1. Os Processos Químicos

1 INTRODU O AOS Processos QU MICOS 1. Os Processos Qu micos Um processo qu mico qualquer opera o ou conjunto de opera es coordenadas que causam uma transforma o f sica ou qu mica em um material ou misturas de materiais. O objetivo dos Processos qu micos a obten o de produtos desejados partir de mat rias primas selecionadas ou dispon veis. Os Processos qu micos s o, do ponto de vista de produ o industrial, desenvolvidos dentro da chamada ind stria qu mica que se divide em diversas ramifica es. A abrang ncia da defini o de processo qu mico t o grande que engloba setores espec ficos de grande magnitude como os metal rgicos, nucleares e farmac uticos, ao lado de outros como os Processos petroqu micos, pl sticos, cer micos, de s ntese de produtos inorg nicos, org nicos, ou bioqu micos, etc.

2 Shreve e Brink Jr em seu livro Ind strias de Processos Qu micos classifica trinta e oito tipos de processamentos qu micos industriais de relev ncia. S o eles: Tratamento de gua e prote o do meio ambiente Energia, combust veis, condicionamento de ar e refrigera o Produtos carboqu micos Gases combust veis Gases industriais Carv o industrial Ind strias de cimento Ind strias de vidro Cloreto de s dio e outros compostos de s dio Ind stria do cloro e dos lcalis: barrilha, soda c ustica e cloro Ind strias eletroqu micas Ind strias eletrot rmicas Ind strias de f sforo Ind strias de pot ssio Ind strias do nitrog nio Enxofre e cido sulf rico cido clor drico e diversos compostos inorg nicos Ind strias nucleares Explosivos, agentes qu micos t xicos e propelentes Ind strias de produtos fotogr ficos Ind strias de tintas e correlatos Ind strias de alimentos e co-produtos Ind strias agroqu micas Perfumes, aromatizantes e aditivos alimentares leos.

3 Gorduras e ceras Sab es e detergentes Ind strias do a car e do amido Ind strias de fermenta o Derivados qu micos da madeira Ind strias de polpa de papel Ind strias de fibras e pel culas sint ticas Ind strias da borracha Ind strias de pl sticos Refina o do petr leo Ind stria petroqu mica Intermedi rios, corantes e suas aplica es Ind stria farmac utica Nos Processos qu micos ocorrem transforma es qu micas ou f sicas da mat ria. Embora a maioria englobe convers es qu micas (ou bioqu micas), em alguns Processos ocorrem apenas transforma es f sicas da mat ria. A destila o do petr leo para obten o de algumas fra es, a obten o do a car da cana e a extra o de leos vegetais, s o exemplos t picos de Processos qu micos onde n o ocorrem convers es qu micas essenciais.

4 Al m disso, mesmo naqueles Processos onde a convers o qu mica a opera o principal, uma s rie de opera es f sicas preliminares necess ria para a prepara o da mat ria prima e seu transporte at o equipamento de rea o (reator) bem como para o tratamento, purifica o e transporte do efluente do reator para a obten o do produto (um ou mais) final. V rias s o as opera es f sicas de interesse da ind stria qu mica. As principais s o (ver Perry e Chilton): Transporte e armazenamento de flu dos (bombeamento, compressores, sopradores, tubula es, v lvulas, tanques) Manipula o de s lidos a granel e embalados (esteiras, transporte pneum tico e fluidizado, armazenamento) Cominui o e aglomera o (britagem, moagem, agrega o, granula o) Produ o e transporte de calor (combust veis, fornos, combust o, gera o e transmiss o de energia) Equipamentos de transfer ncia de calor (evaporadores, trocadores de calor) Condicionamento de ar e refrigera o Destila o Absor o de gases Extra o em fase l quida Adsor o e troca i nica Diversos Processos de separa o (lixivia o, cristaliza o, sublima o, difus o.)

5 Sistemas l quido-g s (equipamentos de contato e separa o)(contato g sl quido, dispers o e separa o de fases) Sistemas l quido-s lido (equipamentos de contato e separa o)(filtros, centr fugas, misturadores, agitadores) Sistemas g s-s lido (equipamentos de contato e separa o)(secadores, leitos fluidizados, separadores) Sistemas l quido-l quido e s lido-s lido (equipamentos de contato e separa o (misturadores, peneira o, flota o, separa o eletrost tica). Como exemplo, suponhamos a obten o de cido fosf rico a partir de min rio fosf tico usando o processo chamado de via mida. Atrav s dele, o concentrado fosf tico (fluorapatita) reage com cido sulf rico concentrado, dentro da seguinte estequiometria: (PO4)2 + 10H2SO4 + 20H2O 10 CaSO4 + 2H2O + 2HF + 6H3PO4 claro que para a rea o acontecer, as mat rias primas precisam ser trabalhadas para entrarem no reator dentro das caracter sticas t cnicas especificadas (definidas a partir das pesquisas).)

