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Prof. Lucrcio Fbio
Ateno: Estas notas destinam-se exclusivamente a servir como
roteiro de estudo. Figuras e tabelas de outras fontes foram
reproduzidas estritamente com fins didticos.
PROCESSOS QUMICOS INDUSTRIAIS I
INTRODUO AO ESTUDO DOS PROCESSOS QUMICOSINDUSTRIAIS
RELACIONAMENTO COM A ENGENHARIAQUMICA
UD 01:
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2O que um processo qumico?
Quando se pensa no assunto o que vem mente?
Indstria qumicahttp://www2.nord.com
http://www2.nord.com
PROCESSO QUMICO
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Definio de processo qumico
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Define-se processo qumico como qualquer operao ouconjunto de
operaes coordenadas que provocamtransformaes qumicas e/ou fsicas
num material ou numamistura de materiais.
Objetivo dos processos qumicos
O objetivo dos processos qumicos a obteno de produtos
deinteresse a partir de matrias-primas selecionadas ou
disponveispara tal.
PROCESSO QUMICO
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4Por exemplo, pode-se obter etanol a partir de diferentes
fontesde carbono:
mandiocahttp://domescobar.blogspot.com.br
Vista parcial de uma planta para obteno de etanol, a partir da
cana
http://www.empat.com.br
canahttp://cucanaga.blogspot.com.br
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5Exemplos de processos qumicos
Shreve e Brink jr. (1980) detalham vriosprocessos qumicos, entre
eles tem-se:
Tratamento de gua;Produtos carboqumicos;Indstria de
cermica;Indstria do acar e do amido
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6Fluxograma da produo de acar (C12H22O11)Fonte: Shreve; Brink
jr. (1980)
C12H22O11
C12H22O11
Exemplo de processo qumico
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7Fluxograma da produo de lcool (C2H5OH)Fonte: Shreve; Brink jr.
(1980)
C12H22O11
C2H5OH
C12H22O11 + H2O 2C6H12O6invertase
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2levedura
Exemplo de processo qumico
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8Anlise de processos qumicos
De acordo com os processos apresentados, as matrias-primas
sotransformadas em produtos atravs de uma sequncia de etapas.
Essas etapas so denominadas operaes unitrias da indstriaqumica e
so realizadas em equipamentos especficos, tais comomoendas,
evaporadores, centrfugas, secadores e colunas dedestilao.
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9colunas de destilaohttp://www.pulsarimagens.com.br
centrfuga
http://www.brumazi.com.br
evaporadorhttp://www.termopros.com.br
moendahttp://www.revistaalcoolbras.com.br
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A anlise dos processos qumicos tem como objetivo a obtenodas
quantidades e propriedades das correntes de produtos apartir de
quantidades apropriadas das correntes de alimentao,e vice-versa,
nas etapas do processo.
Qual o objetivo da anlise de processos qumicos
Assim, deve-se conhecer as principais variveis envolvidas
nosprocessos, tendo como base a lei de conservao de massa
eenergia.
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11
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Recursos
Slidas
Lquidas
Gasosas
outras
Matrias-primas
UTILIDADES
OUTROS RECURSOS
Pessoal / Instalaes
Preparao
Vapor, Energia eltrica, gua tratada, Gases, Ar comprimido
Manuteno, Instrumentao, dentre outros
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Sub-produtos
Resduos poluentes Resduos slidos reciclveis
Resduos slidos tratveis
Resduos slidos incinerveis
Resduos slidos para aterros
Efluentes (lquidos, slidos e gasosos)
Resduos
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Logo, o processo consiste na transformao de entradas em
sadas.
Em resumo
ProcessInput Output
Feedback
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O processo qumico compreende vrias etapas
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Preparao das matrias-primas
Reaes qumicas
Embalagem
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OPERAO: a ao direta dohomem e equipamentos sobre amatria-prima e
seus produtos(funes que devem ser executadas).
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PROCESSO: um conjunto deoperaes fsicas e transformaesqumicas que
visam obter produtosfinais a partir de matrias-primas.
Milho
Panela
Sal
leo
Processo Pipoca
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Operaes unitrias
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Segundo Cremasco (2012), Operaes Unitrias constituem-se
etapasindividuais, visando ao tratamento e/ou separao e/ou
transportefsico de matria e/ou energia, presentes em um processo
(bio)qumico.
O que vale ressaltar que em uma operao unitria existe umaalterao
fsica ou uma separao sem ocorrer reao qumica.
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Operaes unitrias
Misturao Destilao Evaporao Absoro de gs Extrao Processos de
separao Secagem
Bombeamento de fluidos Troca de calor Transporte de slidos Reduo
de tamanho Peneirao Filtrao
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a aplicao dos princpios da qumica, da fsica e da fsico-qumica
(quandonecessrio, apoiadas por outras cincias) para a transformao
da(s)matria(s)-prima(s) em produtos.
