Aula 1 - Princípios Básicos - 2013

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<p>Qumica Tecnolgica Orgnica</p> <p>Aula 1 - Princpios bsicos da Indstria de Processos Qumicos</p> <p>Prof. Nelson Menegon Junior</p> <p>A indstria qumica brasileiraest entre as 10 maiores do mundo</p> <p>Faturamento lquidoIndstria qumica - 2008Tintas, esmaltes e vernizes US$ 3,0Outros US$ 2,8 Produtos qumicos de uso industrial US$ 61,2</p> <p>Sabes e detergentes US$ 6,3</p> <p>Total: US$ 122 bilhes</p> <p>Defensivos agrcolas US$ 7,0</p> <p>Adubos e fertilizantesUS$ 14,2</p> <p>Higiene pessoal, perfumaria cosmticos US$ 10,4</p> <p>Produtos farmacuticos</p> <p>Ranking da indstria qumica mundialFaturamento lquido - 2007 em US$ bilhesEstados Unidos China 664 388 238 234 143 116</p> <p>AlemanhaJapo Frana Coria</p> <p>Reino Unido Itlia9 posio Brasil ndia Espanha</p> <p>116 106104 92 65</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico1) Importncia da qumica - a cincia bsica sobre que repousam as indstrias de processos qumicos. 2) Funo do engenheiro qumico - aplicar a qumica de um processo particular mediante o uso coordenado de princpios cientficos e de engenharia. Para que esta ao tenha eficincia, necessrio recolher os resultados obtidos pelo qumico, no laboratrio de pesquisa, e introduzi-Ios num processo qumico econmico.</p> <p>3) Preocupaes do engenheiro qumico - est sempre preocupado com os aspectos econmicos da qumica de um processo, avaliando a eficincia operacional das usinas por meio do rendimento e da converso.</p> <p>Etapas de Produo da Indstria QumicaA produo em escala industrial de um produto envolve trs fases:</p> <p>1. Desenvolvimento em laboratrio - estudo detalhado das converses qumicas e das condies fsicas (temperatura, quantidades, catalisadores, etc.) necessrias para sua execuo;2. Desenvolvimento do produto em escala semi-industrial equipamentos que reproduzem o processo planejado converso qumica e operaes fsicas necessrias numa escala bem menor que a industrial. 3. Projeto e implantao do processo em escala industrial.</p> <p>Dados qumicos fundamentais Rendimentos da reao:Moles do produto principal Rendimento percentual = 100 x Moles do produto principal equivalentes desapario completa do reagente mais importante</p> <p>Converso na reao:Converso percentual = 100 x</p> <p>Moles do produto principal Moles do produto principal equivalentes carga do reagente mais importante</p> <p>Ex: Na sntese da amnia a 150 atm e 500. C, o rendimento frequentemente acima de 98% enquanto a converso est limitada pelo equilbrio a 14%, o que significa que 86% da carga no reagem e devem ser recirculados.</p> <p>RENDIMENTO E CONVERSOExemplo:</p> <p>Sntese da amnia, a 150 atm e 500C: Rendimento maior que 98% Converso 14% 1/2 N2 + 3/2 H2 NH3 Recirculao economia do processo equipamentos necessrios</p> <p>REAES QUMICAS REALIZADAS EM CONDIES INDUSTRIAISEXEMPLO: Uma fbrica de fertilizantes produz superfosfato, tratando fosforita, rocha fosftica contendo fosfato de clcio, com 87 % de pureza, pelo cido sulfrico concentrado. Num ensaio realizado, foram misturados 500 kg de fosfato com 255,1 kg de soluo de cido sulfrico, a 98 %, obtendo-se 280 kg de superfosfato., conforme a equao: Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4 2 CaSO4 + CaH4(PO4)2 Pedem-se: a) o reagente-limite; (c. sulfrico). b) o clculo do excesso do outro reagente; ( 9,1%) c) o rendimento (superfosfato em relao ao fosfato de clcio); (85,27%)</p> <p>PROCESSO QUMICO1) O PROCESSO QUMICO INDUSTRIAL a aplicao dos princpios da qumica e da fsica (quando necessrio, apoiadas por outras cincias para a transformao da(s) matria(s)-prima(s) em produtos. 2) A indstria qumica recebe a (as) matria (as) prima (as) e gera produtos; a matria prima pode ser separada em fraes (sem sofrer transformao qumica) ou em outros produtos (sofrendo transformao qumica). 