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INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS QUÍMICOS
1. Os Processos Químicos Um processo químico é qualquer operação ou conjunto de operações coordenadas que causam uma transformação física ou química em um material ou misturas de materiais. O objetivo dos processos químicos é a obtenção de produtos desejados à partir de matérias primas selecionadas ou disponíveis. Os processos químicos são, do ponto de vista de produção industrial, desenvolvidos dentro da chamada indústria química que se divide em diversas ramificações. A abrangência da definição de “processo químico” é tão grande que engloba setores específicos de grande magnitude como os metalúrgicos, nucleares e farmacêuticos, ao lado de outros como os processos petroquímicos, plásticos, cerâmicos, de síntese de produtos inorgânicos, orgânicos, ou bioquímicos, etc. Shreve e Brink Jr em seu livro “Indústrias de Processos Químicos” classifica trinta e oito tipos de processamentos químicos industriais de relevância. São eles: - Tratamento de água e proteção do meio ambiente - Energia, combustíveis, condicionamento de ar e refrigeração - Produtos carboquímicos - Gases combustíveis - Gases industriais - Carvão industrial - Indústrias de cimento - Indústrias de vidro - Cloreto de sódio e outros compostos de sódio - Indústria do cloro e dos álcalis: barrilha, soda cáustica e cloro - Indústrias eletroquímicas - Indústrias eletrotérmicas - Indústrias de fósforo - Indústrias de potássio - Indústrias do nitrogênio - Enxofre e ácido sulfúrico - Ácido clorídrico e diversos compostos inorgânicos - Indústrias nucleares - Explosivos, agentes químicos tóxicos e propelentes - Indústrias de produtos fotográficos - Indústrias de tintas e correlatos - Indústrias de alimentos e co-produtos - Indústrias agroquímicas - Perfumes, aromatizantes e aditivos alimentares - Óleos, gorduras e ceras - Sabões e detergentes - Indústrias do açúcar e do amido - Indústrias de fermentação - Derivados químicos da madeira - Indústrias de polpa de papel - Indústrias de fibras e películas sintéticas - Indústrias da borracha - Indústrias de plásticos - Refinação do petróleo - Indústria petroquímica - Intermediários, corantes e suas aplicações - Indústria farmacêutica
Nos processos químicos ocorrem transformações químicas ou físicas da matéria. Embora a maioria englobe conversões químicas (ou bioquímicas), em alguns processos ocorrem apenas transformações físicas da matéria. A destilação do petróleo para obtenção de algumas frações, a obtenção do açúcar da cana e a extração de óleos vegetais, são exemplos típicos de processos químicos onde não ocorrem conversões químicas essenciais. Além disso, mesmo naqueles processos onde a conversão química é a operação principal, uma série de operações físicas preliminares é necessária para a preparação da matéria prima e seu transporte até o equipamento de reação (reator) bem como para o tratamento, purificação e transporte do efluente do reator para a obtenção do produto (um ou mais) final.
Várias são as operações físicas de interesse da indústria química. As principais são (ver Perry e Chilton):
- Transporte e armazenamento de fluídos (bombeamento, compressores,
- sopradores, tubulações, válvulas, tanques)
- Manipulação de sólidos a granel e embalados (esteiras, transporte pneumático
- e fluidizado, armazenamento)
- Cominuição e aglomeração (britagem, moagem, agregação, granulação)
- Produção e transporte de calor (combustíveis, fornos, combustão, geração e
- transmissão de energia)
- Equipamentos de transferência de calor (evaporadores, trocadores de calor)
- Condicionamento de ar e refrigeração
- Destilação
- Absorção de gases
- Extração em fase líquida
- Adsorção e troca iônica
- Diversos processos de separação (lixiviação, cristalização, sublimação,
- difusão,...)
