Processos Químicos Industriais - Aula 01

PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS AULA 01 Profª Thaís Helena Curi Braga 2 CONVERSA INICIAL São numerosas as opções de trabalho que o Engenheiro de Produção pode vir a assumir Dentro da indústria de processamento químico é importante o conhecimento da terminologia usada nas conversas de chão de fábrica e reuniões de diretoria Economia tendências de produção e alternativas de processo só podem ser avaliadas com uma boa fundamentação sobre fluxogramas de processo e suas variáveis tipos de equipamentos industriais e para que são usados como operam e como são controlados Otimização de energia conversões químicas e impactos ambientais estarão presentes neste estudo Figura 1 Vista de indústria petroquímica Toda linha de processamento químico industrial tem início no papel Essa linguagem simbólica escrita precisa ser conhecida pelo Engenheiro de Produção Ele não irá projetar a unidade industrial mas deverá estar apto a dialogar com os colegas debruçados sobre uma planta industrial Começaremos apresentando essa linguagem simbólica devidamente acompanhada do vocabulário técnico Há o fluxograma de processo no qual equipamentos são ligados em uma linha de produção recebendo matériasprimas e fornecendo produtos intermediários e finais Além disso veremos também a matemática que acompanha o processo em termos de massa e energia denominada balanço de massa e energia 3 Figura 2 Representação isométrica de uma refinaria de óleo Essa mesma linguagem simbólica estará estampada em um monitor de controle de processo Em uma segunda fase de estudo serão apresentadas as operações unitárias termo que define os processos de transformação física tais como moagem evaporação destilação e secagem Para a realização das operações unitárias existem muitos tipos de equipamentos que possibilitam escolhas mais assertivas e rentáveis Para o controle do processo será apresentada uma introdução à instrumentação industrial e sistemas de controle Figura 3 Engenheiros na sala de controle TEMA 1 FLUXOGRAMA DE PROCESSO E OUTRAS REPRESENTAÇÕES A seguir você pode ver novamente o monitor de controle de uma indústria Ele é muito similar ao fluxograma de processo em que equipamentos ou operações unitárias são desenhados de forma padronizada e as tubulações aparecem como linhas de processo unindo os equipamentos Os fluxogramas fazem parte do projeto básico e são acompanhados de planilhas contendo os resultados dos balanços de massa e de energia 4 Figura 4 Monitor de controle de uma planta industrial Repare que o esquema visualizado no monitor é muito similar ao fluxograma básico de projeto de uma unidade de extração de óleo apresentado a seguir no qual foi utilizada a mesma linguagem simbólica para representar equipamentos e tubulações de processo As tubulações recebem uma diferenciação de cores para identificar mais facilmente o material que está sendo transportado Figura 5 Fluxograma de processo de uma unidade de extração de óleo A representação isométrica é uma forma mais detalhada de fluxograma na qual equipamentos e tubulações aparecem em perspectiva 5 Figura 6 Vista aérea de uma indústria petroquímica Figura 7 Modelo 3D de uma refinaria O diagrama de blocos é uma forma simplificada do fluxograma de processo no qual os equipamentos são representados por retângulos e as tubulações são substituídas por setas indicando o sentido do fluxo O diagrama de blocos é suficiente para o desenvolvimento e a análise dos balanços de massa e de energia e será a linguagem simbólica usada para desenvolver os próximos temas Acompanhe no Anexo 1 do material online mais exemplos de fluxogramas de processo representações isométricas e diagramas de blocos Para visualizar melhor uma planta isométrica assista ao vídeo no link httpsyoutubeT8G1SG3WNRs TEMA 2 FUNDAMENTOS 6 Lei da conservação da massa Em qualquer processo físico ou químico não é possível criar ou destruir matéria apenas transformála Conhecida como a Lei de Lavoisier essa afirmação fundamenta desde o estudo das proporções entre reagentes e produtos em reações químicas até a conservação de energia expressa pela Primeira Lei da Termodinâmica Classificação dos processos A maneira como matériasprimas e produtos entram e saem de uma unidade industrial em relação ao tempo de processamento classifica os processos como batelada semibatelada e contínuo A maneira como as variáveis de processo vazão temperatura composição pressão se comportam em relação ao tempo de processamento classifica os processos como estacionários ou transientes A equação geral de balanço de massa A equação geral de balanço fundamentada na lei de conservação da massa expressa matematicamente o que acontece com a quantidade de matéria que atravessa uma unidade de processamento industrial ENTRADA SAÍDA GERAÇÃO CONSUMO ACÚMULO Acompanhe esse assunto mais detalhadamente no Anexo 2 do material online TEMA 3 METODOLOGIA DE CÁLCULO Limites do sistema e correntes de entrada e saída A fim de aplicar a equação geral de