Apostila - Princípios Básicos Da Indústria Química - Mod -I - IfS - FLGL - 2013

COQUI/IF-SERGIPE Curso Técnico de Nível Médio em Química

Professor Dr. Francisco Luiz Gumes Lopes

COORDENAÇÃO DE QUÍMICA

Curso Técnico de Nível Médio em Química

PRINCÍPIOS BÁSICOS DA INDÚSTRIA QUÍMICA MÓDULO I – CONCEITOS CONCEITOS FUNDAMENTAIS


Outubro/2013 1



1. CONCEITOS BÁSICOS 1.1.

INDÚSTRIA QUÍMICA A indústria química, em geral, converte as matérias-primas no seu estado natural em

uma forma mais útil. Como exemplo pode-se citar a indústria do petróleo que transforma esta matéria bruta, sem aplicação comercial nesta forma, em diversos combustíveis. c ombustíveis. Indústrias que transformam madeira em papel e celulose, enxofre em ácido sulfúrico, ar e gás natural em amônia e uréia, etc. Considerando que as principais fontes de matéria-prima para obtenção de produtos intermediários são petróleo, gás natural e carvão mineral, a indústria química do Brasil está estruturada de tal forma que a origem encontra-se nos pólos petroquímicos. Estes foram implantados, nas décadas de 70 e 80, como conjuntos de indústrias de primeira geração (up-stream) e de segunda geração (down-stream) ao mesmo tempo e com capacidade para atender a toda demanda necessária para alavancar a indústria química brasileira através do fortalecimento da indústria indústria de base. Esta forma de organização deu origem a três pólos petroquímicos representantes da totalidade das empresas de primeira e segunda geração, são eles: São Paulo (Petroquímica União - www.pqu.com.br), Bahia (Pólo Petroquímico de Camaçari - www.coficpolo.com.br) e Rio Grande do Sul (Pólo Petroquímico de Triunfo - www.copesul.com.br) e, em fase de implantação, Rio de Janeiro.

Figura 1. Vista aérea do Pólo Petroquímico de Camaçari. 2



1. CONCEITOS BÁSICOS 1.1.

INDÚSTRIA QUÍMICA A indústria química, em geral, converte as matérias-primas no seu estado natural em

uma forma mais útil. Como exemplo pode-se citar a indústria do petróleo que transforma esta matéria bruta, sem aplicação comercial nesta forma, em diversos combustíveis. c ombustíveis. Indústrias que transformam madeira em papel e celulose, enxofre em ácido sulfúrico, ar e gás natural em amônia e uréia, etc. Considerando que as principais fontes de matéria-prima para obtenção de produtos intermediários são petróleo, gás natural e carvão mineral, a indústria química do Brasil está estruturada de tal forma que a origem encontra-se nos pólos petroquímicos. Estes foram implantados, nas décadas de 70 e 80, como conjuntos de indústrias de primeira geração (up-stream) e de segunda geração (down-stream) ao mesmo tempo e com capacidade para atender a toda demanda necessária para alavancar a indústria química brasileira através do fortalecimento da indústria indústria de base. Esta forma de organização deu origem a três pólos petroquímicos representantes da totalidade das empresas de primeira e segunda geração, são eles: São Paulo (Petroquímica União - www.pqu.com.br), Bahia (Pólo Petroquímico de Camaçari - www.coficpolo.com.br) e Rio Grande do Sul (Pólo Petroquímico de Triunfo - www.copesul.com.br) e, em fase de implantação, Rio de Janeiro.

Figura 1. Vista aérea do Pólo Petroquímico de Camaçari. 2



Figura 2. Vista do Pólo Petroquímico de Camaçari. São chamados de indústrias de primeira geração aquelas que utilizam matérias-primas provenientes do petróleo, principalmente principalmente nafta, gás natural e carvão mineral e as transformam em produtos petroquímicos básicos, dos quais os principais são: metano, eteno, propeno, série dos butenos, petroquímicos cíclicos (benzeno, tolueno, xilenos), metanol, etc. São comumente chamadas de Centrais de Matérias-Primas (CPM). O processo produtivo das indústrias de segunda geração é caracterizado pela transformação das diversas matérias-primas básicas em produtos intermediários, como por exemplo monômeros para indústria de plásticos e afins, e intermediários químicos básicos. O destino destes produtos são as chamadas indústrias de terceira geração, também conhecidas como indústrias de transformação t ransformação.. Através de operações químicas e/ou físicas, processam os produtos intermediários para par a manufaturar os bens de consumo que chegam até o consumidor. Assim, alguns destes produtos serão utilizados pelo consumidor final (bens de consumo), enquanto outros ainda sofrerão algum processamento antes de serem ofertados ao consumidor final (bens de produção). A indústria indústria química abrange abrange a produção de ambos os tipos.

