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 Processo de Produção Química 1º. Sem./2011 Engenharias
2 Operações Unitárias Nesta Aula Veremos ... Introdução as Operações Unitárias ,[object Object]
 Destilação Fracionada
 Destilação Flash
 Destilação AzeotrópicaProcesso de Refino de Petróleo – Parte 1
3 Operações Unitárias Processos Químicos Produto especificado Mistura a separar Reagentes que não reagiram Sub produtos Impurezas Reagentes que não reagiram
Operações Unitárias Introdução OPERAÇÕES UNITÁRIAS – são seqüências de operações físicas necessárias à viabilização econômica de um processo, (não alteram as moléculas das substâncias),  só alteram: ,[object Object]
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Operações Unitárias Introdução Estas operações também são necessárias para transportar e condicionar os materiais durante e após o seu processamento no produto desejado, por exemplo:  ,[object Object]
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Britagem, moagem (britadores, moinhos)
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Operações Unitárias Introdução 6
Operações Unitárias Introdução 7
Operações Unitárias Introdução 8
Operações Unitárias Introdução 9
10 Operações Unitárias Princípios
11 Operações Unitárias Princípios Estágio (andar) em equilíbrio. Promove o contato entre as correntes de líquido e de vapor em circulação (na coluna), para  produzir duas novas correntes de líquido e de vapor, em equilíbrio.
12 Operações Unitárias Princípios
13 Operações Unitárias Destilação - Princípios
14 Operações Unitárias Destilação – O que é ? ,[object Object]
Na destilação, portanto, pode-se afirmar que o agentes de separação é o calor, pois o vapor formado se concentra nos mais voláteis (mais leves) e o líquido nos menos voláteis (mais pesados),[object Object]
A separação por destilação será tanto mais fácil quanto mais elevada (superior a 1) for a volatilidade relativa de A em relação a B. Genericamente a volatilidade relativa αi,j  do componente i relativamente ao j, define-se como sendo a razão entre as razões de equilíbrio do componente “i” e do componente de referência “j”.,[object Object]
17 Operações Unitárias Destilação - Princípios
18 Operações Unitárias Destilação - Princípios ,[object Object]
Na destilação, uma fase vapor entra em contato com uma fase líquida, havendo transferência de massa do líquido  vapor e do vapor  líquido (equilíbrio de fases)
Em geral o vapor é mais rico que o líquido quanto aos componentes mais voláteis
Na destilação, o vapor contém no mínimo 2 componentes, enquanto que no processo de evaporação só tem um,[object Object]
20 Operações Unitárias Destilação Simples ,[object Object]
Normalmente utilizada como uma etapa inicial de remoção de componentes mais voláteis
Baseia-se no aquecimento de um liq. até seu ponto de ebulição(1ª. bolha vapor retirada do contato com liq. por condensação)
Utilizada também na indústria de bebidas,[object Object]
Operações Unitárias Destilação Flash ,[object Object]
Mistura é alimentada a um vaso de modo contínuo e separada em duas correntes (liq e vap)
Processo “adiabático” (sem troca de calor)  expansão brusca
Processo “não adiabático”  há troca de calor22
23 Operações Unitárias Destilação Flash Unidade de dessalinização da água do mar por Destilação (destilação flash sucessivas). O vapor que se forma é condensado e retirado como água pura
24 Operações Unitárias Destilação Fracionada ,[object Object]
Utilizada em múltiplos estágios de equilíbrio liq-vapor.
O vapor se concentra nos mais voláteis (leves) e o líquido nos menos voláteis (pesados)
Utilizada no fracionamento do petróleo e na separação dos componentes do ar atmosférico,[object Object]
Produção de oxigênio, nitrogênio e outros gases da atm, através da destilação do ar que foi previamente liquefeito.,[object Object]
27 Operações Unitárias Destilação Fracionada ,[object Object],[object Object],[object Object]
30 Operações Unitárias Diagrama – Mistura Durante as mudanças de estado da mistura, as temperaturas de fusão e ebulição não permanecem constantes
31 Operações Unitárias Diagrama – Azeotrópica Misturas de líquidos (fervem à Temperatura constante), e o gráfico apresenta um patamar durante a ebulição álcool comum  (96% de etanol e 4% de água)
32 Operações Unitárias Destilação - Azeótropo O que é um azeótropo ? Azeótropoé uma mistura de duas ou mais substâncias que, a uma certa composição, possui um ponto de ebulição constante e fixo, como se fosse uma substância pura, não podendo, por isso, seus componentes serem separados por processo de destilação simples. Como é possível separa os componentes de uma mistura azeotrópica ? Através da “quebra do azeótropo”, por meio de técnicas especiais, consegue-se a purificação de um azeótropo. Um azeótropo não pode ser purificado por destilação comum e sim através da destilação azeotrópica
33 Operações Unitárias Destilação – Caso Especial ,[object Object]
Quando a volatilidade relativa entre os componentes da mistura é muito baixa
Adição de componente externo para modificar as volatilidades entre os componentes
Composto externo mais pesado, aumenta  a volatilidade relativa dos componentes (forças intermoleculares)
Pode ser azeotrópica ou extrativa,[object Object]
Quando a mistura forma um “azeótropo” ou apresenta baixa volatilidade relativa
Adição de componente de arraste para formar um novo azeótropo heterogêneo (duas fases)
Ex.: álcool etílico e água (mistura azeotrópica 95,6% de álcool), a adição de etilenoglicol ou n-hexano a  mistura forma um outro azeótropo (obtenção álcool anidro),[object Object]
36 D E Operações Unitárias Destilação Multi-Estágios
37 Torre de Destilação
38 Torre de Destilação ,[object Object]
Internos
Refervedor
Condensador
Vaso refluxo,[object Object]
40 Torre de Destilação
41 Torre de Destilação Região de Retificação ou absorção. Condensam os menos voláteis e enriquece o vapor no componente mais volátil. Região de Esgotamento ou “Stripping”. Vaporizam os mais voláteis e enriquece o líquido no componente menos volátil.
