Slide Aula Processos Químicos 4

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Prof. Marcos Baroncini Proença
Princípios dos Processos 
Químicos Industriais
Aula 4
Conversa Inicial
Nesta aula, trataremos de energia, 
combustíveis, vapor e refrigeração, bem 
como do setor de utilidades, de tão grande 
importância aos processos industriais
Assim, ao final desta aula, o discente terá 
visto conceitos técnicos referentes ao
setor de utilidades e energia, que serão 
aprofundados nas disciplinas específicas
para que possa desenvolver competências
e habilidades necessárias para o 
planejamento e controle da produção
Energia e projeção de 
demandas de energia
Energia é uma propriedade intrínseca às 
mudanças que ocorrem em sistemas de 
controle, por processos de transferência 
ou transformação devidos a interações do 
sistema com o meio
Definição
Esse conceito de energia admite duas 
subdivisões de seus tipos, com as devidas 
aplicações no campo da mecânica clássica
e também no campo das ciências térmicas:
a cinética e a potencial
Nas duas, engloba a energia de repouso e a 
dos campos gravitacional e eletromagnético
Definição
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Segundo o relatório Global Bioenergy 
Statistics, publicado em 2018 pela World 
Bioenergy Association (WBA), 86% da matriz 
energética global ainda é contemplada pelas 
fontes não renováveis, sendo 32% pelo 
petróleo, 27% pelo carvão mineral,
22% pelo gás natural e 5% pela nuclear
Demandas
14% da matriz global é suprida
por energias renováveis
Esse valor de energia renovável vem 
crescendo consistentemente e até 2050 
estará protagonizando a matriz energética 
global
Demandas
A energia elétrica vem apresentando um 
crescimento em sua demanda, tendo sido a 
fonte para 19% da energia global consumida 
em 2018 e, segundo estudos da International
Energy Association (IEA), até 2040, tende a 
ter de suprir uma demanda de 24% da 
energia global
Demandas Demandas
https://www.iea.org/weo2018/electricity/
Segundo relatório de cenários de demanda 
para o Plano Nacional de Energia 2050 (PNE), 
elaborado pela Empresa de Pesquisas 
Energéticas, publicado em dezembro de 
2018, o pior cenário de crescimento terá
uma taxa média de 1,4% a.a., atingindo
uma demanda de 426 Mtep. No melhor 
cenário, o crescimento médio será de 2,2% 
a.a., atingindo uma demanda de 562 Mtep
Demandas Demandas
Fonte: EPE. - http://epe.gov.br/pt/a-epe/quem-somos
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Derivados do petróleo mais carvão mineral;
e derivados mais gás natural ainda 
contemplarão 52% da demanda de energia 
na projeção para 2050. Entretanto, a 
demanda por energia elétrica crescerá para 
24%, tanto no pior quanto no melhor cenário
Demandas Demandas
http://epe.gov.br/pt/a-epe/quem-somos
A análise setorial deste relatório mostra que, 
no melhor cenário, o setor da indústria 
suplantará o setor de transportes na 
demanda de energia, demandando 189 Mtep
Demandas Demandas
http://epe.gov.br/pt/a-epe/quem-somos
Setor de utilidades
Os setores que compõem uma unidade 
industrial podem ser divididos em setor
de processo e setor de utilidades
No setor de utilidades, é produzido o vapor,
é feito o tratamento de água, é produzida a 
energia elétrica e gerado o ar comprimido, 
além do resfriamento de água de 
arrefecimento da planta industrial
Setor de utilidades
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A principal função de um setor de 
utilidades é fornecer a energia 
necessária para o processo 
produtivo, sendo, portanto, o setor 
mais diretamente envolvido com a 
eficiência energética da planta 
industrial
Setor de utilidades
A produção de vapor é considerada
a principal função deste setor
Setor de utilidades
engineer story/Shutterstock
Toda indústria de processo químico tem 
no vapor sua principal fonte de energia. 
