Desenho e Projeto de
Tubulação Industrial
Nível II
Módulo I
Aula 08
1. Introdução
Nesta apostila vamos ver os conceitos básicos referentes à físico-química.
Esta é uma disciplina que estuda as propriedades físicas e químicas da matéria
combinando as duas ciências: a física e a química.
A físico-química é uma disciplina que estuda conjuntamente as propriedades
tanto físicas como químicas da matéria nas suas funções desde a escala molecular
até os fenômenos macroscópicos, por meio de suas mudanças de temperatura,
pressão, volume, etc., nos diversos estados físicos.
Entretanto para o projetista de tubulações as reações químicas não são
importantes, mas sim a ação que os produtos podem ter nos materiais aplicados nas
tubulações e a possível ação deles no meio-ambiente.
No nosso curso a parte física é tratada com detalhes no Módulo II, onde os
conceitos físicos são estudados com mais detalhe, como as propriedades físicas dos
corpos, as forças moleculares, as partes da mecânica, etc.
Nesta apostila vamos tratar resumidamente os aspectos químicos somente.
2. Produtos perigosos
A ONU tem um código para a identificação dos produtos químicos perigosos
conforme sua periculosidade para o meio ambiente, para fins de transporte terrestre.
No Brasil o Ministério dos Transportes tem um regulamento conforme portaria
204/97 que regulamenta as embalagens, prescrições de transporte e relação dos
produtos classificados como perigosos. Os produtos explosivos e radioativos
necessitam de autorizações especiais.
Este curso é dedicado ao projeto das tubulações que são o meio utilizado nas
indústrias para o transporte de produtos no estado líquido ou gasoso, onde muitos
destes produtos são considerados perigosos como o petróleo e seus derivados:
gasolina, óleos combustíveis, gás natural, etc. Fazem parte dessas instalações os
componentes das tubulações como conexões, válvula manuais e de controle,
suportes e estruturas de apoio, etc. Também as instalações onde esses fluidos são
processados tais como centrais de compressão, estações de bombas, dosagem e as
instalações de processamento como torres de destilação, fornalhas, etc.
O transporte por meio de tubos desses produtos é muito seguro sendo
efetuado desde os campos de produção até as refinarias e centros de
transformação.
O transporte por meio de tubos tornou-se comum e hoje o temos em nossa
vida diária sem percebermos sua presença no nosso dia-a-dia como em nossas
cozinhas com o gás chegando por tubos até os fogões a gás. Para nossos carros os
combustíveis chegam às bombas vindo por redes de tubulações e nas bombas de
gasolina chegam a nossos carros por meio de tubos controlados por válvulas. Assim
vemos que o transporte por meio de tubos é seguro e prático.
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Entretanto o transporte desses produtos oferece perigos e as tubulações
devem ser cuidadosamente projetadas e construídas a fim de evitar desastres que
podem causar mortes e perdas materiais. Contam-se muitos desastres como a
explosão de gasodutos com perdas de vidas e de propriedades, como o de
vazamento de gás em residências com explosões e incêndios com mortes e perdas
materiais. Também se contam desastres em oleodutos com ruptura de tubos e
prejuízos ao meio ambiente como gasolina escorrendo para rios.
Os processos industriais envolvem diversas fases químicas e mecânicas com
a transformação de muitos produtos usualmente em grande escala. Esses
processos podem ser por batelada ou descontínuos, que são processos
considerados artesanais ou de pequena quantidades e podem ser contínuos como
nas siderúrgicas, petrolíferas, farmacêutica, de papel e celulose , onde os processos
são contínuos desde a recepção da matéria prima até o produto final.
Muitas vezes uma planta industrial complexa é constituída por muitas
unidades separadas unidas por tubulações. Podemos citar a indústria petrolífera
onde existem unidades de acetaldeído, de amônia, de benzeno e a indústria de
celulose onde existem os digestores, depuradores, branqueamento, etc.
Na indústria petrolífera temos os hidrocarbonetos que são compostos
químicos formados por átomos de carbono e de hidrogênio aos quais se pode
adicionar oxigênio, nitrogênio, enxofre originando-se muitos grupos de diferentes
compostos, sendo conhecidos alguns milhares de hidrocarbonetos com diferentes
composições moleculares e características físicas. Eles de oxidam facilmente
liberando calor e são extremamente perigosos devendo ser tratados com muito
cuidado.