42 Operações Unitárias Destilação - Simulação
43 Operações Unitárias Destilação - Refluxo
44 Operações Unitárias Destilação - Refluxo
Balanço de Massa Equação Geral Entrada de massa nos limites do sistema Saída  de massa nos limites do sistema Acúmulo de massa dentro do sistema Geração de massa dentro do sistema Consumo de  massa dentro do sistema - - + = ,[object Object]
 Reagido (reação)Sistema (limites) ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO 45
Balanço de Massa Aberto - sem reação Entrada de massa nos limites do sistema Saída  de massa nos limites do sistema Acúmulo de massa dentro do sistema Geração de massa dentro do sistema Consumo de  massa dentro do sistema - - + = 0 0 Sistema aberto sem reação química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA 46
Destilação – Balanço de Massa condensador ,[object Object]
 D = destilado – massa/t
 R = resíduo – massatCOLUNA D = ? F F = D + R R = ? aquecedor 47
Exercício de Balanço de Massa Exemplo: uma solução a 50 mol % de etanol em água alimenta uma coluna de destilação com vazão constante para produzir um destilado com 70 mol % de etanol e 1 mol % de resíduos. Sendo F a quantidade em mol que alimenta a coluna em um dado intervalo de tempo e D e R os números de mol de destilado e resíduos produzidos. Calcule os valores de D e R. Passo-a-Passo ,[object Object]
2º. Sistema aberto em regime permanente sem reação química
3º. Eq. Geral : Acumulo = 0  Entra = Sai
4º. Estabelecer : no. equações = no. Incógnitas (F, D e R)
5º. Estabelecer  uma base de cálculo
6º. Resolver o sistema de equações48
Resolução – Balanço de Massa condensador ,[object Object]
 D = destilado – mol/ t
 R = resíduo – mol/ tSolução de água + etanol 70 mol % COLUNA D = ? F F = D + R Solução de água + etanol 50 mol % Solução de água + etanol 1 mol % R = ? aquecedor 49
Resolução – Balanço de Massa ,[object Object]
F = D + R
F.xf = D.xd + R.xr, onde
xf, xd e xr = fração molar do etanol na alimentação, destilado e resíduo
xf = 0,5 :  xd = 0,7  e  xr = 0,01
Logo resolvendo o sistema teremos:
D = F . (xf – xr) / (xd – xr)
R = F . (xd – xf) / (xd – xr)
Para qualquer valor de F podemos substituir as incógnitas nas equações
F = 100 mol (base cálculo)  100 = D+ R ou R = (100 – D)
F.xf = D.xd + R.xr
100 . 0,5 = 0,7 . D + 0,01. (100 – D)
D = 71 mol e R = 29 mol50
51 Operações Unitárias Destilação - Otimização Como Economizar Energia em Colunas de Destilação ? ,[object Object]
Otimizar a limpeza nos trocadores de calor, já que incrustações nos refervedores e condensadores aumentam as vazões dos fluidos de aquecimento e resfriamento.
Usar isolamento térmico adequado e na espessura correta que minimize as perdas de calor para o ambiente.
Reduzir ao máximo a pressão da coluna, até o limite dos equipamentos, isto é, capacidade de troca térmica do condensador e diâmetro da coluna,  o que reduzirá as temperaturas e aumentará a volatilidade relativa, facilitando a separação, exigindo menores refluxos.
Verificar sistemas de vácuo,[object Object]

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Aula 08 tecnologia da engenharia química - operações unitárias i - 25.03.11

  • 1. Processo de Produção Química 1º. Sem./2011 Engenharias
  • 2.
  • 5. Destilação AzeotrópicaProcesso de Refino de Petróleo – Parte 1
  • 6. 3 Operações Unitárias Processos Químicos Produto especificado Mistura a separar Reagentes que não reagiram Sub produtos Impurezas Reagentes que não reagiram
  • 7.
