Processos Químicos Industriais Inorgânicos - Indústria do Cimento, Siderurgia e Ácidos

PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS AULA 5 Prof Marcos Baroncini Proença 2 CONVERSA INICIAL Até aqui foram apresentados fundamentos dos processos químicos industriais desde sua definição depois dos tipos de processos e suas formas de representação instrumentação e tipo de controle usados nas suas plantas industriais iniciando assim a construção do saber nessa importante área do conhecimento Depois foram apresentados os conceitos envolvidos no balanço de massa de um processo químico industrial e apresentaremos aqui exemplos aplicados Apresentamos também conceitos termodinâmicos e os conceitos de balanço de energia incluindo exemplos de aplicações Além disso tratamos dos processos químicos industriais orgânicos em que destacamos a petroquímica de tintas e vernizes farmacêutica plásticos e de bebidas Trataremos aqui dos processos químicos inorgânicos em que diversas indústrias de processos químicos estão inseridas sendo que especificamente apresentaremos a indústria do cimento siderúrgica indústria do nitrogênio fósforo e potássio indústria do cloro e soda e indústria de ácidos inorgânicos sulfúrico e clorídrico Novamente reforçamos a importância de que se desenvolva esse conhecimento para ter boas chances de crescimento profissional nesta importante área industrial 3 Figura 1 Planta industrial química inorgânica Crédito Juan Enrique del BarrioShutterstock TEMA 1 INDÚSTRIA DO CIMENTO Embora já no Egito fosse usada uma mistura de cinza e argila na construção das pirâmides os protagonistas do uso do cimento foram os gregos e os romanos ao usarem uma massa obtida pela hidratação de cinzas de solos vulcânicos que endureciam depois de misturados com a água originados da ilha grega de Santorini e da cidade italiana de Pozzuoli na construção de monumentos como o Coliseu 72AC e o Panteon 27AC Foi apenas em 1756 que John Smeaton criou uma argamassa calcinada de alta resistência para a construção do farol de Eddystone em 1756 Posteriormente James Parker descobriu em 1791 e patenteou em 1796 um cimento com o nome de cimento romano que era composto por sedimentos de rochas vulcânicas da ilha de Sheppel e por fim o engenheiro francês Louis José Vicat em 1818 considerado o inventor do cimento artificial conseguiu um resultado semelhante ao de John Smeaton após misturar e queimar calcário e argila 4 Figura 2 Louis Jose Vicat Crédito Fondation Vicat O processo de fabricação do cimento segue as seguintes etapas extração do calcário e argila britagem préhomogeneização dosagem moagem da farinha crua homogeneização clinquerização nos fornos resfriamento mistura com aditivos moagem do cimento armazenamento e expedição 5 Figura 3 Fábrica de cimento Crédito leungchopanShutterstock A extração do calcário e de argila ocorre pela mineração em pedreiras de rochas e por escavação em solos argilosos Já no processo de mineração as rochas são trituradas até o tamanho de grão desejado no processo de britagem que consiste na quebra das rochas em um conjunto de trituradores sendo normalmente iniciado em um triturador de mandíbula e depois seguindo para trituradores de rolo e de martelo O controle dos tamanhos de grãos é realizado por processos de peneiramento em peneiras vibratórias que se movimentam verticalmente ou peneiras oscilatórias que se movimentam horizontalmente Tanto o calcário oriundo da britagem quanto os diversos tipos de argila seguem para silos de armazenagem de onde serão retirados em proporções estabelecidas estequiometricamente de acordo com as necessidades do tipo de cimento que será produzido Eles seguirão para silos de préhomogeneização e então para moinhos de bolas onde serão proporcionados e sofrerão o processo de moagem até a pulverização gerando a chamada farinha crua Depois seguirá para silos de armazenamento de farinha crua onde serão homogeneizados visando a obtenção da composição química adequada ao tipo de cimento que se irá produzir por meio do uso de balanças dosadoras A farinha crua homogeneizada 6 seguirá então para as torres de précalcinação e em seguida para o forno de clinquerização onde será produzido o clínquer Na torre de précalcinação são retirados todos os materiais orgânicos e a umidade presente na argila e calcário que podem interferir na produção do clinquer No forno de clínquer que é um forno rotatório pelo processo de rotação e calcinação a temperaturas em torno de 1450 oC será produzido o clínquer que é o materialbase da produção do cimento constituído basicamente de