noÇÕes sobre processos quÍmicos (1) 19 de setembro de 2006
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NOÇÕES SOBRE PROCESSOS QUÍMICOS (1)NOÇÕES SOBRE PROCESSOS QUÍMICOS (1)
19 de setembro de 2006
1. PRIMEIROS CONCEITOS 1.1. Engenharia Química e Sociedade 1.2. Sistema 1.3. Processo Químico 1.4. Corrente
(a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes
1.5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos
1. PRIMEIROS CONCEITOS
1.2 Sistema 1.3 Processo Químico 1.4 Corrente
(a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes
1.5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos
1.1 Engenharia Química e Sociedade
SOCIEDADESOCIEDADE
INDÚSTRIA
Principais Segmentos
COMÉRCIO BANCOS
ENERGIA TRANSPORTE
CONSTRUÇÃO
EDUCAÇÃO
COMUNICAÇÕES
AGRICULTURA
SAÚDE
1.1 Engenharia Química e Sociedade
Segmento de interesse profissional do Engenheiro Químico ?
INDÚSTRIAINDÚSTRIA
Segmento responsável por transformações e produção de bens.
Ramo da Indústria de maior interesse para o Engenheiro Químico ?
QUÍMICA
MECÂNICA CIVIL
NAVAL ALIMENTOS
SIDERGÚRGICA
TÊXTIL ELETRO-ELETRÔNICA
FARMACÊUTICA
Ramos da Indústria
POLÍMEROS CORANTES
TINTAS E VERNIZES
PETRÓLEO
VIDRO
SABÃO E DETERGENTES
INDÚSTRIA QUÍMICAINDÚSTRIA QUÍMICA
Ramo da Indústria responsável pela produção de produtos químicos. É constituída por empresas que vendem os seus produtos à população ou a outras empresas (intermediários).
CONTABILIDADE VENDAS
RECURSOS HUMANOS
DIRETORIA
SEGURANÇAMANUTENÇÃO
EMPRESA QUÍMICAEMPRESA QUÍMICAOrganização formada com a finalidade de produzir um ou mais produtos de forma lucrativa. Compreende diversos setores.
PLANTA INDUSTRIAL
Setor da Empresa de interesse mais imediato do Engenheiro Químico ?
PLANTA INDUSTRIALPLANTA INDUSTRIALInstalação física onde ocorre a transformação da matéria prima no produto de interesse.
Transformação complexa que exige diversas etapas.
O conjunto das etapas constitui o Processo Químico
Matéria Prima ProdutoProcesso Químico
Planta Industrial
O Engenheiro Químico é o profissional responsável pela concepção doprocesso químico, pelo projeto e pela operação da planta industrial e pelo funcionamento rentável da Empresa.
MatériaPrima
Produto
PLANTA INDUSTRIAL
ENGENHARIA: aplicação de conhecimentos científicos e tecnológicosà construção e operação de artefatos, engenhos, dispositivos e instalações, genericamente chamados de sistemas, destinados ao bem-
estar do homem.
O termo se aplica a : - sistemas baseados em fenômenos naturais: mecânica, elétrica, química.- sistemas ligados a organização e métodos: produção, computação, etc.
ENGENHARIA QUÍMICA
ENGENHARIA QUÍMICARamo da Engenharia em que:Sistema: instalação que transforma matérias primas em produtos.Fenômenos explorados: reação química, absorção, evaporação, condensação, compressão, expansão, aquecimento, etc.
ENGENHARIA QUÍMICA
O Engenheiro Químico é o profissional responsável pela concepção doprocesso químico, pelo projeto e pela operação da planta industrial e pelo funcionamento rentável da Empresa.
1. PRIMEIROS CONCEITOS1.1 Engenharia Química e Sociedade
1.3 Processo Químico 1.4 Corrente
(a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes
1.5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos
1.2 Sistema
1.2 SISTEMA
(c ) a finalidade do conjunto é a execução de uma ação mais complexa do que a de qualquer um dos elementos (tarefa).
Denominação genérica aplicada a organismos, dispositivos ou instalações, com as seguintes características:
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(a) conjuntos de elementos interdependentes.
(b) cada elemento é capaz de executar uma ação específica (sub-tarefa)
que tanto podem ser concretos como abstratos.
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Sistemas são formados por elementos e conexões
Possuem uma Finalidade
que tanto pode ser estabelecida como apenas constatada homem.
