Aula 6 (Diagrama de Bloco e de processos)

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Aula 6 (Diagrama de Bloco e de Processos –
continuação) – Operações Unitárias
Professor Marcos Makoto Toyama - 25/09/2020
PROCESSOS QUÍMICOS 
• Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes
TURTON, Richard.; BAILIE, Richard C.; WHITING, Wallace B.; SHAEIWITZ, Joseph A.
Prentice Hall International, 3 ed., 2010
• Conceptual Design of Chemical Processes
DOUGLAS, James M.
McGraw-Hill International Edition, 1998
• Princípios Elementares dos Processos Químicos
FELDER, Richard M.; ROSSEAU, Ronald W.
LTC, 3 ed., 2005
• Engenharia Química: Príncipios e Cálculos
HIMMEBLAU, David M.; RIGGS, James B.
LTC, 7 ed., 2006 
Bibliografia:
I . Introdução
Definição: Processo químico é qualquer operação ou conjunto de operações
coordenadas que causam uma transformação física ou química em um material
ou misturas de materiais.
http://mecalor.com.br/
▪ O objetivo dos 
processos químicos é 
a obtenção de 
produtos desejados à 
partir de matérias 
primas selecionadas 
ou disponíveis. 
Natureza da síntese e análise de processos
Aspectos criativos do 
projeto de processos
O propósito da engenharia é a criação 
de novos produtos rentáveis;
Através da transformação química ( ou 
biológica ) e/ou separação de materiais;
O processo e o projeto de plantas 
industriais é uma atividade criativa;
Ideias são traduzidas em equipamentos 
e processos;
Aumentar o valor dos materiais 
existentes e redução de custos;
Aspectos criativos do 
projeto de processos
• Produzir matérias primas;
• Converter resíduos em produtos com valor 
agregado;
• Criar um material/produto completamente 
novo;
• Encontrar uma nova maneira de produzir 
materiais já conhecido;
• Desenvolver novas tecnologias 
(Biotecnologia )
• Desenvolver novos materiais de construção
Tentar gerar novas ideias para, 
quando possível:
Medida do Sucesso
Poucas ideias 
são 
aproveitadas;
As chances de comercialização 
durante o estágio de pesquisa 
são de aproximadamente 1 a 
3%, no estágio de 
desenvolvimento 10 a 25 % e 
no estágio de planta piloto, ao 
redor de 40 a 60 %;
Síntese de Processos
Exemplo: um químico descobre uma nova reação química para 
um determinado produto ou um novo catalisador para uma reação 
já existente, e nós queremos transformar essa descoberta em um 
novo processo. Só conhecemos algumas informações da química, 
como a condição de reação.
P
T
Q
Isto é 
síntese 
de 
processos
Existem muitos 
caminhos que 
podemos 
considerar(~10000)
Encontrar 
alternativas de 
processo que 
sejam:
• as de menor custo
• técnica e ambientalmente seguras
• fácil de operar e de simples 
inicialização da planta.
DESENVOLVIMENTO DE PROCESSO
Desenvolvimento de 
processo
Em muitos casos usamos regras que possibilitam
eliminar certas alternativas de processo, mas em muitos
casos é necessário o projeto dessas alternativas e a
comparação de seus custos.
AGENDA
• Desenvolvimento de processos – Método de engenharia para 
projetos conceituais de processos
➢ Informações iniciais
➢Níveis de decisão
PROJETO CONCEITUAL DE PROCESSOS
II. Desenvolvimento de Processo – Método de
Engenharia para Projeto Conceitual de Processos
(DOUGLAS,1988 e TURTON et al., 2012).