3) Faz o processamento industrial qumico de matrias-primas levando obteno de produtos com valor comercial agregado.</p> <p>PROCESSO QUMICOMATRIASPRIMAS</p> <p>Processo qumicoMO-DEOBRA RECURSOS RESDUOS</p> <p>PRODUTO</p> <p>Etapas do Processo Qumico1. PREPARAO DAS MATRIAS-PRIMAS 2. REAES QUMICAS 3. PURIFICAO DO PRODUTO 4. EMBALAGEM</p> <p>PROCESSO QUMICOMATRIAS-PRIMAS:</p> <p>SLIDOS LQUIDOS SOLUES SUSPENSES GASES</p> <p>PREPARAO</p> <p>PROCESSO QUMICORECURSOS: UTILIDADES: VAPOR ENERGIA ELTRICA GUA TRATADA GASES AR COMPRIMIDO</p> <p> OUTROS RECURSOS: MANUTENO INSTRUMENTAO, ETC.</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico1. Avaliao do mercado - Planejamento de Marketing Sugere a avaliao de estatsticas de crescimento de mercado, localizao dos mercados, durabilidade do produto, tipos de embalagens (transporte grosso), estratgias de vendas e servios ps-venda (estar atento s sugestes dos clientes e instruo aos fregueses do uso correto dos produtos).</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico2. Economia do processo qumicoCUSTO GLOBAL: o custo do processamento no pode ser obtido em definitivo seno quando a fbrica est em operao; O engenheiro qumico experiente, no entanto, pode estim-Io com propriedade depois de a planta ter sido projetada. Na verdade, pode calcul-Io com bastante exatido, a partir do balano de material, do custo dos equipamentos, do custo da matria prima e da estimativa da mo de obra. A maior parte dos erros uma subestimativa das vendas e dos servios de venda, desprezo do capital para financiar as operaes correntes (matria prima e produtos acabados)</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico3. Escolha do processo qumico, projeto e operao Esta etapa envolve anlise para planejamento e operao eficientes das plantas-piloto e de produo, projeto e execuo da planta piloto, definio dos equipamentos, materiais de construo, anlise de durabilidade e corroso no processo, instrumentao e automao do processo, definies de variveis como presses, alto-vcuo, criogenia etc...</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico4) Controle e instrumentao dos processos qumicosUma caracterstica que quase universal na planta qumica moderna a instrumentao indicadora, registradora e controladora das variveis de processo. Em muitas usinas qumicas, as despesas com os instrumentos atinge a 15% da despesa total da instalao. A instrumentao atingiu esta posio eminente graas a expanso dos processos contnuos, ao aumento no custo da mo-de-obra e da superviso e a disponibilidade de todos os tipos de instrumentos e computadores. Os instrumentos servem para registrar temperaturas ou presses e serem utilizados tambm como ferramentas confiveis para controlar e manter as condies operacionais desejveis. A estratgia de controle e monitorao do processo pode ser automatizado ou manual. Na maioria dos processos competitivos, a monitorao, controle e operao em sua, maioria, automatizada e controlada por computador.</p> <p>Importncia da instrumentaoI. Informao instantnea (instrumentos indicadores), para a temperatura, termmetros de mercrio e termopares; para a medio de massa, as balanas convencionais; para a de presso, os manmetros. 2. Registros contnuos, de instrumentos especiais, para registrar a temperatura, a presso, a massa, a viscosidade, a vazo de fluidos, a percentagem de dixido de carbono e muitos outros dados fsicos e qumicos. 