silicatos em maior porcentagem e de aluminatos e ferroaluminatos cálcicos em menor porcentagem Esse clinquer segue para o processo de resfriamento até uma temperatura em torno de 150 oC em um sistema de grelhas composto por uma parte de gralhas fixas e uma parte de grelhas móveis sobrepostas através das quais passa ar soprado por ventiladores que se localizam em câmaras abaixo do sistema de grelhas Esse clinquer resfriado segue então para o depósito de clinquer Deste depósito o clinquer seguirá em esteiras para o processo de moagem de cimento onde sofrerá adição de gesso da escória de altoforno siderúrgico e do próprio calcário proporcionados estequiometricamente por balanças dosadoras para conferir as propriedades desejadas para o cimento a ser produzido Cabe aqui elucidar que o gesso tem a função de controlar o tempo de pega ou seja retardar o início do endurecimento do clínquer moído em contato com a água A escória de altoforno substitui a cinza pozolânica para a produção do cimento Portland e o calcário atua como carga e aglomerante do cimento No processo de moagem do cimento o clínquer e aditivos sofrem moagem em um moinho de bolas onde são homogeneizados e pulverizados até a granulometria especificada para o cimento Após a moagem o cimento é impulsionado por sopradores de ar para silos de armazenagem de cimento de onde seguirão para a expedição a granel ou para ensacamento e expedição 7 Figura 4 Fluxograma de processo de fabricação do cimento Crédito Smile Ilustras TEMA 2 INDÚSTRIA SIDERÚRGICA 21 Breve histórico Embora o aço já venha sendo produzido a cerca de 4500 anos pela humanidade quando foi substituindo o bronze na confecção de ferramentas e armas por apresentar maior dureza e resistência ao desgaste foi na Revolução Industrial que ocorreu o desenvolvimento dos processos de produção em escala pelo desenvolvimento de fornos que permitiram o processamento do minério de ferro para transformálo em aços e ferros fundidos conferindo propriedades de resistência ao desgaste muito importante na época e posteriormente resistência ao impacto e à corrosão O maior avanço neste processamento levando ao processamento dos dias de hoje ocorreu em 1856 quando o engenheiro metalúrgico inglês Henry Bessemer descobriu uma forma eficiente de remover as impurezas e reduzir o teor de carbono presente no ferro pelo processo de oxidação soprando ar através do ferro gusa fundido Pelo contato com o oxigênio o silício Si o manganês Mn e o carbono C sofrem oxidação e precipitam formando a escória que fica sobrenadante sendo que abaixo estará o ferro fundido ou o 8 aço com teor de carbono determinado estequiometricamente Esse processo desenvolvido por Bessemer permitiu uma revolução na produção do aço e dos ferros fundidos reduzindo significativa em seus custos e permitindo uma produção em grande escala Figura 5 Henry Bessemer Crédito TimofeeffShutterstock 9 Figura 6 Conversor Bessemer Crédito Magnus BinnerstamShutterstock Posteriormente em 1877 Sidney Gilchrist Thomas e seu primo Percy Carlyle Gilchrist aprimoraram o processo de conversão Bessemer e patentearam o processo por conversor ThomasGilchrist que difere do conversor Bessemer pelo tipo de revestimento refratário Esse diferencial foi de extrema importância pois ao usar dolomita cozida com alcatrão que é um revestimento básico enquanto o revestimento do conversor Bessemer era de areia tratada ácido permitiu obter um aço de qualidade satisfatória e também fosfatos usados nos fertilizantes pela migração do fósforo para a escória Isso possibilitou a exploração do minério de ferro com alto teor de fósforo que é o mais abundante levando a uma rápida expansão da indústria do aço fora do Reino Unido e dos Estados Unidos 10 Figura 7 Sidney Gilchrist Thomas Crédito CCPD Figura 8 Percy Carlyle Gilchrist Crédito The Royal Society 11 Figura 9 Conversor ThomasGilchrist Crédito HalawiShutterstock Esse processo foi gradualmente sendo substituído pelo processo de conversão no forno SiemensMartin que foi criado pelo metalurgista francês Pierre Martin e posteriormente otimizado e desenvolvido pelo engenheiro e físico Wilhelm Siemens em 1865 Esse processo foi uma adaptação de um forno regenerativo a gás que era usado na indústria do vidro e tinha como principal vantagem comparativamente ao processo de conversão ThomasGilchrist de utilizar grandes quantidades de sucatas de aço que já eram abundantes nesta época cuja porcentagem no processo chegava facilmente a atingir 50 diminuindo assim consideravelmente o custo da produção 12 O forno SiemensMartin é composto de uma soleira