Engenharia de Produção
Tecnologia de
Processos Químicos
Prof. Ms. Fernanda Palladino
Engenharia de Produção
Plano de Ensino
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2o. semestre - 2009
Curso: Engenharia de Produção
Disciplina: Tecnologia de Processos Químicos
Carga horária: 72 horas-aula
• Objetivos:
• Proporcionar aos estudantes conhecimentoschave relacionados aos processos da indústria de
transformação química
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Plano de Ensino
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Ementa
Conceitos do processamento químico industrial.
Operações unitárias nas indústrias químicas.
Classificação dos processos de produção química.
Classificação das indústrias químicas e seus segmentos.
Tipos de fluxogramas.
Necessidade de energia nas indústrias químicas.
Processos químicos industriais. Indústrias químicas e o
meio ambiente.
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Plano de Ensino
• Conteúdo Programático
• 1. CONCEITOS DO PROCESSAMENTO QUÍMICO INDUSTRIAL
• 2. OPERAÇÕES UNITÁRIAS NAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS
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3. CLASSIFICAÇÃO DE PROCESSOS DE PRODUÇÃO QUÍMICA
3.1 Batelada
3.2 Contínuos
3.3 Semi-contínuos
• 4. TIPOS DE FLUXOGRAMAS
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Plano de Ensino
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5. CLASSIFICAÇÃO DAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS E SEUS SEGMENTOS
5.1 Fabricação de produtos químicos inorgânicos
5.2 Fabricação de produtos químicos orgânicos
5.3 Fabricação de resinas e elastômeros
5.4 Fabricação de fibras artificiais
5.5 Fabricação de defensivos agrícolas e desinfetantes
domissanitários
5.6 Fabricação de sabões, detergentes, produtos de limpeza,
cosméticos, produtos de perfumaria de higiene pessoal.
5.7 Fabricação de tintas, vernizes, esmaltes, lacas e produtos afins
5.8 Fabricação de produtos e preparados químicos diversos
5.9 Fabricação de produtos farmoquímicos e farmacêuticos
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Plano de Ensino
• 6. NECESSIDADES DE ENERGIA NAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS
• 7. INDÚSTRIAS QUÍMICAS E O MEIO AMBIENTE
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8.1 Impactos ambientais
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8.2 Impactos econômicos
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8.3 Impactos sociais
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Plano de Ensino
• 8. PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS
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7.1 Tratamento de água para uso doméstico e industrial
7.2 Produtos carboquímicos
7.3 Indústrias de cerâmicas
7.4 Indústrias de álcool e derivados
7.5 Indústrias agroquímicas
7.6 Sabões e detergentes
7.7 Indústria petroquímica e
7.8 Refinação do Petróleo
7.9 Indústrias farmacêuticas
7.10 Processos químicos na metalurgia
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Método de Ensino
• As aulas serão teóricas.
• As aulas teóricas serão expositivas com
exercícios descritivos em classe.
• Trabalhos sobre temas específicos preparados
pelos alunos.
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Método de Avaliação
• Serão realizadas duas avaliações no semestre, A1 e A2. As notas destas
avaliações serão compostas da seguinte forma:
• Prova escrita: Peso 8 (oito)
• Exercícios em sala de aula, atividades extra classe e Seminários: Peso 2 (dois)
• Nota da A1 ou A2 = Prova Escrita x 0,8 + Nota de Exercícios x 0,2
• A nota semestral será resultado da média das duas avaliações, ou seja, (A1 +
A2)/2.
• Será realizada uma prova substitutiva (P3) para o aluno que não pôde fazer a
prova P1 ou P2.
• Para a prova P3 será considerado toda a matéria do semestre. No caso do
aluno perder as duas primeiras provas, ou seja, P1 e P2, a prova P3 substituirá
apenas uma delas.
• Caso a média seja menor que 5,0 (cinco), o aluno deverá fazer a prova de
recuperação. Na prova de recuperação o aluno será avaliado como suficiente
ou insuficiente. Caso seja suficiente receberá a média final igual a 5,0 (cinco).
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Referências Bibliográficas
• Bibliografia Básica
• SHREVE, R. Norris, JUNIOR, Joseph A. Brink. Indústrias de
Processos Químicos. Editora: Guanabara, Rio de Janeiro, 1994. 4ª.
Ed.
