PQI 3221 Cinética Química e Processos Ambientais Processos Ambientais www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi3221
PQI 3221Cinética Química e Processos AmbientaisProcessos Ambientais
www.lscp.pqi.ep.usp.br/disciplinas/pqi3221
objetivos do curso
1. Despertar habilidades que permitam tratar problemas da Engenhariap q p p gAmbiental a partir de uma abordagem de processos, considerando aanálise dos fenômenos neles envolvidos;
2. Desenvolver a capacidade de generalização na aplicação dosconceitos de conservação de massa e cinética química aprocessos químicos e ambientais;processos químicos e ambientais;
3. Estabelecer estruturas que permitam construir modelost áti i l d i d d li ã d b l dmatemáticos simples, derivados da aplicação de balanços de massa
e do uso de equações empíricas, visando propor soluções de fundotecnológico que resultem em benefícios à sociedade sem ônussignificativos ao meio ambiente.
1o bloco fundamentos, variáveis de processoe balanços de massa sem reações químicasem estado estacionário
Aula Data Assunto Referências BibliográficasAula Data Assunto Referências Bibliográficas
1 24/2 (terça-feira) Apresentação do curso. Introdução. Conceitos de sistema, fronteira e vizinhança. Fluxogramas de processos. Sistemas abertos e fechados. Sistemas contínuos e
descontínuos. Regimes estacionário e transiente
Felder, cap. 4Himmelblau, cap. 6
2 27/2 (sexta-feira) Variáveis de processo. Sistemas de unidades e conversão de unidades. Base de cálculo Felder, caps. 2 e 3Himmelblau caps 1 4Himmelblau, caps. 1-4
3 3/3 (terça-feira) Variáveis de processo. Sistemas de unidades e conversão de unidades. Base de cálculo Felder, caps. 2 e 3Himmelblau, caps. 1-4
4 6/3 (sexta-feira) Exercícios
5 10/3 (terça-feira) Balanços de massa: formulação geral. Conceito de análise de graus de liberdade. Balanços de massa sem reação química em unidades simples
Felder, cap. 4Himmelblau caps 6 e 8de massa sem reação química em unidades simples Himmelblau, caps. 6 e 8
6 13/3 (sexta-feira) Exercícios
7 17/3 (terça-feira) Balanços de massa sem reação química em sistemas de interesse. Processos com múltiplas unidades. Reciclo e by-pass
Felder, cap. 4Himmelblau, caps. 11 e 12
8 20/3 (sexta-feira) Exercícios
9 24/3 (terça-feira) Balanços de massa sem reação química em sistemas de interesse. Processos com múltiplas unidades. Reciclo e by-pass
Felder, cap. 4Himmelblau, caps. 11 e 12
10 27/3 (sexta-feira) Exercícios
- 31/3 (terça-feira) Semana Santa – não há aula3/4 ( t f i ) S S t ã há l- 3/4 (sexta-feira) Semana Santa – não há aula
- 7/4 (terça-feira) semana de provas – não há aula10/4 (sexta-feira) PROVA P1 (10h00-12h00)
2o bloco balanços de massa transientes semreações, balanços com reações químicas emreações, balanços com reações químicas emestado estacionário e cinética química
Aula Data Assunto Referências Bibliográficas
11 14/4 (terça-feira) Balanços de massa em processos transientes: exemplos Felder, cap. 11Himmelblau, cap. 32
12 17/4 (sexta-feira) Balanços de massa em processos com reações químicas. Estequiometria. Reagente em excesso e reagente limitante
Felder, cap. 4Himmelblau, cap. 9
- 21/4 (terça-feira) feriado (Tiradentes)
13 24/4 (sexta-feira) Exercícios
14 28/4 (terça-feira) Cinética química. Ordem de reação Fogler, cap. 5
- 1/5 (sexta-feira) feriado (Dia do Trabalhador)
15 5/5 (terça-feira) Cinética química. Ordem de reação Fogler, Cap. 5
16 8/5 (sexta-feira) Balanços de massa com reação química em sistemas e operações de interesse Felder, cap. 4Himmelblau cap 10Himmelblau, cap. 10