3. Automao integral ou controle por computador das diversas variveis de um sistema de processo qumico. Os instrumentos especiais para a manuteno de uma certa presso, ou temperatura, ou pH, ou vazo do material, so dispositivos complicados, porm necessrios. As reaes sensveis, as disposies novas de equipamentos ou os esquemas de controle excepcionalmente complexos constituem sistemas to complicados que praticamente impossvel ao homem conceber ou calcular o comportamento do processo durante a partida ou depois de ser perturbado em relao a condio de estado permanente. A facilidade com que o computado pode ser programado pelo engenheiro, sua velocidade e exatido na resoluo de equaes diferenciais e a viso que ele fornece sobre a natureza do comportamento do processo so as trs maiores razes do sucesso do computador analgico nas indstrias de processamento.</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico5) Funo do controle qumico anlise das matriasprimas afluentes; anlise dos produtos da reao durante a manufatura, isto , controle do processo e anlise dos produtos acabados efluentes.</p> <p>O fabricante qumico deve no s conhecer o carter da matria-prima que est comprando, mas tambm estabelecer especificaes estritas de qualidade, para assegurar a presena mnima, ou a ausncia completa, de certas impurezas indesejveis. Por exemplo, a presena de arsnico no cido empregado para hidrolisar o amido ser deletria, mas tem uma importncia menor quando usado na fabricao de adesivos. Por certo, mais de 90% das matrias-primas das indstrias qumicas so, sensivelmente, compradas na base da anlise qumica.</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico6. Economia do processo qumico Os engenheiros devem sempre estar conscientes dos custos e dos lucros. Na verdade, realizam sequentes estimativas de novos projetos, de expanses ou de obsolescncia, e, neste trabalho, impossvel que no tenham a conscincia dos custos, que constituem parcela da sua obra. Devem estar continuamente em dia com os fatores econmicos que podem afetar seus produtos. Um dos objetivos primrios dos esforos do engenheiro deve ser, fornecer o melhor produto, ou os servios mais eficientes, ao menor custo para o empregador ou para o pblico consumidor. Ateno para: 1) processos competitivos (P&amp;D) ; 2) Balano de massa (rendimentos e converses dos processos qumicos); 3) Energia (movimentao de matrias primas, usada na forma de calor de um vapor ou eletricidade ou aquela desprendida ou absorvida nas reaes qumicas) 4) Mo de Obra (processamento contnuo)</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico7. Localizao da fbrica A definio da localizao inclui a avaliao das matriasprimas envolvidas, transporte e mercado, logstica de suprimentos e distribuio. Outros fatores como energia, gua, disponibilidade de mo-de-obra, custos de terreno, descarte dos rejeitos interferem na escolha da localizao. H tendncia das empresas qumicas abandonarem as cidades congestionadas e instalarem-se em cidades menores ou no campo</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico8. Segurana, avaliao dos riscos para sade ocupacional e meio ambiente No projeto de qualquer processo qumico fundamental a avaliao e minimizao de impactos ambientais e na sade e segurana dos operadores. Existem ferramentas de anlise dos riscos e todo processo deve estar em conformidade com a legislao ambiental. Prever precaues para impedir os incndios ou para combat-los A OSHA uma lei federal para proteger os empregados contra perigos srios provocados por substncias txicas ou provenientes de riscos ainda desconhecidos.</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico9. Construo da fbrica Normalmente, confiada a empresas especializadas em construo de fbricas. Deve-se ter as licenas ambientais.</p> <p>O engenheiro no projeto e implantao do processo qumico10. Melhoria contnua e otimizao de processos Uso das ferramentas da qualidade, buscando maior eficincia nos processos e mo de obra cada vez mais especializada. Os resultados e os benefcios da pesquisa garantem os lucros futuros: processos novos e melhorados, custos mais baixos e preos mais baixos para os produtos, novos servios e novos produtos anteriormente desconhecidos, transformao de materiais raros em materiais comerciais de utilidade prtica, suprimento adequado de substncias anteriormente s obtidas como subprodutos, liberdade dos consumidores locais frente a monoplios estrangeiros, maior pureza dos produtos e produtos com desempenho de maior qualidade, por exemplo, corantes resistentes a luz.