construída de refratário de natureza básica acima da qual no nível mais elevado do solo estão situadas as portas de carregamento Sob a soleira encontramse os regeneradores também chamados de recuperadores que são constituídos de um empilhamento de tijolos refratários alojados em câmaras retangulares cuja função é absorver o calor dos gases queimados para preaquecer a mistura ar e gás combustível Abaixo das extremidades dos fornos se situam as câmaras de escória onde são acumuladas as poeiras e gotas solidificadas de escória que são arrastadas pelos gases No processo de conversão no forno Siemens Martin uma carga de material composto de sucata e ferro gusa é aquecida por uma mistura gás combustível e ar ambos previamente aquecidos em regeneradores Os queimadores de gás dispostos lateralmente no sentido longitudinal do forno aquecem a mistura combustível e ar que é insuflado para o forno o qual chega a atingir uma temperatura de vazamento de aproximadamente 1650 C Figura 10 Wilhem Siemens Crédito Sr Van der WeydeCCPD 13 Figura 11 PierreEmileMartin Crédito CCPD Figura 12 Forno de Conversão SiemensMartin Fonte CCPD O conversor SiemensMartin foi o principal forno utilizado nas aciarias até a década de 60 quando começou a perder espaço para os conversores Linz Donawitz conhecidos como conversores LD que tiveram seu início em 1952 1953 nas aciarias austríacas de Vöest Linz e Donawitz Nesse processo uma lança vertical resfriada a água entra em um convertedor em forma de cadinho 14 gigante e injeta um jato de oxigénio puro na superfície do aço fundido Foi criado para trabalhar com gusas de baixo teor em fósforo com um grande êxito Porém para gusas de elevado teor em fósforo apresentou problemas referentes a migração do fósforo para a escória Para resolver esse problema foi criado o processo de conversão LDAC pelo desenvolvimento em colaboração entre sociedade ARBED de Luxemburgo Aciéries Réunies de BurbachEich Dudelange e o Centre National de Recherches Metallurgiques da Bélgica Nesse processo ocorre a injeção de cal em pó juntamente com o jato de oxigénio sendo que a cal atinge o local onde ocorrem as reações de oxidação do metal e gera um efeito desfosforizante levando a maior parte do fósforo para a escória No processo de conversão no forno LDAC uma carga de material composto de ferro gusa fundido sucata e minério de ferro são alimentados no conversor na forma de cadinho e uma lança refrigerada a água injeta oxigênio puro a uma pressão de 4 a 12bar com cal Ocorre então a oxidação do carbono e silício presentes no ferro gusa e no minério de ferro de alimentação gerando uma grande energia e elevando a temperatura Na região de oxidação este processo atinge temperaturas entre 2500 ºC e 3500ºC o que pode gerar danos aos refratários do conversor compostos de óxido de cálcio e óxido de magnésio A sucata age sobre esta temperatura a arrefecendo e assim protegendo os refratários A cal atua não só como desfosforizante mas também como fundente e como agente para a precipitação do manganês e do silício para a escória Nesse conversor também podem ser adicionados ao final do processo de fundição elementos de liga como cobre níquel cromo tungstênio e outros para fabricar aços especiais Hoje esse tipo de conversor está presente em mais de 50 da produção mundial de aço 15 Figura 13 Conversor LD Crédito LestertairShutterstock Outra opção para a produção de metais na siderurgia é o uso de forno de arco elétrico que foi desenvolvido pelo químico francês Ferdinand Frédéric Henri Moissan em 1892 O forno a arco elétrico tem uma carcaça revestida com refratários abóbada móvel porta de escória um canal de vazamento três eletrodos de grafite que operam com tensões de 900 a 1300 V e um sistema de queimadores e injetores O arco elétrico aquece o minério a sucata e o ferro gusa a temperaturas de 4100 C levando à fusão e gerando uma liga metálica homogênea Apresenta muitas vantagens com relação aos conversores anteriores das quais se destacam o uso mais eficiente e sustentável de energia pois o arco gerado pela corrente elétrica é mais eficiente no processo de fundição do que a queima de combustíveis fósseis usados nos conversores além de ser mais sustentável Também produz ligas metálicas de alta qualidade e homogeneidade e pode ser aplicado para todos os tipos de metais No caso dos aços o forno elétrico é alimentado com sucata minério de ferro ferro gusa e fundentes sendo que após a alimentação a abóbada móvel é fechada e os eletrodos de grafite são alimentados com corrente elétrica gerando um arco voltaico Os queimadores