UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO

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.

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Estruturação da Disciplina

Trocadores de calor Integração de Processos (IP) Saúde e Segurança O Trocador de calor tubo-duplo Representação

de Processos Redução de Rejeitos

R

EVISÃ

O

Custo de trocador de

calor EIntegração éti

Industriais

IP para redução

R

calor

Rede de

t d d

Energética de rejeitos

industriais

trocadores de calor e utilidades

Trabalho

(Descrição de um Processo Químico

Industrial)

Análise Pinch

R l ã

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Formulação do Projeto

(Noções Básicas)

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 d h id d d ã d id d l d d ã ?

E quando houver necessidade de expansão da capacidade anual de produção?

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Formulação do Projeto

(Noções Básicas)

Estudo de caso: Indústria de óleo

A Nature Oil Co., produtora de óleos naturais, tem como principais consumidores asp 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

l t ê t d á id (A B C)

pelo menos três correntes de ácidos graxos (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%

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Formulação do Projeto

(estudo de caso)

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Formulação do Projeto

(estudo de caso)

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.

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Formulação do Projeto

(estudo de caso)

Fluxograma de processo atualizao [Faesller et. al, 2004].

O revamp deve levar em conta os equipamentos já existentes, avaliando sempre o

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Formulação do Projeto

(Noções Básicas)

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

(“ di i t ”) Æ i ã l ilh d t d j t

(“superdimensionamento”) Æ previsão na planilha de custos de um projeto (contingenciamento – gastos futuros)

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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

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Representação

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Representação

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Representação

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Representação

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Representação

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Representação de um Processo Químico

(SILLA, 2003)

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Representação de um Processo Químico

Detalhe dos Filtros e dos vasos da bomba de vácuo

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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 aj 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),

l d t f d t li d B O t

o qual deve ser transformado em catalisador B. O processo ocorre em um reator 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

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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

t t A i t d d t d ã íd é i d

vapor neste reator. A mistura de produtos de reação e resíduos é enviada para um vaso onde ocorre a separação das fases.

Os resíduos gasosos e condensados, provenientes do vaso são enviados para ETRI (área 600)

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ico

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Chemical Process

Equipment (W

(24)
(25)

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 balançosp 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

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Diagrama de Blocos

Diagrama

de blocos da queima do carvão.

Informações

em lb/h (W

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Fluxograma de Processos

(Walas, 1990)

Bandeiras para condições típicas do processo

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P&I

(Simbologia)

(33)

P&I

(Simbologia)

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P&I

(Simbologia)

(35)

P&I

(Simbologia)

(36)

P&I

(Simbologia)

(37)

P&I

(Simbologia)

(38)
(39)

P&I

Identifique os

instrumentos presentes

no fluxograma,

de acordo

com a

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P&I

Identifique os

instrumentos presentes no

fluxograma, de

acordo com

a

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Processos Químicos Industriais

Além dos fluxogramas empregados para melhor entendimento de um dado processo químico, torna-se essencial, um outro nível de detalhamento, imaginar

p q , , , g

como estarão distribuídas as unidades em um dado espaço disponível

Para tanto, deverão ser levados em conta alguns fatores:

9 Vizinhança (rural urbana de alta ou baixa densidade etc ) 9 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 9 Número de funcionários alocados em uma unidade de produção 9 Visibilidade

9 Presença de lençol freático

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Processos Químicos Industriais

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ALGUNS EXEMPLOS DE PROCESSOS

ALGUNS

 

EXEMPLOS

 

DE

 

PROCESSOS

 

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Produção de enxofre

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Produção de enxofre

Usado para:

9 Fabricação de ácido sulfúrico 9 Produção de fertilizantes

9

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Produção de enxofre

(Shrieve, 2005)

H2S + 3/2O2 SO2 + H2O

SO2 SO3

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Produção de enxofre

Caldeira

FUNCIONAMENT

O

DE UMA

CALDEIRA

Ã

(DIVULGAÇ

Ã

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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

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Produção de enxofre

D l d (Di l )

Deslocador (Displacer)

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

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Produção de enxofre

Deslocador (

Displacer

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Produção de enxofre

(Shrieve, 2005)

9Transferência com aquecimento

9Bomba encamisada (aprox. 119°C)

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Produção de enxofre

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Produção de enxofre

Rotas de obtenção

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Produção de enxofre

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Conversor

catalítico

Produção de H

2

SO

4

Conversor

catalítico

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Produção de H

2

SO

4

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Produção de óleos e gorduras vegetais

(Shrieve, 2005)

De um modo geral:

9

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

9 T t t d l i ( i t d´á ) d t ã

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

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

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

9 Purificação do óleo obtido

9 Tratamento (neutralização desmulcilaginação desodorização descoloração

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

Hidrogenação: usado para converter óleos em gorduras

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Produção de óleos e gorduras vegetais

(Shrieve, 2005)

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Produção de óleos e gorduras vegetais

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Produção de óleos e gorduras vegetais

Especificação de

correias

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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) Continuousbucket. (d) Supercapacity continuous bucket. (PERRY)

(a) Cestos separados para impedir interferência entre a carga e descarga

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Produção de óleos e gorduras vegetais

(Shrieve, 2005)

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Papel e Celulose

(Perry)

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

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Papel e Celulose

(Shrieve, 2005)

Beneficiamento e processamento

Batedeira Máquina Jordan Batedeira Máquina Jordan

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Papel e Celulose

(Shrieve, 2005)

Beneficiamento e processamento

Máquina Fourdrinier

9 Controle da gramatura (g/m2) 9 Controle do teor de água

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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

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Bromo

(Shrieve, 2005)

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Gás carbônico

(Shrieve, 2005)

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

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

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Processos de Refino de Petróleo

Principais constituintes de petróleo:

9 Hidrocarbonetos (alifáticos, olefínicos, naftênicos, aromáticos)

9 S di t

9 Sedimentos

9 Água

9 Compostos à base de enxofre 9 Compostos à base de nitrogênio 9 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

Processos de Refino: Agregação de valor à cadeia produtiva

9 Separação

9 Conversão química (craqueamentos térmico, catalítico, hidrocraqueamento, reforma a vapor)

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

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Craqueamento catalítico

(Shrieve, 2005)

Zeólitas: aluminossilicatos constituídos por estruturas tetraédricas de óxidos de 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

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