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A Figura 2.b apresenta o exemplo da BRASKEM, que mostra a integração entre estes três tipos de indústrias e a Figura 3 apresenta um diagrama de blocos do Complexo Industrial de Camaçari-BA. A Braskem integra as operações de primeira e segunda gerações da petroquímica no Brasil, obtendo

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vantagens competitivas, como escala de produção e eficiência operacional. A primeira geração produz matérias-primas básicas como eteno e propeno, fundamentais para a segunda geração, que envolve a fabricação de resinas termoplásticas (PE, PP e PVC), utilizadas posteriormente pela indústria transformadora para fabricar produtos de consumo. As resinas termoplásticas produzidas pela Braskem têm origem no petróleo (nafta e gás de refinaria), no gás natural e no etanol de cana-de-açúcar, matéria-prima renovável utilizada na produção de eteno verde. Fonte: http://www.braskem.com.br/site.aspx/Braskem-Perfil

Figura 2b. Perfil da BRASKEM (site http://www.braskem.com.br/site.aspx/Braskem-Perfil). O Polo Petroquímico de Camaçari iniciou suas operações em 1978. É o primeiro complexo

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petroquímico planejado do País e está localizado no município de Camaçari, a 50 quilômetros de Salvador, capital do Estado da Bahia. Maior complexo industrial integrado do Hemisfério Sul, o Polo tem mais de 90 empresas químicas, petroquímicas e de outros ramos de atividade como indústria automotiva, de celulose, metalurgia do cobre, têxtil, fertilizantes, energia eólica, bebidas e serviços. Com a atração de novos empreendimentos para a Bahia, o Polo Industrial de Camaçari experimenta novo ciclo de expansão, gerando mais oportunidades de emprego e renda para o Nordeste. A produção de automóveis pela Ford e de pneus pela Continental e Bridgestone, no Polo de Camaçari, consolida a trajetória de diversificação no Complexo Industrial e amplia as perspectivas de integração do segmento petroquímico com a indústria de transformação.

”

As principais linhas de aplicação dos produtos petroquímicos e químicos são os plásticos, fibras

“

sintéticas, borrachas sintéticas, resinas e pigmentos. Após transformados, os produtos químicos e petroquímicos resultam em embalagens, utilidades domésticas, mobiliário, materiais de construção, vestuário, calçados, componentes industriais (indústria eletrônica, de informática, automobilística e aeronáutica), tintas, produtos

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de limpeza (detergentes), corantes, medicamentos, defensivos agrícolas e fertilizantes. O Polo Industrial de Camaçari fabrica também automóveis, pneus, celulose solúvel, cobre eltrolítico, produtos têxteis (poliéster), fertilizantes, equipamentos para geração de energia eólica, bebidas, dentre outros, oferecendo ainda ampla gama de serviços especializados às empresas instaladas em sua área de influência. Fonte: ”

http://www.coficpolo.com.br/

Figura 3. Complexo Industrial de Camaçari-BA. O processo químico corresponde à transformação de uma dada matéria prima em um ou mais bens de consumo, ou bens de produção, de utilidade para o homem, consistindo em um conjunto de etapas que envolvem alterações na composição química e/ou alterações físicas no material que está sendo preparado, separado ou purificado. A existência de um processo industrial implica na necessidade de um produto a ser fabricado. Qualquer que seja a indústria química em consideração, existirão etapas semelhantes entre elas que podem ser estudadas dentro dos princípios físicos e químicos envolvidos, independente do material que está sendo fabricado. Uma das partes principais de qualquer unidade de produção é o reator químico, onde ocorre a transformação de reagentes em produtos. Antes de entrarem no reator os reagentes passam através de vários equipamentos, onde a pressão, a temperatura, a composição e a fase são ajustadas para que sejam alcançadas as condições em que ocorrem as reações químicas. 5