a gás e injetores de oxigênio são usados para auxiliar na fusão e 16 para proteger o revestimento de refratários bem como auxiliar na remoção de impurezas que precipitarão para a escória Hoje cerca de 28 da produção mundial de aço é feita com esse tipo de forno que é também usado na reciclagem de metais Figura 14 Ferdinand Frédéric Henri Moissan Crédito NeftaliShutterstock Figura 15 Forno a arco elétrico Crédito Andrey RadchenkoAlamyFotoarena 17 22 Processo industrial O processo siderúrgico inicia com a produção do ferro gusa O minério de ferro extraído de minas subterrâneas ou a céu aberto é transformado em pelotas sínter por um processo de sinterização e o carvão mineral é transformado em coque em uma coqueria para aumentar o rendimento do processo Esse minério de ferro sinterizado o coque e as pedras de calcário são alimentados ao altoforno Figura 16 Alimentação do altoforno e produção do ferro gusa Crédito KrylovochkaShutterstock No alto forno pela injeção de ar aquecido a 1200 oC o qual é soprado da parte inferior do forno para a superior junto com coque pulverizado o carvão presente no coque sofrerá oxidação produzindo o monóxido de carbono CO que é o agente redutor do processo de produção do ferro gusa Essa reação gera calor que funde a carga de ferro sinterizado e inicia a redução do minério de ferro para ferro gusa com teor de ferro de cerca de 95 As impurezas presentes na alimentação como calcário e sílica irão precipitar e formar a escória que é uma das matériasprimas usadas na fabricação de cimento Portanto todo o produto e subproduto do processo são comercializados 18 Figura 17 Produção do ferro gusa no altoforno Crédito Steve CymroShutterstock Posteriormente o ferro gusa produzido segue para aciarias a oxigênio ou elétricas que transformam este gusa que pode estar fundido ou solidificado a sucata de ferro e aditivos em aço líquido O refino do aço se faz em fornos a oxigênio ou elétricos onde grande parte do carbono do gusa é removida juntamente com as impurezas presentes gerando aços com teor de carbono entre 005 e 211 ou ferros fundidos com teores acima de 211 até 68 Também são produzidos aços inoxidáveis com adição de elementos de liga como níquel cromo e outros Após a conversão o aço fundido é solidificado e deformado mecanicamente sendo transformado em produtos siderúrgicos como chapas bobinas barras vergalhões perfilados arames por exemplo em equipamentos de lingotamento contínuo laminação trefilação e outros No processo de laminação além de gerar um perfil definido para o aço é obtido o refino de suas microestruturas 19 Figura 18 Aciaria Crédito Hennadii HShutterstock TEMA 3 INDÚSTRIA DO FÓSFORO NITROGÊNIO E POTÁSSIO 31 Indústria do fósforo O fósforo é obtido principalmente da fosforita que é uma forma impura de apatita Embora tenha limitações quanto ao seu uso direto como fertilizante a fosforita é uma importante matériaprima para a fabricação de ácido fosfórico de superfosfatos e de compostos de fósforo pois é convertida em fosfatos de alto teor de monóxido de fósforo P₂O e pentóxido de fósforo P₂O5 que por sua vez geram o superfosfato simples SSP o superfosfato triplo TSP e o ácido fosfórico H3PO4 Diversos compostos de fósforo estão presentes também em vários processos bioquímicos e de fabricação de polímeros orgânicos e inorgânicos Hoje a indústria do fósforo produz mais de 40 milhões toneladas de 20 compostos de fósforo sendo que o Brasil está entre os seis maiores produtores mundiais O elemento fósforo foi obtido pela primeira vez em 1669 pelo comerciante e alquimista alemão Henning Brand que conforme descrito no seu tratado intitulado Phosphorus elementalis na tentativa de produzir ouro a partir da urina juntou cerca de 50 galões de urina no porão de sua casa e adicionoulhes produtos químicos que foi escolhendo arbitrariamente Deixou esta solução em repouso até desenvolver microrganismos Então ele ferveu esse material formando uma pasta que posteriormente foi misturada com areia e submetida a um processo de destilação cujos vapores ele acreditava que se transformariam em ouro quando condensassem No entanto obteve uma substância que brilhava no escuro que chamou de Phosphorus que do latim significa fonte de luz O que ocorreu foi que o fosfato sódico de amônia presente na urina foi transformado em fosfito sódico que no processo de destilação sofreu decomposição e liberou o fósforo A capacidade deste novo elemento descoberto brilhar no escuro despertou a atenção de pesquisadores da época fazendo com que Brand percebesse a sua importância comercial chegando na época