</p> <p>CUSTOS DE PRODUO$Receita de vendas (faturamento)</p> <p>Custo total de produoPonto de equilbrio Custos variveis</p> <p>Custos fixos</p> <p>X</p> <p>Quantidade produzida</p> <p>Importncia dos Clculos de Engenharia1) Tcnicas bsicas para expressar os valores das variveis do sistema e estabelecer e resolver as equaes que relacionam estas variveis 2) muito til e muitas vezes essencial escrever tanto o valor quanto a unidade de cada quantidade que aparece em uma equao. 3) Dadas as quantidades de matria prima, deve-se estimar as quantidades dos produtos.</p> <p>Converso de unidades1) Uma quantidade medida pode ser expressa em termos de quaisquer unidades que tenham a dimenso apropriada. Uma determinada velocidade, por exemplo, pode ser expressa em ft/s, milhas/h, cm/ano ou qualquer outra razo entre uma unidade de comprimento e uma unidade de tempo. 0 valor numrico da velocidade, naturalmente, depende das unidades escolhidas. A equivalncia entre duas expresses da mesma quantidade pode ser definida em termos de uma razo. Exemplo: a razo 1 cm / 10 mm conhecido como fator de converso. Para converter uma quantidade expressa em termos de uma unidade ao seu equivalente em termos de outra unidade, multiplique a quantidade dada pelo fator de converso (unidade nova/unidade velha). Por exemplo, para converter 36 mg ao seu equivalente em gramas, escreva: (36 mg) X (1 g / 1000 mg) = 0,036 g. Para converter uma quantidade com uma unidade composta [por exemplo, milhas/h, cal/(gC)] ao seu equivalente em termos de um outro conjunto de unidades, deve-se montar uma equao dimensional: escreva a quantidade dada e as suas unidades esquerda, escreva as unidades dos fatores de converso que cancelam as velhas unidades e as substituem pelas desejadas, preencha os valores dos fatores de converso e realize as operaes aritmticas indicadas para achar o valor desejado. Exemplo: converter uma acelerao de 1 cm/s2 em seu equivalente em km/h2.</p> <p>2) 3)</p> <p>4)</p> <p>Sistemas de UnidadesComponentes do sistema de unidades:1) Unidades bsicas: massa, comprimento, tempo e temperatura. 2) Unidades de mltiplo: so definidas como mltiplos ou fraes das unidades bsicas, como minutos, horas e milissegundos, todos definidos em termos da unidade bsica, o segundo. As unidades de mltiplo so definidas mais por convenincia do que por necessidade: simplesmente mais conveniente nos referirmos a 3 anos do que a 94.608.000 s. 3) Unidades derivadas: so obtidas de duas maneiras: (a) multiplicando ou dividindo unidades bsicas ou de mltiplo (cm2, ft/min, kg.m/s2, etc.). Unidades derivadas deste tipo so chamadas de unidades compostas. (b) definindo equivalentes de unidades compostas (por exemplo, 1 dina = 1 g.cm/s2, 1 lbf = 32,174 lbm.ft/s2).</p> <p>Sistemas de Unidades1) Sistema Intemacional de Unidades ou SI: tem ganho ampla aceitao na comunidade cientfica e de engenharia porque simplifica. As principais unidades de interesse para a engenharia qumica so o metro (m) para comprimento, o quilograma (kg) para massa e o segundo (s) para tempo.Observao: no SI, usam-se prefixos para indicar potncias de 10. Os mais usados e as suas abreviaes so mega (M) para 106 (1 megawatt = 1 MW = 106 watts), quilo (k) para 103, centi (c) para 10-2, mili (m) para 10-3, micro () para 10-6 e nano (n) para 10-9. Os fatores de converso entre centmetros e metros so, portanto, 10-2 m/cm e 102 cm/m. 2) Sistema CGS quase idntico ao SI; a principal diferena entre eles que gram...</p>