Os efluentes do reator são, em geral, uma mistura de produtos contaminantes e reagentes não reagidos que devem ser separados em equipamentos apropriados para se obter o produto na pureza adequada. Em geral, em todos os equipamentos usados antes e após o reator ocorrem apenas mudanças físicas no material, tais como: elevação da pressão (bombas e compressores), aquecimento ou resfriamento (trocadores de calor), mistura, separação, etc. Estas várias operações que envolvem mudanças físicas no material, independente do material que está sendo processado, são chamadas de operações unitárias, enquanto que as transformações químicas que ocorrem no reator são chamadas de processos unitários. As Figuras 4-a e 4-b representam dois esquemas de um processamento químico onde as operações unitárias ocorrem nos equipamentos de transformação física, enquanto os processos unitários de conversão ocorrem no reator químico.

Figura 4-a. Representação esquemática de um processo químico.

Figura 4-b. Representação em diagrama de blocos de um processo químico. 6



As indústrias químicas, que fabricam produtos que são usados por muitas outras indústrias, produzem em grandes quantidades porque as instalações das fábricas são muito caras. Por isso não vale a pena montar fábricas para produzir quantidades pequenas. A Figura 5 mostra a distribuição das indústrias químicas de grande porte no país. O local para se instalar uma indústria química tem de ser muito bem pensado, porque precisa ficar perto da matéria-prima, do consumidor e da fonte de energia. A indústria química consome muita energia, tanto na forma de calor como na forma de eletricidade.

Figura 5. Distribuição das indústrias químicas de grande porte no país.

2. CONCEITOS BÁSICOS Os princípios básicos que constituem o domínio das atividades técnicas na indústria química envolvem o conhecimento de Operações Unitárias, Mecânica dos Fluidos, Transferência de Calor, Balanços de Materiais e Energia. Os principais conceitos fundamentais do ponto de vista das operações unitárias são:

a. Processo industrial É a seqüência de operações unitárias e/ou conversões químicas integradas e coordenadas para obter um produto ou uma etapa de produção (produtos intermediários) do processo industrial.

b. Produto 7



É a matéria (substância, composto ou produto químico) obtida como resultado do processamento industrial.

c. Sub-Produto É toda e qualquer matéria obtida no final do processamento industrial que possui valor comercial inferior ao produto.

d. Produto Intermediário É toda matéria obtida após cada etapa de produção.

e. Rejeito É todo sub-produto ou produto intermediário sem valor comercial.

Exemplo: Produção de açúcar a partir da cana-de-açúcar. Matéria-prima: cana-de-açúcar Produto: açúcar. Etapas de produção do processo industrial: (1ª) Moagem: Sub-produtos:Caldo de cana, bagaço e eventuais impurezas na forma de sólidos em suspensão. (2a) Filtração (opcional): * Separação do caldo de cana dos demais sub-produtos da moagem * (3ª) Concentração: Sub- produtos: Caldo concentrado (melaço) e água na forma de vapor d’água. (4ª) Cristalização: Sub-produtos: Açúcar cristalizado e vinhoto (caldo residual) (5ª) Centrifugação: * Separação do açúcar cristal do vinhoto * (6ª) Armazenamento do açúcar (7ª) Transporte do produto final Possíveis Rejeitos: Bagaço da Cana e Vinhoto

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Figura 5. Esquema da produção de açúcar.

f. Operações Unitárias As operações unitárias são os blocos individuais que compõem um processamento, dando origem a um produto final a partir de uma determinada matéria-prima. Cada uma possui técnicas comuns e está baseada nos mesmos princípios científicos, independente da matéria-prima ou do produto. Assim, os processos podem ser estudados sistematicamente, de forma unificada e simples. As operações unitárias são aquelas que não envolvem reações químicas, mas apenas processos físicos, como aquecimento, resfriamento, tranferência de massa, condensação de vapores, etc. As indústrias modernas planejam suas plantas industriais de maneira a aproveitar ao máximo a energia consumida, e para tanto, é importante conhecer as operações unitárias. 9



As operações unitárias podem ser agrupadas em cinco divisões: a.

Escoamento e transporte dos fluidos: em toda planta industrial é necessário transportar reagentes e produtos para diferentes pontos da planta. Como na maioria dos casos os materiais são fluidos (gases ou líquidos) é necessário determinar os tamanhos e os tipos de tubulações, acessórios e bombas ou compressores para movimentá-los.

b.