17 12/5 (terça-feira) Exercícios
18 13/5 (quarta-feira) Exercícios (reposição de 1/5)
15/5 (sexta-feira) PROVA P2 (10h00-12h00)
3o bloco aplicações: sistemas gasosos,combustão, processos microbiológicos ecombustão, processos microbiológicos eadsorção
Aula Data Assunto Referências BibliográficasAula Data Assunto Referências Bibliográficas
19 22/5 (sexta-feira) Combustão: sistemas gasosos, propriedades físico-químicas, combustão completa e parcial, ar teórico e em excesso
Felder, cap. 4Himmelblau, cap. 10
20 26/5 (terça-feira) Combustão: balanços de massa, caldeiras e emissões gasosas Felder, cap. 4Hi lbl 10Himmelblau, cap. 10
21 29/5 (sexta-feira) Exercícios
22 2/6 (terça-feira) Sistemas microbiológicos: cinética de processos microbiológicos Schmidell, cap.6Fogler, cap.7
- 5/6 (sexta-feira) recesso de feriado (Corpus Christi) – não há aula
23 9/6 (terça-feira) Sistemas microbiológicos: balanços de massa em biorreatores (descontínuos e contínuos), aplicações em tratamento de efluentes
Schmidell, cap.6Fogler, cap.7
24 12/6 (sexta-feira) Exercícios
25 16/6 (terça-feira) Adsorção: introdução, aspectos cinéticos, isotermas de adsorção Himmelblau, cap. 20.Reynolds, cap.12.
26 19/6 (sexta-feira) Adsorção: materiais adsorventes, aplicações ambientais Himmelblau, cap. 20.Reynolds, cap.12
A combinar Exercícios
- 23/6 (terça-feira) semana de provas – não há aula
- 26/6 (sexta-feira) PROVA P3 (10h00-12h00)
- 30/6 (terça-feira) semana de provas – não há aula
- 3/7 (sexta-feira) PROVA SUB (10h00-12h00)
- 24/7 (sexta-feira) PROVA REC (10h00-12h00)
bibliografia
FELDER, R.M., ROUSSEAU, R.W. Princípios Elementares dos ProcessosQuímicos. Trad. da 3ª. Ed. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2005.
FOGLER, H.S. Elements of Chemical Reaction Engineering, 2nd ed., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, 1992, 3rd. ed., 1999, 4th ed., 2006. Há edições emportuguês (traduções da 3ª e 4a edições).p g ( ç ç )
HIMMELBLAU, D.M.; RIGGS, J.B. Engenharia Química – Princípios e Cálculos.Traduções da 7ª. Ed. (2006) e da 8ª Ed. (2014). Editora LTC, Rio de Janeiro.
REYNOLDS, T.D. Unit Operations and Processes in Enviromental Engineering.2nd ed., PWS Publishing Company, Boston, 1996.
SCHMIDELL, W.; LIMA, U.A.; AQUARONE, E.; BORZANI, W. BiotecnologiaIndustrial, volume 2 – Engenharia Bioquímica, Edgard Blucher, São Paulo, 2001.
PQI 3221Cinética Química e Processos QAmbientaisAula 1 Fundamentos Sistemas RegimesAula 1 – Fundamentos. Sistemas. Regimes de operação. Fluxogramas de processos
Prof. Antonio Carlos S. C. TeixeiraProf. Antonio Carlos S. C. TeixeiraCentro de Engenharia de Sistemas QuímicosDepartamento de Engenharia Química – Escola Politécnica da USPEdifício Semi-Industrial, 3o andar,[email protected]
trocas de matéria e energia no ambientetrocas de matéria e energia no ambiente
Adaptado de: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7th Ed., Lewis Publishers, 2000.
VaporVaporÁgua
N2
AR
H2
N2
Nafta
NH3CO2CO
S
NH3
S
Efluente líquidoInsumos líquido
EnergiaInsumos
AuxiliaresEfluentes
trocas de matéria no ambiente: ciclo global de enxofretrocas de matéria no ambiente: ciclo global de enxofre
quantidades ilhõem milhões
de toneladas métricas/ano
H2S
(CH ) S(CH3)2S
SO2
SOSO3
SO42-
HSO -HSO4
P
=
S
Fonte: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7th Ed., Lewis Publishers, 2000.
t d té i bi t h á idtrocas de matéria no ambiente: chuva ácida
Fonte: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7th Ed., Lewis Publishers, 2000.
possíveis inquietações associadas ao problema...