Processo Químico
Eco - SistemasCorpo HumanoEstabelecida pelo homem Sistemas Econômicos
Constatada pelo homem
ABSTRATOSCONCRETOSFINALIDADE
Abrangência do Conceito de Sistema
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ENGENHARIA DE SISTEMAS Campo do conhecimento que estuda Sistemas independentemente da natureza dos seus elementos. Desenvolve técnicas matemáticas poderosas de aplicação geral, a todosos ramos da Engenharia.
1. PRIMEIROS CONCEITOS1.1 Engenharia Química e Sociedade
1.2 Sistema 1.4 Corrente
(a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes
1.5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos
1.6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos
1.3 Processo Químico
1.3 PROCESSO QUÍMICO
Elementos: equipamentos.Conexões: correntes.Finalidade: transformação de uma matéria prima num produto de interesse comercial, de forma econômica, segura, limpa e em escala industrial.
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Matéria Prima Produto
Pode ser considerado um tipo de Sistema
Vantagem: a Engenharia Química pode se beneficiar dos procedimentos desenvolvidos pela Engenharia de Sistemas para estudar os Processos Químicos de maneira formal e eficiente.
Conhecendo o sistema Processo Químico
1.1 PRIMEIROS CONCEITOS1. 1 Engenharia Química e Sociedade
1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico
(a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes
1. 5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos
1. 6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos
1.4 Corrente
Substância ou mistura em trânsito de um equipamento para outro ouentrando ou saindo do processo através de um duto ou esteira.
1.4 CORRENTE
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Matéria Prima Produto
As correntes são as conexões do sistema Processo Químico.
(a) Correntes Típicas em Processos
alimentação saída
reciclo
reciclo
reposição“make up”
purga
desvio“by pass”
alimentação saída
reciclo
reciclo
reposição“make up”
purga
desvio“by pass”
Entrada da matéria prima
alimentação saída
reciclo
reciclo
reposição“make up”
purga
desvio“by pass”
Desvia uma fração de uma corrente
saídaalimentação
reciclo
reciclo
reposição“make up”
purga
desvio“by pass”
Saída do produto
reciclo
reciclo
alimentação saída
reposição“make up”
purga
desvio“by pass”
Reaproveitamento de um excesso de reagente
Reaproveitamento de um solvente
purga
alimentação saída
reciclo
reciclo
reposição“make up”
desvio“by pass”
Evita o acúmulo de algum inerte que acompanha o reagente.
reposição“make up”
alimentação saída
reciclo
reciclo
purga
desvio“by pass”
Reposição de solvente perdido com o produto na saída ou com o inerte na purga
(b) Variáveis Características de Correntes
Correntes são constituídas de substâncias puras ou de misturas
- pressão e temperatura: afetam as propriedades físicas e a velocidade de reação.
- quantidade de matéria (armazenada, escoando, reagindo…), expressa em gmol, lbmol, g, kg, ton, lbm, slug…
Variáveis características das substâncias
- estado físico: sólido, líquido, gás, vapor.
- densidade: quantidade de matéria por unidade de volume ocupado, expressa em g/cm3, lbm/ft3, g/l, …
- capacidade calorífica: quantidade de calor necessária para elevar a unidade de massa de um grau . Expressa em cal/g oC , BTU/lb oF
- viscosidade: indicador da resistência ao escoamento, expressa em poise.
Variáveis características de misturas
- frações- concentração- propriedades de misturas
Fração mássicaPara uma mistura de n componentes, cada um com a massa mi:
- massa total: m = mi
- fração mássica do componente i: xi = mi/m (adimensional)Pela definição de xi: xi = (mi/m)= (1/m) mi= 1Fração molarPara uma mistura de n componentes, cada um com ni mol:
- mol total: n = ni
- fração molar do componente i: xi = ni/n (adimensional)Pela definição de xi: xi = (ni/n)= (1/n) ni= 1
Frações
Fração volumétricaPara uma mistura de n componentes, cada um ocupando o volume vi :
- volume total: V = vi
- fração volumétrica do componente i: xi = vi/V (adimensional)Pela definição de vi: xi = (vi/V)= (1/V) vi= 1
Representa a quantidade de um soluto por unidade de volume de um solvente ou da solução (mistura).
- Molar : mol de soluto/volume de solução [gmol/l, gmol/m3, lbmol/ft3
(molaridade)
Concentração
- Mássica: massa de soluto/volume de solução [g/l, kg/m3 , lb/ft3,…
Correntes: Substâncias e Misturas em Trânsito
Vazão: quantidade de matéria transportada por unidade de tempo.
