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