéria que atravessa uma unidade de processamento industrial. 
ENTRADA – SAÍDA + GERAÇÃO – CONSUMO = ACÚMULO 
 
Acompanhe esse assunto mais detalhadamente no Anexo 2 do material 
on-line. 
 
TEMA 3 – METODOLOGIA DE CÁLCULO 
 
Limites do sistema e correntes de entrada e saída 
A fim de aplicar a equação geral de balanço de massa em uma unidade 
de processamento industrial, é necessário primeiro definir a parte do processo 
que será escolhida para estudo. O chamado “sistema” é um conceito da 
 
 
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Termodinâmica usado para estabelecer a parte ou o todo de um processo a ser 
analisado em termos de quantidade de matéria e energia. Ele é delimitado por 
uma linha imaginária chamada “fronteira” do sistema, e os fluxos que 
atravessam essa linha imaginária, conduzindo massa e energia para dentro ou 
para fora do sistema, são as “correntes” de processo. 
Figura 8 – Diagrama de blocos genérico 
 
O diagrama de blocos genérico apresentado representa 4 equipamentos 
ligados em sequência por meio de correntes de processo. Podem ser reatores, 
filtros, evaporadores, secadores, bombas de processo etc. Cada um desses 
equipamentos pode ser escolhido para estudo, definido pela linha imaginária 
envolvendo-o e demarcando quais as correntes de processo que pertencem a 
esse sistema, nomeadas por uma letra maiúscula. O conjunto sistema/correntes 
de entrada e saída constitui o chamado “volume de controle”. 
Assim, para o processo ilustrado, temos: 
Volume de 
controle 
Equipamento Correntes de 
entrada 
Correntes de 
saída 
Azul 1 A, B C 
Vermelho 2 C D 
Verde 3 D E, F 
Amarelo 4 F G, H, I 
Roxo 1 e 2 A, B D 
 
A escolha do sistema mais adequado para a resolução de determinado 
cálculo de balanço de massa é muito importante e depende basicamente das 
informações conhecidas acerca do sistema e de suas correntes e da 
possibilidade de prever boas estimativas para as variáveis não conhecidas. 
I
 
 
 
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Metodologia para resolução de balanço de massa 
As etapas para a elaboração de um balanço de material podem ser 
organizadas na seguinte sequência: 
a. Desenhe um esquema ou diagrama ilustrativo representando o 
processo e todas as correntes entrando e saindo dele. 
b. Nomeie as correntes de entrada e saída com letras maiúsculas e as 
respectivas composições. 
c. Mostre o volume de controle tomado para estudo pelos limites do 
sistema, usando uma linha tracejada. 
d. Defina as correntes e composições conhecidas e desconhecidas. 
e. Escreva as relaçõesde balanços de material global e por componente. 
f. Selecione uma base de cálculo apropriada. 
g. Resolva as equações algébricas resultantes para as quantidades 
desconhecidas. Em várias ocasiões, a solução de várias equações simultâneas 
se torna necessária. 
Deve ser ressaltado que muitas vezes poderá haver mais de uma escolha 
adequada do sistema e da base de cálculo para um problema em particular. 
Acompanhe no Anexo 3 do material on-line como chamar as correntes de 
processo e suas respectivas composições, além de como escolher uma base de 
cálculo. 
 
TEMA 4 – BALANÇO DE MASSA EM ESTADO ESTACIONÁRIO SEM E COM 
REAÇÃO QUÍMICA 
 
Simplificações na equação geral de balanço de massa 
 No estado estacionário ou permanente, as variáveis de processo, como 
vazão mássica e composição em fração mássica, são constantes com o tempo, 
e o processo não apresenta acúmulo. 
ACÚMULO = 0 
 
 
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ENTRADA – SAÍDA + GERAÇÃO – CONSUMO = 0 
 
Quando não há reação química, os termos GERAÇÃO e CONSUMO são 
cancelados. 
ENTRADA – SAÍDA = 0 
ENTRADA = SAÍDA 
 
Esse é o caso mais simples de balanço de massa. Aplica-se a todos os 
processos contínuos que já passaram da fase de inicialização ou startup e 
atingiram o estado estacionário de operação. Quando um equipamento ou 
processo industrial inicia sua operação, leva certo tempo até que as vazões de 
alimentação e retirada de produto e suas composições estabilizem em um valor 
constante. Esse intervalo de tempo é chamado inicialização ou startup. Vencida 
essa etapa, pode-se considerar que o processo opera em regime estacionário 
ou permanente. 
 