Hierarquia de decisão:
Nível 1 – Batelada X contínuo 
Nível 2 de decisão – Estrutura de entrada e saída do processo
Nível 3 de decisão – Estrutura de reciclo do processo
Nível 4 de decisão – Estrutura geral do sistema de separação
Nível 5 de decisão – Integração de energia do processo
II.1 – INFORMAÇÕES INICIAIS
As informações que são normalmente avaliadas no estágio 
inicial do projeto do processo são:
a) Condição da reação ou condições das reações
a.1) Estequiometria dos reagentes
a.2) Faixa de pressão e temperatura
a.3) Fase do sistema reativo
a.4) Conversão x tempo
a.5) Distribuição de produtos x conversão – seletividade
a.6) Catalisador: atividade, desativação, regeneração
b) Taxa de produção desejada
c) Taxa de pureza do produto ou informação sobre o preço 
versus pureza
d) Informações sobre a matéria-prima
e) Taxa de reação e desativação do catalisador
f) Restrições do processo
g) Dados sobre outras plantas ou sites
h) Propriedades físicas de todos os componentes
i) Informações sobre toxicologia, segurança e impacto ambiental das matérias-
primas envolvidas
j) Informações sobre custo: produtos, equipamentos e utilidades
II.2 - Nível 1 DE DECISÃO
II. 2. 1. PROCESSO BATELADA
Processo Batelada é aquele no qual uma
quantidade finita de produto é produzido
durante um período de poucas horas ou dias. O
processo é alimentado, a operação é executada, o
produto é descarregado e reinicia-se outro ciclo.
Tempo do ciclo: carga, reação, descarga, limpeza
II. 2. 2. PROCESSO CONTÍNUO
Neste tipo de processo as entradas e saídas fluem
continuamente ao longo do tempo total de
duração do processo. As paradas totais do
processo se realizam em intervalos de um ano ou
mais.
Tempo de operação: 24 horas/dia, 7 dias/semana
II.2.3. Comparação entre os dois tipos de processo
Há muitas variáveis a se analisar para decidir entre processo
batelada e contínuo, mas as principais são: tamanho de escala e
flexibilidade
x
Tabela com as principais características: Batelada X Contínuo
Batelada Contínuo
1) Baixa taxa de produção (< 500 t/ano) 1) Alta taxa de produção (> 5000 t/ano)
2) Diferentes produtos a partir de diferentes matérias-
primas (até 100 produtos diferentes em uma mesma
planta).
Equipameno flexível
2) Um produto principal a partir de um tipo de matéria-
prima
3) Baixo investimento de capital 3) Alto custo de investimento
4) Alto custo de operação e de utilidades (difícil controle,
regime transiente)
4) Baixo custo de operação (estado permanente)
5) Indústrias: Bebidas, alimentos, farmacêuticas,
cosméticos, etc.
5) Indústrias: petroquímicas, siderúrgicas, cimenteiras,
papel celulose, etc.
II.3 - NÍVEL 2 DE DECISÃO
Estrutura de entrada e saída
Nível em que se identificam as entradas com suas
características e as saídas.
Representação:
Reação ou reações
SaídaEntrada
Considerações envolvidas nesta etapa:
Purificação da alimentação e componentes traços
Recuperação ou reciclo de subprodutos
Reciclo de gases e purga
Recuperação ou não de reagentes
Número de correntes na saída do processo
Um bom processo 
dever ser capaz de 
recuperar 99% de 
todo material de valor.
Recuperar e reciclar 
todo reagente.
II.3.1.Purificação da alimentação e componentes
traços
a) Se a impureza é inerte (não reage formando
sub-produto) e não está presente em grande
quantidade (10 – 20%), a primeira opção é
mantê-la.
b) Se a separação da impureza é difícil ou cara,
a opção émantê-la.
Exemplos:
b.1) Impureza forma azeótropo com a alimentação;
b.2) A alimentação é um inerte (gasoso) nas condições da
alimentação do processo.
c) Se a impureza contaminar o catalisador ou for
veneno para o catalisador, então purifica-se a
alimentação.
Ex. Enxofre é veneno para catalisador a base de ferro, cobalto, níquel, 
paládio e platina
d) Se a impureza reage e forma produtos
perigosos ou de difícil separação, então
purifica-se a alimentação.