Transmissão de calor: a maioria das reações químicas não ocorre a temperaturas ambientes e, portanto, os reagentes e produtos devem ser aquecidos ou resfriados. Além disso, deve-se recuperar a energia liberada por um processo ou suprir de energia um determinado processo, visando sempre a otimização da energia. Assim, os equipamentos de troca térmica e as taxas de calor envolvidas nos processos são importantes na fabricação dos produtos. A Figura 6 exemplifica tipos de transferência de calor em tanques e reatores.

Figura 6. Trocadores de calor em tanques e reatores. a- Encamisado; bSerpentina; c- Trocador interno; d- Trocador externo; e- Condensador de refluxo; f- Aquecedor externo. c. Operações de agitação e mistura: são operações que homogeneízam a composição da mistura formada por diferentes componentes. São operações importantes em reatores, partes essenciais em qualquer processo. São utilizados diferentes tipos, sempre levando em consideração o tipo de reação como, por exemplo, processos em fase líquida ou gasosa, tipo de reagente (sólido, líquido ou gasoso), etc. Operações de 10



agitação são importantes em processos químicos, principalmente quando estão envolvidos reagentes e produtos em fases diferentes (sólido, líquido ou gás), líquidos imiscíveis, etc. Na Figura 7 são apresentados alguns tipos de agitadores utilizados em processos químicos. A escolha do tipo de agitador, uso de chicanas, velocidade, e outras características importantes estão relacionados, principalmente, com a viscosidade e estado físico de reagentes e produtos.

Figura – 7. Tipos de agitadores d.

Operações de manuseio de sólidos: moagem, peneiramento, fluidização, etc.

e.

Operações de separação: inclui processos físicos em que se permite a separação de duas fases (sólido-líquido e líquido-líquido), como a filtração, a decantação e a centrifugação. Processos em que ocorrem a transferência de massa de uma fase para a outra, pela afinidade do material para a segunda fase, tais como a absorção (do gás para o líquido), a extração (de líquido para outro líquido), a adsorção (de uma mistura gasosa ou líquida para um sólido), etc. e processos em que ocorre a transferência de material de uma fase para a outra pela influência da troca de calor, como evaporação, destilação, cristalização, etc. Operações de separação são as que mais envolvem cálculos de balanço de massa, também chamado de balanço material. Em alguns casos, além do balanço material é necessário realizar balanço de energia. Todas as operações de separação ocorrem no interior de um equipamento especialmente projetado para se conseguir o efeito desejado.

Em resumo, a operação unitária é definida como qualquer transformação física realizada sobre determinado material. Quando se estuda uma operação unitária, procura-se obter os conhecimentos necessários ao projeto e operação do equipamento capaz de realizar a operação física necessária ao processamento de determinado material. Mediante o conhecimento das 11



operações unitárias, o estudante adquire a faculdade de as utilizar em novos processos industriais e a capacidade de projetar, construir e explorar instalações novas, com igual segurança, como se tratasse com processos já ensaiados e aplicados.

g. Linhas de Processo ou de Produção É a seqüência de operações unitárias e/ou conversões químicas coordenadas e integradas para obter um único produto do processamento industrial. Quando a Indústria produz apenas um produto, a linha de produção constitui o próprio processo industrial. Considerando ainda o exemplo do processo industrial para produção do açúcar, teremos a seguinte linha de produção: Linha de Produção Açúcar: Op1  Op2  Op3  Op4  Op5 Onde: Op1:Moagem Op2:Filtração Op3:Evaporação Op4:Cristalização Op5:Centrifugação É importante salientar que os subprodutos do processo podem ser comercializados. É comum o bagaço ser empregado como combustível, o melaço como ração para gado e o vinhoto largamente empregado como adubo natural. A linha de produção de uma planta industrial é constituída de equipamentos, máquinas e instrumentos de controle. Assim, um processo industrial é uma seqüência de operações unitárias coordenadas e organizadas para atender um objetivo: produção de um determinado produto. O desenvolvimento de um processo químico é um procedimento longo e complexo; conforme o tipo de síntese o tempo necessário para a produção plena pode levar até dez anos. Uma forma simples e convencional consiste basicamente de quatro etapas: 1- Desenvolvimento laboratorial do processo; 2- Interface entre o laboratório e mini-planta; 3- Integração da planta de testes e planta piloto; 4- Transposição para escala industrial. No desenvolvimento de um processo para obtenção de um novo produto, a seleção de um processo unitário juntamente com as operações unitárias a serem realizadas deve ser feito 12