a ter sua grama vendida por um valor maior que o da grama do ouro Figura 19 Henning Brand Crédito Joseph Wright de Derby CCPD 21 Após um século em 1769 o químico sueco Carl Wilhelm Scheele observou que o fósforo fazia parte da composição dos ossos fazendo ensaios de digestão de ossos em ácido nítrico ou ácido sulfúrico para obtenção do ácido fosfórico H3PO4 Destilando o ácido fosfórico obteve o fósforo Posteriormente desenvolveu um processo semelhante à pasteurização que permitiu a produção de fósforo em larga escala tornando a Suécia um grande exportador desse produto Figura 20 Carl Wilhelm Scheele Crédito ZabanskiShutterstock Em 1775 Johan Gottlieb Gahn químico e mineralogista sueco descobriu que o fosfato de cálcio era uma matériaprima mais abundante para a produção do fósforo obtido por Scheele sintetizando o fósforo a partir do fosfato tricálcio encontrado nos ossos de animais Isso otimizou o processo de obtenção do fósforo em grande escala 22 Figura 21 Johan Gottlieb Gahn Crédito Cardon Johan EliasCCPD Já no final do século XIX o químico escocês James Burgess Readman desenvolveu um método para a obtenção de fósforo a partir de rochas fosfáticas com o uso de uma fornalha elétrica processo esse que apesar das otimizações com o tempo permanece substancialmente o mesmo Figura 22 Forno elétrico para produção do fósforo Crédito Morphart CreationShutterstock 23 Hoje os dois processos químicos industriais usados para a obtenção do ácido fosfórico são o processo por via úmida e o processo térmico No processo por via úmida a fosforita moída é atacada com ácido sulfúrico concentrado em um digestor gerando como produto o ácido fosfórico Após isso seguem um sistema de lavagem e filtragem gerando como subproduto o gesso sulfato de cálcio Posteriormente o ácido fosfórico produzido sofre reação de neutralização gerando sais de fosfato Estes sais são componentes importantes na fabricação dos fertilizantes Figura 23 Diagrama de blocos produção do ácido fosfórico via úmida Fonte Proença 2023 No processo térmico a fosforita é levada a um forno de arco submerso onde é adicionado também sílica e coque No forno esta mistura é aquecida entre 1150 C e 1400 C Nesse processo são produzidos vapores de fósforo branco que é oxidado gerando o ácido fosfórico sendo que posteriormente este produto segue para um processo de hidratação e precipitação Após isso o ácido seguirá para um tanque de armazenagem 24 Figura 24 Diagrama de blocos produção de ácido fosfórico via forno elétrico Fonte Proença 2023 32 Indústria do nitrogênio Embora os primeiros registros referentes ao gás nitrogênio datem de 12 de setembro de 1772 na tese de doutorado de Daniel Rutherford na Universidade de Edimburgo Escócia o qual identificou o nitrogênio e o chamou de ar nocivo a presença desse elemento no ar já havia sido identificada por Joseph Priestley em 1722 verificando nos seus ensaios de combustão em vasos fechados que retirando o oxigênio do ar ainda restavam o gás carbônico e mais um gás inerte que não participava da combustão e não podia ser respirado sendo alheio à vida o chamando de ar mefítico Nesta época Antoine Lavoisier sugeriu o nome azoto que quer dizer sem vida para este ar mefítico que ainda é usado para esse elemento 25 Figura 25 Daniel Rutherford Crédito William Ramsay CCPD Figura 26 Joseph Priestley Crédito Morphart CreationShutterstock 26 Figura 27 Antoine Lavoisier Crédito TguiltyShutterstock Mais para frente em torno de 1840 o químico alemão Justus Von Liebig identificou a importância do nitrogênio no crescimento das plantas o considerando um importante elemento para a fertilidade de solos agrícolas Figura 28 Justus Von Liebig Crédito TimofeeffShutterstock 27 Nessa época o guano era usado como fertilizante por ser composto majoritariamente de amoníaco ácido úrico ácido fosfórico e sais Pela necessidade de o guano ser coletado em ilhas do Oceano Pacífico destacadamente do Peru por serem o habitat de colônias de aves geradoras deste potente fertilizante natural e de existirem poucos adubos naturais disponíveis em grande escala tornouse necessário então desenvolver um processo de produção de fertilizante que contivesse o nitrogênio retido e que atendesse a demanda Todos tinham o conhecimento de que o nitrogênio era o maior componente do ar atmosférico mas ainda não havia sido descoberta uma forma de obter este elemento a partir desta fonte abundante e inesgotável Mais de cinquenta anos depois em 1909 o químico alemão Fritz Haber conseguiu desenvolver um processo que retinha o dinitrogênio atmosférico N2 em laboratório