Q t t l d ét i d ã t d 2% d f ãQuantas toneladas métricas de carvão contendo 2% de enxofre sãonecessárias para produzir a quantidade de SO2 emitido pela queima decombustíveis fósseis (em termos de enxofre elementar), mostrada na figura?
Que quantidade de carvão contendo 5% de enxofre precisa ser queimada paragerar a quantidade de H2SO4 que resulte em 30 mm de chuva de pH 3,0 emuma área de 50 km2?
Que quantidade de Ca(OH)2 por tonelada de carvão queimado é necessária emq ( )2 p qum processo projetado para remoção de 99% do SO2 presente no gás dacombustão? Que quantidade de rejeito por tonelada de carvão é gerada nesseprocesso?
trocas de matéria no ambiente:trocas de matéria no ambiente: contaminação por poluentes tóxicos
Adaptado de: Watts, R.J. Hazardous Wastes, John Wiley & Sons, 1997; Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.
Fonte: Frade, V.M.F., Dias, M., Teixeira, A.C.S.C, Palma, M.S.A. Environmental contamination by fluoroquinolones. Braz. J. Pharm. Sci., 50, 41, 2014.
t i l i it f d t iterminologia e conceitos fundamentais
SISTEMA: quantidade de matéria ou parte restrita do universo, arbitrariamente
lhid id ãescolhida, em consideração
VIZINHANÇAS: resto do universo tudo oVIZINHANÇAS: resto do universo, tudo o que está do lado de fora da fronteira do sistema
FRONTEIRA: limite que separa o sistemaFRONTEIRA: limite que separa o sistema das vizinhanças, real ou imaginário, rígido ou móvel
t i l i it f d t iterminologia e conceitos fundamentais
SISTEMA ABERTO: com escoamento; há entrada e/ou saída de matéria. Permite t d i i htrocas de massa com as vizinhanças, acompanhadas ou não por trocas de calor e/ou trabalho
SISTEMA FECHADO: sem escoamento; não há entrada e nem saída de matéria. Não permite trocas de massa com as vizinhanças, embora possam ocorrer trocas de calor e/ou trabalho
fronteira rígida e fronteira móvelfronteira rígida e fronteira móveltanques de estocagem caldeira para geração de vapor
Adaptado de: Watts, R.J. Hazardous Wastes, John Wiley & Sons, 1997.
fonte original: cova rasa contendo 20 tambores de 55 galões de óleo diesel; 1000 kg (em base seca) de pesados (l d ) d l d d til ã 1 2% PAH ( l li(lodo) de coluna de destilação com 1-2% PAHs (polycyclic aromatic hydrocarbons); 10 tambores de 55 galões contendo xilenos. A maioria dos tambores rompeu-se e os resíduos vazaram; a maior parte do lodo ainda está presente na superfície e algum líquido resta nos tambores.
superfície do solo (até 1 m): 5000 mg/kg TPH (total petroleum hydrocarbons); 300 mg kg PAH; xilenos não detectadosdetectados.
zona intermediária (até 6 m): 1200 mg/kg TPH; 22 mg kg PAH; 65 mg/kg xilenos.
água subterrânea (abaixo de 6 m): 60 mg/kg TPH; 3 mg kg PAH; 31 mg/kg xilenos.; g g
Adaptado de: Watts, R.J. Hazardous Wastes, John Wiley & Sons, 1997.
- transferência de massa
d ã iô i- adsorção e troca iônica
- precipitação
õ d ó id d ã- reações de óxido redução
- oxidação biológica
f ã d l- formação de complexos
- reações de hidrólise
l tili ã- volatilização
Adaptado de: Watts, R.J. Hazardous Wastes, John Wiley & Sons, 1997.
t i l i it f d t iterminologia e conceitos fundamentais
ESTADO: condição do sistema, especificada pelos valores de temperatura,
ã i ã tpressão, massa, composição etc. Conjunto de propriedades de caracterizam o sistema (variáveis de estado)
ESTADO ESTACIONÁRIO (REGIME PERMANENTE): em cada ponto dosistema, as propriedades não variam com o tempo. Do ponto de vista dosbalanços materiais, não há acúmulo de massa; do ponto de vista do balançoenergético, a temperatura e pressão em cada ponto do sistema não variamcom o tempo. As vazões de entrada e de saída são constantes
ESTADO NÃO-ESTACIONÁRIO (REGIME TRANSIENTE OU REGIME(DINÂMICO): pelo menos uma ou mais condições do sistema (p. ex.,temperatura, pressão, quantidade de matéria) variam com o tempo.
