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PROCESSOS QUÍMICOS III

Professor Harrison

Objeti o Objetivo

  Capacitar o aluno de Engenharia Química para identificação das etapas necessárias para transformação de matérias-primas em produtos desejados, bem como iniciá lo na leitura e interpretação de fluxogramas de processos industriais como iniciá-lo na leitura e interpretação de fluxogramas de processos industriais por meio da exemplificação de processos já conhecidos.

  A li õ Avaliações

  P1 + Trabalho

  Bibliografia recomendada SMITH, R., Chemical Process Design, McGraw-Hill, Inc., New York, 1995.

  LUDWIG, E., Applied Process Design for chemical and petrochemical plants, Vol. 1, 3rd Edition Gulf Professional Publishing Houston 1999 Edition, Gulf Professional Publishing, Houston, 1999. DANTAS,E., Tratamento de água de refrigeração e caldeiras, José Olympio Editor, 1988. WITTCOFF, H., Organic Chemistry Principles and Industrial Practice, Wiley-VCH, 2003. ROSSELOT, K., Pollution Prevention for Chemical Processes, John Wiley & Sons, 1997. HATCH, L., Chemistry of Petrochemical Processes, Gulf Professional Publishing, 2001. Por Harrison fecha 7:53 , 20/05/2010

Estruturação da Disciplina

  R

  Resolução Gráfica da quantidade mínima de utilidades

  Industrial)

  Determinação da quantidade

  Análise Pinch R l ã

  Industrial)

  Trabalho (Descrição de um Processo Químico

  Energética de rejeitos industriais trocadores de calor e utilidades

  calor Rede de t d d

  Trocadores de calor Integração de

  Processos (IP) Saúde e

  Industriais

  Integração E éti

  Custo de trocador de calor

  R EVISÃ O

  Redução de Rejeitos

  Trocador de calor tubo-duplo Representação de Processos

  O

  Segurança

  IP para redução

  (Noções Básicas) Formulação do Projeto

  Novo projeto Æ concepção de acordo com as exigências de mercado (pureza, composição, viscosidade, densidade, etc.) é mais “fácil” Quando a planta já se encontra em funcionamento Æ alterações para atendimento das exigências de mercado requerem atenção especial Ex.: Planta industrial de caprolactama A CPL é vendida em solução aquosa de até 65% (p/p) mas, por alguma mudança no mercado, a demanda é por um produto sob a forma de pó.

  Alternativa: instalação de unidades de evaporação (thin layers) e de spray-dryers E E quando houver necessidade de expansão da capacidade anual de produção? d h id d d ã d id d l d d ã ? Æ

  Recorre-se ao revamp da fábrica

  (Noções Básicas) Formulação do Projeto

  Estudo de caso: Indústria de óleo A Nature Oil Co., produtora de óleos naturais, tem como principais consumidores as p p p empresas fabricantes de cosméticos. Para aumentar sua competitividade no mercado, seus diretores decidiram diversificar suas linhas de produtos para atender a demanda das empresas de alimentos e farmacêuticas. Em reunião com os engenheiros de processo, estabeleceu-se que a capacidade anual da planta (CAP) deveria passar dos atuais 10.000 t/a para 35.000 t/a. A planta industrial baseia-se na produção de ácidos graxos a partir da hidrólise de óleos naturais, tendo a glicerina como principal subproduto.

  Solução: instalação de uma nova bateria de colunas de destilação Æ obtenção de pelo menos três correntes de ácidos graxos (A, B, C) l t ê t d á id (A B C) Os engenheiros também observaram a necessidade de aumentar a pureza de uma das correntes (C8-C10), que tinha teores de C12 entre 2 e 3%, enquanto o das correntes (C8 C10) que tinha teores de C12 entre 2 e 3% enquanto o mercado exigia um teor de até 1% Solução: modificação dos pratos de destilação Solução: modificação dos pratos de destilação

  (estudo de caso) Unidade de destilação de ácidos graxos [Faesller et. al, 2004]

Formulação do Projeto

  (estudo de caso) Formulação do Projeto Detalhe dos leitos das colunas de destilação [Faesller et. AL, 2004].