balanço de massa em uma unidade de processamento industrial é necessário primeiro definir a parte do processo que será escolhida para estudo O chamado sistema é um conceito da 7 Termodinâmica usado para estabelecer a parte ou o todo de um processo a ser analisado em termos de quantidade de matéria e energia Ele é delimitado por uma linha imaginária chamada fronteira do sistema e os fluxos que atravessam essa linha imaginária conduzindo massa e energia para dentro ou para fora do sistema são as correntes de processo Figura 8 Diagrama de blocos genérico O diagrama de blocos genérico apresentado representa 4 equipamentos ligados em sequência por meio de correntes de processo Podem ser reatores filtros evaporadores secadores bombas de processo etc Cada um desses equipamentos pode ser escolhido para estudo definido pela linha imaginária envolvendoo e demarcando quais as correntes de processo que pertencem a esse sistema nomeadas por uma letra maiúscula O conjunto sistemacorrentes de entrada e saída constitui o chamado volume de controle Assim para o processo ilustrado temos Volume de controle Equipamento Correntes de entrada Correntes de saída Azul 1 A B C Vermelho 2 C D Verde 3 D E F Amarelo 4 F G H I Roxo 1 e 2 A B D A escolha do sistema mais adequado para a resolução de determinado cálculo de balanço de massa é muito importante e depende basicamente das informações conhecidas acerca do sistema e de suas correntes e da possibilidade de prever boas estimativas para as variáveis não conhecidas I 8 Metodologia para resolução de balanço de massa As etapas para a elaboração de um balanço de material podem ser organizadas na seguinte sequência a Desenhe um esquema ou diagrama ilustrativo representando o processo e todas as correntes entrando e saindo dele b Nomeie as correntes de entrada e saída com letras maiúsculas e as respectivas composições c Mostre o volume de controle tomado para estudo pelos limites do sistema usando uma linha tracejada d Defina as correntes e composições conhecidas e desconhecidas e Escreva as relações de balanços de material global e por componente f Selecione uma base de cálculo apropriada g Resolva as equações algébricas resultantes para as quantidades desconhecidas Em várias ocasiões a solução de várias equações simultâneas se torna necessária Deve ser ressaltado que muitas vezes poderá haver mais de uma escolha adequada do sistema e da base de cálculo para um problema em particular Acompanhe no Anexo 3 do material online como chamar as correntes de processo e suas respectivas composições além de como escolher uma base de cálculo TEMA 4 BALANÇO DE MASSA EM ESTADO ESTACIONÁRIO SEM E COM REAÇÃO QUÍMICA Simplificações na equação geral de balanço de massa No estado estacionário ou permanente as variáveis de processo como vazão mássica e composição em fração mássica são constantes com o tempo e o processo não apresenta acúmulo ACÚMULO 0 9 ENTRADA SAÍDA GERAÇÃO CONSUMO 0 Quando não há reação química os termos GERAÇÃO e CONSUMO são cancelados ENTRADA SAÍDA 0 ENTRADA SAÍDA Esse é o caso mais simples de balanço de massa Aplicase a todos os processos contínuos que já passaram da fase de inicialização ou startup e atingiram o estado estacionário de operação Quando um equipamento ou processo industrial inicia sua operação leva certo tempo até que as vazões de alimentação e retirada de produto e suas composições estabilizem em um valor constante Esse intervalo de tempo é chamado inicialização ou startup Vencida essa etapa podese considerar que o processo opera em regime estacionário ou permanente TEMA 5 DESVIO RECICLO E PURGA São três tipos de correntes de processo comumente encontrados na indústria Desvio ou bypass É uma corrente que pula um ou mais estágios de processo e segue diretamente para um estágio posterior Figura 9 Diagrama de blocos com corrente de desvio 10 Reciclo ou feedback Corrente frequentemente encontrada na indústria química Por exemplo em algumas operações de secagem a umidade do ar é controlada por recirculação de parte do ar úmido que deixa o secador Em reações químicas o material que não reagiu completamente é separado do produto e reciclado a fim de reduzir os custos com matériaprima e aumentar o rendimento Na coluna de destilação parte do destilado obtido no topo da coluna retorna como corrente de refluxo a fim de manter a coluna sempre com uma fase líquida no seu interior Figura 10 Diagrama de blocos de produção de biodiesel O óleo de cozinha usado é a matériaprima para a reação de transesterificação com etanol ou metanol para produção de biodiesel Repare no fluxograma acima como o álcool é recuperado por separação nas unidades de processo denominadas remoção do álcool e destilação e desidratação do álcool e reciclado de volta ao reator para a unidade de processo transesterificação multietapas Purga Corrente descartada com o objetivo de remover acúmulo de inertes em processos com reação química ou material não desejado Como exemplo pode se citar a produção de amônia que inclui quatro etapas