• ABIQUIM
http://www.abiquim.org.br/conteudo.asp?princ=ain&pag=conc
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• Bibliografia Complementar:
-
• FELDER, Richard M., ROUSSEAU, Ronald W., Princípios Elementares
de Processos Químicos, Editora: LTC, 2005, 3ª. Ed.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
• O processamento químico pode ser definido como o
processamento industrial de matérias-primas químicas,
que leva à obtenção de produtos com valor industrial
realçado. Em todas as operações químicas, estão
intimamente envolvidas operações físicas, como
transferência de calor e controle de temperatura, que
são necessárias para garantir bons rendimentos que são
indispensáveis nas indústrias competitivas. Outro
exemplo seria a transferência de massa em forma líquida
ou de sólidos em suspensão, de um lugar para o outro
para um reator químico
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
MATÉRIASPRIMAS
Processo
químico
MÃO-DEOBRA
PRODUTO
RESÍDUOS
RECURSOS
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Indústria Química
Quando a matéria prima não sofre transformação química,
para a obtenção de produtos, dizemos que ela foi
submetida às OPERAÇÕES UNITÁRIAS; ao contrário, quando
a matéria prima sofre transformação química, temos a
chamada CONVERSÃO QUÍMICA ou PROCESSO UNITÁRIO.
Este processamento industrial químico, em geral,
envolve:
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Indústria Química
Operações Unitárias ou Operações Físicas, podem ser:
Bombeamento de fluidos
Troca de calor
Transporte de sólidos
Extração
Peneiração
Filtração
Misturação
Destilação
Evaporação
Absorção de gás
Controle de Calor
Processos de separação
Secagem
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Indústria Química
– Processos Unitários ou Conversão Química
• exemplo – obtenção de ácido sulfúrico (H2SO4)a partir do enxofre:
» S + O2
SO2
» SO2 + 1/2O2
SO3
» Solução aquosa de SO3
H2SO4
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Industria Química
A produção em escala industrial de um produto envolve três fases:
1. Desenvolvimento em laboratório - estudo detalhado das
conversões químicas e das condições físicas (temperatura,
quantidades, catalisadores, etc.) necessárias para sua execução;
2. Desenvolvimento do produto em escala semi-industrial equipamentos que reproduzem o processo planejado - conversão
química e operações físicas necessárias numa escala bem menor
que a industrial.
3. Projeto e implantação do processo em escala industrial.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
1. Dados químicos fundamentais
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Rendimentos da reação:
Conversão na reação:
Moles do produto principal
Rendimento
percentual = 100 x Moles do produto principal equivalentes à
desaparição completa do reagente mais
importante
Moles do produto principal
Rendimento
percentual = 100 x Moles do produto principal equivalentes à
carga do reagente mais importante
Ex: Na síntese da amônia a 150 atm e 500º. C, o rendimento é
frequentemente acima de 98% enquanto a conversão está
limitada a cerca de 14%, o que significa que 86% da carga não
reagem e devem ser recirculados.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
1. Dados químicos fundamentais
•
Velocidade da reação - rapidez de avanço da reação, catálise,
cinética
•
Termodinâmica - troca de energia envolvidas na reação química
e energia necessária de fontes externas como calor ou
potência.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
2. Tipo do Processo
•Processo contínuo - Opera em volumes maiores e variedade
ainda menor que a produção em massa. Geralmente são
literalmente contínuos, pois seus produtos são indivisíveis e
produzidos em fluxo ininterrupto. São associados a
tecnologias relativamente inflexíveis, de capital intensivo e
fluxo altamente previsível.
Exs.: refinarias de petróleo, petroquímicas, produção de
papel em larga escala, usinas de eletricidade, de tratamento
de água.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Produção em Massa
• Produzem bens em altos volumes e com variedade
relativamente baixa, em termos de aspectos fundamentais de
produto.
•Exemplo típico: montagem final de automóveis – o projeto
básico é o mesmo, mas pode haver grande variedade de
opcionais, cores, motorização. Outros exemplos: fabricação
de bebidas, injeção de plásticos em alto volume.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
2. Tipo do Processo
• Processo descontínuo (bateladas) –
• Os processos são usados quando a produção é
pequena ou em reações de segurança;
• Exigem que se operem pequenas quantidades de
cada vez, como é o caso de explosivos, esse processos propicia
uma ótima cinética e é frequentemente mais fácil de ser
controlado;
• Cada batelada é um sistema fechado e a massa de cada batelada é
fixa;
• O tempo de reação para todos os elementos do fluido é o mesmo;
• A composição da batelada muda com o respectivo tempo;
• A batelada é uniforme a partir de um determinado tempo devido a
eficiente agitação;
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
2. Tipo do Processo
• Processo descontínuo (bateladas) –
•Na indústria química, é típico de produtos com maior valor
agregado, com especificações direcionadas a um tipo de
cliente e menores volumes. Exs. Polimerização, fabricação de
produtos farmacêuticos, de especialidades químicas.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
• 2. Tipo do Processo
• Processo Semi- Contínuo:
• São processos onde as partidas ( bateladas) do mesmo
produto são feitas uma após a outra.