- Sistemas líquido-gás (equipamentos de contato e separação)(contato gáslíquido,
- dispersão e separação de fases)
- Sistemas líquido-sólido (equipamentos de contato e separação)(filtros,
- centrífugas, misturadores, agitadores)
- Sistemas gás-sólido (equipamentos de contato e separação)(secadores, leitos
- fluidizados, separadores)
- Sistemas líquido-líquido e sólido-sólido (equipamentos de contato e separação
- (misturadores, peneiração, flotação, separação eletrostática).
Como exemplo, suponhamos a obtenção de ácido fosfórico a partir de minério fosfático usando o processo chamado de via úmida. Através dele, o concentrado fosfático (fluorapatita) reage com ácido sulfúrico concentrado, dentro da seguinte estequiometria:
CaF 2 .3Ca 3 (PO 4 ) 2 + 10H 2 SO 4 + 20H 2 O → 10CaSO 4 + 2H 2 O + 2HF↑ + 6H 3 PO 4
É claro que para a reação acontecer, as matérias primas precisam ser trabalhadas para entrarem no reator dentro das características técnicas especificadas (definidas a partir das pesquisas). Assim o concentrado fosfático, que além da fluorapatita (portadora de fósforo) contém outros minerais que atuam como impurezas. Este concentrado deverá ter o teor adequado de P 2 O 5 (operação de concentração por flotação) e ter a granulometria conveniente (operações de moagem e classificação) já que isto influenciará decisivamente a cinética da reação. Já o ácido deve estar na concentração desejada (operações de concentração ou diluição em H 2 O) e eventualmente na
2. A análise dos Processos Químicos Dada uma unidade de processo ou um processo como um todo o problema básico é calcular as quantidades e propriedades dos produtos a partir das quantidades e propriedades das matérias primas ou vice-versa. Este curso objetiva a apresentação de um abordagem sistemática para a resolução de problemas deste tipo. A partir das variáveis em jogo, chamadas de variáveis de processo, cujas principais serão apresentada e discutidas aqui, estabeleceremos as equações que as relacionam, a partir dos princípios universais da conservação da massa e energia e informações termodinâmicas. A partir daí resolveremos problemas típicos do dia -a-dia do engenheiro químico. Para tanto é fundamental iniciar-se revendo a forma de expressar as quantidades, através do estudo das dimensões e unidades. 3. Unidades e Dimensões Uma medida tem um valor (número) e uma unidade: 2 ft; 1m; 1/3 seg; 4 km, 6 tomates. Uma dimensão é uma propriedade que pode ser medida, como: comprimento; tempo; massa; temperatura ou calculada, pela multiplicação ou divisão de outras dimensões: velocidade (comprimento/tempo) volume (comprimento x comprimento x comprimento).
3.1. Conversão de unidades Para converter uma quantidade expressa em termos de uma unidade para seu equivalente em termos de outra, multiplica-se a dada quantidade pelo fator de conversão (nova unidade/velha unidade). Por exemplo: para converter 36 in no seu equivalente em ft , escreveremos:
ft in
ft in 3 12
36 × =
Note como as velhas unidades se cancelam, permanecendo a unidade desejada. Para evitarem-se erros, convém escrever todas as unidades e verificar se as velhas se cancelam. Observe:
ft
in ft
in in
2 432 1
36 × =
Errado, já que não era isso que nós gostaríamos de calcular. Para unidades compostas, o procedimento é o mesmo. Exemplo: Converter a aceleração 1 in/s^2 em milhas/ano^2 Dados: 1h = 3600s, 1 dia = 24 h, 1 ano = 365 dias 1ft = 12 in, 1 milha = 5280 ft, então
10 2
2 2 2 2 12 1 ,^5710 /
milhas ano in
ft ft
milha ano
dias dia
h h
s s
in ⎟= × ⎠
3.2. Sistemas de Unidades Um sistema de unidades se compõe de: a) Unidades Básicas : que são as unidades para as dimensões básicas; a saber: Massa, comprimento, tempo, temperatura, corrente elétrica e intensidade luminosa. Exemplos: segundo, ampere, grama.
b) Unidades Múltiplas: múltiplos ou frações das unidades básicas. Por Ex: para a unidade básica segundo, temos como unidades múltiplas: h, min, milisegundos.
c) Unidades Derivadas
- c.1) obtidas pela multiplicação ou divisão das unidades básicas ou múltiplos, chamadas de compostas. Ex: cm.cm; ft/min; kg.m/s^2 ;
- c.2) como equivalentes a unidades compostas como o erg = 1g cm^2 /s 2 ou 1 lbf = 32,174 lbm.ft/s 2.