Este é usado em inúmeras operações 
unitárias, como secagem, evaporação, 
pasteurização, esterilização, além de 
trocadores de calor e outros 
equipamentos
Setor de utilidades
Para a geração do vapor, são usadas as 
caldeiras. Além do gasto com combustíveis 
como GLP, gás natural, óleo combustível ou 
mesmo lenha ou biomassa, há um elevado 
gasto de energia elétrica devido às bombas 
de água e aos ventiladores de caldeiras
Setor de utilidades
Portanto, a cogeração de energia se torna 
estrategicamente fundamental para, ao 
menos, diminuir custos de produção, quando 
não for uma nova fonte de arrecadação 
através da venda do excesso produzido para 
concessionárias de energia elétrica
Setor de utilidades
Outra função importante do setor de 
utilidades é o resfriamento de água de 
arrefecimento, que é feito nas torres de 
resfriamento
Torres de resfriamento, também chamadas 
torres de refrigeração, são equipamentos de 
troca térmica onde, além de transferência de 
calor, ocorre transferência de massa através 
do arraste de gotículas de água pela corrente 
de ar de resfriamento 
Setor de utilidades
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Contribui para o consumo de água, pois, 
como há perda pela transferência de massa 
do processo, há necessidade de água de 
reposição e de energia, pois demandará 
energia para fazer escoar o ar por 
ventiladores e para bombeamento da água 
de arrefecimento até a alimentação na parte 
superior da torre, bem como para a água de 
reposição
Setor de utilidades
Ainda no setor de utilidades, há o 
fornecimento através da rede geral de
ar comprimido, tanto para a rede de ar
de instrumentação quanto para a rede
de ar de serviço
Nesse aspecto, temos de fazer uma 
diferenciação das caraterísticas das redes de 
ar, uma vez que haverá consumos diferentes 
de ar comprimido e necessidades de 
caraterísticas também diferentes
Setor de utilidades
Deve-se sempre ter garantido o 
fornecimento preferencial para a rede de 
instrumentação e controle pneumática, 
através de um sistema de pressostatos
Setor de utilidades
Constitui mais uma fonte de consumo de 
energia elétrica, sendo recomendado que os 
pontos de consumo da rede de ar de serviço 
sejam catalogados e programados para 
recebimento do ar conforme sua prioridade 
no processo produtivo, para evitar picos de 
consumo de energia elétrica na rede
Setor de utilidades
Combustíveis 
Definição 
Nasky/Shutterstock
Combustion
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Combustão ou queima é toda reação de 
oxirredução que libera elevada quantidade 
de energia. Esta reação ocorre em qualquer 
substância ou material oxidável na presença 
de um comburente (oxigênio) e de uma 
fonte de ignição (calor). Essa substância ou 
material oxidável é chamada de combustível
Definição 
Combustíveis não renováveis são todos 
aqueles obtidos a partir de recursos naturais 
que se esgotam ou que necessitam de um 
tempo geológico para serem produzidos. 
Nesta categoria, encontram-se os 
combustíveis derivados do petróleo, o gás 
natural, o carvão mineral e a energia nuclear
Combustíveis não renováveis
Os combustíveis derivados do petróleo de 
uso industrial são o gás liquefeito de 
petróleo (GLP) e o óleo combustível
O GLP é usado na indústria de alimentos 
em sua maioria, mas também é usado em 
empilhadeiras, soldagem, esterilização, 
entre outras aplicações
Combustíveis não renováveis
O óleo combustível, que é uma fração 
residual da destilação das fases leves no 
craqueamento catalítico do petróleo, tem 
sua aplicação industrial bastante ampla, 
dependendo de sua composição e 
viscosidade. Destacamos seu uso em fornos, 
caldeiras, motores pesados, unidades 
termoelétricas, entre outras aplicações
Combustíveis não renováveis
O gás natural do petróleo (GNP) é 
normalmente encontrado na mesma jazida do 
petróleo, mas também há jazidas só de GNP. 
Este gás é composto de cerca de 85% de 
metano, sofrendo, assim, queima completa, 
sem gerar resíduos de combustão poluentes. 
