Baixe Apostila de Processos Industriais e outras Notas de estudo em PDF para Química, somente na Docsity! C E N T R O U N I V E R S I T Á R I O P A D R E A N C H I E T A C U R S O D E T É C N I C O E M Q U Í M I C A PROCESSOS INDUSTRIAIS A P O S T I L A 2 º MÓDULO PROF . FÁBIO CALHEIROS CAIRES fabioc@anchieta.br 2ºSEMESTRE - 2009 Crédito: www.historycooperative.org 1 Conteúdo 1. FENÔMENOS QUÍMICOS E FÍSICOS .......................................................................................... 2 2. TIPOS DE PROCESSOS QUÍMICOS ............................................................................................. 2 3. LEIS DA QUÍMICA............................................................................................................................... 3 4. BALANÇO MATERIAL....................................................................................................................... 6 5. FLUXOGRAMAS ................................................................................................................................... 6 6. CONVERSÕES QUÍMICAS ............................................................................................................... 8 7. EQUIPAMENTOS DE INDUSTRIAIS ........................................................................................... 9 8. PRODUTOS .......................................................................................................................................... 13 9. MATÉRIAS-PRIMAS........................................................................................................................... 13 10. REVISÃO – CÁLCULOS QUÍMICOS - GASES ......................................................................... 13 11. REVISÃO - CONCEITOS DE ESTEQUIOMETRIA ............................................................... 12 12. EXERCÍCIOS DE ESTEQUIOMETRIA ...................................................................................... 14 13. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................................................... 17 4 3.1.2 Lei das Proporções Definidas (Proust) No final do século XVIII, através de inúmeros experimentos, Proust mediu as massas dos reagentes e produtos de uma reação e calculou as diversas relações possíveis entre elas. Vamos considerar a reação química de decomposição da água, para que você possa entender como ele procedeu: água oxigênio + hidrogênio Se fizermos diversos experimentos com quantidades variadas de água pura e analisarmos as massas dos produtos, teremos o seguinte: Água OxigênioHidrogênio I) 18 g 16 g 2 g II) 180 g 160 g 20 g III) 9 g 8 g 1 g IV)45 kg 40 kg 5 kg • • • • • • • • • Vamos fazer a relação massa de oxigênio para cada amostra de água: massa de hidrogênio moxigênio 16 g moxigênio 8 g I) = = 8 III) = = 8 mhidrogênio 2 g mhidrogênio 1 g moxigênio 160 g moxigênio 40 kg II) = = 8 IV) = = 8 mhidrogênio 20 g mhidrogênio 5 kg Se fizermos agora a relação massa de água para cada amostra de água, teremos uma relação constante igual a 9. massa de hidrogênio Quer dizer que, independentemente da origem da amostra de água (de chuva, de rio, de mar), desde que pura, teremos uma proporção constante entre as massas de água, de hidrogênio e de oxigênio: ÁGUAHIDROGÊNIO+ OXIGÊNIO Proporção: 9 : 1 : 8 Como há proporcionalidade entre massas envolvidas numa reação, podemos construir os seguintes gráficos: 5 Repetindo experimentos com decomposição de outras substâncias, Proust afirmou: "Numa dada reação química, existe uma proporção constante entre as massas das substâncias participantes". ou "Qualquer composto, independentemente de sua origem, tem uma relação constante entre as massas de seus elementos constituintes". Esquematicamente X + Y Z + W 1ª experiência x1 y1 z1 w1 2ª experiência x2 y2 z2 w2 x, y, z, w representam as massas das substâncias X, Y, Z e W x1 y1 z1 w1 = = = x2 y2 z2 w2 6 4 . BALANÇO MATERIAL Os processos são alimentados por matérias-primas e outros insumos, gerando produtos e subprodutos. REPRESENTAÇÃO DE UM BALANÇO DE MASSA A partir dos dados de entrada e saída de um processo podem ser realizados balanços de massa e energia. Para realização de um balanço deve-se: - Desenhar o fluxograma; - Escolher volumes de controle; - Rotular todas as variáveis conhecidas; - Rotular todas as variáveis desconhecidas; - Expressar o que o enunciado pede em termos de variáveis; - Converter unidades (se necessário); - Escrever as equações de balanço; - Analisar graus de liberdade; - Montar estratégia de resolução; - Avaliar consistência do resultado. 