INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS QUÍMICOS plano

Processos Industriais. Condições reais de operação • ESTEQUIOMETRIA. Equação Química e Estequiometria. Unidades. Cálculos estequiométricos. Processos sem e com reações químicas. Balanço de energia para o estudo das operações industriais. Balanços diferentes de energia • APLICAÇÕES. Balanços de massa e energia simultâneos. Estudo de um caso industrial. BRASIL, NILO ÍNDIO DO. Introdução à Engenharia Química. Editora Interciência. BIBLIOGRAFIA COMPLEMENTAR: LEVENSPIEL, OCTAVE. Engenharia das Reações Químicas. Chagas, Aécio Pereira. Termodinâmica Química: Fundamentos, Métodos e Aplicações. Editora da Unicamp. FELDER, R. M. APLICAÇÕES: Balanços de massa e energia simultâneos; coluna de destilação e trocador de calor; determinação dos graus de liberdade num processo. OPERAÇÕES E PROCESSOS UNITÁRIOS: INTRODUÇÃO À DISCIPLINA: Habilitar o(a) aluno(a) , futuro(a) engenheiro(a) químico(a), a utilizar os recursos da estequiometria e dos balanços de massa e de energia, na solução dos problemas envolvendo operações e processos unitários.

“O ENGENHEIRO QUÍMICO DEVE SER, ANTES DE TUDO, UM HÁBIL ESTEQUIÔMETRA”. A ENGENHEIRA QUÍMICA TAMBÉM) PROCESSOS INDUSTRIAIS: A indústria química recebe a (as) matéria (as) prima (as) e gera produtos; a matéria prima pode ser separada em frações (sem sofrer transformação química) ou em outros produtos (sofrendo transformação química). OPERAÇÃO é a ação direta do homem e equipamentos sobre a matéria prima e seus produtos (funções que devem ser executadas). Na obtenção de coque do petróleo, a matéria prima, o gasóleo, é submetida a um coqueamento retardado em um forno tubular (reator), sendo a seguir, enviado para equipamentos apropriados, onde se formará o coque e os subprodutos são processados em outros pontos da unidade e não retornam ao processo.

ESTEQUIOMETRIA: EQUAÇÃO QUÍMICA E ESTEQUIOMETRIA A equação química dá várias informações qualitativas e quantitativas essenciais para o cálculo das massas dos materiais envolvidos em um processo químico, como por exemplo: C7 H16 (v) + 11 O2 (g)  7 C O2 (g) + 8 H2 O (v) 1 mol 11 moles 7 moles 8 moles A equação química nos fornece, em termos de moles, as razões entre reagentes e produtos, chamadas razões estequiométricas. A ESTEQUIOMETRIA lida com as massas dos elementos e compostos que se combinam. UNIDADES UTILIZADAS: Na equação da combustão do heptano, acima citada, podemos usar as seguintes unidades: g mol, kg mol, lb mol ou qualquer outro tipo de mol, como por exemplo: C7 H16 (v) : 100 g , 100 kg , 100 lb ou 100 t; 11 O2 (g) : 352 g , 352 kg , 352 lb ou 352 t: 7 C O2 (g) : 308 g , 308 kg , 308 lb ou 308 t: 8 H2 O (v) : 144 g , 144 kg , 144 lb ou 144 t.

CÁLCULO DE QUANTIDADES ESTEQUIOMÉTRICAS DE REGENTES E PRODUTOS Exemplo 1 (Adaptado de HIMMELBLAU, pág. Obs. este é o processo de DEACON, operando com t = 450 º C e Cu Cl2 como catalisador; este processo está em desuso. Resposta: a) matérias primas: 2,056 t HCl, 0,631 t O2 e 2,077 t N2; b) efluente do reator: H2O: 5,31%, Cl2 : 20,99%; O2 : 8,53%, N2 : 43,59% e HCl: 21,58%. vazão : 165,40 m3 / h. ESTEQUIOMETRIA (cont. Num ensaio realizado, foram misturados 500 kg de fosfato com 255,1 kg de solução de ácido sulfúrico, a 98 %, obtendo-se 280 kg de superfosfato. conforme a equação: Ca3(PO4)2 + 2 H2SO4  2 CaSO4 + CaH4(PO4)2 Pedem-se: a) o reagente-limite; (ác. sulfúrico). b) o cálculo do excesso do outro reagente; ( 9,85%) c) o rendimento (superfosfato em relação ao fosfato de cálcio); (64,37%) d) o grau de complementação.