Tem um excelente poder calorífico e vem 
substituindo o GLP e o óleo combustível nas 
indústrias
Combustíveis não renováveis Combustíveis não renováveis
VectorMine/Shutterstock
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Combustíveis não renováveis
http://www.anp.gov.br/publicacoes/anuario-estatistico/5237-anuario-estatistico-2019
O carvão mineral é também um combustível 
fóssil, tendo sido a primeira fonte de energia 
usada pelo homem, na Revolução Industrial, 
e mantendo-se em usoaté os dias de hoje
Combustíveis não renováveis
Ele vem sendo usado para produzir energia 
elétrica em usinas termelétricas, em fornos 
de clínquer nas indústrias de cimento e como 
fonte de energia e matéria-prima para 
fabricar aços nas siderúrgicas
Embora em nosso país haja o uso do carvão 
vegetal para siderurgias, o mineral ainda 
constitui um grande insumo do processo de 
fundição
Combustíveis não renováveis
A energia nuclear é uma grande quantidade 
de energia liberada por fissão do núcleo de 
átomos de metais, como o urânio e o 
plutônio, que é usada em usinas 
termonucleares para produzir eletricidade
Nessas usinas, a fissão nuclear controlada 
em reatores gera calor, que aquece a água e 
a transforma em vapor de alta pressão
Combustíveis não renováveis
Esse vapor tem sua energia térmica 
convertida em energia mecânica, fazendo 
girar a turbina a vapor que, por meio de um 
eixo de material ferromagnético que gira 
dentro de um gerador, aciona-o, produzindo 
eletricidade
Combustíveis não renováveis Combustíveis não renováveis
piscari/Shutterstock
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Combustíveis renováveis são todos 
aqueles cujas fontes se renovam. 
Também são conhecidos como 
biocombustíveis, dos quais destacamos 
o álcool combustível, o biodiesel,
o biogás e o carvão vegetal
Combustíveis renováveis
O etanol, também chamado de álcool etílico 
ou, aqui no Brasil, simplesmente de álcool, 
é obtido pela fermentação de amido e
de outros açúcares, principalmente da
cana-de-açúcar, e posterior destilação
Pode ser hidratado, contendo até 52% de 
água, ou anidro, com pureza de até 98%
Combustíveis renováveis
Para se obter o etanol anidro, após a 
destilação que gerou o etanol hidratado, 
o produto deve seguir para uma segunda 
coluna de destilação, que deve ser a 
vácuo, ou para uma coluna de absorção 
com agente sequestrante de água
Combustíveis renováveis
A produção do etanol hoje é um ciclo 
fechado, pois os resíduos vinhoto e bagaço 
de cana são usados para produção de etanol 
de segunda geração e biogás. Nem o vapor 
gerado é desperdiçado, sendo usado para a 
cogeração de energia elétrica. Assim, hoje, 
é uma alternativa limpa e viável para a 
redução do consumo de derivados do 
petróleo
Combustíveis renováveis
O metanol é um álcool de tipo metílico. 
É usado principalmente nos EUA, como 
combustível automotivo
Diferentemente do etanol, é tóxico, 
podendo uma exposição prolongada
ou sua ingestão causar cegueira, 
problemas no fígado e até a morte
Combustíveis renováveis
É também bastante corrosivo, dificultando 
seu uso em grande escala. Seu maior uso é 
na formação de formaldeído, como solvente 
de vernizes e tintas, em perfumaria, sendo 
também crescente seu uso na produção do 
biodiesel, que trataremos a seguir
Combustíveis renováveis
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Combustíveis renováveis
Steve Skjold/Shutterstock
O biodiesel é um combustível renovável 
obtido a partir de um processo químico 
denominado transesterificação, que pode 
seguir três tipos de rotas: rota ácida, rota 
básica e rota mista
Na rota ácida, faz-se a preparação do graxo 
com ácido sulfúrico e depois a reação de 
transesterificação com metanol e catalisador. 
