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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: CaF2.3Ca3(PO4)2 + 10H2SO4 + 20H2O → 10CaSO4 + 2H2O + 2HF↑ + 6H3PO4 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 P2O5 (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 H2O) e eventualmente na temperatura definida (operação de troca térmica). As duas matérias primas principais necessitarão ser transportadas até o reator na dosagem certa, definida pela estequiometria e pela cinética: o mineral por ser sólido poderá ser transportado através de correias e elevadores de caneca até o alimentador, enquanto o ácido sulfúrico deve continuamente ser alimentado ao reator através de bombas especiais, dentro de uma faixa de vazões controladas. Decorrida a reação teremos o ácido, o sulfato de cálcio e outras substâncias. É necessário, portanto, separar-se o produto (H3PO4) dessas demais substâncias. O processo convencional prevê a filtração a vácuo. A torta do filtro é formada pela fase sólida da mistura, enquanto o filtrado se constitui em um H3PO4 diluído. Como não se pretende vender nem transportar água, dentro de certos limites, o ácido diluído deverá ainda ser concentrado (através de evaporação) antes da comercialização. Novamente entre a saída do reator e o destino do produto e do rejeito, ocorrem as necessárias operações de transporte. Em linguagem de engenharia química, todo este texto descritivo é substituído por um desenho esquemático chamado de fluxograma (flow chart). Utilizando-se blocos, outros símbolos que representem unidades de processo (reatores, destiladores, evaporadores, etc...) e linhas que indicam os caminhos de fluxo das matérias primas e dos produtos, descreve-se o processo de forma simples e objetiva, através de uma coordenação seqüencial que integra as unidades de conversão química (reatores) às demais unidades de operações físicas (chamadas classicamente de operações unitárias). O material que entra em uma dada unidade de processo é chamado de alimentação (“input” ou “feed”) e o que a deixa é chamado de produto (“output” ou “product”). O diagrama de blocos é, na verdade, o fluxograma mais simples, que indica as principais unidades de processo e traz informações sobre as variáveis de processo principais. Um fluxograma mais elaborado traz mais detalhes como o dimensionamento dos equipamentos, as malhas de controle automático, os materiais de construção e outras informações importantes. Como exemplo de fluxogramas, observe a figura que segue. Um diagrama de blocos indica de modo bem simples o processo de obtenção de ácido fosfórico descrito anteriormente. Diagrama de blocos do processo de fabricação de ácido fosfórico via úmida. Exercícios 1. No Brasil principal fonte de obtenção de álcool é a partir da cana-de-açúcar,