Processos Industriais

Processos Industriais

1. Conceitos Básicos

1.1. Definição de Processo

É o conjunto de equipamentos, escolhidos pelas suas funções específicas e interligados de modo a possibilitar a transformação de uma matéria-prima em um produto de interesse, de forma econômica, segura e em escala comercial. Os processos químicos podem ser constituídos por uma sequência de etapas muito diferentes, que têm princípios fundamentais independentes da substância que está sendo operada e de outras características do sistema. No projeto de um processo, cada etapa a ser usada pode ser investigada individualmente. Algumas etapas são reações químicas, enquanto outras são modificações químicas. O conceito de operação unitária está baseado na filosofia de que uma sequência amplamente variável de etapas pode ser reduzida a operações simples, ou a reações, que são idênticas independentemente do material que está sendo processado.

1.2. Conceito de Balanço de Massa

O Balanço de Massa (BM) é uma restrição imposta pela natureza. A lei da conservação de massa nos diz que a massa não pode nem ser criada, nem destruída. Logo, não havendo acúmulo de massa no interior de um equipamento, tem-se ao longo de um determinado intervalo de tempo que: massa total na entrada = massa total na saída.

Fazendo o intervalo de tempo tender a zero, ao invés de quantidades de massa, passamos a falar em termos de vazões: vazão mássica total que entra = vazão mássica total que sai.

2. Classificações dos Sistemas

2.1. Quanto ao Regime de Operação

Um sistema pode ser operado da seguinte maneira:

Operação em Batelada: a massa não cruza as fronteiras do processo durante o tempo da batelada. O sistema é alimentado e os produtos são retirados de uma só vez, no início e ao final do tempo de processo, respectivamente. Assim, o processo ao longo da batelada se comporta como um sistema fechado. Normalmente, esta estratégia de operação é usada para produzir pequenas quantidades de especialidades químicas, produtos sazonais ou feitos por encomenda.

Operação Contínua: há continuamente a passagem de massa através das fronteiras do processo através das correntes de entrada e de saída. Desta forma o processo se comporta como um sistema aberto. Esta operação é característica de grandes volumes de produção, como ocorre, por exemplo, no refino do petróleo.

Operação Semi-batelada ou Semi-contínua: qualquer processo que não é operado em batelada ou em regime contínuo. Um exemplo deste tipo de processo é aquele em que uma massa de líquido é alimentada em um reator e gás é borbulhado durante um certo tempo através do líquido. Ao final, a passagem de gás é interrompida e o líquido retirado do reator.

2.2. Quanto ao Comportamento ao Longo do Tempo

A operação de um processo também pode ser classificada conforme o comportamento das variáveis ao longo do tempo:

Operação em Regime Estacionário: os valores das variáveis de processo - temperatura, vazões, concentrações, por exemplo – não variam com o tempo em qualquer posição fixa.

Operação em Regime Transiente: os valores das variáveis variam com o tempo em alguma posição fixa do processo. Os processos em batelada têm uma natureza tipicamente transiente, enquanto os processos contínuos operam normalmente em regime estacionário.

3. Fluxos Especiais em um Processo

Existem algumas correntes de processo que têm um objetivo específico e aparecem em uma grande quantidade de fluxogramas. Estas correntes são apresentadas a seguir, bem como uma discussão inicial de suas finalidades.

3.1. Reciclo

A corrente de reciclo é uma corrente que retorna parte ou a totalidade da massa de um ponto avançado do processo para outro, em uma posição pela qual esta massa já tenha passado. Uma representação esquemática de uma corrente de reciclo é apresentada na figura abaixo. Note que a corrente de reciclo nasce em um ponto de divisão que não necessariamente é um divisor de corrente. Muitas vezes a sua origem é em um equipamento de separação, o que trás como conseqüência que a sua composição é diferente da composição das outras correntes que saem de tal equipamento.

As correntes de reciclo servem para a recuperação de reagente não consumido na etapa de reação, para a recuperação de catalisador que seja arrastado para fora do reator, assim como podem auxiliar no controle de processos através da diluição da corrente que é alimentado no reator, situação importante em reações altamente exotérmicas. Nesses casos, o reciclo é parcial. Há ainda sistemas onde um fluido opera em circuito fechado, por exemplo em ciclos de refrigeração e o circuito de água de resfriamento em plantas de processo. Nesses sistemas a totalidade da corrente é recirculada.

3.2. By-pass

As correntes de by-pass podem ser entendidas como correntes de reciclo com o sentido do escoamento invertido. Assim, o fluido que passa por uma corrente de bypass não atravessa o(s) equipamento(s) posicionado(s) na direção principal do processo entre o início do by-pass e o seu retorno para a corrente principal (vide figura abaixo). As correntes de by pass, via de regra, são originadas em um divisor de correntes e terminam em um misturador. A corrente de bypass tem a sua utilização ligada principalmente ao controle operacional da planta, ou especificamente, de equipamentos. Assim, é comum ocorrer o by-pass de um equipamento, com a vazão que passa por esta corrente sendo manipulada para manter as condições de saída desejadas.

3.3. Purga

A corrente de purga é uma corrente que é retirada de uma outra e é descartada. Seu objetivo é promover o descarte de substâncias que, sem a purga, iriam se acumular, principalmente em circuitos de reciclo.

Imagine que haja a formação de um produto secundário na reação e que o processo de separação não seja capaz de separá-lo da matéria prima não reagida que é reciclada. Desde modo, a corrente de reciclo conterá toda a quantidade