  Outro problema: cada coluna empregava uma quantidade de pratos entre 20 e 25, mas o aumento da capacidade exigia uma quantidade superior de pratos. Æ

  Os engenheiros quiseram preservar o tamanho das colunas Æ avaliação de leitos disponíveis no mercado

  (estudo de caso) Formulação do Projeto Fluxograma de processo atualizao [Faesller et. al, 2004].

  O revamp deve levar em conta os equipamentos já existentes, avaliando sempre o retorno do investimento realizado no projeto

  (Noções Básicas) Formulação do Projeto

  Balanços de massa e de energia Æ auxiliam na contabilização da receita gerada pela empresa, bem como nos custos associados à fabricação de um dado produto Receita: avaliar os produtos intermediários gerados pelo processo industrial EX.: Petroflex x Nitriflex (consumo de vapor x tratamento de efluentes) Substituição de fornecedores de matérias-primas pode resultar em alteração físico- química do produto Æ resposta do processo diferente do estipulado na concepção original do projeto Æ necessidade de “correções” Æ modificação dos instrumentos de processos ou calibração Incertezas no processo Æ conduzem à utilização de fatores de segurança (“ (“superdimensionamento”) Æ previsão na planilha de custos de um projeto di i t ”) Æ i ã l ilh d t d j t (contingenciamento – gastos futuros) Considerar também: questões ambientais e sociais Considerar também: questões ambientais e sociais

Representação de um Processo Químico

  Um processo químico só será bem representado com o entendimento preliminar de cada uma das etapas que o compõem

  Hierarquia de Decisões (modelo das “camadas de cebola”)

  Auxilia na construção inicial do processo químico, baseando-se na identificação do componente principal do processo ou de uma unidade e seguindo para a do componente principal do processo ou de uma unidade e seguindo para a representação dos elementos de significância “menor” para o entendimento do processo

  Modelo adotado para auxiliar na representação Modelo adotado para auxiliar na representação de um processo químico que transforma a matéria-prima A em produto B, através de um

reator

  Modelo da Hierarquia de Decisões [SMITH, R.]

  Representação de um Processo Químico

(SILLA, 2003)

  

de um Processo Químico

Representação

  

de um Processo Químico

Representação

  

de um Processo Químico

Representação

  Representação de um Processo Químico

(SILLA, 2003)

  

de um Processo Químico

Representação

  

de um Processo Químico

Representação

  (SILLA, 2003)

Representação de um Processo Químico

  A engenharia de detalhamento tratará da melhor disposição dos equipamentos e acessórios no espaço físico disponível, bem como de outras informações mais relevantes ao processo

Representação de um Processo Químico

  Detalhe dos Filtros e dos vasos da bomba de vácuo Detalhe dos reatores

Representação de um Processo Químico

  • Em uma indústria alimentícia, um dos subprodutos de uma reação é uma mistura rica em glicose e frutose, cuja concentração de frutose é de 2 kg/m3. Com o objetivo de preparar um concentrado de frutose com a intenção de revendê-lo a j p p

  ç uma indústria farmacêutica para a produção de xarope, o engenheiro químico da empresa optou pela instalação de uma coluna de adsorção (C-201) à base de carvão ativado, capaz de adsorver a glicose à 40ºC. A razão adsorvato/adsorvente é de 4:1. Considere que o efluente do reator contém material particulado, cuja presença reduz a eficiência da adsorção. Esboce o fluxograma de processo.