Exemplo 4 (Himmelblau, pág. e) NH3 : 77,9 % ; N2 : 16,3 % e H2 : 5,8 %. BALANÇO DE MASSA LEI DA CONSERVAÇÃO DA MASSA O princípio dos balanços materiais é a Lei da Conservação da Massa: ”A massa de um SISTEMA FECHADO permanece constante durante os processos que nele ocorrem”. Nos balanços de materiais devemos considerar os sistemas onde NÃO ocorrem reações químicas e os sistemas onde OCORREM reações químicas. BALANÇO DE MASSA SEM REAÇÃO QUÍMICA Para um sistema aberto, o balanço de massa é expresso pela seguinte equação: onde: = fluxo de massa que sai do sistema, no intervalo de tempo considerado; = fluxo de massa que entra no sistema, no intervalo de tempo considerado; = variação da massa do sistema, no intervalo de tempo considerado.

BALANÇO DE MASSA COM REAÇÃO QUÍMICA Para um sistema aberto, o balanço de massa , com reação química, é expresso pela equação: onde: R = massa que reagiu no intervalo de tempo considerado. Ch. E. Um evaporador é alimentado, continuamente, com 25 t / h de uma solução formada por 10 % de Na OH , 10 % de Na Cl e 80 % de H2 O (% em massa). Durante a evaporação, a água é removida vaporizada e o sal precipita-se como cristal, sendo removido do licor remanescente. O licor concentrado deixa o evaporador contendo 50 % de Na OH, 2 % de Na Cl e 48 % de H2 O. O biólogo Camilo, o estagiário líder André e seus assistentes, do Laboratório de Ecotoxicologia da Universidade Santa Cecília, necessitavam obter uma água marinha reconstituída, com 35 0/00 de sais, para testes de toxicidade crônica de curta duração, usando larvas de Lytechinus variegatus.

Para tanto, eles dispunham de 100 ml de água salgada, com 25 0/00 de sais e, também, de cristais de sais provenientes do Mar Vermelho. O biólogo Camilo e equipe, aplicando o Princípio da Conservação da Massa, deduziram a equação que permite relacionar a quantidade de sais com as demais variáveis do processo e resolveram o problema. Responder: a) qual a equação deduzida pela equipe? b) que quantidade, de cristais, foi necessária para atender as necessidades? c) qual a massa final da solução obtida? d) considerando a solução final com  = 1,025 g /cm3, qual o volume esperado? Com o auxílio de um refratômetro de salinidade, o nosso biólogo comprovou a exatidão dos cálculos realizados, bem como da correta aplicação do conceito de Balanço de Massa.

Exercício 12 (Desenvolvido no Laboratório de Ecotoxicologia, UNISANTA, 2000). Por definição: tB = tC + tR + tD + tL Pedem-se: a) o fluxograma simplificado da unidade; b) a expressão analítica para o cálculo do número de reatores. APLICAÇÃO Para o processo citado no exemplo 13 e considerando tB = 20 h e tD = 4 h , pedem-se: a) o número de reatores, obtido pelo cálculo analítico; b) o número de reatores, obtido pela demonstração gráfica. Exemplo 14 (Aldo, NA-02/90, Adendo - 1. Op. Unit. Para uma alimentação de 200 kmol / h de etileno e água com um reciclo de 500 kmol / h. calcular: a) a purga a ser realizada no sistema (kmol / h ); b) a quantidade de etileno que sai na corrente de purga ( kmol / h ). Exemplo 18 (Bennett & Myers, pág.

Ex. Fenômenos de Transporte) A produção de metanol baseia-se na equação C O(g) + 2 H2 (g)  C H3 OH (v) que ocorre quando uma mistura gasosa dos reagentes é passada sobre um catalisador constituído por Zn O / Cr2 O3 a 200 atm e 375 º C. BALANÇOS MATERIAIS DIFERENCIAIS Muitos processos industriais ocorrem em regime transiente ou não-permanente; nestas condições, haverá aumento ou diminuição da massa do sistema em relação ao tempo considerado; assim sendo, na equação do balanço de massa : teremos dM / dt diferente de zero e deveremos trabalhar, então, com uma equação diferencial, residindo nesta etapa dos cálculos a maior dificuldade, pois nem sempre a integração pode ser resolvida de maneira simples, fugindo, às vezes, do escopo deste curso; todavia, cuidados serão tomados para que o aprendizado, longe de trazer dificuldade ao aluno, só traga a ele os benefícios de aperfeiçoamento no uso desta magnífica ferramenta da engenharia química.