5. FLUXOGRAMAS São representações esquemáticas de um processo, representando fluxo de material, operações, equipamentos e energia. No início de um processo ou para apresentar todas as seqüências de processo de uma grande indústria são utilizados diagramas de blocos. Em seqüências de produção menores ou em etapas avançadas de projeto o fluxograma deve ser feito de forma mais detalhada, incluindo convenções adotadas para indicação dos equipamentos. São elementos típicos de um fluxograma: - tubulações de processo; - itens de equipamentos mais importantes; - válvulas de controle e outras de importância; 9 7. EQUIPAMENTOS DE INDUSTRIAIS Os equipamentos industriais podem apresentar diversas funções, podendo estas ser resumidas em: - transformações físicas e químicas de materiais sólidos e líquidos; - armazenamento de materiais; - distribuição de fluidos. Os equipamentos industriais podem ser divididos e classificados em relação a sua função, conforme apresentado a seguir. 7.1.1 Classificação geral: Os equipamentos podem ser classificados em: - equipamentos de calderaria (vasos de pressão, tanques, torres, reatores, fornos, caldeiras, trocadores de calor, resfriadores, aquecedores, filtros, separadores); - máquinas (bombas, compressores, sopradores, centrifugadores); - tubulações (elemento físico de interligação entre os outros equipamentos). Os materiais a serem estudados nesta disciplina destinam-se exclusivamente à construção de equipamentos de processos das indústrias químicas, petroquímicas, farmacêuticas e correlatas. Tais equipamentos são designados como equipamentos de caldeiraria e são eles: • vasos de pressão: colunas de destilação ou absorção, reatores, tanques de processo para líquidos, esferas de armazenagem de gases, etc.; • caldeiras; • trocadores de calor: aquecedores, resfriadores, evaporadores, condensadores, etc.; • fornos; • tanques de armazenagem de líquidos com apenas coluna hidrostática; • tubulações: de fluidos de processo, de utilidades, de drenagem, etc. Nesses equipamentos também devem ser consideradas as condições em que eles estão submetidos: • variáveis de processo: em regime (normais) e extremas (máximas); • condições operacionais: regimes contínuo ou descontínuo; • manuseio de produtos de risco: tóxicos, explosivos, inflamáveis, etc.; • tempo de vida econômica da unidade produtiva. Outros equipamentos, considerados como sendo “de fabricantes” ou como “máquinas”, tais como bombas, válvulas, ejetores, moinhos, centrífugas, etc., possuem seus diferentes materiais previamente especificados. Normalmente o engenheiro de processo especifica somente o material predominante, que entra em contato com o fluido de processo. Exemplo: bombas. rotor e casco são especificados pelo engenheiro de processo, enquanto eixo, rolamentos, etc., pelo fabricantes. Histórico de ciências dos materiais: A Ciência dos Materiais teve um desenvolvimento histórico bastante acentuado nas recentes décadas, mas seu início ocorreu quando o homem preparou qualquer ferramenta ou utensílio usado para 10 atender suas necessidades de sobrevivência natural. Veja a classificação de materiais segundo seu desenvolvimento: 1.) Materiais naturais: são materiais que apresentam-se prontos ou quase prontos para uso na natureza. Exemplos: madeira, couro, ossos, pedras, etc.; 2.) Materiais desenvolvidos empiricamente: são materiais preparados pela ação humana desde muito tempo. Seu desenvolvimento deve-se à observação e reprodução de alguma ocorrência natural. Exemplos: ligas de ferro (5.000 a.C. a 3.000 a.C.), bronze, cerâmicas, vidro, papel e concreto; 3.) Materiais desenvolvidos com auxilio qualitativo de conhecimentos científicos: são materiais cujas considerações científicas orientaram seus descobrimentos e a interpretação qualitativa de suas propriedades. Exemplos: ligas mais antigas de alumínio, de titânio de magnésio, metal duro, aços inoxidáveis, termoplásticos, termorígidos, elastômeros e fases de ligas de ferro. 