Engenharia Quimica - Desenvolvimento de Processos Quimicos Industriais

PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS I Desenvolvimento de um Processo Químico ENGENHARIA QUÍMICA Segundo o Instituto Americano de Engenheiros Químicos American Institute of Chemical Engineers AIChE os engenheiros químicos são Indivíduos que utilizam as ciências e a matemática em especial a química a bioquímica a matemática aplicada e os princípios de engenharia para tomar ideias de laboratório ou conceituais e transformálas em produtos de valor agregado e de uso compensador produtos seguros inclusive ambientalmente e em processos de ponta 2 EN G E N H A R IA QU ÍM IC A A engenharia química em geral lida com sistemas nos quais ocorrem reações químicas Essas reações são invariavelmente acompanhadas por separações físicas e variação de energia Os engenheiros químicos usam o seu conhecimento de ciência e matemática para assegurar que reações separações e transferências de energia em nível de laboratório possam ser escalonadas em nível industrial 3 PAPEL DO ENGENHEIRO QUÍMICO Na fabricação de um novo produto químico ou de um novo processo de um produto químico já existente existem os seguintes estágios 1 Conceitualização e fase inicial 2 Avaliação econômica preliminar 3 Desenvolvimento de dados necessários para o projeto final 4 Avaliação econômica final 5 Projeto detalhado 6 Aquisição e construção 7 Início e execução experimental 8 Produção 4 PAPEL DO ENGENHEIRO QUÍMICO Estágios de um projeto típico 5 PA P E L D O E N G E N H E IR O QUÍMICO O engenheiro químico pode estar envolvido em todas as atividades atuando nas seguintes funções Engenheiro de pesquisa e desenvolvimento Engenheiro de planta piloto Engenheiro de projetoprocessos Engenheiro de comissionamento Engenheiro de produção Engenheiro de aplicaçãoprocessos Engenheiro de vendas técnicas 6 DEFINIÇÃO DE PROCESSO É o conjunto de equipamentos escolhidos pelas suas funções específicas e interligados de modo a possibilitar a transformação de uma matériaprima em um produto de interesse de forma econômica segura e em escala comercial Os processos químicos podem ser constituídos por uma sequência de etapas muito diferentes que têm princípios fundamentais independentes da substância que está sendo operada e de outras características do sistema No projeto de um processo cada etapa a ser usada pode ser investigada individualmente 7 REAÇÃO QUÍMICA Uma reação química é uma transformação da matéria na qual ocorrem mudanças qualitativas na composição química de uma ou mais substâncias reagentes resultando em um ou mais produtos Resumidamente podese afirmar que uma reação química é uma transformação da matéria em que pelo menos uma ligação química é criada ou desfeita Um aspecto importante sobre uma reação química é a conservação da massa leis de Lavoisier de Proust 8 DE F IN IÇ Ã O D E OP E R A Ç Õ E S UN IT Á R IA S Qualquer processo químico qualquer que seja a sua escala pode ser decomposto numa série coordenada do que se pode denominar ações unitárias como moagem mistura aquecimento absorção condensação lixiviação precipitação cristalização filtração dissolução eletrólise entre outras O número destas operações unitárias básicas não é muito grande apesar de que nos últimos anos há uma tendência constante de introdução de novas técnicas de processamento 9 OPERAÇÕES MECÂNICAS Operações com Sólidos Fragmentação Transporte Peneiramento Mistura Armazenamento Operações com Fluidos Escoamento de fluidos Bombeamento de líquidos movimentação e Compressão de Gases Mistura e Agitação de Líquidos Operações com Sólidos e Fluidos Fluidização de Sólidos e Separações mecânicas sólidosólido líquidosólido sólidogás líquidogás líquidolíquido 10 TR A N S F E R Ê N C IA D E CA L O R Transferência de Calor por Condução Aquecimento e Resfriamento de Fluidos Condensação Ebulição Evaporação Transferência de Calor por Radiação 11 TRANSFERÊNCIA DE MASSA Destilação Absorção e Stripping de Gases Adsorção Extração LíquidoLíquido Lixiviação Secagem e Umidificação de Gases Secagem de sólidos Cristalização Troca Iônica 12 CONCEITO DE BALANÇO DE MASSA O Balanço de Massa BM é uma restrição imposta pela natureza A lei da conservação de massa nos diz que a massa não pode nem ser criada nem destruída Logo não havendo acúmulo de massa no interior de um equipamento temse ao longo de um determinado intervalo de tempo que massa total na entrada massa total na saída Fazendo o intervalo de tempo tender a zero ao invés de quantidades de massa passamos a falar em termos de vazões vazão mássica total que entra vazão mássica total que sai 13 CL A S S IF IC A Ç Ã O D O S SIS