Aula 1 Operações Unitárias

Prévia do material em texto

Aula 1 – Operações Unitárias
Professor Marcos Makoto Toyama
Estequiometria Industrial
Os complicados problemas industriais são resolvidos pela
aplicação dos princípios da química, da física e da físico-química. Da sua
utilização adequada depende muitas vezes o sucesso da solução obtida.
O projeto completo de uma processo químico envolve problemas que
podem ser classificados em três grupos gerais que , embora intimamente
ligados e entrosados, dependem de princípios básicos bem diferentes. Estes
tipos de problemas denominam-se respectivamente, problemas de processo,
de operações unitárias e de projeto de instalação.
As técnicas básicas para resolver problemas dos dois primeiros tipos
constituem, em seu conjunto, a estequiometria industrial.
Os princípios básicos podem ser agrupados em quatro títulos gerais
que denominaremos de Balanço Materiais (BM), Balanços de Energia
(BE), Relações de Equilíbrio e Equações de Velocidade de Processo.
Processo ou Conversão Química
 Envolve transformações químicas de matéria prima em produtos:
Produtos Finais 
(bem de consumo)
Matéria prima Produtos Intermediários
(destinados a manufatura de bens de consumo)
Resíduos
(sub-produto ou resíduo poluente)
Processo Químico Industrial
Processo 
químico
MATÉRIAS-
PRIMAS
MÃO-DE-
OBRA
RECURSOS
PRODUTO
RESÍDUOS
 PREPARAÇÕES:
 Sólidos
 Líquidos
 Soluções
 Suspensões
 Gases
Recursos:
▪ UTILIDADES:
▪ Vapor
▪ Energia elétrica
▪ Água tratada
▪ Gases
▪ Ar comprimido
▪ OUTROS RECURSOS:
▪ Manutenção
▪ Instrumentação, etc.
Processo Químico Industrial
Matéria Prima:
 SUB-PRODUTOS
 RESÍDUOS POLUENTES:
 Resíduos sólidos recicláveis
 Resíduos sólidos tratáveis
 Resíduos sólidos incineráveis
 Resíduos sólidos para aterros
 Efluentes (líquidos)
 Emissões gasosas
Processo Químico Industrial
Resíduos:
 Etapas ou conjunto de etapas de conversão e operações 
coordenadas que causam uma transformação física e 
química em um material ou mistura de materiais.
 O objetivo é a obtenção de produtos desejáveis a partir 
de matérias primas selecionadas ou disponíveis.
 Conversões – reações químicas
 Operações – transformações físicas
Processos Químicos
Reações Químicas Industriais
Considerar:
 A química fundamental de cada reação;
 O equipamento onde ocorre a reação;
 Custo
 “Química verde” 
 ambientalmente correto para ser competitivo e eficiente.
O que considerar para planejar uma reação?
 Balanços de massa
 Modificações de energia
 Balanços de energia
Importante definir um 
fluxograma de 
processo
Fluxogramas
 Sequência coordenada das conversões químicas e das operações unitárias
 Indicam:
 Entrada de MP
 Energias necessárias
 Remoção produto e subprodutos
 Emissões, etc.
Permitem o 
acompanhamento de uma 
seqüência organizada de 
etapas 
➢ Diagrama de blocos
➢ Diagrama de processos
Etapas de 
Tratamento 
Químico
Etapas de 
Tratamento 
Físico
Etapas de 
Tratamento 
Físico
Matéria
Prima
Produtos
Resíduos
Reciclo
Processo Químico em diagrama de bloco
Fluxogramas
Indústria Química
➢A indústria química é fornecedora de matérias primas de
produtos para todos os setores produtivos e desempenha
um relevante papel na economia.
➢ Reutilização e/ou recuperação de reagentes no processo.
➢ Minimizar a geração de resíduos.
➢ Tratamento de água e efluentes gerados.
➢ Tratamento, recuperação ou disposição adequada dos resíduos
gerados, etc.
Exigências Ambientais:
Gerenciamento ou Gestão de Resíduos nos Processos 
Alguns Conceitos Básicos de Engenharia
1) Operação Contínua e Operações Descontínua
2) Vazão
3) Escoamento Paralelo e Contracorrente
4) Operações Unitárias e Processos Unitários
5) O Processo Químico
Processos Contínuos e Descontínuos
Contínuos Descontínuos/bateladas
 Fluxo constante de 
matérias-primas e de 
produtos em todos os 
equipamentos.
 Um equipamento é carregado 
com as matérias-primas
 A operação ou a conversão 
ocorrem 
 Produto é descarregado.
Contínuos Descontínuos/bateladas
 Grandes velocidade e 
volumes.