Esta rota apresenta a vantagem de não gerar 
resíduos, mas é muito demorada e cara
Combustíveis renováveis
Na rota básica, a transesterificação é feita 
com a reação do graxo com um catalisador 
usando uma base, como hidróxido de sódio, 
e metanol. Esta é mais rápida e barata que a 
anterior, porém, gera como subproduto a 
glicerina bruta, que deve ser destinada para 
local certificado ou tratada por destilação, 
gerando glicerina de valor comercial e 
recuperando parte do metanol usado no 
processo
Combustíveis renováveis
A rota mista engloba a ácida e a básica, 
gerando menos glicerina bruta e sendo
mais rápida que a primeira
O processo mais usado é ainda a rota 
básica, devido ao seu custo, atentando 
que o biodiesel produzido dessa forma só 
poderá ser comercializado após passar por 
processos de purificação para adequação à 
especificação da qualidade
Combustíveis renováveis
Combustíveis renováveis
https://www.revistaespacios.com/a16v37n35/16373527.html)
óleo
PRENSA
torta gorda
TANQUE DE
ÓLEO BRUTO
TANQUE DE
MISTURA
TANQUE DE
NEUTRALIZAÇÃO
borra
TANQUE DE
ÓLEO NEUTRO
REATOR 1
TANQUE DE MetOH
DESTILADOR
SECADOR
LAVAGENS
BIODIESEL
ETE
REATOR 2
GLICERINA BRUTA
D
E
C
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N
T
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R
 1
D
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 2
O biogás é o gás produzido a partir 
da decomposição da matéria orgânica por 
bactérias anaeróbicas, ou seja, aquelas que 
atuam na ausência de oxigênio
O biogás é constituído de cerca de 60% até 
80% de gás metano, que tem alto poder 
calorífico e não gera poluentes em sua 
combustão
Combustíveis renováveis
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Em virtude disso, o biogás vem sendo usado 
em veículos automotivos rurais, notadamente 
em tratores, mas seu maior uso ainda é para 
geração de energia elétrica, seja em 
pequenas unidades motogeradoras, seja em 
grandes termoelétricas
Combustíveis renováveis
Os reatores anaeróbios, chamados 
biodigestores, reproduzem de forma 
controlada as condições naturais de 
digestão da matéria orgânica pelas 
bactérias, mantendo condições ideais 
para a máxima produtividade
Combustíveis renováveis
Constituem, hoje, não só uma fonte 
alternativa ao uso de derivados do petróleo 
ou ao gás natural , mas também uma solução 
ambiental no tratamento de resíduos de 
colheita no campo ou resíduos florestais, 
tratamento de estrume de animais, lixo 
doméstico e lodos provenientes do 
tratamento de efluentes e de lagoas
de tratamento da agroindústria
Combustíveis renováveis
Geração de vapor
Há dois tipos de vapor que podem ser 
gerados: o vapor saturado, ou seja, aquele 
próximo ao ponto de saturação da água, 
que condensa no transporte e no processo 
industrial; e o vapor superaquecido, ou seja, 
aquele distante do ponto de saturação da 
água e que, portanto, não condensará
O equipamento que gera
estes vapores é a caldeira
Geração de vapor Geração de vapor
NavinTar/Shutterstock
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As caldeiras flamotubulares, onde os gases 
de combustão circulam por dentro de tubos, 
vaporizando a água que fica por fora, 
representam a maioria das caldeiras usadas 
na indústria devido ao seu baixo custo
Geração de vapor
São geralmente usadas para pequenas 
capacidades de produção de vapor, não 
superando 10 ton/h, com baixas pressões, 
normalmente de 10 bar, pois o volume de 
água que acondiciona limita, por questões 
de segurança, as pressões de trabalho e o 
vapor produzido como exclusivamente do 
tipo vapor saturado
Geração de vapor
Geração de vapor
Crédito: Thyago Macson Maria
As aquatubulares são aquelas em que gases 
quentes de combustão circulam por fora dos 
tubos e a vaporização da água se dá dentro 
destes
Com relação aos tubos, o tubulão superior é 
aquele onde se dá a separação da fase líquida 
e do vapor, e o tubulão inferior é aquele onde 
é feita a decantação e purga dos sólidos em 
suspensão
Geração de vapor
Estes tubos, hoje, são curvados, propiciando 
câmaras de combustão completamente 
fechadas por paredes de água, com 
capacidades sem restrição de pressão e 
volume. Devido ao seu elevado custo, são 
usadas somente para maiores capacidades de 
produção de vapor e pressão. Para aplicação 
industrial, as capacidades variam de 15 a 150 
t/h, com pressões até 90-100 bar
Geração de vapor Geração de vapor
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Torres de refrigeração
Em muitos processos industriais, há 
necessidade de troca de calor, que deve ser 
retirado de um fluido do processo ou mesmo 
do ambiente de produção e controle. 