  • A indústria Caticon, responsável pela produção de catalisadores, tem uma unidade responsável pela modificação estrutural de um catalisador específico (A), o qual deve ser transformado em catalisador B. O processo ocorre em um reator l d t f d t li d B O

  t em batelada, encamisado, com possibilidade de entrada de água de refrigeração e de vapor, para controle de temperatura interna. O reator é alimentado por uma corrente de ácido sulfúrico (25%), por uma corrente de água deionizada a 25ºC e corrente de ácido sulfúrico (25%) por uma corrente de água deionizada a 25ºC e pelo catalisador A, sob a forma de pó. Sabendo que o efluente do reator sai a uma temperatura de 70ºC e que o armazenamento é feito a 25ºC, esboce um possível fluxograma do processo. fluxograma do processo

  

Representação de um Processo Químico

(Produção de estireno) (Produção de estireno)

  Descrição geral: ç g A principal matéria-prima do processo de produção de estireno é o etilbenzeno, sendo este produto proveniente de duto de uma planta industrial de etilbenzeno acoplado à planta de estireno. O etilbenzeno é armazenado em tanques e bombeado para a área 200 onde ocorre a reação. O etilbenzeno fresco proveniente da área 100 (armazenamento) é misturado ao reciclo do mesmo oriundo da recuperação (área 400). Essa corrente segue para um reator de três estágios, onde ocorre também a entrada de ar comprimido e vapor neste reator. A mistura de produtos de reação e resíduos é enviada para um t t A i t d d t d ã íd é i d vaso onde ocorre a separação das fases. Os resíduos gasosos e condensados, provenientes do vaso são enviados para ETRI (área 600). ETRI (área 600)

  

Re presen ntação o de um m Proc cesso Quími ico

(P Produção d de estreno o)

  Desc crição de etalhada (Reação )

A pri ncipal mat téria-prima do proce esso de pr rodução de e estireno é o

etilben nzeno, sen ndo este produto pr roveniente de duto de uma p planta

indust trial de etil lbenzeno a acoplado à planta de estireno. O O etilbenze eno é

armaz zenado em m tanques e bombea do para a área 200 onde oco orre a

reaçã o.

O etil benzeno fr resco prove eniente da área 100 é é misturado o ao etilben nzeno

prove niente da área 400 (recuperaç ão de etilb benzeno), e e segue p ara o

trocad dor de calo or E-201, on nde é pré-a aquecido à cerca de 4 490 °C. Este e pré-

aquec cimento apr roveita o ca alor do eflu ente do rea ator. A linha a de etilben nzeno

pré-aq quecido é misturada a ao vapo or superaq uecido de baixa pre essão

prove niente da á área de util idades (áre ea 700). Es sta mistura na razão d de 1,3

(razão o molar de 7,7) de va apor em rel ação ao et tilbenzeno s segue pela linha

206, n na temperat tura de 625

  5 °C, para o reator de d desidrogena ação R-201 .

O rea ator de desid drogenação o possui trê ês estágios. . O primeiro o estágio co ontém

uma z zona anula r preenchid da com o c catalisador d da desidrog genação (F Fe O ,

2 3 K

Cr O e O). O O segundo e o terceir ro estágio p possuem u uma zona a anular

2 3 3 2

intern a cujo leito o do catalisa ador é form mado pelo c catalisador d da oxidaçã o que

repres senta cerca a de 10% d da massa d do catalisad dor da desi idrogenaçã o. No

centro o do segun ndo estági o do R-20 01, o eflue nte do pri meiro está ágio é

mistur rado ao ar p proveniente e do compre essor K -201 1. A corr rente de en ntrada é intr roduzida no o centro do reator e pa assa radialm mente atravé és do leito d do catalisad dor da desid drogenação o.

  

O efl uente do R-201 seg gue para o o trocador E-201, on nde é resf friado, ceden ndo calor pa ara a corren nte de entra ada do reato or.

Esta c corrente é r resfriada pa assando po r mais três trocadores de calor (E E-202,

E-203 3 e E-204), sendo que no primeiro o trocador h há a geraçã ão de vapo r com

o ca lor reaprov veitado do o efluente. . O trocad dor E-203 3 e E-204 4 são conde ensadores p parciais.