TEMA 5 – DESVIO, RECICLO E PURGA 
São três tipos de correntes de processo comumente encontrados na 
indústria. 
 
Desvio ou by-pass 
É uma corrente que “pula” um ou mais estágios de processo e segue 
diretamente para um estágio posterior. 
 
 
Figura 9 – Diagrama de blocos com corrente de desvio 
 
 
 
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Reciclo ou feedback 
Corrente frequentemente encontrada na indústria química. Por exemplo, 
em algumas operações de secagem, a umidade do ar é controlada por 
recirculação de parte do ar úmido que deixa o secador. Em reações químicas, o 
material que não reagiu completamente é separado do produto e reciclado a fim 
de reduzir os custos com matéria-prima e aumentar o rendimento. Na coluna de 
destilação, parte do destilado obtido no topo da coluna retorna como corrente de 
refluxo a fim de manter a coluna sempre com uma fase líquida no seu interior. 
Figura 10 – Diagrama de blocos de produção de biodiesel 
 
O óleo de cozinha usado é a matéria-prima para a reação de 
transesterificação com etanol ou metanol para produção de biodiesel. Repare 
no fluxograma acima como o álcool é recuperado por separação, nas unidades 
de processo denominadas remoção do álcool e destilação e desidratação do 
álcool, e reciclado de volta ao reator, para a unidade de processo 
transesterificação multietapas. 
 
 
Purga 
Corrente descartada com o objetivo de remover acúmulo de inertes em 
processos com reação química ou material não desejado. Como exemplo, pode-
se citar a produção de amônia, que inclui quatro etapas químicas principais: 
reforma, deslocamento, metanação e síntese. 
 
 
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Na quarta reação, existe uma corrente de gás de síntese que é uma 
mistura de hidrogênio/nitrogênio. A corrente de alimentação é misturada com 
uma corrente de reciclo e alimenta o reator, resultando a amônia da reação 
catalítica. No entanto, parte do gás de síntese deve ser purgada para evitar 
acúmulo dos gases inertes argônio e metano. Em contrapartida, porém, essa 
purga causa perda de hidrogênio, objeto de estudo e tentativas de otimização de 
muitos engenheiros de processo. 
As correntes de desvio, reciclo e purga não necessitam de conceitos ou 
técnicas novas na análise de um problema de balanço de massa. São 
consideradas correntes de entrada ou saída e seguem a mesma metodologia de 
balanço vista aqui. 
Figura 11 – Processo com corrente de reciclo e purga 
 
Fonte: Himmelblau, 2006. 
 
Acompanhe esse assunto mais detalhadamente no Anexo 4 do material 
on-line. 
 
NA PRÁTICA 
Exemplo numérico de aplicação da metodologia de cálculo de balanço 
para o evaporador: 
 
 
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Um evaporador de simples efeito operando em regime permanente é 
usado para concentrar uma solução aquosa de hidróxido de sódio de 10% até 
50% de sólidos, por meio da evaporação do solvente. Para uma alimentação 
de 100 kg/h de solução de NaOH a 10%, desenvolva o balanço de massa, 
calculando as correntes de saída do evaporador. 
Os dados do enunciado foram acrescentados ao diagrama ilustrativo. É 
conhecida uma vazão de corrente, sendo as outras duas incógnitas, justamente 
o objetivo do cálculo de balanço. Quanto às composições, note que foi dada a 
porcentagem de sólidos na alimentação e no produto concentrado. A solução 
aquosa de hidróxido de sódio será descrita em termos de composição como 
constituída de sólidos, neste caso o hidróxido de sódio, e água. Assim, se na 
alimentação 10% são sólidos, os 90% restantes são água, para fechar 100% da 
composição dessa corrente que, expressa em fração mássica, corresponde a 
0,10 e 0,90 respectivamente. O mesmo raciocínio é válido para a solução 
concentrada de saída. Já a corrente de evaporado é constituída unicamente de 
água – xa, AE = 1,00 –, visto que durante a concentração é o solvente que irá 
evaporar. 
Substituindo os valores numéricos nas equações de balanço de massa 
global e balanço de massa para sólidos, tem-se: 
(1) Balanço de massa global 
𝑆𝐷 = 𝐴𝐸 + 𝑆𝐶 
100 = 𝐴𝐸 + 𝑆𝐶 
(2) Balanço de massa para sólidos 
𝑆𝐷. 𝑥𝑠,𝑆𝐷 = 𝐴𝐸. 𝑥𝑠,𝐴𝐸 + 𝑆𝐶. 𝑥𝑠,𝑆𝐶 
 