Geralmente, utiliza-se água como elemento 
de resfriamento, por ser mais barato
Após seu ciclo de uso na transferência de 
calor, essa água aquecida deve ser resfriada 
para retornar ao processo de troca térmica
Torres de refrigeração
O equipamento usado para esta finalidade 
é a torre de refrigeração, que resfria a 
água por evaporação, transmitindo calor 
para o ar que circula normalmente de 
forma ascendente, devendo ser feita a 
reposiçãoda água consumida na 
evaporação
Torres de refrigeração
A classificação mais usada para torres
de refrigeração é em função da forma de 
movimentação do ar através delas, podendo 
ser de três tipos: torres de resfriamento 
atmosféricas, torres de tiragem mecânica 
forçada ou torres de tiragem mecânica 
induzida
Torres de refrigeração
Nas torres de resfriamento atmosféricas, a água 
cai em fluxo cruzado em relação ao escoamento 
do ar, que depende principalmente do vento. 
Possui elevado tempo de vida útil e baixo custo 
de manutenção. Por outro lado, não há 
recirculação do ar utilizado, ela ocupa amplo 
espaço da planta industrial, a temperatura da 
água varia com a direção e a velocidade do vento 
e não há como controlar a temperatura de saída 
da água resfriada
Torres de refrigeração
Nas torres de tiragem mecânica, 
forçadas ou induzidas, há a utilização 
de ventiladores para mover o ar, 
proporcionando um controle total da 
entrada de ar
Torres de refrigeração
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São mais compactas, ocupando menor 
espaço na planta industrial, e permitem 
controle da temperatura da água 
resfriada. No entanto, os custos de 
operação e manutenção são maiores que 
os das torres anteriores e os ruídos e 
vibrações produzidos pelos ventiladores 
podem gerar desconforto ambiental
Torres de refrigeração
Nas torres de tiragem mecânica 
forçada, os ventiladores são 
posicionados na entrada de ar, 
ao nível do solo, de forma que 
forcem o ar através do recheio
Torres de refrigeração
Se comparadas às de tiragem induzida, são 
mais eficientes, pois a velocidade da corrente 
de ar mais frio e mais denso que usam gera 
uma pressão estática, produzindo um 
trabalho útil. No entanto, podem gerar 
formação de gelo nos ventiladores durante as 
épocas frias, o que pode obstruir a entrada 
de ar e também causar problemas de 
recirculação, especialmente quando a 
velocidade de saída é baixa
Torres de refrigeração
Nas torres de tiragem mecânica induzida, 
que são as mais usadas industrialmente, 
os ventiladores são posicionados na saída 
de ar, geralmente na parte superior
Torres de refrigeração
Nelas, é possível instalar ventiladores de 
grande porte, permitindo obter velocidades
e níveis de ruído baixos e, devido às altas 
velocidades de saída do ar, os problemas de 
recirculação são bastante reduzidos. Todavia, 
há a possibilidade de o ar arrastar consigo 
corpos estranhos ao processo, devendo ser 
instalados filtros. É de difícil manutenção, 
pois os elementos mecânicos são de difícil 
acesso
Torres de refrigeração Torres de refrigeração
leungchopan/Shutterstock