O con ndensado v vai para o v aso separa ador de fase es V-201, o onde se sep param

as trê ês fases: ga asosa, orgâ ânica e aqu uosa. A fas se gasosa é é composta a pelo hidrog gênio e por outros gas es provenie entes de rea ações para alelas.

Estes gases sep parados seg guem para a ETRI na área 600. A fase aqu osa é

bomb eada para a ETRI n a área 600 0 também. Parte da fase orgân nica é o) de estren o

Produção d

(P : eblocos grama de Diag

  

alas, 1990)

Equipment (W

Chemical Process

Representação de Processos Químicos

  A representação esquemática de um processo químico industrial deve sempre ter o compromisso com o projeto pensado. Deve contribuir para melhor entendimento do processo, auxiliando nos balanços p p

  ç de massa e energia, bem como na proposição de futuras modificações visando à redução de rejeitos industriais e/ou novas estratégias de controle. Conforme a informação desejada e o grau de complexidade exigida, a representação pode ser feita sob as seguintes formas:

  9 Diagramas de Blocos

  9

  9 Fluxogramas de Processos

  9 Fluxogramas de Tubulações e Instrumentos (P&I)

  9 Fluxograma de Utilidades

  

alas, 1990)

em lb/h (W

Informações

  Diagrama de Blocos

de blocos da queima do carvão.

  

Diagrama

  Fluxograma de Processos

(Walas, 1990)

  (Walas, 1990) Bandeiras para condições típicas do processo Identificação dos equipamentos

Fluxograma de Processos

  P&I

(Walas, 1990)

  P&I

(Simbologia)

  (Simbologia)

P&I

  P&I (Simbologia)

SễMBOLOS GERAIS PARA INSTRUMENTOS OU FUNđấO PROGRAMADA

  P&I (Simbologia)

SễMBOLOS E FUNđỏES DE PROCESSAMENTO DE SINAIS

  P&I (Simbologia)

SễMBOLOS DE LINHAS PARA INSTRUMENTO OU FUNđấO PROGRAMADA

  P&I (Simbologia) EXEMPLOS (VÁLVULAS, DUMPERS E ATUADORES):

  P&I (Simbologia)

EXEMPLOS (ELEMENTOS PRIMÁRIOS DE VAZÃO):

  P&I

(Perry)

  

com a

de acordo

instrumentos presentes

Identifique os no fluxograma, simbologia adotada

  P&I

  

simbologia adotada

a

acordo com

  P&I

fluxograma, de

instrumentos presentes no

  P&I

  P&I

  

Processos Químicos Industriais

  Além dos fluxogramas empregados para melhor entendimento de um dado p processo químico, torna-se essencial, um outro nível de detalhamento, imaginar q , , , g como estarão distribuídas as unidades em um dado espaço disponível

  Para tanto, deverão ser levados em conta alguns fatores:

  9

  9 Vizinhança (rural urbana de alta ou baixa densidade etc ) Vizinhança (rural, urbana, de alta ou baixa densidade etc.)

  9 Possibilidade de evacuação (disponibilidade de áreas de escapes e pontos de encontro)

  9 Número de funcionários alocados em uma unidade de produção Número de funcionários alocados em uma unidade de produção

  9

  9 Visibilidade

  9 Presença de lençol freático

  9 Proximidade de corpos receptores Proximidade de corpos receptores

  Processos Químicos Industriais

Disposição de uma planta industrial qualquer (Gupta et. al,2005)

  

ALGUNS ALGUNS EXEMPLOS DE PROCESSOS

 EXEMPLOS DE PROCESSOS  QUÍMICOS  INDUSTRIAIS

  Produção de enxofre

  Estimativa de produção anual

Produção de enxofre

  Usado para:

  9 Fabricação de ácido sulfúrico

  9 Produção de fertilizantes

  9

  9 Fabricação de detergentes

  Produção de enxofre

  (Shrieve, 2005)