T E M A S Quanto ao Regime de Operação Um sistema pode ser operado da seguinte maneira Operação em Batelada a massa não cruza as fronteiras do processo durante o tempo da batelada O sistema é alimentado e os produtos são retirados de uma só vez no início e ao final do tempo de processo respectivamente Assim o processo ao longo da batelada se comporta como um sistema fechado Normalmente esta estratégia de operação é usada para produzir pequenas quantidades de especialidades químicas produtos sazonais ou feitos por encomenda 14 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS Quanto ao Regime de Operação Operação Contínua há continuamente a passagem de massa através das fronteiras do processo através das correntes de entrada e de saída Desta forma o processo se comporta como um sistema aberto Esta operação é característica de grandes volumes de produção como ocorre por exemplo no refino do petróleo 15 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS Quanto ao Regime de Operação Operação Semibatelada ou Semicontínua qualquer processo que não é operado em batelada ou em regime contínuo Um exemplo deste tipo de processo é aquele em que uma massa de líquido é alimentada em um reator e gás é borbulhado durante um certo tempo através do líquido Ao final a passagem de gás é interrompida e o líquido retirado do reator 16 CL A S S IF IC A Ç Ã O D O S SIS T E M A S Quanto ao Comportamento ao Longo do Tempo A operação de um processo também pode ser classificada conforme o comportamento das variáveis ao longo do tempo Operação em Regime Estacionário os valores das variáveis de processo como temperatura vazão concentração por exemplo não variam com o tempo em qualquer posição fixa 17 CLASSIFICAÇÃO DOS SISTEMAS Quanto ao Comportamento ao Longo do Tempo Operação em Regime Transiente os valores das variáveis variam com o tempo em alguma posição fixa do processo Os processos em batelada têm uma natureza tipicamente transiente enquanto os processos contínuos operam normalmente em regime estacionário 18 FL U X O S ES P E C IA IS E M U M PR O C E S S O Existem algumas correntes de processo que têm um objetivo específico e aparecem em uma grande quantidade de fluxogramas Estas correntes são apresentadas a seguir bem como uma discussão inicial de suas finalidades Reciclo By pass Purga Makeup 19 FLUXOS ESPECIAIS EM UM PROCESSO Reciclo A corrente de reciclo é uma corrente que retorna parte ou a totalidade da massa de um ponto avançado do processo para um outro em uma posição pela qual esta massa já tenha passado Note que na representação esquemática no próximo slide que a corrente de reciclo nasce em um ponto de divisão que não necessariamente é um divisor de corrente Muitas vezes a sua origem é em um equipamento de separação o que trás como consequência que a sua composição é diferente da composição das outras correntes que saem de tal equipamento 20 FLUXOS ESPECIAIS EM UM PROCESSO Reciclo 21 FL U X O S ES P E C IA IS E M U M PR O C E S S O As correntes de reciclo servem Para a recuperação de reagente não consumido na etapa de reação Para a recuperação de catalisador que seja arrastado para fora do reator Podem auxiliar no controle de processos através da diluição da corrente que é alimentado no reator situação importante em reações altamente exotérmicas reciclo é parcial Sistemas onde um fluido opera em circuito fechado por exemplo em ciclos de refrigeração e o circuito de água de resfriamento reciclo total 22 FLUXOS ESPECIAIS EM UM PROCESSO Bypass As correntes de bypass podem ser entendidas como correntes de reciclo com o sentido do escoamento invertido O fluido que passa por uma corrente de bypass não atravessa os equipamentos posicionados na direção principal do processo entre o início do bypass e o seu retorno para a corrente principal As correntes de bypass via de regra são originadas em um divisor de correntes e terminam em um misturador 23 FLUXOS ESPECIAIS EM UM PROCESSO Bypass A corrente de bypass tem a sua utilização ligada principalmente ao controle operacional da planta ou especificamente de equipamentos Assim é comum ocorrer o bypass de um equipamento com a vazão que passa por esta corrente sendo manipulada para manter as condições de saída desejadas 24 FL U X O S ES P E C IA IS E M U M PR O C E S S O Purga A corrente de purga é uma corrente que é retirada de uma outra e é descartada Seu objetivo é promover o descarte de substâncias que sem a purga iriam se acumular principalmente em circuitos de reciclo Imagine que haja a formação de um produto secundário na reação e que o processo de separação não seja capaz de separálo da matéria prima que não reagiu e que