Mas, o que um PROCESSO QUMICO INDUSTRIAL?
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Processos orgnicos
Nitrao Sulfonao Alquilao Esterificao Polimerizao Fermentao
Aminao Carboxilao Hidrogenao Oxidao
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Processos inorgnicos
Tratamento de gua Carboqumicos Petroqumica Gases combustveis
Gases industriais Cermica Cimento Vidro cidos lcalis Tintas
Explosivos
Processos industriais
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Industrialmente, os reatores qumicos podem ser de vrios
materiais,
formatos e dimenses, dependendo das condies em que a
converso
qumica se realiza.
Os reagentes em excesso podem ou no retornar ao processo,
formando o reciclo; pode haver catalisador ou no; o catalisador
pode estar
em leito fixo ou em leito fluido.
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REAES QUMICAS REALIZADAS EM CONDIES INDUSTRIAIS
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Para melhorar o rendimento nas reaes qumicas realizadas em
condies industriais, geralmente, desejvel que um ou mais
reagentes
estejam em excesso (em relao s quantidades tericas previstas
pelas
equaes qumicas).
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Exemplo: Processos de nitrao
As quantidades mximas dos produtos formados sero determinadas
pela
quantidade do REAGENTE-LIMITANTE, que aquele que no se encontra
em
excesso; o qual servir de base para o clculo do excesso dos
demais.
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A equao qumica fornece informaes quali- e quantitativas
essenciais para o
clculo das massas dos materiais envolvidos em um processo
qumico, como
por exemplo:
A equao qumica nos fornece, em termos de mols, as razes
entre
reagentes e produtos (chamadas razes estequiomtricas).
A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos e compostos
que se
combinam.
2C4H10 (g) + 13 O2 (g) 8 CO2 (g) + 10 H2O (v) + energia
2 mols 13 mols 8 mols 10 mols
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EQUAO QUMICA E ESTEQUIOMETRIA
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CUSTOS DE PRODUO
Por definio, custos de produocorrespondem soma dos custos
dosmateriais diretos, com a distribuio doscustos fixos e dos custos
da mo-de-obradireta (EMBRAPA, 2006).
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Levando em conta um nico produto, podemos escrever aseguinte
expresso a ser minimizada:
Onde:CT = custo total anualCF = custo fixo unitrio (custos
associados a cada unidade e que no
dependem de nova deciso. Ex. preo pago ao fornecedor)CA = custo
mdio unitrio de armazenagem durante o anoCP = custo de preparao de
mquinaD = demandaQ = quantidade fabricada (ou comprada) de cada
vezn = nmero de encomendas por ano. Evidentemente, n = D/Q
CT = CF.D + CA.Q + CP.n
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Substituindo n na expresso de CT:
Q
DCQCDCC
.P.A.FT
O objetivo determinar qual valor de Q torna mnimo CT. A esse
valorchamaremos de Lote Econmico de Fabricao (QE), que dado
pelaexpresso:
Expresso obtida a partir da derivaode CT em relao a Q e
igualando a zero.
A
PE
C
D.CQ
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Conhecidos os valores de CP e CA podemos, pela frmula
acima,calcular o valor do lote econmico QE
comum expressar CA em funo de CF (custo fixo), i (taxa dejuros)
e de a (taxa de armazenamento), cuja expresso maisusada :
2
)ai(CC
.FA
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O que mostra que o primeiro membro (CA.QE) o custo dearmazenagem
e o segundo representa o custo de emitir ordens deproduo e,
portanto, quando a quantidade obtida for igual ao loteeconmico, os
custos de armazenagem tornam-se iguais aos custosde obteno.
fcil perceber que a expresso de QE
( ) pode ser transformada em:
A
PE
C
DCQ
.
E
.PEA
Q
DCQ.C
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QQE
CF.D(custo fixo)
CA.Q(custo de armazenagem)
R$
CP.D/Q(custo de preparao)
CT (custo total)
Graficamente:
CUSTOS DE PRODUO
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A Indstria de alimentos MF Ltda est planejando as rodadas de
produopara sua linha de iogurtes. Em mdia, estima-se que o custo de
preparao demquinas esteja em torno de R$ 200,00; havendo pouca
diferenciao de umsabor e outro. O custo unitrio mdio de fabricao
foi calculado em R$300,00, sobre o qual, para efeito de
armazenagem, incidir uma taxa total de60% entre juros e
armazenagem. Estima-se que, para 2014, a demanda paralinha de
iogurte light situar-se- em torno de 5.000 caixas. Determinar:
a) Quantas caixas devem ser produzidas de cada vez;
b) Qual o custo total
Obs.: Cada caixa contm 1000 iogurtes. No levar em conta o custo
unitrio do iogurte
Aplicao
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Soluo
A
PE
C
DCQ
.