 Melhor registro P, T, V, 
mas…
 requer máximo 
controle de desvios, 
 correções de 
afastametnos 
indesejáveis do padrão
 Utiliza sistemas 
automatizados de controle)
Reação lenta
 mais fácil de controlar a 
cinética reacional
Ainda bastante usados
 pequena produção
 razões segurança
 Quando se necessita
operar com pequenos
volumes
 ex: explosivos
Processos Contínuos e Descontínuos
Contínuo:
 projetado para operar 
24h/dia, 7dias/semana, 
365dias/ano
 alta taxa de produção: 
mais de 100mil Ton./ano
 maior custo de projeto
Batelada:
 sistema simples e flexíveis
 equipamento 
multipropósito
 grande número de 
produtos
Processos Contínuos e Descontínuos
Escolha de um Processo Batelada
 Produção
 Produção menor de 10 mil toneadas / ano
 Plantas multipropósito
 Mercado
 sazionalidade de produtos
 pequena vida útil de produtos
 Problemas Operacionais:
 longo tempo de operação
 problemas de escoamento e baixa velocidade
 sedimentação
Indústrias com Sistema Batelada
 Cosméticos
 Alimentos
 Tintas e Vernizes
 Produção de Matérias Primas
VAZÃO - DEFINIÇÃO
VAZÃO é a RAZÂO entre a QUANTIDADE que escoa de uma
corrente de fluído (líquido ou gás) e o TEMPO GASTO. A
quantidade é em VOLUME, em MASSA ou em QUANTIDADE
DE MATÉRIA. O termo TAXA se usa quando a grandeza
transportada for ENERGIA por TEMPO.
Nos processos contínuos, as vazões dos fluídos em escoamento, seja da carga 
(matéria-prima) do processo ou dos produtos, são continuamente medidas. 
Normalmente pela facilidade da medição, a vazão medida é a razão em volume 
(VAZÃO VOLUMÉTRICA), A vazão em massa (VAZÃO MÁSSICA) e vazão em 
quantidade de matéria (VAZÃO MOLAR), ambas necessárias para os balanços 
materiais, são calculadas a partir da vazão volumétrica.
ESCOAMENTO PARALELO E CONTRACORRENTE
CORRENTE A
CORRENTE A
CORRENTE B
CORRENTE B
(A) ESCOAMENTO Paralelo
(B) ESCOAMENTO Contracorrente
(Transferência de MASSA ou de ENERGIA direta ou indiretamente através de uma superfície de contato)
(É mais comum na ENGENHARIA QUÍMICA)
➢ Foi comentada na aula introdutória, ver o material postado...
➢ Algumas operações unitárias serão tratadas dentro de processo químicos 
específicos com o intuito de exemplificá-los na PRÁTICA, e outros serão 
apresentados em SEMINÁRIOS dos alunos...
Exemplo de processo – Produção de Amônia a partir de uma mistura gasosa de 
Nitrogênio e Hidrogênio...
N2(g) + 3H2(g) 2 NH3(g)
catalisador
temperatura e
pressão
Misturador
Compressor
Misturador
Reator
Trocador 
de Calor
Fluído de 
Resfriamento
Compressor 
de Circulação
Divisor
Vaso 
Separador 
de Alta 
Pressão
Vaso 
Separador 
de Baixa 
Pressão
A sequência lógica é mostrada na 
figura ao lado. Existe a 
necessidade do uso de um 
catalisador e variáveis de 
temperatura e pressão. A mistura 
gasosa de nitrogênio e hidrogênio 
é enviada continuamente ao 
processo, é conhecida como 
CORRENTE DE ENTRADA ou 
CARGA do processo.
Essa CARGA, além dos gases reagentes (Nitrogênio e Hidrogênio), contém
impurezas, ou seja, materiais gasosos (argônio, por exemplo) que não
participam da reação química e, portanto, são considerados inertes no
processo. A carga é fornecida com uma vazão constante e misturada com uma
corrente gasosa de reciclo baixa pressão, comprimida e novamente misturada
com outra corrente gasosa de reciclo, porém, de alta pressão. Essas correntes
de reciclo obtidas em pontos diferentes do processo são, basicamente, parte
dos componentes da carga que não reagiram e que são enviadas de volta ao
início do processo, com o objetivo de aumentar o rendimento.
No reator ocorre a reação química:
N2(g) + 3H2(g) 2 NH3(g)
catalisador
temperatura e
pressão
Na presença de catalisador especial, e há liberação de energia na forma de
calor devido a reação química, e os gases efluentes do reator, comoa
amônia, os gases não reagidos e os inertes saem aquecidos e passam por
um trocador de calor onde são resfriados a uma temperatura em que ocorre
a liquefação da amônia. A amônia líquida formada é , então, separada por
diferença de densidades em um vaso de alta pressão. Do vaso de alta
pressão a amônia é retirada e encaminhada a um vaso que opera a baixa
pressão, para permitir a remoção de gases dissolvidos na fase líquida,
gerando a amônia (produto). Como na corrente de alta pressão se
encontram os gases que não participam da reação, é necessária a remoção
de uma vazão determinada dos gases de alta pressão , como corrente de
PURGA, para evitar que a concentração dos inertes no reator não ultrapasse
um determinado valor.
DIAGRAMA DE BLOCOS DO PROCESSO DE 
PRODUÇÃO DA PLANTA DE AMÔNIA
Princípio de Le Châtelier
BALANÇOS MATERIAIS
❖ O princípio dos Balanços Materiais (BM) é a LEI DA CONSERVAÇÃO DA MASSA: a massa de um 
sistema fechado permanece constante durante processos que nele ocorrem. 