O projetista de tubulações deve sempre conhecer os produtos que vai
transportar nas tubulações e cuidar que as tubulações acolham as regras de
segurança aplicáveis aos fluidos sendo transportados.
3. Fenômenos químicos e físicos
Fenômenos físicos são os que se relacionam com as características físicas
dos corpos tais como a luz, o som, o magnetismo, a eletricidade e que não alteram
as propriedades químicas desses corpos.
Podemos citar a fusão do gelo, a ebulição da água, cortar uma peça de metal
com uma serra, cortar um pedaço de papel com uma tesoura, etc.
Por fenômeno químico entendemos os fenômenos que alcançam os corpos
com modificações de sua composição. Por exemplo, a combustão transforma uma
substância em outra, pois um pedaço de madeira ao queimar-se se transforma em
carvão e cinzas. Outros fenômenos químicos são a efervescência, a precipitação de
um corpo após uma reação química, etc.
Como reação química podemos citar a união de duas moléculas de
hidrogênio com uma molécula de oxigênio para formar uma molécula de água. Outro
exemplo pode ser a reação de uma molécula de nitrato de prata com uma molécula
de sal produzindo a precipitação de cloreto de prata: NaCl+AgNO3=AgCl+NaNO3.
Temos então aí os dois distintos fenômenos explicados.
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As reações químicas podem ser classificadas de acordo com a quantidade de
reagentes de um lado e de produtos no outro lado da equação química ou outra
forma de classificação das reações químicas é: reações de síntese, de análise, de
simples troca, de dupla troca e outras. Vejamos alguns exemplos.
A reação de síntese consiste no uso de dois ou mais reagentes que produzem
um só produto observando a de conservação das massas ou Lei de Lavoisier. Essas
reações são do tipo: A+B→ab. Um exemplo clássico é a formação da água:
2H2+O2=2H2O, onde duas moléculas de hidrogênio reagem com duas moléculas de
oxigênio para formar duas moléculas de água.
Outra forma de reação química é a de análise ou de decomposição. Neste
tipo de reação química um reagente origina dois ou mais produtos obedecendo a
uma relação do tipo:
A→X+Y.
Podemos dar como exemplo a reação do aquecimento de carbonato de cálcio
com a produção de óxido de cálcio e dióxido de carbono: CaCO3+Calor→CaO+CO2.
Podemos distinguir diversos tipos de reações de análise como a pirólise,
fotólise e eletrólise. Análise é a separação ou decomposição de um todo.
A palavra pirólise se deriva do grego: piros+lysis = fogo+dissolução ou
dissolução ou decomposição pelo fogo. Esta reação ocorre a altas temperaturas
com a ruptura da estrutura molecular de uma substância composta pela ação do
calor em um ambiente com falta de oxigênio.
De uma forma mais ampla a pirólise é conceituada como um processo de
decomposição de um produto pela ação do calor. Pode-se fazer exceção neste
conceito das reações térmicas na presença de um catalisador que toma o nome de
reforma catalítica ou cracking catalítico (crack é um termo da língua inglesa que
significa fenda, estálido, greta, fresta e cracking é um termo muito utilizado na
indústria petroquímica para designar a transformação do petróleo em seus
derivados), que é um sistema muito utilizado na indústria petroquímica.
A pirólise é também utilizada no tratamento de lixo, sendo um processo autosustentável, quando o uso do calor decompõe a matéria orgânica na ausência de
oxigênio produzindo gases que podem ser queimados produzindo energia.
A fotólise é um processo de dissociação de moléculas orgânicas por meio de
radiações eletromagnéticas.
Por último vamos ver a eletrólise que é um termo da união do radical eletro
(eletricidade) com lysis (decomposição) significando eletrodecomposição. Este termo
então significa a decomposição de produtos por meio da eletricidade.
A reação de simples troca é também chamada de reação de deslocamento ou
de substituição. Nesta reação dois reagentes reagem para produzir dois produtos na
forma: A+BC→B+AC. Temos duas formas de reações de simples troca: uma quando
dois metais eletropositivos A e B quando ligados e um ânion C semimetálico, a outra
quando A e B podem ser semimetais e C um metal ou elemento eletropositivo.
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A reação dupla também chamada de reação de metátese é uma reação onde
existem dois reagentes compostos que geram dois produtos também compostos que
permutam entre si dois elementos radicais.