O sistema de unidades oficial atualmente é o Sistema Internacional (SI) e o Sistema Inglês. Entretanto existem outros ainda em uso. São os sistemas CGS (centímetro, grama e segundo) o MKS (metro, quilograma-força e segundo).
3.3 Homogeneidade dimensional e quantidades adimensionais Toda equação válida deve ser dimensionalmente homogênea, isto é: todos os termos de ambos os lados da equação precisam ter as mesmas unidades. Considerando a equação:
V(ft/s) =V 0 (ft/s)+g(ft/s^2 )t(s)
Observe que todos os termos sendo somados possuem a mesma unidade ft/s.
3.4 Cálculos aritméticos: notação científica, algarismos significativos e precisão
Uma maneira conveniente de representarem-se números é através da notação científica, na qual um número é expresso como um produto de outro número (usualmente entre 0,1 e 10) e a potência de 10.
Exemplos: 123.000.000 = 1,23 x 10^8 0,000028 = 2,8 x 10-
Os algarismos significativos de um número são os dígitos a partir do primeiro dígito não zero da esquerda até o último dígito (zero ou não zero) da direita se há um ponto decimal, ou o último dígito não zero se não há ponto decimal.
Exemplos: 2300 ou 2,3x10^3 - 2 alg. sign. (não tem ponto decimal) 2300,0 ou 2,3000x10^3 - 5 alg. sign. (tem ponto decimal) 23040 ou 2,304x10^4 - 4 alg. sign.(não tem ponto decimal) 0,035 ou 3,5x10-2^ - 2 alg. sign. (tem ponto decimal) 0,03500 ou 3,500x10-2^ - 4 alg. sign. (tem ponto decimal)
Observe que o número de algarismos significativos é facilmente mostrado na notação científica. O número de algarismos significativos de uma medida fornece uma indicação da precisão com que a quantidade é conhecida. *Um valor é mais preciso quanto maior seu número de algarismos significativos. Nas operações matemáticas, uma regra prática é a que segue:
A referência mais comumente usada para sólidos e líquidos é a água a 4,0ºC, onde ρref (H 2 O, 4°C) = 1,000g/cm^3 = 1000 kg/m^3 = 62,43 lbm/ft 3 A notação SG = 0,6 20°/4° significa que a SG de uma substância a 20ºC com referência à água a 4ºC é 0,6. Existem outras unidades particularmente usadas na indústria de petróleo, como:
Bé (Baumé) ΑPI (Α.P.I.) Tw (Twaddell)
Suas definições e fatores de conversão são dados no Perry, p.1-
Exercício resolvido. Calcule a densidade do Hg em lbm/ft 3 a partir dos dados tabelados de densidade especifica ( SG ), e calcule o volume em ft 3 ocupados por 200Kg de Hg.
Segundo o Perry e Chilton – pg. 3- SG (Hg)20°C = 13,456 , ρ(Hg) = 13,456 × 62,43 lbm/ft 3 = 845,64 lbm/ft 3
3
3 0 , 521 845 , 7
200 ft lbm
ft kg
lbm V kg ⎟⎟= ⎠
4.2 Vazão Processos contínuos envolvem o movimento de materiais de um ponto a outro entre as unidades de processo. A vazão pode ser expressa em termos mássicos, representada normalmente por m &^ dada em massa/tempo ou volumétrica, expressa em termos de volume/tempo.