Ex. A corrente de CO usada para produzir o fosgênio (COCl2),
intermediário na produção de poliuretana, não pode apresentar mais
do que 1% de H2.
e) Se a impureza está em grande quantidade,
então purifica-se a alimentação.
Exceção: uso de ar (21% O2, 79% N2 em base molar ou volumétrica).
O N2 absorve calor, assim modera calor em processos exotérmicos.
III.3.2. Recuperar ou reciclar sub-produto
Consideração: Reciclar um sub-produto
reversível e manter em nível de equilíbrio.
Isto aumenta o tamanho do equipamento que recebe o reciclo.
Recuperar um sub-produto reversível, paga-se uma penalidade
devido ao aumento do custo da matéria-prima (reagente).
Portanto a decisão é uma análise econômica que relaciona preço de
matéria-prima, sub-produto e reciclo.
III.3.3. Reciclo de gases e purga
Se existe um reagente leve e uma outra impureza
leve,ou um sub-produto leve, é comum o uso
de reciclo e uma purga.
Obs. Substância leve (Teb < -48 ºC)
III.3.4. Definição das correntes de saída do
processo
Listar todos os componentes que podem sair do
reator, ordená-los em ordem crescente por temperatura de ebulição,
definir o destino da substância no processo.
Referências:
• Turton, R.; Bailey, R.C.; Whiting, W.B; Shaeiwitz, J.A. Analysis, Synthesis and 
Design of Chemical Processes, 4ª ed. New Jersey: Editora Prentice Hall, 2012
• Douglas, J.M. Conceptual Design of Chemical Processes, 1ª ed. Boston: McGraw-
Hill, 1988
PROJETO CONCEITUAL DE PROCESSOS
II.4. Nível 3 de decisão – Estrutura de reciclo
processo
Estrutura geral
separaçãoreator
alimentação saída
Reciclo líquido
Reciclo gasoso Purga
PROJETO CONCEITUAL DE PROCESSOS
Decisões que determinam a estrutura de reciclo 
(DOUGLAS, 1988 e TURTON, 2012)
1) Reciclar matéria-prima é essencial para o custo
do processo. O quanto é reciclado depende da facilidade com que
essas substâncias que não reagiram são separadas e purificadas dos
produtos.
Obs. Considera-se o valor dos reagentes, geralmente ar e água não
são reciclados
PROJETO CONCEITUAL DE PROCESSOS
2) Número de sistemas reativos.
Se existirem reações que ocorrem em
diferentes condições de temperatura e pressão
ou se elas necessitam de diferentes catalisadores, então é usado mais
do que um sistema reator.
3) Deve verificar se há a necessidade de sistema de separação entre
os sistemas reativos.
PROJETO CONCEITUAL DE PROCESSOS
4) Definir se haverá reagente em excesso na
entrada do reator.
5) Definir como será a operação do reator.
(isotérmico ou adiabático)
6) Como o custo do reator afeta o potencial econômico do reator.
PROJETO CONCEITUAL DE PROCESSOS
Referências:
• Turton, R.; Bailey, R.C.; Whiting, W.B; Shaeiwitz, J.A. Analysis, Synthesis and 
Design of Chemical Processes, 4ª ed. New Jersey: Editora Prentice Hall, 2012
• Douglas, J.M. Conceptual Design of Chemical Processes, 1ª ed. Boston: McGraw-
Hill, 1988
PROCESSOS QUÍMICOS - Sistemas de Separação
PROJETO CONCEITUAL DE PROCESSOS
II.5. Nível 4 de decisão – Estrutura de separação
Sistemas de separação: operações unitárias que
tem como objetivo separar as substâncias que
saem do reator e “produzir” as correntes de produtos com pureza
aceitável, as correntes de reciclo de matérias primas que não
reagiram e as correntes de sub-produtos.
PROJETO CONCEITUAL DE PROCESSOS
Os sistemas de separação geralmente são
definidos ao se propor o Diagrama de Fluxo de
Processo (PFD) a partir do Diagrama de Bloco
Genérico, como o representado a seguir:
separação
reator
alimentação saída
Reciclo líquido
Reciclo gasoso Purga
1
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Para se propor o sistema de separação é necessário
conhecer a fase ou as fases e a composição da saída
do reator, bem como o valor das variáveis de processo
(pressão, temperatura) e se necessário adequá-la.