❑ A palavra acúmulo dá a entender que a entrada de materiais no sistema supera a saída. No entanto,
durante um intervalo de tempo considerado, poderá sair mais material do que entra e, nestas
condições, o acúmulo é negativo. Há na realidade um decréscimo de matéria durante esse intervalo
de tempo. A fim de evitar enganos de sinal é conveniente considerar entrada e saída como
quantidades positivas. Dependendo de qual das duas seja a maior, resultará um acúmulo positivo ou
negativo. O acúmulo negativo representa, por convenção, um decréscimo da matéria no sistema.
❑ Quando o acúmulo é igual a zero , conclui-se que a razão de entrada é igual à razão de saída e
portanto a massa do sistema não varia com o tempo.
Massa que entra num sistema – massa que sai = massa acumulada
Ou
ENTRADA – SAÍDA = ACÚMULO
GENERALIDADES
Unidades Molares
Pode-se usar Massa em quilos (Kg), em toneladas (ton), em libramol (lbmol) (Unidade Inglesa, unidade que
indica a quantidade de matéria tantas entidades elementares quantos são os átomos contidos em 12 lb de
carbono-12; 2,73160 x 1026), em mol ou quilomol (kmol). O último é vantajoso em reações químicas, trabalhar
com proporções molares...
A técnica dos Balanços Materiais
Sequência de Etapas de maior eficiência:
1) Conhecimento ou idéia do processo a ser considerado
2) Esquematizar o processo num fluxograma (flowsheet) simplificado, envolvendo as correntes no caso
específico considerado, além dos dados disponíveis: vazões, composições e demais propriedades
(pressão e temperatura para gases, leituras dos medidores de vazão, etc).
3) Estudar o fluxograma e os dados de modo a relacionar mentalmente as diversas correntes do processo e
as quantidades das diversas substâncias que compõem estas correntes.
4) Escolha da BASE DE CÁLCULO apropriada e indica-la com clareza e destaque;
5) Selecionar o sistema (ou sistemas) em torno do qual serão feitos os (fazer) BALANÇOS.
6) Realizar os BALANÇOS, obtendo em resultado um número suficiente de equações que permita resolver
o problema.
Dicas para o BALANÇO MATERIAL
DUAS TÉCNICAS distintas:
1) Estabelecer Balanços Materiais em NÚMERO SUFICIENTE DE EQUAÇÕES seja igual ao NÚMERO 
DE INCÓGNITAS. Nº de EQUAÇÕES = Nº DE INCÓGNITAS
2) A outra técnica evita o emprego de equações e consiste em relacionar as quantidades das 
diversas correntes de reagentes e produtos do processo, através das quantidades de um ou mais 
compostos (ou elementos) cuja a quantidade nessas correntes permaneça em proporção fixa 
durante o processo. 
Exemplo – Produção de Amônia
No processo Haber –Bosch de produção de amônia, hidrogênio (H2)
proveniente de gás natural e nitrogênio (N2) proveniente do ar reagem em
condições elevedas de pressão e temperatura (200 atm e 450°C), de acordo
com a seguinte equação:
N2 + 3 H2 2 NH3
Os reagentes são alimentados no processo na razão molar de 2 mols
H2/1 mol N2 e a conversão global em relação ao Hidrogênio (Xg) é de 95 %.
Considerando a unidade de separação recicla 98% do reagente limitante
não convertido no reator, calcule a conversão no reator e a taxa de reciclo
numa planta que produz 10 toneladas de NH3 por dia.
Resolução do Exemplo:
Pode-se notar que se trata de um processo contínuo com reciclo e com reação no estado 
estacionário. O fluxograma que ilustra o processo em questão:
Unidade de 
Separação
1 2M 3
4
5
Reator
H2
N2
H2 e N2
NH3
H2
N2
Denominando o hidrogênio como H, o nitrogênio como N e a amônia como A, primeiramente vamos 
organizar as informações antes de iniciarmos os balanços de massa.
Como a razão molar é nH1 = 2 x nN1
Logo identificamos que o reagente limitante é o H2,
N2(g) + 3H2(g) 2 NH3(g)
𝑛𝐴5 = 10 .
𝑡 𝑁𝐻3
𝑑𝑖𝑎
.
1 𝑡𝑚𝑜𝑙 𝑁𝐻3
17 𝑡 𝑁𝐻3
.
103𝑘𝑚𝑜𝑙
1 𝑡 𝑚𝑜𝑙
.
1 𝑑𝑖𝑎
24 ℎ
= 24,51
𝑘𝑚𝑜𝑙𝑠 𝑁𝐻3
ℎ
𝑋𝐺 = 
𝑛𝐻1 −𝑛𝐻5
𝑛𝐻1
95
100
= 
𝑛𝐻1 −𝑛𝐻5
𝑛𝐻1
Logo: 𝑛𝐻5 = 0,05. 𝑛𝐻1
A conversão global (XG) para o H2 é dada por :