Essa equação geral é aplicável para intervalos de tempo infinitesimais durante os processos realizados em regime transiente, considerando-se que as quantidades aí utilizadas são infinitesimais. Como ilustração, citaremos dois casos: a operação de DILUIÇÃO e a DESTILAÇÃO DIFERENCIAL: DILUIÇÃO: Consideremos um tanque, contendo solução de soda cáustica, conforme a figura abaixo Seja a NaOH o componente A e a H2O, o B. Imaginemos que queremos diluir a solução; para tanto, injetaremos água pela corrente 1. Deduzir a expressão que relaciona o tempo gasto, nessa operação unitária, com as concentrações inicial e final. Sabe-se que, à temperatura de operação, a solubilidade da água no benzeno é 1,5 mol %. Lembrando ser p = y P , podemos escrever que y P = 31,7 x e, como P = 1 atm, então teremos y = 31,7 x Exemplo 23 (Aldo, IPQ) Um reator químico, provido de agitador, recebe uma corrente de processo, chamada de corrente 1; um agente de emulsão entra no processo pela corrente 2 e não participa da reação; a corrente efluente do reator é de número 3.

Como o processo apresenta dificuldades de operação quando a concentração do agente de emulsão cai abaixo de certo valor, cuidados especiais devem ser tomados quanto à vazão da corrente 2. Bloqueando-se totalmente só a corrente 2, deduzir a equação que calcula a concentração do agente de emulsão, em função da sua concentração inicial no reator, do volume constante no reator, da vazão da corrente 3 e do tempo em que a corrente 2 permanece bloqueada. Resposta: CF = CI e - ( V3 / VR) TEMPO Exemplo 24 (Aldo, P 1 do 2º Semestre de 96) Determinado aditivo A é usado, no processo abaixo, para otimizar a floculação, sem participar da reação química. A 1ª lei da termodinâmica relaciona a variação das quantidades das diversas energias armazenadas num sistema, com as energias em trânsito (que não podem ser armazenadas) através do invólucro do sistema durante um dado processo.

As duas formas de energia em trânsito são o CALOR, representado por Q e o trabalho, que representamos por. PARA SISTEMAS FECHADOS Para sistemas fechados, a 1ª lei fica: Q - W = E A variação da energia total, AE, será a soma das variações das diversas espécies de energia que podem ser armazenadas no sistema: interna, cinética, potencial, elétrica, magnética e de superfície. Quando somente as variações de energia interna são importantes, teremos: Q – W = U PARA SISTEMAS ABERTOS Para sistemas abertos, as expressões anteriormente vistas, não se aplicam, mas podem ser estendidas com grande facilidade, e sem prejuízo do rigor científico-tecnológico, pois as operações industriais que, por exemplo, envolvem reatores contínuos, trocadores de calor etc, realizam-se em sistemas abertos.

Quando todas as correntes que atravessam a superfície do volume de controle (são as correntes que entram e saem do sistema) apresentam vazão, composição, pressão, temperatura e energia potencial constantes, dizemos que o sistema aberto opera em REGIME PERMANENTE e, neste caso, podemos escrever: : fluxo de calor que atravessa a superfície do volume de controle; : fluxo de trabalho que atravessa a superfície do volume de controle; : variação de entalpia das correntes que atravessam a superfície do volume de controle; : variação da energia cinética das correntes que atravessam a superfície do volume de controle; : variação da energia potencial das correntes que atravessam a superfície do volume de controle. Os reagentes (A e M) são aquecidos até a temperatura de reação; atingida a temperatura de reação, a camisa de aquecimento passa a ser um gerador de vapor, recebendo água quente a qual, evaporando-se, gera vapor saturado e remove o calor produzido pela reação de polimerização (nesta etapa, considerar a perda de calor igual à do aquecimento).