químicas principais reforma deslocamento metanação e síntese 11 Na quarta reação existe uma corrente de gás de síntese que é uma mistura de hidrogênionitrogênio A corrente de alimentação é misturada com uma corrente de reciclo e alimenta o reator resultando a amônia da reação catalítica No entanto parte do gás de síntese deve ser purgada para evitar acúmulo dos gases inertes argônio e metano Em contrapartida porém essa purga causa perda de hidrogênio objeto de estudo e tentativas de otimização de muitos engenheiros de processo As correntes de desvio reciclo e purga não necessitam de conceitos ou técnicas novas na análise de um problema de balanço de massa São consideradas correntes de entrada ou saída e seguem a mesma metodologia de balanço vista aqui Figura 11 Processo com corrente de reciclo e purga Fonte Himmelblau 2006 Acompanhe esse assunto mais detalhadamente no Anexo 4 do material online NA PRÁTICA Exemplo numérico de aplicação da metodologia de cálculo de balanço para o evaporador 12 Um evaporador de simples efeito operando em regime permanente é usado para concentrar uma solução aquosa de hidróxido de sódio de 10 até 50 de sólidos por meio da evaporação do solvente Para uma alimentação de 100 kgh de solução de NaOH a 10 desenvolva o balanço de massa calculando as correntes de saída do evaporador Os dados do enunciado foram acrescentados ao diagrama ilustrativo É conhecida uma vazão de corrente sendo as outras duas incógnitas justamente o objetivo do cálculo de balanço Quanto às composições note que foi dada a porcentagem de sólidos na alimentação e no produto concentrado A solução aquosa de hidróxido de sódio será descrita em termos de composição como constituída de sólidos neste caso o hidróxido de sódio e água Assim se na alimentação 10 são sólidos os 90 restantes são água para fechar 100 da composição dessa corrente que expressa em fração mássica corresponde a 010 e 090 respectivamente O mesmo raciocínio é válido para a solução concentrada de saída Já a corrente de evaporado é constituída unicamente de água xa AE 100 visto que durante a concentração é o solvente que irá evaporar Substituindo os valores numéricos nas equações de balanço de massa global e balanço de massa para sólidos temse 1 Balanço de massa global 𝑆𝐷 𝐴𝐸 𝑆𝐶 100 𝐴𝐸 𝑆𝐶 2 Balanço de massa para sólidos 𝑆𝐷 𝑥𝑠𝑆𝐷 𝐴𝐸 𝑥𝑠𝐴𝐸 𝑆𝐶 𝑥𝑠𝑆𝐶 13 100010 𝑆𝐶 050 𝑆𝐶 20 𝑘𝑔ℎ Voltando no balanço global 𝐴𝐸 80 𝑘𝑔ℎ Ou seja a fim de concentrar a solução de NaOH de 10 até 50 é necessário evaporar 80 kgh de água e serão obtidos 20 kgh de solução de NaOH a 50 Note que não foi necessário utilizar o balanço de massa para a água Contudo essa equação de balanço pode ser usada para verificar os cálculos efetuados 3 Balanço de massa para água 𝑆𝐷 𝑥𝑎𝑆𝐷 𝐴𝐸 𝑥𝑎𝐴𝐸 𝑆𝐶 𝑥𝑎𝑆𝐶 100090 801 20050 90 90 confere Em processos envolvendo muitas correntes e componentes é usual verificar se o número de incógnitas é igual ao número de equações independentes Os balanços de massa por componente correspondem às equações ditas independentes Observe que nesse exemplo há duas incógnitas AE e SC e duas equações de balanço por componente sólidos e água Duas incógnitas Dois componentes Solução única A base de cálculo é a alimentação de 100 kgh Nesse caso ela era conhecida Em alguns casos haverá a necessidade de se estabelecer uma base de cálculo 100 é um valor muito usual porque pode ser modificado com facilidade em caso de necessidade Imagine se para esse exemplo numérico a base for mudada para 1000 kgh as correntes de saída serão multiplicadas pelo fator 10 igualmente Acompanhe no Anexo 5 disponível no material online um exemplo numérico de balanço de massa em uma coluna de destilação Fique atento à simbologia adotada e como a equação de balanço resulta em uma equação 14 algébrica de resolução simples que permite determinar valores de vazões e composições de correntes desconhecidas a partir de dados conhecidos SÍNTESE A primeira aula de Processos Químicos Industriais introduziu você ao universo dos processos químicos industriais Agora já está familiarizado com a terminologia e a simbologia usadas na análise de processos Sabe o que é um sistema e como é definido para que é usado e como se aplica a equação geral de balanço de massa com as simplificações possíveis a um volume de controle Sabe nomear uma corrente de processo e descrevêla em termos de composição Sabe o que é um fluxograma de processo e um diagrama de blocos e que pode fatiálos em pequenas unidades de processo a fim de realizar balanços de massa Expanda seus conhecimentos lendo os anexos das rotas de aprendizagem e pesquisando o assunto na bibliografia REFERÊNCIAS BRASIL N I Introdução à engenharia química 3 ed Rio de Janeiro Interciência 2013 FELDER R M ROUSSEAU R W Princípios elementares dos processos químicos 3 ed Rio de Janeiro LTC Livros Técnicos e Científicos Editora Ltda 2005 FOUST A S et al Princípios das operações unitárias Rio de Janeiro Guanabara Dois 1982 HIMMELBLAU D M RIGGS J B Engenharia química Princípios e cálculos 7 ed Rio de Janeiro LTC 2006