6 Assim o concentrado fosf tico, que al m da fluorapatita (portadora de f sforo) cont m outros minerais que atuam como impurezas. Este concentrado dever ter o teor adequado de P2O5 (opera o de concentra o por flota o) e ter a granulometria conveniente (opera es de moagem e classifica o) j que isto influenciar decisivamente a cin tica da rea o. J o cido deve estar na concentra o desejada (opera es de concentra o ou dilui o em H2O) e eventualmente na temperatura definida (opera o de troca t rmica). As duas mat rias primas principais necessitar o ser transportadas at o reator na dosagem certa, definida pela estequiometria e pela cin tica: o mineral por ser s lido poder ser transportado atrav s de correias e elevadores de caneca at o alimentador, enquanto o cido sulf rico deve continuamente ser alimentado ao reator atrav s de bombas especiais, dentro de uma faixa de vaz es controladas.

7 Decorrida a rea o teremos o cido, o sulfato de c lcio e outras subst ncias. necess rio, portanto, separar-se o produto (H3PO4) dessas demais subst ncias. O processo convencional prev a filtra o a v cuo. A torta do filtro formada pela fase s lida da mistura, enquanto o filtrado se constitui em um H3PO4 dilu do. Como n o se pretende vender nem transportar gua, dentro de certos limites, o cido dilu do dever ainda ser concentrado (atrav s de evapora o) antes da comercializa o. Novamente entre a sa da do reator e o destino do produto e do rejeito, ocorrem as necess rias opera es de transporte. Em linguagem de engenharia qu mica, todo este texto descritivo substitu do por um desenho esquem tico chamado de fluxograma (flow chart).

8 Utilizando-se blocos, outros s mbolos que representem unidades de processo (reatores, destiladores, evaporadores, ) e linhas que indicam os caminhos de fluxo das mat rias primas e dos produtos, descreve-se o processo de forma simples e objetiva, atrav s de uma coordena o seq encial que integra as unidades de convers o qu mica (reatores) s demais unidades de opera es f sicas (chamadas classicamente de opera es unit rias). O material que entra em uma dada unidade de processo chamado de alimenta o ( input ou feed ) e o que a deixa chamado de produto ( output ou product ). O diagrama de blocos , na verdade, o fluxograma mais simples, que indica as principais unidades de processo e traz informa es sobre as vari veis de processo principais.

9 Um fluxograma mais elaborado traz mais detalhes como o dimensionamento dos equipamentos, as malhas de controle autom tico, os materiais de constru o e outras informa es importantes. Como exemplo de fluxogramas, observe a figura que segue. Um diagrama de blocos indica de modo bem simples o processo de obten o de cido fosf rico descrito anteriormente. Diagrama de blocos do processo de fabrica o de cido fosf rico via mida. Exerc cios 1. No Brasil principal fonte de obten o de lcool a partir da cana-de-a car, atrav s de um processo bioqu mico que envolve a fermenta o anaer bia do caldo de cana por microorganismos. Partindo da cana, quando esta entra na usina, imaginem quais deveriam ser os Processos unit rios necess rios at a produ o de lcool.

10 Descreva o processo atrav s de um diagrama de blocos simplificado. 2. Procure nas enciclop dias de tecnologia qu mica, o processo de fabrica o de poli ster. Copie o fluxograma procurando identificar as diferentes opera es envolvidas. 2. A an lise dos Processos Qu micos Dada uma unidade de processo ou um processo como um todo o problema b sico calcular as quantidades e propriedades dos produtos a partir das quantidades e propriedades das mat rias primas ou vice-versa. Este curso objetiva a apresenta o de um abordagem sistem tica para a resolu o de problemas deste tipo. A partir das vari veis em jogo, chamadas de vari veis de processo, cujas principais ser o apresentada e discutidas aqui, estabeleceremos as equa es que as relacionam, a partir dos princ pios universais da conserva o da massa e energia e informa es termodin micas.