2
)(. aiCC
FA
902
6,0300
xCA
a) Nmero de caixas a serem produzidas de cada vez
409,10590
5000 200
xQE
Logo, o lote econmico ser:
Clculo de CA
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c) Custo total e custo total em estoque
Parcela correspondente ao custo de armazenagem
Parcela correspondente ao custo de emitir ordens de
produo
CT= R$ 1.518.974,00
CT= R$ 1.500.000,00 + R$ 9.487,00 + R$ 9.487,00
CT= 300 x 5000 + 90 x 105,409 + 200 x 5000
105,409
CT= CF .D + CA.Q + CP.n
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Os processos qumicos so classificados de acordo com
oprocedimento de entrada e sada de matria do volume decontrole
em:
Processos em batelada;
Processos contnuos;
Processos semicontnuos.
CLASSIFICAO DOS PROCESSOS
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Um equipamento carregado com as matrias-primas, a operao oua
converso ocorrem aps um tempo determinado, quando ento oproduto
descarregado.
Processo Descontnuo (por batelada)
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O processo descontnuo utilizado quando o volume de produo
pequeno,quando o custo de produo mais favorvel que o do processo
contnuo ouquando condies de segurana so fundamentais.
Exemplos:Polimerizao, fabricao de produtosfarmacuticos, de
especialidades qumicas
Autoclave de processamento de lnter
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Processos contnuos
Diferentemente dos processos em batelada, as entradas e sadas
fluemcontinuamente ao longo do tempo total de processo.
Centrfuga de processamento de celulose
Visor da centrfuga
Centrfuga
Exemplo:
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O processo contnuo exige uma instrumentao de processo mais
complexa,que no somente registre, mas tambm controle as variveis do
processo(temperatura, vazo, presso...).
necessrio controlar os desvios e corrigi-los rapidamente.
Controle informatizado do processo.
Custos so altos para pequenas produes mas se diluem para
grandesprodues.
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Processos contnuos
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Processos semicontnuos
qualquer processo que no se enquadre nas duas definies
anteriores.
Exemplos:
http://campingtotal.blogspot.com.br
http://duquedecaxias.olx.com.br
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Os trs principais tipos de diagramas usados para descrever os
fluxosde correntes qumicas atravs de um processo so:
Fluxogramas de blocos (block flow diagrams BFD)
Fluxograma do processo (process flow diagram PFD)
Fluxogramas de tubulao e instrumentao (piping andinstrumentation
diagram P&ID):
TIPOS DE FLUXOGRAMAS
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Fluxogramas de blocos
Permite a rpida visualizao do processo.
Cada bloco ou retngulo representa uma operao unitria ou
processounitrio.
entrada coagulao floculao
decantao ou sedimentao filtrao
desinfeco
distribuioTratamento de gua
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Para fazer fluxogramas de blocos claros e objetivos:
Correntes de entrada e sada so representadas por linhas retas
quepodem ser horizontais ou verticais;
A direo do fluxo deve ser claramente indicada por setas;
As correntes de fluxo devem ser numeradas em uma ordem
lgica;
As operaes unitrias (i.e blocos) devem ser rotulados;
Quando possvel, o diagrama deve ser arrumado de modo que o
fluxomaterial ocorra da esquerda para a direita, com unidades a
montante, esquerda, e unidades a jusante, direita.
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Fluxograma do processo
Contm as informaes necessrias para os balanos material e
energticodo processo.
O fluxograma de processo apresenta as relaes entre os
principaiscomponentes no sistema, bem como tabula os valores
projetados para oprocesso para os componentes nos diferentes modos
de operao: mnimo,normal e mximo.
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Um fluxograma de processo inclui:
tubulao do sistema;
smbolos dos principais equipamentos, nomes e nmeros
deidentificao;
Controles e vlvulas que afetam a operao do sistema;
interconexes com outros sistemas;
principais rotas de by-pass e recirculao;
taxas do sistemas e valores operacionais como temperatura e
pressopara fluxos mnimo, normal e mximo;
composio dos fluidos.
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Exemplo
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Fluxogramas de tubulao e instrumentao
Deve conter toda informao do processo necessria para a
construoda planta.
Mostram toda a tubulao incluindo a sequncia fsica de
ramificaes,redutores, vlvulas, equipamentos, instrumentao e
controlesintertravados;
So usados para operar o processo de produo;
Devem apresentar todos os detalhes pertinentes ao processo.
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Exemplo
Fonte: www.google.com.br
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Dvidas???