produzindo amoníaco em um reator que operava a uma pressão de 175 atm uma temperatura de 550 C e usava como catalisador o ósmio Nessa época devido a tensões geopolíticas que logo depois em 1914 vieram a dar início à Primeira Guerra Mundial seu desenvolvimento gerou bastante interesse tanto econômico quanto militar uma vez que o amoníaco gerado além de ser importante fonte de nitrogênio para fertilizantes podia também ser convertido em ácido nítrico e em explosivos como o TNT e a nitroglicerina Esse interesse foi tal que Heinrich von Brunck diretor da BASF Badische Anilin Soda Fabrik Fábrica de Anilina e Soda de Baden enviasse seus dois melhores engenheiros o engenheiro metalúrgico Carl Bosch e o especialista em catálise Alwin Mittasch para junto com Haber cumprirem uma determinação de industrializar o processo de obtenção de amoníaco Três anos depois em 1912 pelo processo HaberBosch criado já estava funcionando a primeira indústria de obtenção de amoníaco produzindo uma tonelada de amoníaco por dia Esse processo permitiu sintetizar quase a totalidade de amoníaco necessário para a produção de fertilizantes e ainda produzir amoníaco para ser convertido em compostos úteis na síntese de explosivos o que fez com que tivesse muito sucesso durante o período da Primeira Guerra Mundial de 1914 a 1918 e depois seguisse como o principal método de obtenção do amoníaco transformando a BASF na multinacional que hoje conhecemos Por este desenvolvimento Fritz Haber e Carl Bosch ganharam o Prêmio Nobel de Química em 1918 e em 1931 respectivamente 28 Figura 29 Fritz Haber e Carl Bosch Crédito Rook76Shutterstock SvicShutterstock Hoje o gás nitrogênio é usado nos mais variados segmentos industriais que vão desde o setor de alimentos prolongamento da vida útil até o setor metalúrgico atmosfera inerte para fundição e tem como principais produtos derivados a cianamida a amônia sintética sais de amônio ureia ácido nítrico e nitratos sendo usados principalmente na produção de fertilizantes ácido nítrico nylon corantes e explosivos O processo de produção industrial do nitrogênio é feito pela liquefação do ar atmosférico seguida por destilação fracionada tendo como subprodutos o oxigênio e o argônio Por possuir ponto de ebulição mais baixo que o do oxigênio e do argônio o nitrogênio é o primeiro gás a ser retirado pela destilação O oxigênio pode ser removido posteriormente pela adição de hidrogênio e uso de um catalisador de platina Outra opção que vem tendo um crescimento para separar o nitrogênio do oxigênio é o uso de membranas permeáveis Esse processo é mais barato que o da destilação mas produz nitrogênio não puro com teor de oxigênio retido variando de 05 a 5 No processo de destilação fracionada primeiro é realizada a secagem do ar e depois seu resfriamento até 200 C para tornálo líquido Esse ar líquido segue para uma coluna de destilação fracionada onde pelos respectivos pontos de ebulição são retirados primeiro o nitrogênio PE 1958 C depois o argônio PE 186 C e o oxigênio PE 183 C 29 Figura 30 Obtenção do nitrogênio do ar Fonte Proença 2023 Figura 31 Processo HaberBosch Crédito Elias Aleixo 33 Indústria do potássio O potássio também chamado de Kalium K palavra latina derivada da palavra árabe algalyha que significa alcalino foi o primeiro metal isolado por eletrólise em outubro de 1807 pelo químico britânico Sir Humphry Davy Humphry Davy construiu uma célula voltaica com 250 placas paralelas e a usou para passar uma corrente iônica em uma solução de potassa conseguindo em um primeiro momento decompor a água permanecendo na célula hidróxido de potássio fundido e em um segundo momento por meio da eletrólise ígnea ou 30 seja sem a presença de água obter glóbulos de um metal que nomeou de potássio Figura 32 Sir Humphry Davy Crédito Morphart CreationShutterstock Em 1808 um ano depois de sua obtenção o químico e físico francês Joseph GayLussac descobriu a grande reatividade deste metal por meio de uma explosão ao estudálo no laboratório explosão esta que o deixou com problemas de visão permanente 31 Figura 33 Joseph GayLussac Crédito Neveshkin NikolayShutterstock O potássio dentre diversas aplicações é usado para produzir o peróxido de potássio K2O2 poderoso agente oxidante e alvejante o cloreto de potássio KCl usado na fabricação de fertilizantes sabões líquidos detergentes e produtos farmacêuticos carbonato de potássio K2CO3 usado na fabricação de fertilizantes e alimentos na produção de porcelana cerâmicas e vidros em sabão esmaltes e em explosivos sulfato de potássio K2SO4 usado na fabricação de fertilizantes e