ou
• Onde uma parte do processamento é feito em batelada e a
outra parte é feita de forma contínua.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
3. Fluxogramas para representar um processo químico :
• Servem de base para o projeto e a operação na planta-piloto
e na fábrica. O fluxograma deve conter as operações
unitárias, as conversões químicas, o equipamento utilizado, o
balanço de massa e de energia, mão-de-obra e utilidades.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
4. Escolha do processo químico, projeto e operação
• Esta etapa envolve análise para planejamento e operação
eficientes das plantas-piloto e de produção, projeto e
execução da planta piloto, definição dos equipamentos,
materiais de construção, análise de durabilidade e corrosão
no processo, instrumentação e automação do processo,
definições de variáveis como pressões, alto-vácuo, etc...
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
5. Controle e instrumentação dos processos químicos:
• Isto inclui definição da estratégia de controle e
monitoração do processo - automatizado ou manual. Na
maioria dos processos competitivos, a monitoração,
controle e operação é em sua, maioria, automatizada e
controlada por computador.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
6. Economia do processo químico:
• Prevê a análise e avaliação dos processos competitivos,
avaliação dos investimentos, tempo para retorno do
investimentos, despesas gerais (seguro, impostos,
consultorias), capital (juros e depreciação), fatores de
produção, reparos e manutenção, custos globais.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
7.Avaliação do mercado - Planejamento de Marketing:
• Sugere a avaliação de estatísticas de crescimento de
mercado, localização dos mercados, durabilidade do
produto, tipos de embalagens, estratégias de vendas e
serviços pós-venda.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
8. Localização da fábrica:
• A definição da localização inclui a avaliação das
matérias-primas envolvidas, transporte e mercado,
logística de suprimentos e distribuição. Outros fatores
como energia, água, disponibilidade de mão-de-obra,
custos de terreno, descarte dos rejeitos interferem na
escolha da localização.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
9. Segurança, avaliação dos riscos para saúde ocupacional e
meio ambiente:
• No projeto de qualquer processo químico é fundamental a
avaliação e minimização de impactos ambientais e na
saúde e segurança dos operadores. Existem ferramentas
de análise dos riscos e todo processo deve estar em
conformidade com a legislação ambiental.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
10. Construção da fábrica:
• Normalmente, é confiada a empresas especializadas em
construção de fábricas.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
11. Melhoria contínua e otimização de processos:
• Uso das ferramentas da qualidade, buscando maior eficiência
nos processos.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas
Os fluxogramas são parte fundamental em um projeto, estes
apresentam a seqüência coordenada das conversões químicas
unitárias e das operações unitárias, expondo assim, os aspectos
básicos do processo. É o mais efetivo meio de comunicar
informações sobre um processo industrial.
Indicam pontos de entrada das matérias-primas e da energia
necessária e também os pontos de remoção do produto e dos
subprodutos. Na avaliação global do processo, desde sua
concepção inicial até o fluxograma detalhado para o projeto e
operação da planta, é preciso desenhar muitos fluxogramas.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Tipos de fluxogramas
• Os três principais tipos de diagramas usados para
descrever os fluxos de correntes químicas através
de um processo são:
– a) Fluxogramas de blocos (block flow diagrams – BFD)
– b) Fluxograma do processo (process flow diagram –
PFD)
– c) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (pipping
and instrumentation diagram – P&ID):
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de blocos
• São úteis na conceitualização de um processo ou
de um número de processos em um grande
complexo. Pouca informação sobre as correntes é
fornecida, mas uma clara visão geral do processo é
apresentada.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de blocos
Tanque de
liquido TL01
Misturador
M08
Reator
R102
Separador
S56
Tanque de
liquido TL02
• Os blocos ou retângulos representam uma operação unitária ou processo
unitário. Os blocos são conectados por linhas retas que representam as
correntes de fluxo do processo entre as unidades. Essas correntes de fluxo
podem ser misturas de líquidos, gases e sólidos fluindo em dutos ou sólidos
sendo transportados em correias transportadoras.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de blocos
Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:
– Operações ou processos unitários tais como misturadores, separadores,
reatores, colunas de destilação e trocadores de calor são usualmente
denotados por um bloco simples ou retangulo.