No Diagrama de Blocos Genérico, o bloco indica a preparação
da corrente para o sistema de separação, geralmente um
resfriamento. Tipos de resfriamento antes da separação:
1
• Trocador de calor: unidade de processo através da qual
duas correntes fluidas de diferentes temperaturas escoam
pelos lados opostos de uma barreira metálica. Geralmente
se utiliza água de resfriamento.
• Quenching (resfriamento direto): resfriamento rápido de
uma corrente de processo, geralmente gasosa, pelo contato
com um líquido que é aspergido.
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Se a corrente efluente do reator é:
1) Líquida: Avalie a necessidade de resfriamento. O efluente é 
enviado para a área de sistema de separação de líquidos (SSL), 
onde essas operações, geralmente, são:
Destilação:
Coluna de destilação
Um processo no qual uma mistura de líquidos
miscíveis alimenta uma coluna vertical. O vapor que
sai pelo topo da coluna é condensado: parte dele é
retirado como produto de topo e o resto volta para a
coluna como refluxo. O líquido que sai pelo fundo da
coluna é parcialmente vaporizado e volta para a
coluna e o restante é retirado como produto de fundo.
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Extração líquida:
Um processo no qual uma mistura líquida de duas
espécies (o soluto e o solvente da alimentação) é
posta em contato, em um misturador, com um
líquido (o solvente) que é imiscível ou quase
imiscível com a alimentação. Quando os líquidos
são misturados, o soluto se transfere do solvente da
alimentação para o solvente.
Coluna de extração
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Cristalização:
Um processo no qual uma mistura líquida é
resfriada ou o solvente é evaporado até que se
formem cristais sólidos de soluto. Os cristais na
lama (suspensão de sólidos em um líquido) que sai
do cristalizador podem subsequentemente ser
separados do líquido em um filtro ou em uma
centrífuga.
Cristalizadores
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Se a corrente efluente do reator é:
2) Gasosa (gás/vapor)
Primeiramente resfria-se a mistura até uma temperatura
conveniente e separa-se gerando uma corrente líquida e outra
gasosa (vaso separador). Em seguida a corrente líquida é enviada
para o SSL e a corrente gasosa é enviada para o sistema de
recuperação de vapor (SRV), que podem ser:
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Condensação parcial (baixa temperatura e/ou alta pressão):
Condensador
Um processo no qual um gás é resfriado e/ou
comprimido, provocando a liquefação de um ou mais
dos seus componentes. Os gases não condensados e o
condensado líquido deixam o condensador como
correntes separadas.
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Absorção:
Coluna de absorção
Um processo no qual uma mistura gasosa é colocada
em contato com um solvente líquido e um
componente (ou vários) do gás se dissolve no líquido.
Em uma coluna de absorção o solvente entra pelo
topo da coluna, escoa para baixo e sai pelo fundo,
enquanto que o gás entra pelo fundo, escoa para cima
e sai pelo topo.
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Adsorção:
Adsorvedor
Um processo no qual uma mistura gasosa ou líquida entra em
contato com um sólido (o adsorvente) e um componente da
mistura (o adsorbato) adere à superfície do sólido.
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Separação por membranas:
Menbranas
Uma fina película líquida ou sólida através da qual ums
ou mais espécies em uma corrente de processo podem
permear.
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Se a corrente efluente do reator é:
3) Mistura de duas fases (líquida e gasosa)
Separa-se as fases em tanques separadores e em seguida a corrente
líquida segue para o SSL e a corrente gasosa é enviada para o SRV.