hidróxido de potássio KOH usado na fabricação de fertilizantes sabões alvejantes e lubrificantes O processo industrial mais usado para a produção do potássio é por eletrólise ígnea partindo de KCl ou de KOH Porém há uma técnica mais moderna para a obtenção de potássio metálico com a pureza atingindo 995 que é passando um fluxo de sódio vaporizado a cerca de 850 C contra um fluxo de KCl fundido em uma torre de fracionamento gerando a uma liga NaK Posteriormente o potássio pode ser separado do sódio por destilação TEMA 4 INDÚSTRIA DO CLORO E SODA O cloro foi descoberto em 1774 por Carl Wilhelm Scheele um químico de ascendência alemã e sueca que pensou ter descoberto um composto que 32 continha oxigênio através de uma reação de óxido de manganês com ácido clorídrico Somente em 1810 o químico britânico Humphry Davy descobriu que Carl havia de fato descoberto um elemento dando a ele o nome cloro Figura 34 Carl Wilhelm Scheele Crédito Ida Falander CCPD Figura 35 Humpry Davy Crédito Aybars AyShutterstock 33 O cloro é produzido em escala industrial principalmente por meio da eletrólise de membrana de uma solução aquosa de cloreto de sódio A reação resulta na formação de moléculas de cloro Cl2 na forma de gás acompanhadas de hidrogênio e de hidróxido de sódio Figura 36 Produção de Cloro por eletrólise de membrana Crédito Steve CymroShutterstock O mesmo processo por eletrólise de membrana para obtenção do cloro gera também a soda cáustica NaOH em uma proporção de 113 kg de NaOH para cada 1 kg de cloro A soda cáustica sairá do processo como uma solução aquosa límpida contendo cerca de 50 de hidróxido de sódio NaOH em peso A soda cáustica tem uma série de aplicações na indústria petroquímica química metalúrgica de sabão e detergentes têxtil de alimentos de papel e celulose tendo um uso geral no tratamento de efluentes e um uso mais específico no branqueamento de papel e celulose na produção de alumina na neutralização de efluentes ácidos e para lavagem de gases de combustão 34 TEMA 5 INDÚSTRIA DOS ÁCIDOS SULFÚRICO E CLORÍDRICO 51 Indústria do ácido sulfúrico Embora a descoberta do ácido sulfúrico seja atribuída ao alquimista árabe Jabir Ibn Hayyan o primeiro registro sobre a produção do ácido sulfúrico data do século IX quando o alquimista e médico persa Zakariya alRazi fez sua produção por destilação seca de sulfato ferroso e do sulfato de cobre Figura 37 Zakariya alRazi Crédito Hilmi AbedillahShutterstock Apenas no século XVIII em 1736 o farmacêutico londrino Joshua Ward começou a produção do ácido sulfúrico em grande escala usando um método desenvolvido no século XVII pelo químico teutoholandês Johann Glauber pela combustão de enxofre com salitre KNO3 na presença de vapor dágua O salitre promove a decomposição do enxofre que irá reagir com o vapor dágua formando o ácido sulfúrico H2SO4 Mas esse processo gerava ácido relativamente diluído com concentração máxima entre 54 e 62 O químico britânico John Glover aprimorou este processo onde dentro de uma câmara de chumbo em um reator denominado hoje como Torre de Glover é produzida uma 35 mistura de ácidos dentre os quais o ácido sulfúrico com uma concentração de até 78 Figura 38 Joshua Ward Crédito Tomás Bardwell CCPD Aproximadamente um século depois em 1831 o comerciante de vinagre britânico Peregrine Phillips patenteou um processo capaz de produzir tanto dióxido e trióxido de enxofre quanto ácido sulfúrico concentrado de forma economicamente viável o qual hoje é conhecido como processo de contato um dos mais usados na produção desse ácido Figura 39 Torre de Glover Crédito World History ArchiveAlamyFotoarena 36 Figura 40 Processo de contato patenteado por Peregrine Phillips Crédito JuulijsAdobe Stock Hoje o ácido sulfúrico é produzido majoritariamente por dois processos o processo da Torre de Glover e o processo de contato Enquanto o ácido sulfúrico produzido pelo processo da Torre de Glover menos concentrado é usado majoritariamente na fabricação de fertilizantes o ácido produzido pelo processo de contato mais concentrado é majoritariamente usado na síntese química de medicamentos e na fabricação de detergentes plásticos tintas e explosivos No processo da Torre de Glover o dióxido de enxofre SO2 gasoso é aquecido e introduzido pela parte inferior da Torre onde é lavado com uma solução de ácido sulfúrico H2SO4 com óxido de nitrogênio e dióxido de nitrogênio dissolvidos NO2 NO chamada vitríolo nitroso Uma fração desse dióxido de enxofre é oxidada resultando em trióxido de enxofre SO3 que em seguida é solubilizada no vitríolo nitroso gerando a solução ácida