Produção de enxofre

  H

  2 S + 3/2O

  2 SO 2 + H

  2 O SO

  2 SO

  3 Processo Claus FUNCIONAMENT O DE UMA CALDEIRA

  Ã (DIVULGAÇ Ã O SPIRAX SARCO)

Produção de enxofre

Produção de enxofre

  C ld i (I t t ã i d ) Caldeira (Instrumentação associada):

  9 Visor de nível

  9 Medidor de nível tipo “displacer” (deslocador)

  9 Medidor de nível tipo displacer (deslocador) Visores de nível

  9 Utilizam o princípio de vasos comunicantes, oferecendo grande confiabilidade na leitura. Podem ser tubulares ser tubulares

  9 São utilizados poucas vezes em vasos de processo devido a poucas resistências a choques

Produção de enxofre

  Deslocador (Displacer) D l d (Di l ) Sensor de transmissão de nível na forma de um cilindro maciço fabricado em diversos materiais (aço inox, Monel, Hastelloy, Teflon etc.). A escolha do material diversos materiais (aço inox Monel Hastelloy Teflon etc ) A escolha do material é determinada principalmente pela temperatura e corrosividade do fluido (0,35 < L < 3,00 m)

  O displacer é ligado a um torque tube cuja rotação (4 a 5º) é usada em instrumentos transmissores, registradores e controladores. O mesmo displacer pode ser utilizado para efetuar switches de alto e baixo nível pode ser utilizado para efetuar switches de alto e baixo nível

  Torque tube

Produção de enxofre

  rque tube

  )

  To Displacer

  Deslocador (

  (Shrieve, 2005)

Produção de enxofre

  9 Transferência com aquecimento

  9 Bomba encamisada (aprox. 119°C) Processo Frasch

  Produção de enxofre

  Processo Frasch:

Produção de enxofre

  (EUA): Rotas de obtenção

  Produção de enxofre

  Produção mundial: ç

  Produção de enxofre

  2 SO

  4 (Shrieve, 2005)

Produção de H

  catalítico

  4

Produção de H

  catalítico

  4 SO

  2 Produção de H

  (Shrieve, 2005)

Produção de óleos e gorduras vegetais De um modo geral:

  9

  9 Coleta das oleaginosas (grãos, sementes, outras fontes ricas em tecidos vegetais)

  9

  9 T t Tratamento das oleaginosas (aquecimento com vapor d´água) – desnaturação t d l i ( i t d´á ) d t ã de proteínas que possam afetar a qualidade do produto final

  9 Remoção de cascas, fibras e demais impurezas Remoção de cascas fibras e demais impurezas

  9

  9 Extração do óleo – por ação mecânica ou por extração com solvente

  9 Purificação do óleo obtido

  9 Tratamento (neutralização, desmulcilaginação, desodorização, descoloração, Tratamento (neutralização desmulcilaginação desodorização descoloração

  9

  hidrogenação) Hidrogenação: usado para converter óleos em gorduras Hidrogenação: usado para converter óleos em gorduras

  (Shrieve, 2005) Produção de óleo de soja (extração por solvente)

Produção de óleos e gorduras vegetais

  Produção de óleos e gorduras vegetais

(Perry) vibratórias correias

  Produção de óleos e gorduras vegetais

  Especificação de

  

Produção de óleos e gorduras vegetais

FIG. 21-5 Bucket-elevator types and bucket details. (a) Centrifugal-discharge spaced buckets. (b) Positive-

discharge spaced buckets. (c) Continuous bucket. (d) Supercapacity continuous bucket. (PERRY)

  (a) Cestos separados para impedir interferência entre a carga e descarga (f) Usado para movimentar grandes volumes de sólidos (inclinação para facilitar a descarga)

  Produção de óleos e gorduras vegetais

  (Shrieve, 2005) Equipamento para extração mecânica

Produção de óleos e gorduras vegetais

  Papel e Celulose

(Shrieve, 2005)