4.) Materiais projetados (novos ou aperfeiçoados): são materiais quase que exclusivamente preparados a partir de conhecimentos científicos e cujas propriedades podem ser quantitativamente previstas. Exemplos: semicondutores, materiais para reatores nucleares, aços de ultra-alta resistência mecânica, materiais compósitos reforçados com fibras, ligas com memória de forma e vidros metálicos. Seleção de materiais: Selecionar um material destinado para certa aplicação é elaborar uma especificação, que determine qual o material mais adequado para a construção do equipamento, considerando-se fatores técnicos e econômicos. Fatores técnicos: • relativo às propriedades mecânicas: o material deve resistir aos esforços solicitados, o que também determina a espessura adequada, dependendo dos limites de resistência e de escoamento, resistências à fadiga e a fluência, etc.; • relativo às propriedades térmicas: maior ou menor capacidade que o material tem de transmitir o calor, estabilidade à elevadas temperaturas e tensões mecânicas originadas com dilatações térmicas; • relativo às propriedades químicas: resistência à corrosão devido o fluido de contato e tempo útil de vida dentro da vida prevista para toda unidade; • relativo ao serviço de uso: condições de escoamento do fluido de contato sobre o material, gases ou outros contaminantes dissolvidos, etc.; • relativo à segurança: quando o risco do equipamento ou do local onde se encontra for alto, usa-se materiais mais nobres de forma a evitar a ocorrência de problemas de vazamentos ou paradas; • relativo às experiências anteriores e novas tecnologias: é um fator preponderante, podendo ser a experiência anterior do usuário do equipamento ou como consulta na literatura indicativa sobre materiais; Fatores econômicos: • preço: é fator decisivo na escolha e tem implicação direta no custo de fabricação e tempo de vida (veja na próxima página os quadros de comparação de preços entre diferentes materiais; • disponibilidade: devem ser consideradas a facilidade de obtenção, necessidade de importação, prazo de entrega, quantidades mínimas de compra, etc.; 11 • qualidade de fornecimento: as características de um mesmo material pode variar entre vários fornecedores. O material deve ser acompanhado de laudo de análise, quando necessário; • equipamentos essenciais: quando a parada de certo equipamento, principalmente os pequenos como válvulas, filtros, etc., implica em parar toda uma grande unidade, esses devem ser fabricados com materiais mais nobres. Classificação dos principais materiais: 1. materiais para vasos de pressão e trocadores de calor metais ferrosos aços-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis. metais não-ferrosos alumínios e ligas; cobre e ligas; níquel e ligas; titânio, zircônio e ligas. 2. materiais para caldeiras e fornos aços-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis 3. materiais para tanques de armazenamento e outros reservatórios sem pressão. metais ferrosos aços-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis. metais não-ferrosos alumínios e ligas; cobre e ligas; níquel e ligas; titânio, zircônio e ligas. materiais não-metálicos concreto armado; materiais plásticos com fibras. 4. materiais para tubulações, válvulas e acessórios de tubulação metais ferrosos aços-carbono; aços-liga; aços inoxidáveis; ferros fundidos. metais não-ferrosos alumínios e ligas; cobre e ligas; níquel e ligas; chumbo e ligas; titânio, zircônio e ligas. materiais não-metálicos concreto armado; materiais plásticos com fibras; vidro. 14 10.3 EQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEAL P . V = n . R . T Onde: P = PRESSÃO em atm ou mmHg V = VOLUME em L n = nº de MOLS ( = MASSA / MASSA MOLAR em g) R = CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASES T = TEMPERATURA em K CONSTANTE UNIVERSAL DOS GASES ( R ) PRESSÃO em atm R = 0,082 atm . L . Mol-1 K-1 PRESSÃO em mmHg R = 62,3 atm . L . Mol-1 K-1 EQUAÇÃO DE ESTADO DE UM GÁS IDEAL 10.4 EXERCÍCIOS 10.4.1 Execute a transformação solicitada em cada exercício: a- 2,73m³ em L b- 45,96 L em m³ c- 0,4L em ml d- 2,37mg em g e- 2.10-6 ton em g f- 420mL em m³ g- 12,5g em ton h- 23°C em K i- 400K em °C j- -200°C em K k- 123K em °C l- 0,032kg em ton m- 235mg em kg n- 0,1 m³ em cm³ o- 45,3L em cm³ p- 15cm³ em ml q- 25dm³ em L 10.4.2 Calcule a massa de SO2 contidas em 224 L de SO2 medidos a 273°C e 2atm. 10.4.3 Calcule o nº de moléculas de O3 presentes em 250cm³ deste gás medido nas CNTP 10.4.4 No exercício anterior, quantas moléculas teríamos no caso de executarmos a medição a 127°C e 3atm. 10.4.5 205g de O2 foram medidos nas condições ambientes (25°C e 1atm). Qual o volume, em l, encontrado? 