– Grupos de operações unitárias podem ser denotados por um bloco simples.
– Correntes de fluxo do processo entrando e saindo dos blocos são
representadas por linhas retas que podem ser horizontais ou verticais.
– A direção do fluxo deve ser claramente indicada por setas.
– As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem lógica.
– As operações unitárias (i.e blocos) devem ser rotulados.
– Quando possível, o diagrama deve ser arrumado de modo que o fluxo
material ocorra da esquerda para a direita, com unidades a montante, à
esquerda, e unidades a jusante, à direita.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxograma do processo
• Contém toda informação necessária para os
balanços material e energético completos no
processo.
Adicionalmente,
informações
importantes tais como a pressão das correntes,
tamanhos de equipamentos e principais controles
são incluídos.
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas
de processo
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de processo
• Um fluxograma de processo mostra as relações entre os
principais componentes no sistema. Ele também tabula os
valores projetados para o processo para os componentes nos
diferentes modos de operação, tipicamente mínimo, normal e
máximo.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de processo
• Um fluxograma de processo inclui:
– tubulação do sistema
– símbolos dos principais equipamentos, nomes e números de
identificação
– Controles e válvulas que afetam a operação do sistema
– interconexões com outros sistemas
– principais rotas de by-pass e recirculação
– taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura e
pressão para fluxos mínimo, normal e máximo
– composição dos fluidos
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de processo
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de tubulação e instrumentação
• Contém toda informação do processo necessária
para a construção da planta. Estes dados incluem
tamanho dos tubos (dimensionamento da
tubulação e localização de toda instrumentação
para ambas as correntes de processo e de
utilidades).
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de tubulação e
instrumentação
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de tubulação e instrumentação
• Este fluxogramas mostram toda a tubulação
incluindo a seqüência física de ramificações,
redutores,
válvulas,
equipamentos,
instrumentação e controles intertravados.
• Estes fluxogramas são usados para operar o
processo de produção.
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Conceitos de Processos Químicos Industriais
Fluxogramas de tubulação e instrumentação
Um FTI deve incluir:
• Instrumentação e designações
• Equipamentos mecânicos com nomes e números
• Todas as válvulas e suas identificações
• Processo de tubulação, tamanhos e identificação
• Micelânea: ventilação, drenagem, amostragem, redutores, aumentadores
• Permanent start-up and flush lines
• Direção dos fluxos
• Referencias das interconexões
• Controles de inputs, outputs e intertravamento
• Nível de qualidade
• Sistemas de controle computadorizados
• Identificação dos componentes e subsistemas entregues por outros
• Seqüencia física dos equipamentos
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
O que é indústria química?
• Os produtos químicos podem ser
agrupados em dois grandes blocos:
Engenharia de Produção
Conceitos de Processos Químicos Industriais
Produtos inorgânicos
Produtos químicos
de uso industrial
Produtos orgânicos
Resinas e elastômeros
Produtos e preparados
químicos diversos
Engenharia de Produção
Inorgânicos:
Produtos químicos
de uso industrial
Tratamento de
água
Carboquímicos
Petroquímica
Gases
combustíveis
Gases industriais
Cerâmica
Cimento
Vidro
Ácidos
Álcalis
Sais
Tintas
Explosivos
Corantes
Plásticos
Fibras sintéticas
Borracha
Detergentes e sabões
Perfumes, aromatizantes
Alimentos
Agroquímicos
Óleos, gorduras
Açúcar e amido
Fermentação
Papel e celulose
Indústria de fósforo
Indústria de potássio
Indústria de nitrogênio
Plásticos
Fibras sintéticas
Borracha
Engenharia de Produção
Orgânicos
Produtos químicos
de uso industrial
NITRAÇÃO
SULFONAÇÃO
ALQUILAÇÃO
ESTERIFICAÇÃO
POLIMERIZAÇÃO
FERMENTAÇÃO
AMINAÇÃO
CARBOXILAÇÃO
HIDROGENAÇÃO
OXIDAÇÃO, ETC
Engenharia de Produção
Produtos farmacêuticos
Higiene pessoal,
perfumaria e cosméticos
Adubos e fertilizantes
Sabões, detergentes e
produtos de limpeza
Defensivos agrícolas
Tintas, esmaltes e vernizes
Outros
Produtos químicos
de uso final
Engenharia de Produção
Faturamento líquido
Tintas,
esmaltes e
vernizes
Indústria química - 2008
Outros
US$ 2,8
US$ 3,0
Sabões e
detergentes
US$ 6,3
Defensivos
agrícolas
US$ 7,0
Adubos e
fertilizantes
US$ 14,2
Produtos
químicos de
uso
industrial
US$ 61,2
Higiene
pessoal,
perfumaria
e
cosméticos
US$ 10,4
Produtos
farmacêuticos
Total:
US$ 122 bilhões
Engenharia de Produção
A indústria química brasileira
está entre as 10 maiores do mundo
Engenharia de Produção
Ranking da indústria química mundial
Faturamento líquido - 2007 em US$ bilhões
9ª posição
Estados Unidos
China
664
Alemanha
238
Japão
234
França
143
Coréia
116
Reino Unido
Itália
116
106
Brasil
104
Índia
92
Espanha
65
388
Engenharia de Produção
Onde estão os produtos químicos?
