Tecnologia de Processos Químicos

1. Engenharia de Produção Tecnologia de Processos Químicos Prof. Ms. Fernanda Palladino

2. Engenharia de Produção Plano de Ensino • 2o. semestre - 2009 • Curso: Engenharia de Produção • Disciplina: Tecnologia de Processos Químicos • Carga horária: 72 horas-aula • Objetivos: • Proporcionar aos estudantes conhecimentos-chave relacionados aos processos da indústria de transformação química

3. Engenharia de Produção Plano de Ensino • 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.

4. Engenharia de Produção Plano de Ensino • Conteúdo Programático • 1. CONCEITOS DO PROCESSAMENTO QUÍMICO INDUSTRIAL • 2. OPERAÇÕES UNITÁRIAS NAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS • 3. CLASSIFICAÇÃO DE PROCESSOS DE PRODUÇÃO QUÍMICA • 3.1 Batelada • 3.2 Contínuos • 3.3 Semi-contínuos • 4. TIPOS DE FLUXOGRAMAS

5. Engenharia de Produção Plano de Ensino • 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

6. Engenharia de Produção Plano de Ensino • 6. NECESSIDADES DE ENERGIA NAS INDÚSTRIAS QUÍMICAS • 7. INDÚSTRIAS QUÍMICAS E O MEIO AMBIENTE • 8.1 Impactos ambientais • 8.2 Impactos econômicos • 8.3 Impactos sociais

7. Engenharia de Produção Plano de Ensino • 8. PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS • 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 • 7.7Indústria petroquímica e • 7.8 Refinação do Petróleo • 7.9 Indústrias farmacêuticas • 7.10 Processos químicos na metalurgia

8. Engenharia de Produção Método de Ensino • As aulas serão teóricas. • As aulas teóricas serão expositivas com exercícios descritivos em classe. • Trabalhos sobre temas específicos preparados pelos alunos.

9. Engenharia de Produção 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).

10. Engenharia de Produção Referências Bibliográficas • Bibliografia Básica • SHREVE, R. Norris, JUNIOR, Joseph A. Brink. Indústriasde Processos Químicos. Editora: Guanabara, Rio de Janeiro, 1994. 4ª. Ed. • ABIQUIM - http://www.abiquim.org.br/conteudo.asp?princ=ain&pag=conc • Bibliografia Complementar: • FELDER, Richard M., ROUSSEAU, Ronald W., Princípios Elementares de Processos Químicos, Editora: LTC, 2005, 3ª. Ed.

11. Engenharia de Produção 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

12. Engenharia de Produção PRODUTO MÃO-DE-OBRA RESÍDUOS RECURSOS Conceitos de Processos Químicos Industriais MATÉRIAS-PRIMAS Processo químico

13. Engenharia de Produção 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:

14. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais Indústria Química Operações Unitárias ou Operações Físicas, podem ser: Bombeamento de fluidos Destilação Troca de calor Evaporação Transporte de sólidos Absorção de gás Extração Controle de Calor Peneiração Processos de separação Filtração Secagem Misturação

15. Engenharia de Produção 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

16. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais Industria Química A produção em escala industrial de um produto envolve três fases: Desenvolvimento em laboratório - estudo detalhado das conversões químicas e das condições físicas (temperatura, quantidades, catalisadores, etc.) necessárias para sua execução; 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. Projeto e implantação do processo em escala industrial.

17. Engenharia de Produção Moles do produto principal Moles do produto principal Rendimento percentual Rendimento percentual = 100 x = 100 x Moles do produto principal equivalentes à desaparição completa do reagente mais importante Moles do produto principal equivalentes à carga do reagente mais importante Conceitos de Processos Químicos Industriais • Dados químicos fundamentais • Rendimentos da reação: • Conversão na reação: • 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.

18. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais • 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.

19. Engenharia de Produção 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.

20. Engenharia de Produção 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.

21. Engenharia de Produção 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; • . Ex: polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos.

22. Engenharia de Produção 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. • . Ex: polimerização, fabricação de produtos farmacêuticos.

23. Engenharia de Produção 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.

24. Engenharia de Produção 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.

25. Engenharia de Produção 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...

26. Engenharia de Produção 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.

27. Engenharia de Produção 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.

28. Engenharia de Produção 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.

29. Engenharia de Produção 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.

30. Engenharia de Produção 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.

31. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais 10. Construção da fábrica: • Normalmente, é confiada a empresas especializadas em construção de fábricas.

32. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais 11. Melhoria contínua e otimização de processos: • Uso das ferramentas da qualidade, buscando maior eficiência nos processos.

33. Engenharia de Produção 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.

34. Engenharia de Produção 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 (blockflowdiagrams – BFD) • b) Fluxograma do processo (processflowdiagram – PFD) • c) Fluxogramas de tubulação e instrumentação (pippingandinstrumentationdiagram – P&ID):

35. Engenharia de Produção 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.

36. Engenharia de Produção 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.

37. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais Fluxogramas de blocos Para fazerfluxogramas de blocosclaros e objetivos: • Operaçõesouprocessosunitáriostaiscomomisturadores, separadores, reatores, colunas de destilação e trocadores de calorsãousualmentedenotadospor um bloco simples ouretangulo. • Grupos de operaçõesunitáriaspodem ser denotadospor um bloco simples. • Correntes de fluxo do processoentrando e saindo dos blocossãorepresentadasporlinhasretasquepodem ser horizontaisouverticais. • A direção do fluxodeve ser claramenteindicadaporsetas. • As correntes de fluxodevem ser numeradasemumaordemlógica. • As operaçõesunitárias (i.eblocos) devem ser rotulados. • Quandopossível, o diagramadeve ser arrumado de modoque o fluxo material ocorradaesquerdapara a direita, com unidades a montante, à esquerda, e unidades a jusante, à direita.

38. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais

39. 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.

40. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais Fluxogramas de processo

41. 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.

42. Engenharia de Produção Fluxogramas de processo Conceitos de Processos Químicos Industriais • 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

43. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais

44. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais Fluxogramas de processo

45. Engenharia de Produção Fluxogramas de tubulação e instrumentação Conceitos de Processos Químicos Industriais • 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).

46. Engenharia de Produção Fluxogramas de tubulação e instrumentação Conceitos de Processos Químicos Industriais

47. Engenharia de Produção Fluxogramas de tubulação e instrumentação Conceitos de Processos Químicos Industriais • Este fluxogramasmostramtoda a tubulação • incluindo a seqüênciafísica de ramificações, redutores, válvulas, equipamentos, instrumentação e controlesintertravados. • Estes fluxogramassãousadosparaoperar o processo de produção.

48. Engenharia de Produção Fluxogramas de tubulação e instrumentação Conceitos de Processos Químicos Industriais Um FTI deveincluir: • Instrumentação e designações • Equipamentosmecânicos 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 • Seqüenciafísica dos equipamentos

49. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais O que é indústria química? • Os produtos químicos podem ser agrupados em dois grandes blocos:

50. Engenharia de Produção Conceitos de Processos Químicos Industriais Produtos inorgânicos Produtos orgânicos Produtos químicos de uso industrial Resinas e elastômeros Produtos e preparados químicos diversos