sempre levando em consideração produtos relacionados com o rendimento e a economicidade do processo químico em função do custo no mercado do produto final. É importante considerar sempre os seguintes fatores: - Custo e disponibilidade da matéria-prima: possibilidade da aquisição da matéria prima a ser usada em relação ao local de fabricação como também o seu custo neste mesmo local e a sua pureza; - Rendimento do processo: é importante em todo processo químico a análise do seu rendimento. Isto compreende a obtenção do produto no seu melhor grau de pureza com a máxima quantidade possível de ser obtido com o menor consumo de energia no menor tempo. É importante aqui se fazer uma escolha cuidadosa de processos e operações unitárias dentro do menor tempo e com o menor investimento possível. - Produtos secundários, co-produtos e resíduos: quando se processa uma reação, ocorre sempre que o produto principal encontra-se acompanhado de outros produtos formados durante a reação em quantidades significativas. Da mesma forma, o meio reacional também deve ser considerado, após a separação do produto principal nos resta produtos secundários, subprodutos e co-produtos que devem ter outro destino. Quando estes subprodutos são considerados resíduos, não possuem valor agregado, qual o seu destino e como eliminá-los. Isto influi de tal forma na escolha de um processo químico a ser usado que em certos casos ele poderá ser determinante na sua eliminação. Procura-se sempre a máxima valorização dos co produtos e subprodutos. O local para se instalar uma indústria química tem de ser muito bem pensado, porque precisa ficar perto da matéria-prima, do consumidor e da fonte de energia. A indústria química consome muita energia, tanto na forma de calor como na forma de eletricidade.

h. Conversão Química Envolve a química fundamental de cada reação em particular e o equipamento em que ocorre a reação. É o processo unitário que ocorre no reator químico de um processo industrial. As principais conversões químicas que ocorrem na indústria são: a isomerização, neutralização, oxidação, polimerização, pirólise, redução, sulfonação, troca iônica, desidratação, eletrólise, esterificação, fermentação, halogenação, hidrogenação, hidrólise, alcoólise, alquilação, aminação, calcinação, carboxilação, combustão e condensação.

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i. Equipamentos São sistemas construídos para realizar produção. São constituídos por um conjunto de máquinas. Exemplo: gerador de vapor, torre de resfriamento, colunas de destilação, absorção, extração, centrifugadores, etc.

j. Máquinas São aparelhos que produzem uma ação mecânica (produção de movimento) quando lhe é fornecida a energia adequada. Exemplo: bomba, turbina, compressor, válvula, etc.

l. Instrumentos de Controle São aparelhos instalados à linha de produção que têm como finalidade promover a regulagem e o controle dos processos industriais, através da monitoração das variáveis do processo. As principais variáveis de controle dos processos são: temperatura, nível, pressão, vazão e concentração. As indústrias modernas estão cada vez mais automatizando seus processos promovendo dessa forma, uma melhoria qualitativa e quantitativa dos seus produtos além da redução de custos nos seus processos produtivos.

3. FLUXOGRAMAS Os fluxogramas são parte fundamental em um projeto, estes apresentam a seqüência coordenada das conversões químicas unitárias e das operações unitárias, expondo assim, os aspectos básicos do processo. É o mais efetivo meio de comunicar informações sobre um processo industrial. Indicam 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 sua concepção inicial até o fluxograma detalhado para o projeto e operação da planta, é preciso desenhar muitos fluxogramas. Os três principais tipos de diagramas usados para descrever os fluxos de correntes químicas através de um processo são: a) Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD) b) Fluxograma do processo (process flow diagram – PFD) c) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (pipping and instrumentation diagram – P&ID):

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a. Diagrama de Blocos É uma forma simplificada de representar um processo industrial. Consiste apenas em identificar as operações unitárias em blocos individualmente e elaborar um fluxograma básico demonstrando a seqüência das transformações desde a matéria prima até o produto final do processo. São úteis na conceitualização de um processo ou de um número de processos em um grande complexo. Pouca informação sobre as correntes é fornecida, mas uma clara visão geral do processo é apresentada. Considerando ainda o exemplo da produção de açúcar, teremos o seguinte diagrama de blocos: Cana de açúcar