processos descontínuosprocessos descontínuos
processo batelada (batch)
não há adição de massa no sistema e nem remoção de massa do sistema durante a operação
processo batelada alimentada(semi-batelada ou
i b t h)semi-batch)
sistema aberto processo contínuo emsistema abertodescontínuo
processo contínuo em estado estacionário
destilação em batelada: destilação sem reposição contínua de alimentação
extração líquido-líquido
Fonte: Himmelblau, D.M.; Riggs, J.B. Engenharia Química – Princípios e Cálculos. Trad. da 7ª. Ed. Editora LTC, Rio de Janeiro, 2006.
exercício A1.1 – classificação de sistemasÁgua entra com uma vazão de 6 kg/s em um tanque de 2 m3, que e é esvaziadoÁgua entra com uma vazão de 6 kg/s em um tanque de 2 m , que e é esvaziadocom uma vazão de 3 kg/s. O tanque está inicialmente pela metade. Esteprocesso é contínuo, batelada ou em semi-batelada? É transiente ouestacionário?
exercício A1.2 – classificação de sistemas
Classifique os sistemas ou processos a seguir (batelada, semi-batelada,contínuo, aberto, fechado, estacionário, dinâmico). Mais de uma classificaçãopode ser aplicada. Conforme o caso, considere um período de tempocaracterístico. (a) O reservatório de abastecimento de água da Cantareira; (b)O ciclo completo de carbono na Terra; (c) O ciclo de carbono em uma floresta;(d) D ti t d bl d l l ( ) U lh d(d) Derretimento de um bloco de gelo ao sol; (e) Um aparelho de arcondicionado em relação ao fluido refrigerante; (f) Tanque de armazenagem deóleo em uma refinaria; (g) Seção de um rio entre duas pontes; (h) Uma caldeirai d t i l á ã dindustrial a gás para geração de vapor.
exercício A1.3 – biorremediação de solo contaminado (bioventing)(bioventing)
Analise a figura a seguir (adaptada de Environ. Sci. Technol., 27, 1975, 1993),que representa um processo de biorremediação de solo contaminado acimaque representa um processo de biorremediação de solo contaminado acimado lençol freático. O sistema é aberto ou fechado? Opera em estadoestacionário ou transiente?
t õ d fl drepresentações de processos – fluxogramas de processo
representações de etapas e de sequências
de etapas de processamento etapa 1
(operações)
etapa i
etapa n
fluxograma do processo de produção de café
a partir de água e grãos de café torrado
aquecerágua
aquecer água
extrairseparar sólido:
café
extrair café
L-S (filtrar)
sólido:rejeito
moer os grãos
café
(grãos) líquido: produtoconexões produto
etapas
conexões (correntes)
etapas (operações)
exemplo:
d d ã d til li lprocesso de produção de etileno glicol
Etapa 1: eteno (etileno) + oxigênio → óxido de etileno
aditivos para sistemas de
f i ãEtapa 2: óxido de etileno + água → etileno glicol refrigeração
produção de poliéster
exemplo:
processo de produção de etileno glicolprocesso de produção de etileno glicol
Etapa 1: C2H4+ ½ O2 → C2H4O (fase gasosa), catalisada
C H + 3 O → 2 CO + 2 H O (fase gasosa)C2H4+ 3 O2 → 2 CO2 + 2 H2O (fase gasosa)
condições:temperatura pressão proporção molar C H : O
Etapa 2: C H O+ H O → C H (OH) (fase líquida)
temperatura, pressão, proporção molar C2H4 : O2
Etapa 2: C2H4O+ H2O → C2H4(OH)2 (fase líquida)
C (O )
H2O
C2H4(OH)2H2O, outros
ar
C H (OH)
?? ??
reator 1 reator 2C2H4 C2H4O C2H4(OH)2
C2H4O, CO2, O2, N2, H2O, C2H4 líquido,temperatura ambiente
gásalta temperatura
lt ã
ppressão ambiente
alta pressão
C H (OH)
ar H2O
C2H4(OH)2H2O, outros
ar
C H (OH)reator 1 reator 2
C2H4 C2H4O C2H4(OH)2
C2H4O, CO2, O2, N2, H2O, C2H4
produtoproduto
rejeitos recicláveis
ar H2O
?? ??ar
C H O
?? ??