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Regra geral:
• Utilize a destilação, como primeira escolha, para a separação de líquidos
miscíveis quando é exigido produtos puros (topo e fundo)
• Utilize a absorção para remover componentes traços de uma corrente
gasosa
• Considere e a adsorção para remover contaminantes em pequena
concentração de correntes gasosas ou líquidas
• Considere a adsorção por equilíbrio de pressão para purificar as correntes
gasosas, especialmente quando um dos componentes tem um ponto de
ebulição criogênico
• Considere usar separação por membranas para separar gases com ponto de
ebulição criogênico e vazões relativamente baixas
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Continuação:
• Escolha uma alternativa à destilação se os pontos de ebulição estiverem
muito próximos ou se os calores de vaporização são muito altos
• Utilize a extração como uma opção para purificar um líquido de outro
líquido
• Use a cristalização para separar dois sólidos ou purificar um sólido de uma
solução líquida
• Use a evaporação para concentrar uma solução de um sólido em um líquido
• Use a centrifugação para concentrar um sólido contido em uma lama
• Use a filtração para remover um sólido quase seco de uma lama
• Use o peneiramento para separar sólidos de diferentes tamanhos de
partículas
ESTRUTURA DE SEPARAÇÃO
Continuação:
• Use flotação para separar sólidos de densidade diferente de uma mistura de
partículas puras
• Considere utilizar osmose reversa para purificar um líquido de umasolução de sólidos dissolvidos
• Use lixiviação para remover um sólido de uma mistura sólida
• Considere a cromatografia para purificação final de produtos de alto valor
(como proteínas) de meios diluídos
Potencial Econômico 
de Processos
Processo Químico Industrial
Processo 
químico
MATÉRIAS-
PRIMAS
MÃO-DE-
OBRA
RECURSOS
PRODUTO
RESÍDUOS
 Quais reações acontecem
 Quais substâncias entram como alimentação 
(matéria-prima) e quais saem como produto
 Análise econômica básica sobre margem de lucro 
(PE1), ou seja, o Potencial Econômico Básico.
Processo Químico Industrial
Informações que podem ser obtidas para 
um processo utilizando o diagrama de 
entrada e saída:

Processo Químico Industrial
Análise Econômica Básica:
Processo Químico Industrial
Análise Econômica Básica:
 A rentabilidade potencial de um processo deve ser 
avaliada e uma decisão de prosseguir com o processo 
pode ser tomada.
 Se a margem de lucro ou potencial econômico for um 
número negativo, significa que o processo não 
apresenta potencial para ganhar dinheiro.
 OBS: os preços das substâncias sofrem alterações de acordo com 
algumas situações econômicas.
Tabela de preços de alguns produtos químicos:
Substância Preço (US$/kg)
Acetaldeído 1,033
Acetona (99% pureza) 0,948
Ácido acético 1,090
Ácido sulfúrico 0,090
Benzeno 0,349
Ciclohexano 1,43
Cloro 0,375
Dimetileter 0,948
Estireno 1,543
Etanol anidro 0,937
Etanol hidratado 0,703
Fonte: CMR (Chemical Market Reporter), citado no livro do Turton (2009)
Obs. No Brasil preços no anuário da Abiquim
Tabela de preços de alguns produtos químicos:
Substância Preço (US$/kg)
Etilbenzeno 1,069
Etileno 1,202
Hidrogênio 0,721
Hidrogênio c/ 3% impur. 0,600
Isopropanol (99%) 1,378
Isopropanol hidratado 1,075
Metano 0,293
Metanol 0,294
Propileno 1,014
Tolueno 0,322
Óxido de etileno 1,764
Fonte: CMR (Chemical Market Reporter), citado no livro do Turton (2009)
Obs. No Brasil preços no anuário da Abiquim
Diagrama de Bloco com Estrutura de Entrada e 
Saída
Exemplo 01: Processo de produção de Benzeno por
Hidrogenação do Tolueno (ex. 1 da lista 01).
PROCESSOC2H8; H2 C6H6; CH4
Determinar o potencial econômico do processo para uma produção 
de 10.000 toneladas/ano de benzeno.
C7H8 (g) + H2 (v) → C6H6 (g) + CH4 (g)