Vapor d’água

Caldo + Resíduos

Moagem Op1

Caldo Limpo

Filtração Op2

Bagaço

Açúcar

Evaporação

Cristalização Op4

Op3

Resíduos

Op1

Op2

Caldo Cristalizado

Caldo

Centrifugação Op1

Xarope

Op3

Op4

Vinhoto

Op5

Os blocos ou retângulos representam uma operação unitária ou processo unitário. Os blocos são conectados por linhas retas que representam as correntes de fluxo do processo entre as unidades. Essas correntes de fluxo podem ser misturas de líquidos, gases e sólidos fluindo em dutos ou sólidos sendo transportados em correias transportadoras. Operações ou processos unitários tais como misturadores, separadores, reatores, colunas de destilação e trocadores de calor são usualmente denotados por um bloco simples ou retângulo. Grupos de operações unitárias podem ser denotados por um bloco simples. Correntes de fluxo do processo entrando e saindo dos blocos são representadas por linhas retas que podem ser horizontais ou verticais. A direção do fluxo deve ser claramente indicada por setas. As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem lógica. As operações unitárias (i.e blocos) devem ser rotulados.

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Quando possível, o diagrama deve ser arrumado de modo que o fluxo material ocorra da esquerda para a direita. Vejamos, agora um outro exemplo: a linha de produção da amônia utilizando como matéria prima o ar atmosférico e o gás natural. Reação Refrigeração Condensação Separação Gás Natural

99,9% H2

NH3

Depósito

1

2

Ar

Atmosférico

99% N2

1

Compressão 300 atm

2

Compressão e reciclo

b. Diagrama de Fluxos (Flow Sheets) É uma técnica de representação gráfica dos processos industriais. O diagrama de fluxo ou fluxograma de um processo consiste em representar o processo de forma mais detalhada, onde cada equipamento é representado por um símbolo específico. Contém toda informação necessária para os balanços material e energético completos no processo. Adicionalmente, informações importantes tais como a pressão das correntes, o tamanho de equipamentos e principais controles são incluídos.

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Um fluxograma de processo inclui a tubulação do sistema; símbolos dos principais equipamentos, nomes e números de identificação; controles e válvulas que afetam a operação do sistema; interconexões com outros sistemas; principais rotas de by-pass e recirculação; taxas dos sistemas e valores operacionais como temperatura e pressão para fluxos mínimo, normal e máximo; composição dos fluidos; etc. Na Figura 8, temos representado o diagrama de fluxo do processo simplificado para produção do ácido benzóico a partir do tolueno e ar atmosférico, empregando como catalisadores sais de cobalto.

1

- Ar

5

- Ácido benzóico bruto, 250 a 300ºF

2

- Catalisador

6

- Ácido benzóico puro

3

- Tolueno

7

- Inerte

4

- Tolueno, reciclo

8

- Resíduo

A

- Reator

C - Coluna de absorção

B

- Decantador

D - Coluna de destilação

- Trocador de calor

E - Depósito

Figura 8. Diagrama de fluxo do processo para produção do ácido benzóico a partir do tolueno e ar atmosférico 17



As Figuras 9 e 10 mostram alguns símbolos e as operações unitárias correspondentes em um FlowSheet´s.

Figura 9.

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Figura 10.

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c. Fluxograma de tubulação e instrumentação (Fluxograma de Engenharia) Contém toda informação do processo necessária para a construção da planta. Estes dados incluem tamanho dos tubos (dimensionamento da tubulação e localização de toda instrumentação para ambas as correntes de processo e de utilidades). Estes fluxogramas mostram toda a tubulação incluindo a seqüência física de ramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação e controles intertravados. Estes fluxogramas são usados para operar o processo de produção. Um FTI deve incluir: Instrumentação e designações; Equipamentos mecânicos com nomes e números; Todas as válvulas e suas identificações; Processo de tubulação, tamanhos e identificação; Micelânea: ventilação, drenagem, amostragem, redutores, aumentadores; Direção dos fluxos; Referências das interconexões; Controles de inputs, outputs e intertravamento ; Nível de qualidade; Sistemas de controle computadorizados; Identificação dos componentes e subsistemas; etc.