conhecida como ácido de Glover cuja composição é 78 de H2SO4 e o restante de dióxido de enxofre SO2 dióxido e monóxido de nitrogênio NO2 NO trióxido de enxofre SO3 e água H2O A mistura de gases SO2 SO3 NO2 NO N O2 e vapor de H2O segue para uma série de câmaras em série de três a seis câmaras cobertas de chumbo onde é sucessivamente lavada com água produzindo o chamado ácido de câmara ou ácido fertilizante cuja composição é 62 a 68 de H2SO4 e o restante de dióxido e monóxido de nitrogênio NO2 NO dióxido de enxofre SO2 ácido nitroso HNO2 ácido sulfuroso H2SO3 e água H2O O tratamento dos gases residuais é feito em uma torre de GayLussac pela 37 lavagem com uma fração do ácido de Glover O monóxido e dióxido de nitrogênio e o dióxido de enxofre serão solubilizados no ácido formando o vitríolo nitroso que será usado na torre de Glover Os gases residuais serão liberados para a atmosfera nas concentrações em ppm parte por milhão permitidas pela legislação ambiental Figura 41 Produção ácido sulfúrico pela Torre de Glover Fonte Proença 2023 No processo de contato primeiro é gerado o dióxido de enxofre depois o mesmo é convertido em trióxido de enxofre e por fim o trióxido de enxofre é convertido em oleum que irá gerar o ácido sulfúrico O dióxido de enxofre pode ser gerado pela queima de enxofre derretido ou aquecendo minerais contendo enxofre como pirita de ferro em um forno na presença de ar O enxofre se ligará ao oxigênio do ar formando o dióxido de enxofre O dióxido de enxofre segue para um precipitador eletrostático para retirada de poeira e depois para uma torre de lavagem para retirar impurezas solúveis em água Segue então para uma torre de secagem e posterior conversão para trióxido de enxofre A conversão do dióxido de enxofre em trióxido de enxofre ocorre em conversores contendo tubos de alta pressão contendo óxido de vanádio aquecidos 450 C Esta temperatura promove a liberação de oxigênio do óxido de vanádio que subirá por uma corrente de convecção gerada com o ar O dióxido de enxofre irá então reagir com o ar oxigenado gerando o trióxido de enxofre com uma taxa de conversão em torno de 95 O trióxido de enxofre segue para uma coluna de absorção no topo da qual é aspergido ácido sulfúrico concentrado O ácido sulfúrico concentrado solubiliza o trióxido de enxofre produzindo o oleum H2S2O7 que sai pelo fundo da torre O oleum segue então 38 para um reator onde irá reagir com a água para gerar um ácido sulfúrico de 30 a 50 mais concentrado que o aspergido na coluna de absorção Figura 42 Produção de ácido sulfúrico por contato Fonte Proença 2023 52 Indústria do ácido clorídrico O ácido clorídrico embora não seja usado e produzido no mesmo volume que o ácido sulfúrico apresenta igual importância na indústria química sendo usado como reagente químico e como agente de limpeza e desengordurante Foi produzido pela primeira vez por um alquimista muçulmano chamado Jabir Ibne Haiane considerado o pai da química árabe por meio da reação entre o sal marinho NaCl e o ácido sulfúrico H2SO4 gerando sulfato de sódio Na2SO4 e o ácido clorídrico HCl 2NaCl H2SO4 Na2SO4 2HCl Figura 43 Jabir Ibne Haiane Crédito Abu Uthman AlJaahiz CCPD 39 Hoje o ácido clorídrico HCl é produzido em escala industrial por meio da eletrólise de cloreto de sódio em solução aquosa A eletrólise provoca uma dissociação do sal e da água produzindo o gás cloro Cl2 o gás hidrogênioH2 e o hidróxido de sódio NaOH que precipita na célula eletroquímica Os gases cloro e hidrogênio reagirão formando ácido clorídrico Este processo deve ser muito bem controlado pois esta reação do cloro com hidrogênio é altamente exotérmica sendo de elevada periculosidade Figura 44 Produção do ácido clorídrico H2 Cl2 2HCl Solução de NaCl Célula Eletroquímica H2O NaOH Fonte Proença 2023 FINALIZANDO Foram apresentados os processos químicos inorgânicos com destaque para a indústria do cimento siderúrgica indústria do nitrogênio fósforo e potássio indústria do cloro e da soda e indústria dos ácidos sulfúrico e clorídrico Novamente reforçamos a importância de que o discente desenvolva esse conhecimento para ter boas chances de crescimento profissional nesta importante área industrial 40 REFERÊNCIAS ARAUJO L A de Manual de siderurgia Produção 2 ed São Paulo Arte Ciência 2003 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 MAGNAVITA A et al Processo de produção do cimento SlideShare 2009 Disponível em httpswwwslidesharenetOMonitorprocessodeproduodo cimento Acesso em 28 set 2023 SHREVE R N BRINK JR J A Indústrias de processos químicos 4 ed Rio de Janeiro Guanabara 1997