10.4.6 Calcule o volume ,em L, presente em 128 g de O2 quando medido nas CNTP. (O=16) 10.4.7 Qual a massa de H2 que ocupa o volume de 1,12m 3 quando medido nas CNTP. (H=1) 12 10.4.8 Qual o nº de moléculas de O2 presentes em 134,4mL quando medido nas CNTP. (O=16) 10.4.9 Um extintor de incêndio contém 4,4kg de CO2.Qual o volume máximo de gás liberado na atmosfera, a 1atm e -173oC? (C=12; O=16) 11. REVISÃO - CONCEITOS DE ESTEQUIOMETRIA Nas reações químicas, é importante se prever a quantidade de produtos que podem ser obtidos a partir de uma certa quantidade de reagentes consumidos. Os cálculos que possibilitam prever essa quantidade são chamados de cálculos estequiométricos (A palavra estequiometria vem do grego stoicheia (partes mais simples) e metreim (medida)). Essas quantidades podem ser expressas de diversas maneiras: massa, volume, quantidade de matéria (mol), número de moléculas. Os cálculos estequiométricos baseiam-se nos coeficientes da equação. É importante saber que, numa equação balanceada, os coeficientes nos dão a proporção em mols dos participantes da reação. Nos meados do século XVIII, cientistas conseguiram expressar matematicamente certas regularidades que ocorrem nas reações químicas, baseando-se em leis de combinações químicas que foram divididas em ponderais (que se relacionam às massas dos participantes da reação) e volumétricas (explicam a relação entre os volumes das substâncias gasosas que participam de um processo químico). Estequiometria é o cálculo da quantidade de reagentes e produtos da reação, baseado nas leis das reações químicas. Regra geral: 1. Escrever a reação química; 2. Acertar os coeficientes; 3. Estabelecer uma regra de três. Exemplo 1: • Calcular a massa de óxido cúprico a partir de 2,54 g de cobre metálico. Dados: Cu = 63,5 e O = 16 1º) Vamos escrever a reação química: Cu + O2 CuO 13 2º) A equação está desbalanceada, acertemos os coeficientes! Cu + ½ O2 => CuO 3º) E agora? Como calcular a massa de óxido cúprico? É fácil, é só fazer a regra de três das partes envolvidas. Cu + ½O2 => CuO mol 63,5 79,5 massa 2,54 X A massa de óxido cúprico a partir de 2,54 g de cobre metálico é = 3,18 g Exemplo 2: • 15 litros de H2, medidos a Condição Normal de Temperatura e Pressão (CNTP), reagem completamente com cloro. Qual o volume de gás clorídrico produzido nas mesmas condições? Dados: H = 1 e Cl = 35,5 1º) Vamos escrever a reação química: H2 + Cl2 = HCl 2º) Agora falta balanceá-la. H2 + Cl2 = 2 HCl 3º) Vamos aos cálculos? H2 + Cl2 = 2HCl quant. mol 1 mol 1 mol 2 mol mol 2 71 73 CNTP 22,4 22,4 2 x 22,4 CNTP 15 X O volume de gás clorídrico produzido nas CNTP é = 30 litros RENDIMENTO Rendimento de uma reação é o quociente entre a quantidade de produto realmente obtida e a quantidade de produto que seria teoricamente obtida pela equação química correspondente. 16 10. Qual é o volume máximo de amônia que pode ser obtido a partir de 30 L de H2 e 30 L de N2, a uma mesma temperatura e pressão? N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 11. Qual é a massa máxima de amônia que pode ser obtida a partir de 40 kg de uma mistura contendo 28% de N2 e 72% de H2, em massa? Qual é o reagente limitante, se for o caso? (MA: H = 1; N = 14) N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g) 12. Calcule o volume de CO2 medido nas CNTP, obtido pela pirólise de 50 g de CaC03 de 80% de pureza. (MA: Ca = 40; C = 12; O = 16) CaC03 CaO + CO2 13. Calcule as massas de H2S04 80% de pureza e de Al(OH)3 90% de pureza necessárias à obtenção de 400 g de A12(S04)3 de 85,5% de pureza. (MA: AI = 27; S = 32; O = 16; H = 1) 2Al(OH)3 + 3H2SO4 Al2(S04)3 + 6H2O 14. Calcule as massas de H2SO4 e de Al(OH)3 necessárias à obtenção de 17,1 g de Al2(SO4)3, sabendo que o a reação possui rendimento de 50%. 15. Calcule a massa de enxofre necessária à obtenção de 224 L de SO2 medidos a 273°C e 2 atm, sabendo que o rendimento da reação é de 90%. (MA: S = 32) S + O2 SO2 16. Quantos mols de Cl2 devemos utilizar para a obtenção de 5,0 mol de KCIO3 pela reação: 3Cl2 + 6KOH 5KCI + KCI03 + 3H2 O sabendo que o rendimento da reação é igual a 75%? 17 13. BIBLIOGRAFIA Bibliografia Básica CARVALHO, GERALDO CAMARGO DE. Química moderna. Ed. Scipione. 1997. SHREVE, R. NORRIS; BRINK, JOSEPH A. Indústrias de processos químicos. 4. Ed. Rio de janeiro: editora guanabara koogan. 1997. MACINTYRE, ARCHIBALD JOSEPH. Equipamentos industriais e de processo. 1. Ed. Rio de janeiro: livros técnicos e científicos editora S. A. 1997. TELLES, PEDRO C. SILVA. Materiais Para Equipamentos De Processo. 6ª. Ed. Rio De Janeiro: Interciência, 2003. FOUST, A.S. et al. Princípios das Operações Unitárias. 3ed. Rio de Janeiro: LTC, 2000. BLACKADDER, D.A. Manual de Operações Unitárias. São Paulo: Ed. Hemus, 2004. GOMIDE, R. Operações unitárias. Vol. I, II, III e IV. 1ed. São Paulo: do autor.