São os seguintes os dados do processo: 1) A (água para o processo): a) 3. kg / batelada; b) cp = 1,0 kcal / kg º C ; c) ti = 25 Cº. M (monômero): a) 3. kg / batelada; b) cp = 0,7 kcal / kg º C; c) ti = 20 º C; 3) VA (vapor de água): a) L = 600 kcal / kg; 4) MO (motor do agitador): a) potência = 10 HP; b) HP = 642 kcal / h ; 5) POL (polímero): a) calor de formação, H = - 715 kcal / kg polímero (reação exotérmica); b) tR = 90 º C; 6) QVC = 5 % HVA e ISOL = isolamento térmico. A seguir, a mistura gasosa é enviada a um sistema contendo uma coluna de absorção e uma coluna de lavagem dos gases exauridos. Calcular, pela 1ª lei da termodinâmica, simplificadamente, a quantidade de Vapor de Água Saturado ( t / h ) produzida quando reagem 1. mol / min de cada um dos reagentes.

Dados : a) calor latente de evaporação da água quente : 540 kcal / kg; b) entalpia da reação : AH = - 22,1 kcal / mol HCl; c) equação da reação química : H2 (g) + Cl2 (g)  2 HCl (g) Exemplo 29 (POR ARTUR AUGUSTO CAPELO, TÉC. OP. Com base no esquema abaixo e nos dados do processo, pedem-se: 1) o calor necessário (QN ) para aquecer o HC, em kcal / h; 2) o calor fornecido (QF ) pelo óleo térmico, em kcal / h; 3) vazão mínima da bomba de circulação do óleo térmico, em m3 / h; 4) considerando-se que o “calor absorvido” pelo óleo térmico seja igual ao fornecido pelos resistores do aquecedor elétrico, dizer se este aquecedor atende ao processo; se SIM, quantos resistores operarão e, se NÃO, quantos faltarão.

BALANÇOS DIFERENCIAIS DE ENERGIA Inúmeras operações práticas são realizadas em condições de regime não-permanente ou transiente. Quando um balanço de energia tiver que ser realizado num sistema operando nestas condições, deve-se levar em conta o fato de que as condições de operação variam com o tempo. A solução é realizar um balanço durante um intervalo de tempo infinitesimal em que a operação se realiza e integrar, entre os limites adequados, a equação diferencial obtida. O maior problema é, muitas vezes, a integração da equação diferencial obtida. APLICAÇÕES Considerar os exemplos 28 e 29 como introdutórios a este item. O exemplo 32 mostra o balanço integrado, de massa e energia, para um sistema industrial de refrigeração.

Exemplo 33 (Adaptado de Bennett e Myers, Fenômenos de Transportes, exemplo 18-1, pág. e de Van Wylen e Sonntag, Fundamentos da Termodinâmica Clássica, exemplos 5. e 9. Um processo industrial de produção de metanol utiliza a Síntese de Patart, que surgiu na Alemanha em 1923 (Nehmi, 1956); a Eq. representa a equação química do processo, cujas condições de operação são 200 atm e 400 ºC, tendo como catalisadores os óxidos Cr2O3 e ZnO. CO (g) + 2 H2 (g)  CH3OH (v) (1) O reator químico produz 250 kmol/h de metanol e é alimentado com 320 kmol/h de monóxido de carbono e 690 kmol/h de hidrogênio. Pedem-se: Identificar os reagentes limitante e em excesso. A porcentagem em excesso do reagente em excesso. CaSO4. H2O + 2NaOH  Ca(OH)2 + Na2SO4 + 2H2O (2) Em uma batelada experimental, foram obtidos 321,5 kg de hidróxido de cálcio, utilizando-se como reagentes 1000 kg de fosfogesso (com 77,65 % de sulfato de cálcio dihidratado) e 510 kg de soda cáustica.

As massas atômicas encontram-se na Tab. Tabela 2 – Massas Atômicas. H O Na S Ca 1 16 23 32 40 Fonte: Classificação Periódica dos Elementos. Dados de MM: CaCO3 = 100; H Cl = 36,5; CaCl2 = 111; CO2 = 44 e H2 O = 18. Pedem-se: 1) a dedução da equação de (conc. CaCl2 ) = f(tempo de operação ); 2) a concentração da solução de CaCl2 , com a operação em regime permanente; 3) o esquema simplificado do reator, operando em regime permanente, com indicação das correntes de processo, seus componente e vazões. Um reator químico, bem agitado, recebe, pela corrente 1, os reagentes do processo e, pela corrente 2, o catalisador para manter a reação economicamente aceitável; seu efluente é a corrente 3. Em regime permanente, os valores das correntes 1 e 2 são, respectivamente, 100 e 10 kg / h e a massa total, contida no reator, é de 1 t.