4.3 Composição química (mol e massa molecular) Um grama-mol ou simplesmente mol de uma espécie química é a quantidade dessa espécie cuja massa em gramas seja numericamente igual à sua massa molecular. Outros tipos de mol podem ser usados conforme a conveniência e são similarmente definidos. Exemplo: Monóxido de carbono (CO) tem massa molecular igual a 28. 1 mol CO contém 28 g 1 kmol CO contém 28 kg 1 lb-mol CO contém 28 lbm 1 ton-mol CO contém 28 ton
4.4 Fração mássica e fração molar. São pouco freqüentes as correntes de processo que contêm apenas uma substância. É mais comum serem constituídas de misturas de líquidos ou gases, ou soluções de um ou mais solutos em um solvente líquido. Os seguintes termos são usados para definir a composição de uma mistura de substâncias incluindo a espécie A:
Fração mássica (xA ):
⎟ ⎟ ⎠
⎞ ⎜ ⎜ ⎝
⎛
total
A
total
A
total
A
total
A
total
A A ton
ton
lb
lb
g
g
kg
kg
massa
massa x , , ,
Fração molar (yA):
total
A total
A total
A total
A total
A A tonmol
tonmol lbmol
lbmol gmol
gmol kmol
kmol mol
mol x , , ,
Multiplicando-se por 100, tem-se a fração em termos de porcentagem.
Exercício exemplo: Tem-se uma solução 15% A em massa e 20% B em mols. Calcule: a) a massa de A em 200 kg de solução.
x (^) A = 0 , 15 → A^ kgA kg
kg kg 30
b) a vazão mássica de A na corrente que está fluindo à vazão de 50 lbm/h.
h
lbm lbm
lbm h
50 lbm 0 , (^15) A 7 , (^5) A ⎟= ⎠
c) a vazão molar de B numa corrente de 1000 mols solução/min.
min
min
(^1000) B molB mol
mol mol ⎟= ⎠
d) a vazão total de solução que corresponde à vazão molar de 25 kmol de B/s.
s
kmol kmol
kmol s
kmol (^) solução B
B^125
e) a massa da solução que contém 300 lbm de A.
solução A
A (^) lb lb
lb lb 2000 0 , 15
Observações:
- Note que as frações mássicas e molares independem da unidade;
- Um conjunto de frações mássicas pode ser convertido num conjunto de frações molares.
4.6 Concentração Concentração mássica de um componente em uma mistura ou solução é a massa deste componente por unidade de volume da mistura (g A/cm^3 , lbm A/ft 3 , kg A/m^3 , ...). Concentração molar de um componente em uma mistura ou solução é o número de mols deste componente por unidade de volume da mistura (g-mol A/cm^3 , lb-mol A/ft 3 , kg-mol A/m^3 ). Molaridade de uma solução é o valor da concentração molar do soluto expressa em gmol soluto/litro de solução. Por exemplo, uma solução 2 molar (2 M) de A contém 2 gmol A por litro de solução. Vazão molar ( n & ) de um componente é expressa em número de mol ou simplesmente mol desse componente por unidade de tempo. É igual ao produto da vazão volumétrica pela concentração molar do componente.
4.7 Pressão a) Pressão de fluido e carga (“head”) hidrostática Uma pressão é a razão de uma força para uma área sobre a qual a força atua. Assim, as unidades de pressão são:
Pascal, Pa = (^) ⎟ ⎠
m^2
N
cm
dinas ; psi = (^) ⎟ ⎠
in^2
lbf
Em vez de força por área, outra forma de expressar a pressão é através da indicação de uma altura de determinado líquido (carga ou head). A pressão é equivalente àquela exercida pela coluna hipotética de altura h desse fluido em sua base, se a pressão no topo da coluna for zero. Assim, pode-se dizer que uma pressão de 14,7 psi = 1 atm = 760 mmHg = 10,33 mca (metros de coluna de água).