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3. CLASSIFICAÇÃO DOS PROCESSOS. O processamento químico pode ser definido como o processamento industrial de matérias primas químicas, que leva à obtenção de produtos com valor industrial realçado. A operação de todo o processo deve ser realizada a um custo suficientemente baixo para ser competitivo e eficiente e levar à obtenção de lucro. Os processos podem ser classificados da seguinte forma: a. Quanto ao tempo de atuação da transformação. Operação Contínua Na operação contínua o tempo não é uma variável na análise do processo (exceção: parada e partida). As condições operacionais não são constantes ao longo do processo (existem os perfis), porém estas condições devem ser as mesmas em um dado ponto (constantes com o tempo). É necessário o controle do processo para manter as condições operacionais constantes em um dado ponto. É chamado de regime permanente ou estacionário. A Figura 11 exemplifica a variação do comportamento da temperatura no interior de uma serpentina. Observe que a temperatura varia ao longo do comprimento da serpentina, porém, considerando que este processo seja contínuo, este perfil de temperatura se manterá constante em qualquer instante, seja hoje, amanhã ou daqui a alguns anos.

Figura 11. Perfil de temperatura em um determinado processo contínuo.

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Operação Descontínua No processo descontínuo a massa é carregada ao sistema de uma só vez, efetuando-se sobre ela o processo, até que o mesmo se complete totalmente. É também chamado de regime transiente, não estacionário ou não permanente (batelada). Considere como exemplo uma dona de casa fazendo um bolo de chocolate. Ela mistura os ingredientes de uma só vez, coloca o bolo para assar e retira o bolo da assadeira. No dia seguinte ela utiliza a mesma assadeira para fazer um bolo de laranja e realiza o mesmo procedimento. Observe que houve necessidade de interrupção do processo para a mistura de novos ingredientes (poderiam até ser os mesmos ingredientes). b. Quanto à variável que permanece constante durante a transformação. Isotérmico: temperatura constante. Isobárico: pressão constante. Isométrico: volume constante. Adiabático: não existe troca térmica entre o sistema e o meio exterior. Isoentálpico: entalpia constante. Isoentrópico: entropia constante.

c. Quanto a orientação do escoamento. Na indústria de processamento há a necessidade de colocar duas correntes de fluidos em contato. Seja de forma direta, no caso da necessidade da transferência de massa, ou de forma indireta, no caso da necessidade da transferência de energia. As Figuras 12 e 13 representam os dois tipos principais de escoamento, o paralelo (ocorre com os fluidos no mesmo sentido) e o contracorrente (ocorre com os fluidos em sentido contrário). Em geral o escoamento em contracorrente fornece uma maior transferência de massa e de energia.

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Figura 12. Principais tipos de escoamento na indústria de processamento

Figura 13. Representação do escoamento paralelo e em contracorrente em trocadores de calor.

4. EQUILÍBRIO A condição de equilíbrio ocorre quando, para qualquer combinação de fases em um sistema, existe uma condição em que a taxa de troca de energia e massa em um processamento químico é igual a zero. Em qualquer situação do sistema em estado de não-equilíbrio, as propriedades do sistema tendem a adquirir as condições de maior estabilidade, ou seja, as condições de equilíbrio. Esta tendência de atingir o equilíbrio gera uma força motriz ou uma diferença de potencial no sentido de atingir o equilíbrio, conforme a Figura 14.

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Figura 14. Obtenção do equilíbrio. Força Motriz é a diferença entre a condição existente e a condição de equilíbrio e que provoca uma aproximação no sentido da condição de equilíbrio. A Figura 15 representa a obtenção do equilíbrio térmico entre dois corpos. A situação para a obtenção do equilíbrio para dois corpos com diferença de potencial elétrico é semelhante, sendo que a força motriz será a transferência de energia elétrica.

Figura 15. Obtenção do equilíbrio térmico entre dois corpos. Quando duas fases líquidas que não estão em equilíbrio são reunidas, ocorrerá uma transferência de massa análoga à transferência de energia térmica e de energia elétrica. Expressões de equilíbrio para misturas multicomponentes, entre a fase líquida e a fase vapor, ou entre duas fases líquidas com solubilidade parcial de uma na outra, são mais complicadas.

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Apostila - Princípios Básicos Da Indústria Química - Mod -I - IfS - FLGL - 2013

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