kg de água desmineralizada e que, durante toda a operação, essa massa permanece constante. Pedem-se: o fluxograma simplificado do processo, em regime permanente, indicando os parâmetros de corrente e os parâmetros de composição de corrente (1 ponto); a concentração do produto desejado, nitrato de cálcio, na solução produzida no regime permanente; a dedução da equação da concentração do produto desejado, xA, como função do tempo de operação; a concentração da solução do produto desejado, para t tendendo ao infinito, na equação de xA = xA(t); o gráfico de xA versus t, para t (em horas) = 50, 80, 110, 130 e 140; 15)Em um processo com purga e reciclo, conforme estudado em sala de aula, deseja-se produzir 1. mol/min de solução a 20 % de NH4OH, conforme a equação química indicada pela Eq.

N2(g) + 3H2(g)  2NH3(g) (2) Considerar como sendo a conversão do nitrogênio 70 % e 20 % o excesso de hidrogênio. O gás inerte na entrada do reator, segundo especificação do fabricante do catalisador, deverá ser, no máximo, de 3 mol %. Pedem-se: 1) a dedução da equação de (conc. CaCl2 ) = f(tempo de operação ); 2) a concentração da solução de CaCl2 , para 10 h de operação; 3) a concentração da solução, para o processo em regime permanente, utilizando a equação deduzida no item l. Uma planta deve produzir 2000 mol/min de NO, conforme a seguinte reação endotérmica, com HR (25oC) = 20,7 kcal/mol: N2(g) + O2(g)  2NO(g) Para manter os reagentes e produto a 25oC, utiliza-se vapor de água saturado (VAS), cujo calor latente de condensação é 560 kcal/kg; embora o isolamento térmico do sistema seja bom, perdem-se, para o ambiente, 3% da variação da entalpia do fluido quente.

Calcular, em t/h, aplicando a Primeira Lei da Termodinâmica, a vazão de VAS para manter as condições de operação. Uma reação homogênea, em fase gasosa, A  3B, a 215 ºC e 5 atm, apresenta a seguinte expressão de velocidade: - rA = k CA. Pedem-se: 1) o calor fornecido à caldeira; 2) a quantidade de condensado que alimenta a caldeira; 3) a quantidade de água de reposição para a caldeira; 4) a vazão de vapor saturado produzido pela caldeira. Consultar a tabela para vapor saturado de água. Uma coluna de destilação de petróleo preaquece a sua carga em um trocador de calor, usando um de seus refluxos externos, conforme descrito abaixo: a) refluxo externo: corrente líquida, com vazão de 14. m3 / d. com d = 800 kg / m3 , cP = 0,8 kcal / kg ºC e resfriamento de 360 para 260 ºC, em um trocador de calor que perde, para o meio ambiente, 2 % da entalpia dessa corrente ; b) pré-aquecimento de petróleo com vazão de 10.

Um tanque, bem agitado, contém V l de solução de NaOH, a 30% em massa. Numa operação de diluição, mantendo V constante, são bombeados, para dentro do tanque, l/h de água de processo e l/h de solução de NaOH são removidos do tanque. Deduzir a equação que relaciona a densidade da solução em função do tempo de operação, com as demais variáveis do processo Aplicação: NaOH: d = 2,130 g/cm3 (Perry, - 1950 , Chemical Engineering Handbook, table 1, pg 125); = 100 l/h; = 100 l/h; V = 10 m3 3) )(Lab. Ecotox, 23/11/200) O biólogo Camilo, o estagiário líder André e seus assistentes, do Laboratório de Ecotoxicologia da Universidade Santa Cecília, necessitavam obter uma água marinha reconstituída, com 35 0/00 de sais, para testes de toxicidade crônica de curta duração, usando larvas de Lytechinus variegatus.

Para tanto, eles dispunham de 100 ml de água salgada, com 25 0/00 de sais e, também, de cristais de sais provenientes do Mar Vermelho. Pedem-se: a) o fluxograma simplificado do processo em regime permanente, indicando os parâmetros de corrente e os parâmetros de composição de corrente; b) a dedução da equação de concentração de produto desejado, Ca(NO3)2, xA, como função do tempo de operação; c) o gráfico de xA versus t.