- Mássica - Por componente: fij = massa de i na corrente j/tempo [kg i/h]
- Total: Fj = fij [kg/h]- Molar - Por componente: fij = mol de i na corrente j/tempo [kmol i/h]
- Total: Fj = fij [kmol/h]- Volumétrica - Por componente: fij = volume de i na corrente j/tempo [m3 i/h]
- Total: Fj = fij [m3/h]
Além das propriedades inerentes às substâncias puras e às misturas(estado físico, densidade, capacidade calorífica, viscosidade, pressão,temperatura, composição)a corrente é caracterizada pela sua vazão.
1. PRIMEIROS CONCEITOS1. 1 Engenharia Química e Sociedade
1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico 1. 4 Corrente
(a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes
(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos
1. 6 Representação de Processos (a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos
1.1.5 Equipamento
Ambiente especialmente projetado para abrigar fenômenos naturais, provocados de forma controlada, sediando uma das etapas de um processo químico .
1. 5 EQUIPAMENTO
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Matéria Prima Produto
Os equipamentos são os elementos do sistema processo químico.
Principais Equipamentos e Operações Típicas Realizadas
Reação: transformação química da matéria prima no produto. Realizada em diversos tipos de reatores.
Separação: consiste em separar o produto principal da reação dos sub-produtos e de resíduos dos reagentes, bem como impurezas dos reagentes.Realizada em diversos tipos de separadores.Integração Material e Energética: Movimentação material de reagentes, produtos e sub-produtos, executada por bombas, compressores e sistemas de tubulações. Fornecimento e remoção de energia dos equipamentos, executado por trocadores de calor, fornos e caldeiras.Controle: Manutenção do processo em condições operacionais estáveis e seguras, corrigindo perturbações, garantindo a qualidade do produto e a segurança da instalação. Executado por instrumentos de medição e controladores.
Reação
Transformação química da matéria prima no produto.
Realizada em diversos tipos de reatores.
REATOR TANQUE AGITADOOperação em batelada ou contínua
REATOR TUBULAR
Separação
Consiste em separar o produto principal da reação dos sub-produtos e de resíduos dos reagentes, bem como impurezas dos reagentes.
Realizada em diversos tipos de separadores.
TORRE DE DESTILAÇÃO
Torre ou Colunade Destilação
Prato ou Bandeja
Torre ou Colunade Absorção
EVAPORADOR
EXTRATOR
extrato = solvente + soluto
rafinado = solução “empobrecida” do soluto.
Tanque de decantação
solução comsoluto
Tanque de Mistura
solvente
Integração Material e Energética
Movimentação material de reagentes, produtos e sub-produtos, executada por bombas, compressores e sistemas de tubulações.
Fornecimento e remoção de energia dos equipamentos, executado por trocadores de calor, fornos e caldeiras.
BOMBA
TROCADOR (PERMUTADOR) DE CALOR
WQ, TSQ
WF, TEF
Corrente Quente
CorrenteFria
WQ, TEQ
WF, TSF
Tanque de Mistura
Ponto de Mistura Bifurcação
(b) Variáveis características de equipamentos
- Relativas ao tamanho: comprimento (de um tubo), altura (de uma torre), diâmetro (de um tanque esférico), área superficial (de um tubo), volume (de um tanque).
- Relativas às condições de operação: pressão, temperatura (no interior do equipamento).
- Relativas ao consumo de energia: potência (energia consumida por unidade de tempo para mover partes de equipamentos como bombas, compressores e agitadores).
- Relativas ao número de itens: número de estágios de uma coluna de destilação, número de equipamentos de uma bateria.
1. PRIMEIROS CONCEITOS1.1Engenharia Química e Sociedade
1. 2 Sistema 1. 3 Processo Químico 1. 4 Corrente
(a) Correntes Típicas em Processos (b) Variáveis Características de Correntes
1. 5 Equipamento(a) Principais Equipamentos de Processos(b) Variáveis Características de Equipamentos
(a) Fluxogramas (b) Modelos Matemáticos
1. 6 Representação de Processos
1. 6 REPRESENTAÇÃO DE PROCESSOS
Processos podem ser representados de duas formas: fluxogramas e modelos matemáticos.
FluxogramaRepresentação gráfica visual em que aparecem os equipamentos e ascorrentes do processo na sequência do processamento.
Modelo MatemáticoRepresentação matemática dos fenômenos que se passam nos equipamentos que permite obter informações de natureza quantitativa.