reator 1 reator 2C2H4 C2H4O C2H6O2
são necessárias etapas intermediárias com as seguintes funções:
1.Mudança de condição termodinâmica (temperatura, pressão)2.Separação de componentes das misturas
3 Recuperação ou descarte de alguns componentes3.Recuperação ou descarte de alguns componentes
ar H2O
?? ??ar
C H O
?? ??
reator 1 reator 2C2H4 C2H4O C2H6O2
operações unitárias:
1.Trocadores de calor, bombas, compressores, ...2.Colunas de destilação, absorção, ...
exercício A1 3 – processo de tratamento de efluentesexercício A1.3 – processo de tratamento de efluentesElabore uma breve descrição da sequência de operações envolvidas no processo detratamento de efluentes, conforme os fluxogramas apresentados a seguir.tratamento de efluentes, conforme os fluxogramas apresentados a seguir.
tratamento primário
tratamento secundáriosecundário
Adaptado de: Spiro, T.G.; Stigliani, W.M. Chemistry of the Environment, 2nd Ed., Prentice Hall, 2003.
í i A1 3 ( ) d d flexercício A1.3 (cont.) – processo de tratamento de efluentes
tratamento terciário Remoção de material solúvel não removidonas etapas anteriores: nutrientes (N e P),
t i d t â imetais pesados, compostos orgânicosrecalcitrantes, cor e odor. Pode visardesinfecção.
Adaptado de: Spiro, T.G.; Stigliani, W.M. Chemistry of the Environment, 2nd Ed., Prentice Hall, 2003.
documentação: fluxograma de tubulações edocumentação: fluxograma de tubulações e instrumentos (P & I)
estrutura de um processo industrialestrutura de um processo industrial
Adaptado de: Manahan, S.E. Environmental Chemistry, 7th Ed., Lewis Publishers, 2000; Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.
síntese de processos e prevenção de poluiçãop p ç p çhierarquia de gestão de resíduos proposta pela EPA (Environmental
Protection Agency) - Pollution Prevention Act, EUA, 1990
processo originaloriginal
- redução de volumes- substituição de matérias-primas- reuso
1. redução na fonte
- reuso- modificações de processos- intensificação de processos- segregação de correntes
2 i l2. reciclo no processo (in-process recycle)
Adaptado de: Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.
- solventes- água de processo- ácidos
síntese de processos e prevenção de poluiçãop p ç p ç
3. reciclo na planta (on site recycle)(on-site recycle)
- solventes- água de processo
á id- ácidos
4. reciclo em outra planta (off-site recycle)planta (off-site recycle)
Adaptado de: Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.
síntese de processos e prevenção de poluiçãop p ç p ç
end-of-pipe5. tratamento de resíduos
- neutralização de pH- remoção de metais- remoção de orgânicos- tratamentos térmicos- controle de emissões gasosas
6. disposição segura 7. descarte no meio ambiente
Adaptado de: Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.
síntese de processos e prevenção de poluiçãop p ç p ç
antes
depois
Adaptado de: Allen, D.T; Shonnard, D.R. Green Engineering, Prentice Hall, 2002.
exercício A1.4 – prevenção de poluiçãoexercício A1.4 prevenção de poluiçãoAnalise o processo de recuperação de solvente descrito a seguir em termos dahierarquia de gestão de resíduos da EPA (Environmental Protection Agency, EUA),discutindo suas características quanto à prevenção da poluiçãodiscutindo suas características quanto à prevenção da poluição.
Uma indústria automobilística emprega robôs para pintura da carcaça de automóveisantes de sua montagem nos chassis, instalação de componentes e finalização. Demodo a permitir o uso de diferentes cores, as linhas de tinta devem ser lavadas comum solvente apropriado e então recarregadas com a tinta de cor diferente. Antes, osolvente e os resíduos de tinta eram dispostos como resíduos perigosos ouincinerados. A operação atual de pintura spray emprega um processo de recuperaçãoincinerados. A operação atual de pintura spray emprega um processo de recuperaçãode solvente, como esquematizado na figura.