é reciclada 25 FLUXOS ESPECIAIS EM UM PROCESSO Purga Desde modo a corrente de reciclo conterá toda a quantidade deste produto secundário Assim a corrente de purga retirada do reciclo é o único ponto de descarte deste produto secundário Caso isto não fosse feito haveria um acúmulo deste produto secundário pois ele é continuamente formado na reação 26 FL U X O S ES P E C IA IS E M U M PR O C E S S O Makeup A corrente de makeup é a corrente que repõe perdas em um circuito fechado Seja por exemplo o circuito de água de resfriamento em uma planta de processos Este circuito disponibiliza água a temperatura ambiente para retirar energia de qualquer ponto do processo Ele é formado principalmente por uma bomba que joga a água fria para o processo e por uma coluna de resfriamento que recebe a água aquecida que sai do processo e torna a resfriála até a temperatura ambiente disponibilizandoa para ser novamente bombeada fechando assim o circuito 27 FLUXOS ESPECIAIS EM UM PROCESSO Makeup Neste circuito há vazamentos e evaporação na torre de resfriamento são as principais causas da diminuição da água que circula Para manter a quantidade constante há a necessidade de repor esta água perdida o que é feito através de uma corrente de makeup 28 CONTROLE DE PROCESSO INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO Definições Medição ato de medir Medida resultado da medição 29 CO N T R O L E D E PR O C E S S O IN S T R U M E N T A Ç Ã O E AU T O M A Ç Ã O Instrumento de medida É o dispositivo pelo qual podese avaliar medir uma quantidade física atribuindolhe um valor numérico ou uma qualificação Por exemplo a quantidade a ser medida pode ser uma temperatura massa pressão velocidade nível etc O valor numérico pode ser 34 ºC ou 45 kg ou 35 kgfcm2 ou 122 kmh etc Uma qualificação da medida pode ser um aviso luz de alerta de pressão acima do permitido ou um sinal sonoro de temperatura muito elevada etc 30 CONTROLE DE PROCESSO INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO Sistema de medida São vários instrumentos de medida usados em conjunto Por exemplo o medidor de nível de combustível de um automóvel é composto de uma boia uma resistência elétrica condutores elétricos e um mostrador amperímetro ou voltímetro Todo esse conjunto é usado para mostrar no painel do carro o nível de combustível do tanque 31 CONTROLE DE PROCESSO INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO Utilização dos Instrumentos de Medida Monitoração de Processos e Operações Certas aplicações de instrumentos de medida podem ser caracterizadas por terem essencialmente a função de monitorar Como exemplo os termômetros barômetros e anemômetros usados em uma estação meteorológica simplesmente indicam as condições do tempo sem qualquer função de controle Da mesma forma os medidores domésticos de consumo de água eletricidade gás apenas indicam o consumo sem controlálos 32 CO N T R O L E D E PR O C E S S O IN S T R U M E N T A Ç Ã O E AU T O M A Ç Ã O Utilização dos Instrumentos de Medida Controle de Processos e Operações Outra aplicação de extrema importância para os instrumentos de medida é utilizálos como componentes num sistema automático de controle É claro que para controlar uma variável é necessário inicialmente medi la Por isso todos os sistemas com feedback têm como elemento principal um instrumento de medida Um exemplo bastante comum é o controle de temperatura do refrigerador doméstico 33 CONTROLE DE PROCESSO INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO Utilização dos Instrumentos de Medida Controle de Processos e Operações Um termômetro lê continuamente a temperatura interna do refrigerador Quando ela aumenta e atinge um valor especificado o termômetro aciona um contato elétrico que liga o motor de refrigeração A temperatura diminui até atingir um valor mínimo quando o termômetro desliga o motor Desta forma a temperatura do refrigerador permanece continuamente entre dois valores de temperaturas préestabelecidos Percebese claramente a função do termômetro como controlador do processo 34 CO N T R O L E D E PR O C E S S O IN S T R U M E N T A Ç Ã O E AU T O M A Ç Ã O Utilização dos Instrumentos de Medida Controle de Processos e Operações 35 CONTROLE DE PROCESSO INSTRUMENTAÇÃO E AUTOMAÇÃO Utilização dos Instrumentos de Medida Controle de Processos e Operações Controle por realimentação feedback O controle é feito com base na comparação entre o resultado obtido e o desejado Controle feedforward chamado às vezes de preditivo O controle é feito com base nos dados de entrada Para sua aplicação o controlador deve entender as relações de causa e efeito relativos ao comportamento