Alguns exemplos:
Engenharia de Produção
Tratamento de água
São utilizados para oxidar
cloro
detritos e destruir
dióxido de cloro
microorganismos
Absorvem e precipitam
cloreto de ferro
sulfato de alumínio a sujeira, eliminando
cor, gosto e odores
carvão ativo
hidróxido
de sódio
Retém micropoluentes
e detergentes
Neutraliza a acidez da água
Engenharia de Produção
Agricultura
Fertilizantes químicos
Repõem elementos, como
nitrogênio, fósforo e potássio,
cálcio, entre outros, retirados
do solo pela ação de chuvas,
ventos, queimadas
e constantes colheitas.
Engenharia de Produção
Agricultura
Defensivos químicos
Garantem a qualidade dos
alimentos, a produtividade e
evitam a disseminação de doenças.
Engenharia de Produção
Saúde animal
Medicamentos veterinários
e alimentação animal
Preservam a saúde,
evitam epidemias
e aumentam a produtividade.
Engenharia de Produção
Construção civil
acetato de polivinila
estão presentes na
formulação das tintas –
Resinas Acrílicas
dióxido de titânio
Engenharia de Produção
Construção civil
Hidróxido de Cálcio
polietileno de alta densidade (PEAD)
resinas poliéster
Caixa D’água
Argamassa de Alvenaria
policloreto de
vinila (PVC)
plastificantes ftálicos
trióxido de antimônio
resinas alquídicas
resinas maléicas
resinas epóxi
resinas acrílicas
poliuretano
Fios e Cabos
nitrocelulose
polietileno de baixa densidade linear (PEBDL)
naftenatos
polietileno de baixa densidade (PEBD)
octoatos
polietileno de alta densidade (PEAD)
solventes
policloreto de vinila (PVC)
Vernizes
Tubos e Conexões
Engenharia de Produção
Automóveis
painel
poliuretano
polipropileno (PP)
resina de acrilonitrila-butadieno-estireno (ABS)
borracha de estireno butadieno
pneus negro de carbono
poliamida
ácido sulfúrico
baterias polietileno de alta
densidade (PEAD)
para-choques polipropileno (PP)
pastilha e lonas para freio resinas fenólicas
óleos lubrificantes óleos minerais
aditivos
Engenharia de Produção
Informática
resina de acrilonitrilabutadieno-estireno (ABS)
titanatos
zirconatos
Gabinetes
Componentes
eletronicos
cloreto de polivinila (PVC)
plastificantes ftálicos
trióxido de antimônio
vidro (carbono neutro de sódio +
carbonato de lítio +
hidróxido de sódio +
carbonato de potássio)
carbonato de bário
Fios e Cabos
Cinescópio
Engenharia de Produção
Inovação
A indústria química investe grande parte do seu
faturamento em pesquisa e desenvolvimento.
Foi a indústria química que, com as
fibras sintéticas, permitiu ao setor têxtil
ampliar a produção e baratear os
preços das roupas.
Com os plásticos, foram criadas
embalagens que conservam alimentos
e remédios por longos períodos, tubos
resistentes à corrosão e peças e
componentes utilizados pelas mais
diferentes indústrias.