Papel e Celulose

  (Perry)

  9 Discos submersos de 30 a 50% em um vaso contendo a lama a ser filtrada

  9 Aplicação de vácuo

  9 Dentre os sistemas contínuos, é o de custo mais baixo por área de filtragem

  (Shrieve, 2005)

Papel e Celulose

  Beneficiamento e processamento

  Batedeira Batedeira Máquina Jordan Máquina Jordan

  9 Incorporação de aditivos

  9 Homogeneização da polpa

  9

  9 Controle da viscosidade Controle da viscosidade

  (Shrieve, 2005)

Papel e Celulose

  Beneficiamento e processamento

  Máquina Fourdrinier

  9 Controle da gramatura (g/m2)

  9 Controle do teor de água

  9

  9 Controle da espessura Controle da espessura

  Ácido clorídrico (Shrieve, 2005)

  9 Tratamento de sulfato de sódio com ácido sulfúrico

  9 Reação endotérmica

  9 Formação de bissulfato de sódio e HCl em uma primeira etapa

  9 Formação de bissulfato de sódio e HCl, em uma primeira etapa

  9 Formação de sulfato de sódio e mais HCl, pela reação do bissulfato com excesso de ácido sulfúrico

  GASES

 INDUSTRIAIS

  (Shrieve, 2005)

Bromo

  9 Tratamento de salmoura rica em brometo (NaBr) com gás cloro

  9 Geração de NaCl e Br

  2

  (Shrieve, 2005)

Gás carbônico

  9 Aplicação na indústria de bebidas A li ã i dú t i d b bid

  9

  9 Fabricação de gelo seco

  9 Obtido ou pela queima direta de fontes ricas em carbono ou como subprodutos de reações, incluindo os bioprocessos de reações incluindo os bioprocessos

  PROCESSOS  DE REFINO DE  PETRÓLEO

  

Processos de Refino de Petróleo

  Principais constituintes de petróleo:

  9 Hidrocarbonetos (alifáticos, olefínicos, naftênicos, aromáticos)

  9 Sedimentos S di t 9 Água

  9

  9 Compostos à base de enxofre

  9 Compostos à base de nitrogênio Compostos à base de nitrogênio Processos de refino visam à redução e/ou eliminação das impurezas (compostos não hidrocarbônicos) presentes no óleo cru não hidrocarbônicos) presentes no óleo cru Essa eliminação tem o objetivo de adequar as correntes às especificações operacionais de processo ambientais e de produto operacionais, de processo, ambientais e de produto

  9

  Agregação de valor à cadeia produtiva

  Processos de Refino:

  9 Separação

  (craqueamentos térmico, catalítico, hidrocraqueamento, reforma a vapor)

  9 Conversão química

  ( (desasfaltação a propano, desaromatização a furfural, desparafinação a metil-isobutilcetona) ç p p , ç , p ç )

  9 Tratamento

  (adoçamento do petróleo, por exemplo)

  9 Auxiliares

  Cadeia petroquímica

(Shrieve, 2005)

  Craqueamento catalítico

(Shrieve, 2005)

  (Shrieve, 2005)

Zeólitas: aluminossilicatos constituídos por estruturas tetraédricas de óxidos de

Craqueamento catalítico

  alumínio e silício unidos entre si por átomos de oxigênio

  Difusão das moléculas de reagentes no estrutura porosa das zeólitas Difusão das moléculas de reagentes no estrutura porosa das zeólitas (Luna et al, 2001)

  Á 9 Áreas de contato elevadas para garantir a adsorção

  9 Propriedades de adsorção de natureza hidrofóbica e hidrofílica

  9 Possibilidade de criação de sítios ativos em sua estrutura

  9 T h d id d í i i i d d

  9 Tamanho de cavidades compatíveis com a maioria dos reagentes empregados na indústria química e petroquímica (micro, meso e macro poros)

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