Exemplo de Fluxograma (1):
PROCESSO
Fonte de A
R A
I
A IA B C
Destino de I
S
A
B
Destino de B
S1
C
Destino de C
B C S1S2B
Produto Principal
Impureza
Matéria Primareciclo
sistema de separação
Sub-Produto
A,I
Remoção prévia da Impureza I presente na fonte de A, pelo Separador S.Formação do Produto Principal B e do Sub-Produto C no Reator R.Separação do resíduo do reagente A pelo Separador S1 e seu Reciclo.Separação do produtos B e C pelo Separador S2.
Processo de produção de B a partir de A pela reação A B + C.A é acompanhado de uma impureza I indesejada na reação.
Exemplo de Fluxograma (2)
Processo de recuperação do ácido benzóico de uma corrente aquosa diluída, por extração com benzeno (Rudd & Watson).
A solução aquosa é alimentada a um extrator que recebe benzeno como solvente.
O rafinado do extrator é descartado. O extrato é enviado a um evaporador onde é concentrado por evaporação do benzeno. O concentrado é o produto do processo.
O benzeno evaporado é reciclado ao extrator, passando sucessivamente por um condensador, um resfriador e um misturador, onde recebe corrente de reposição (“make up”).
W6
T6
W10 T10
W13 T13 W11
T11
W8
T8
W1
x11
T1
f11
f31
W7 T7
W5 T5
W3 x13
T3 f13 f23
W4 x14
T4 f14 f24
W12 T12
W12 T12
W14 T14
W2
x12
T2 f12 f32
EXTRATOR
Extrato
Rafinado
EVAPORADOR
CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR
BOMBA
1
2
3
4
5
67
8
9
10
11
12
13
14
15
Vd Ae
AcAr
Alimentação
Vapor
ÁguaÁgua
Benzeno
Benzeno
Produto
Condensado
W15 T15
Modelo Matemático
Representação matemática dos fenômenos que se passam nos equipamentos.
Permite obter informações de natureza quantitativa (“bola de cristal)”.
São sistemas de equações algébricas do tipo: f (x1, x2, …, xn) = 0
Exemplo de Modelo Matemático (Extrator do processo anterior)
01. Balanço Material do Ácido Benzóico:f11 - f12 - f13 = 0
02. Balanço Material do Benzeno:W15 - f23 = 0
03. Balanço Material da Água:f31 - f32 = 0
04. Relação de Equilíbrio Líquido-Líquido:f13 - k (f23/f32) f12 = 0
05. Balanço de Energia:(f11 Cp1 + f31 Cp3) (T1 - T2) + W15 Cp2l (T15 - T2) = 0
06. Equilíbrio Térmico no Decantador:T2 - T3 = 0
07. Equação de Dimensionamento:Vd - (f11 /1 + W15/2 + f31/3) = 0
08. Fração Recuperada de Ácido Benzóico:r - f13/f11 = 0
W6 =8.615 kg/hT*
6 = 150 oC
W10 =36.345 kg/hT*
10 = 80 oCW13 = 36.345 kg/hT13 = 25 oC
W11 = 59.969 kg/hT*
11 = 15 oCW8 = 228.101 kg/hT*
8 = 15 oC
W*1 = 100.000 kg/h
x*11 = 0,002
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/hf31 = 99.800 kg/h
W7 = 8.615 kg/hT*
7 = 150 oC
W5 = 36.345 kg/hT*
5 = 80 oC
W3 = 37.544 kg/hx13 = 0,002
T3 = 25 oCf13 = 120 kg/hf23 = 37.424 kg/h
W4 = 1.200 kg/hx*
14 = 0,1
T4 = 80 oCf14 = 120 kg/hf24 = 1.080 kg/h
W12 = 59.969 kg/hT*
12 = 30 oCW12 = 228.101 kg/hT*
12 = 30 oC
W14 = 1.080 kg/hT*
14 = 25 oC
W2 = 99.880 kg/hx12 = 0,0008
T2 = 25 oCf12 = 80 kg/hf32 = 99.800 kg/h
EXTRATOR
Extrato
Rafinado
EVAPORADOR
CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR
BOMBA
1
2
3
4
5
67
8
9
10
11
12
13
14
15
Vd = 11.859 l
*= 0,0833 h
r* = 0,60
Ae = 124 m2
Ac = 119 m2Ar = 361 m2
Dimensionamento
W15 = 37.425 kg/hT13 = 25 oC