Um exemplo já demos acima com a reação do cloreto de sódio reagindo com
o nitrato de prata para produzir cloreto de prata e nitrato de sódio. Outro exemplo é a
reação do cloreto de hidrogênio ou ácido clorídrico reagindo com o hidróxido de
sódio para produzir cloreto de sódio (sal de cozinha) e água:
HCl+NaOH→NaCl+H2O. Esta reação é de um ácido com uma base formando uma
dupla troca.
4. Reação exotérmica e endotérmica
Vamos agora estudar as reações exotérmicas.
As reações químicas podem ser exotérmicas ou endotérmicas.
Elas são endotérmicas quando a energia total ou entalpia dos produtos
gerados for maior do que a dos reagentes que participam da reação, ou seja, a
energia final é maior do que a energia inicial dos componentes. Isto significa que a
reação absorve energia na forma de calor. Um exemplo comum é a decomposição
da bauxita na produção de alumínio que exige grandes quantidades de energia.
Elas são exotérmicas quando a energia da reação é transferida de seu interior
para um meio exterior, isto é, ele aquece o meio em que está havendo a reação. Um
exemplo corriqueiro é a queima de álcool ou da gasolina que produzem muito calor
ao queimar: são produtos inflamáveis.
Dizemos então que as reações exotérmicas liberam calor, ou seja, a energia
final dos produtos gerados é menor do que a energia dos reagentes que entram na
reação.
Uma reação química pode ser descrita como sendo a transformação de
matéria na qual acontecem mudanças na qualidade dos produtos iniciais dos
reagentes e que resulta em produtos finais de composições diferentes.
Uma reação química envolve mudanças nas ligações dos átomos ou dos
íons, na forma geométrica das moléculas dos reagentes e na conversão entre os
tipos de dois isômeros, que são moléculas que apresentam fórmulas moleculares
idênticas.
Podemos resumir estas explicações dizendo que uma reação química é uma
transformação da matéria onde pelo menos uma ligação química é desfeita ou é
criada.
5. Classificação
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Os recursos naturais existentes na nossa natureza são usados pelo homem
com o objetivo de desenvolvimento, sobrevivência e conforto pessoal e da
sociedade humana em geral. Podemos classificar esses recursos em renováveis e
não renováveis.
Os recursos renováveis são, por exemplo, a energia do Sol e do vento.
Outros recursos como o petróleo e os minérios são não renováveis pois podem
acabar. Certos recursos como a água, o solo e os vegetais são considerados como
potencialmente renováveis, pois sua renovação pode ser limitada pela própria ação
do homem.
Os recursos naturais são compostos de matérias que podem estar em três
estados físicos diferentes: o estado sólido, o estado líquido e o estado gasoso.
O estado sólido é caracterizado pelas formas dos corpos e seu volume que
são definidos, pois resistem à deformação ou mudança de forma. Nesses corpos
os átomos e moléculas estão relativamente próximos ou de certa forma rígidos e
resistem à deformação e têm uma ordenação espacial fixa, mas eles têm energia
cinética e podem mover-se em um movimento invisível ao olho humano.
O estudo dos sólidos toma o nome de física do estado sólido e inclui o
estudo dos semicondutores e supercondutores.
A química do estado sólido cobre também esses campos e se ocupa
principalmente da síntese de novos materiais.
Os corpos sólidos podem ser divididos em seis tipos: frágeis, duros,
resistentes, flexíveis e dúcteis.
Estas propriedades dos corpos são estudadas, como dissemos, com certo
detalhe no Módulo II deste curso.
O estado líquido é um estado em que as moléculas da matéria estão a uma
distância suficiente para permitir a mudança de volume do corpo. Por isso os
líquidos podem adotar a forma do vaso que os contém. Suas moléculas estão livres
para se mover pelo líquido, mas a força de atração mútua limita sua capacidade de
movimento e por isso não podem abandonar seu volume.
Este volume é determinado por sua pressão e temperatura, e pode criar uma
pressão sobre o fundo e lados do recipiente onde ele está contido. Esta pressão
pode aumentar em todas as direções e aumenta com a profundidade.
Por fim o estado gasoso é um estado em que o corpo não tem forma nem
volume definido e adota a forma do recipiente em que ele está contido. Neste
estado o movimento de suas moléculas, átomos, íons, etc., se movimentam de
forma aleatória.
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