Exercício exemplo: Qual é a pressão a 5 metros abaixo do nível da água num lago, sabendo que a densidade da água é de 998g/L? g/gc = 9,806N/kg
5m 48931,9Pa kg
N
m
kg h 998
g p (^) ⎟⎟ = × × = ⎠
g c
ρ
b) Pressão atmosférica ( p atm), pressão absoluta ( p abs ) e pressão manométrica ("gauge") ( p man ou p rel) A pressão atmosférica pode ser entendida como a pressão na base de uma coluna de fluido (ar) localizada no ponto de medida (ao nível do mar, por exemplo). A pressão
p 0 no topo da coluna é igual a zero e ρ e g são valores médios de densidade do ar e
aceleração de gravidade entre o topo da atmosférica e o ponto de medida. Um valor típico da pressão atmosférica ao nível do mar é 760 mmHg. Ela foi designada como pressão padrão de uma atmosfera (experiência de Torricelli). As pressões dos fluidos, até aqui descritas são absolutas (a pressão zero corresponde ao vácuo perfeito). Muitos aparelhos de medida de pressão dão, no entanto, a pressão manométrica ("gauge") de um fluido, isto é, a pressão relativa. Uma pressão manométrica de zero indica que a pressão absoluta do fluido é igual a pressão atmosférica.
p absoluta = p manométrica ou relativa + p atmosférica
As abreviações psia ou psig são comumente utilizadas para denotar as pressões absoluta e manométrica , respectivamente, em termos de lbf/in^2 (psi). Também é comum referir-se a pressões manométricas negativas (pressões absolutas menores que a atmosférica) como quantidades positivas de vácuo. Por exemplo: p (^) man = −1 inHg (que corresponde à pressão absoluta de 28,9 inHg, já que patm = 29,9 inHg ) é chamada de 1 inHg de vácuo. Então: pabsoluta → relativa ao vácuo p (^) manométrica → relativa à atmosfera
4.5 Temperatura A temperatura de uma substância (T) em um dado estado de agregação (sólido, líquido ou gás) é uma medida da energia cinética média possuída pelas moléculas da substância. Como esta energia não pode ser medida diretamente, a T precisa ser determinada indiretamente pela medida de alguma propriedade física da substância, cujo valor depende da temperatura de uma forma conhecida. Tais propriedades e os aparelhos para medida de uma temperatura, nela baseados, incluem resistência elétrica de um condutor (termômetro de resistência), voltagem na junção de dois metais diferentes (termopar), espectro de radiação emitida (pirômetro) e volume de uma massa fixa de um fluido (termômetro). As escalas de temperatura podem ser definidas em termos de algumas dessas propriedades, ou em termos de fenômenos físicos como o congelamento e ebulição, que ocorram a pressão e temperatura fixadas. Você poderia referir-se, por exemplo, à temperatura na qual a resistividade de um fio de cobre é 1,92.10-6^ ohms/cm^3. É conveniente ter, além dessas escalas, uma escala numérica simples entre outras razões para que não se precise usar várias palavras para expressar uma simples temperatura. Uma escala definida de temperatura é obtida arbitrariamente, atribuindo-se valores numéricos a duas medidas reproduzíveis de temperatura. Por exemplo: atribui- se o valor 0 (zero) ao congelamento da água, e o valor 100 (cem) a ebulição a pressão de 1 atm. Além disso, estabelece-se que o comprimento do intervalo da unidade de temperatura (chamado grau) é 1/100 da distância entre os dois pontos de referência. As duas mais comuns escalas de temperaturas que utilizam o congelamento e a ebulição da água a pressão de 1 atm são:
- Celsius (ou centígrado): Tf = 0 °C, Tb = 100 °C. Nessa escala o zero absoluto (teoricamente a menor temperatura atingível na natureza) vale –273,15 °C.
- Fahrenheit: Tf é designado por 32 °F e Tb por 212 °F. O zero absoluto equivale a –459,67 °F.
As escalas Kelvin e Rankine são escalas de temperaturas absolutas, na qual o zero absoluto tem o valor 0 (zero). O tamanho de um grau é o mesmo da escala Celsius para a escala Kelvin, e igual ao tamanho do grau Fahrenheit para a escala Rankine.
Assim: T(K) = T(°C)+ 273, T(°R)= T(°F)+ 459,
T(°R)= 1,8 T(K) T(°F)= 1,8 T(°C)+ 32