 
 
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100.0,10 = 𝑆𝐶. 0,50 
𝑆𝐶 = 20 𝑘𝑔/ℎ 
 
Voltando no balanço global: 𝐴𝐸 = 80 𝑘𝑔/ℎ 
Ou seja, a fim de concentrar a solução de NaOH de 10% até 50%, é 
necessário evaporar 80 kg/h de água e serão obtidos 20 kg/h de solução de 
NaOH a 50%. Note que não foi necessário utilizar o balanço de massa para a 
água. Contudo, essa equação de balanço pode ser usada para verificar os 
cálculos efetuados. 
(3) Balanço de massa para água 
𝑆𝐷. 𝑥𝑎,𝑆𝐷 = 𝐴𝐸. 𝑥𝑎,𝐴𝐸 + 𝑆𝐶. 𝑥𝑎,𝑆𝐶 
100.0,90 = 80.1 + 20.0,50 
90 = 90 confere! 
 
Em processos envolvendo muitas correntes e componentes, é usual 
verificar se o número de incógnitas é igual ao número de equações 
independentes. Os balanços de massa por componente correspondem às 
equações ditas independentes. Observe que, nesse exemplo, há duas 
incógnitas, AE e SC, e duas equações de balanço por componente, sólidos e 
água. 
Duas incógnitas Dois componentes Solução única 
 
A base de cálculo é a alimentação de 100 kg/h.. Nesse caso, ela era 
conhecida. Em alguns casos, haverá a necessidade de se estabelecer uma 
base de cálculo. 100 é um valor muito usual, porque pode ser modificado com 
facilidade em caso de necessidade. Imagine se, para esse exemplo numérico, 
a base for mudada para 1000 kg/h, as correntes de saída serão multiplicadas 
pelo fator 10 igualmente. 
Acompanhe no Anexo 5, disponível no material on-line, um exemplo 
numérico de balanço de massa em uma coluna de destilação. Fique atento à 
simbologia adotada e como a equação de balanço resulta em uma equação 
 
 
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algébrica de resolução simples que permite determinar valores de vazões e 
composições de correntes desconhecidas a partir de dados conhecidos. 
 
SÍNTESE 
A primeira aula de Processos Químicos Industriais introduziu você ao 
universo dosprocessos químicos industriais. Agora, já está familiarizado com a 
terminologia e a simbologia usadas na análise de processos. Sabe o que é um 
sistema e como é definido, para que é usado e como se aplica a equação geral 
de balanço de massa, com as simplificações possíveis, a um volume de controle. 
Sabe nomear uma corrente de processo e descrevê-la em termos de 
composição. Sabe o que é um fluxograma de processo e um diagrama de blocos, 
e que pode “fatiá-los” em pequenas unidades de processo a fim de realizar 
balanços de massa. Expanda seus conhecimentos lendo os anexos das rotas de 
aprendizagem e pesquisando o assunto na bibliografia. 
 
REFERÊNCIAS 
BRASIL, N. I. Introdução à engenharia química. 3. ed. Rio de Janeiro: 
Interciência, 2013. 
FELDER, R. M.; ROUSSEAU, R. W. Princípios elementares dos 
processos químicos. 3. ed. Rio de Janeiro: LTC Livros Técnicos e Científicos 
Editora Ltda., 2005. 
FOUST, A. S. et al. Princípios das operações unitárias. Rio de 
Janeiro: Guanabara Dois, 1982. 
HIMMELBLAU, D. M.; RIGGS, J. B. Engenharia química. Princípios e 
cálculos. 7. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006.