do processo 36 FLUXOGRAMAS Fluxogramas de Blocos BFD Fluxogramas de processos PFD Fluxogramas de tubulação e instrumentação PI D 37 FL U X O G R A M A D E B L O C O S BFD Correntes de entrada ou saída são representadas por linhas retas horizontais ou verticais A direção do fluxo deve ser indicada por setas As correntes devem ser numeradas em uma ordem lógica As operações unitárias blocos devem ser rotuladas Sempre que possível organizar o fluxograma da esquerda para a direita 38 FLUXOGRAMA DE BLOCOS BFD dodeceno benzeno catalisador alquilação lama de catalisador destilação resíduo de hidrocarbonetos alquilados pesados sulfoação óleum lamas ácidas neutralisação soda cáustica carga secagem gás úmido gás quente produto detergente sólido Dodecilbenzeno Sulfonato de Sódio DIAGRAMA DE BLOCOS ETERG sem escala Fig VI22 Diagrama de blocos FLUXOGRAMA DE PROCESSOS PFD reator de alquilação R1 columa de recuperação de dodeceno CL2 reator de sulfoação R2 secador spray SC1 columa de recuperação de benzeno CL1 columa de dodecilbenzeno CL3 reator de neutralisação R3 gás úmido dodeceno benzeno catalisador AlCl3 TQ1 CD1 água CD2 água CD3 água óleum soda cáustica TQ2 CL1 CI2 CL3 R1 R2 R3 água água água carga gás quente B1 B2 B3 B4 B5 vapor RF1 vapor RF2 vapor vapor lama de catalisador decantador DC1 lama de catalisador hidrocarbonetos alquilados pesados lamas ácidas SP1 separador TQ3 tanque de mistura SC1 TP1 produto Dodecilbenzeno Sulfonato de Sódio FLUXOGRAMA ETERG sem escla Fig VI23 Fluxograma do processo FL U X O G R A M A D E T U B U L A Ç Ã O E INSTRUMENTAÇÃO PI D 41 PR IN C IP A IS E Q U IP A M E N T O S D E U M A INDÚSTRIA QUÍMICA Reatores São grandes reservatórios em que ocorrem as reações químicas ou bioquímicas Nele são adicionados a matériaprima e os reagentes necessários para que a reação ocorra Acoplados a ele ha equipamentos que aquecem ou resfriam o meio controlando a temperatura Caldeiras Existem quatro tipos de caldeiras a vapor elétrica aquatubulares e flamotubulares porem todas elas têm o mesmo objetivo gerar vapor por meio da transferência de energia de uma fonte térmica para um fluido normalmente a água Outros equipamentos são acoplados para que haja melhor rendimento na distribuição de calor 42 PRINCIPAIS EQUIPAMENTOS DE UMA INDÚSTRIA QUÍMICA Trocadores de calor podem ser utilizados para aquecer ou resfriar o sistema Caldeiras são exemplos de trocadores de calor assim como resfriadores condensadores evaporadores e torres de refrigeração Compressores são equipamentos que capturam o ar e o armazenam sob alta pressão O melhor compressor será escolhido de acordo com o aparelho que ira consumir o ar comprimido dependendo da vazão da pressão e da qualidade do ar que e necessitada Bombas fazem a transferência de líquidos dos tanques de reagentes para os reatores e dos produtos para os tanques de armazenagem 43 EQUIPAMENTOS PRINCIPAIS trocador de calor casco e tubos condensador de casco e tubos condensador de contacto direto condensador barométrico aquecedor a vapor refervedor serpentina de resfriamento a água ou ar filtro placas e quadros rotativo absorvedor stripper extrator líquidolíquido de bandejas de recheio columa de fracionamento de bandejas de recheio reator tanque agitado leito fixo tubular com recheio catalítico ou não retorta tubular de casco Fig VI25 Símbolos para os equipamentos principais EQUIPAMENTOS SECUNDÁRIOS bomba centrífuga pistão dosadora engrenagem peristáltica de fuso diafragma ventiladorexaustor centrífugo axial compressor M motor V acionamento a vapor rotativo reciprocante vapor ejetor turbinaexpansor turbina G gerador vapor bocal separador L G G L L G G L G L1 L2 G G L1 S L G S L separador de linha strainer tipo cesta purgadores de vapor de ar disco de ruptura para a atmosfera em linha para coletor fechado centrífuga S L S L filtrante tipo cesta L separadora L1 L2 L misturador hélice chicana de linha medidor de vazão venturi rotâmetro no diâmetro do tubo orifícios removível diâmetro aumentado diversos silenciador quebravácuo cortachama junta de expansão Fig VI26 Símbolos para equipamentos secundários CL A S S IF IC A Ç Ã O D A S IN D Ú S T R IA S Produtos químicos inorgânicos básicos e gases industriais 46 CLASSIFICAÇÃO DAS INDÚSTRIAS Produtos químicos orgânicos básicos e petroquímicos 47 CL A S S IF IC A Ç Ã O D A S IN D Ú S T R IA S Produtos fertilizantes 48 CL A S S IF IC A Ç Ã O D A S IN D Ú S T R IA S Produtos poliméricos 49 CL A S S IF IC A Ç Ã O D A S IN D Ú S T R IA S Outras indústrias Produtos farmacêuticos Produtos de papel e celulose Petróleo e produtos de carvão Plásticos e produtos de borracha Produtos de cerâmica e vidro 50