  • 9. tamanho das partículas,
  • 10. consistências, etc. O que é Operação Unitária ?
  • 11.
  • 12. Aquecimento ou resfriamento (trocadores de calor)
  • 14. Mistura e homogeneização, dispersão (agitadores misturadores)
  • 15. Separação (filtração, decantação, destilação, etc.) Como são utilizadas ?
  • 21. 11 Operações Unitárias Princípios Estágio (andar) em equilíbrio. Promove o contato entre as correntes de líquido e de vapor em circulação (na coluna), para produzir duas novas correntes de líquido e de vapor, em equilíbrio.
  • 23. 13 Operações Unitárias Destilação - Princípios
  • 24.
  • 25.
  • 26.
  • 27. 17 Operações Unitárias Destilação - Princípios
  • 28.
  • 29. Na destilação, uma fase vapor entra em contato com uma fase líquida, havendo transferência de massa do líquido  vapor e do vapor  líquido (equilíbrio de fases)
  • 30. Em geral o vapor é mais rico que o líquido quanto aos componentes mais voláteis
  • 31.
  • 32.
  • 33. Normalmente utilizada como uma etapa inicial de remoção de componentes mais voláteis
  • 34. Baseia-se no aquecimento de um liq. até seu ponto de ebulição(1ª. bolha vapor retirada do contato com liq. por condensação)
  • 35.
  • 36.
  • 37. Mistura é alimentada a um vaso de modo contínuo e separada em duas correntes (liq e vap)
  • 38. Processo “adiabático” (sem troca de calor)  expansão brusca
  • 39. Processo “não adiabático”  há troca de calor22
  • 40. 23 Operações Unitárias Destilação Flash Unidade de dessalinização da água do mar por Destilação (destilação flash sucessivas). O vapor que se forma é condensado e retirado como água pura
  • 41.
  • 42. Utilizada em múltiplos estágios de equilíbrio liq-vapor.
  • 43. O vapor se concentra nos mais voláteis (leves) e o líquido nos menos voláteis (pesados)
  • 44.
  • 45.
  • 46.
  • 47. 30 Operações Unitárias Diagrama – Mistura Durante as mudanças de estado da mistura, as temperaturas de fusão e ebulição não permanecem constantes
  • 48. 31 Operações Unitárias Diagrama – Azeotrópica Misturas de líquidos (fervem à Temperatura constante), e o gráfico apresenta um patamar durante a ebulição álcool comum (96% de etanol e 4% de água)
  • 49. 32 Operações Unitárias Destilação - Azeótropo O que é um azeótropo ? Azeótropoé uma mistura de duas ou mais substâncias que, a uma certa composição, possui um ponto de ebulição constante e fixo, como se fosse uma substância pura, não podendo, por isso, seus componentes serem separados por processo de destilação simples. Como é possível separa os componentes de uma mistura azeotrópica ? Através da “quebra do azeótropo”, por meio de técnicas especiais, consegue-se a purificação de um azeótropo. Um azeótropo não pode ser purificado por destilação comum e sim através da destilação azeotrópica
  • 50.
  • 51. Quando a volatilidade relativa entre os componentes da mistura é muito baixa
  • 52. Adição de componente externo para modificar as volatilidades entre os componentes
  • 53. Composto externo mais pesado, aumenta a volatilidade relativa dos componentes (forças intermoleculares)
  • 54.
  • 55. Quando a mistura forma um “azeótropo” ou apresenta baixa volatilidade relativa
  • 56. Adição de componente de arraste para formar um novo azeótropo heterogêneo (duas fases)
  • 57.
  • 58. 36 D E Operações Unitárias Destilação Multi-Estágios
  • 59. 37 Torre de Destilação
  • 60.
  • 64.
  • 65. 40 Torre de Destilação
  • 66. 41 Torre de Destilação Região de Retificação ou absorção. Condensam os menos voláteis e enriquece o vapor no componente mais volátil. Região de Esgotamento ou “Stripping”. Vaporizam os mais voláteis e enriquece o líquido no componente menos volátil.
  • 67. 42 Operações Unitárias Destilação - Simulação
  • 68. 43 Operações Unitárias Destilação - Refluxo
  • 69. 44 Operações Unitárias Destilação - Refluxo
  • 70.
  • 71. Reagido (reação)Sistema (limites) ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA + GERADO - CONSUMIDO 45
  • 72. Balanço de Massa Aberto - sem reação Entrada de massa nos limites do sistema Saída de massa nos limites do sistema Acúmulo de massa dentro do sistema Geração de massa dentro do sistema Consumo de massa dentro do sistema - - + = 0 0 Sistema aberto sem reação química ACÚMULO = ENTRADA – SAÍDA 46
  • 73.
  • 74. D = destilado – massa/t
  • 75. R = resíduo – massatCOLUNA D = ? F F = D + R R = ? aquecedor 47
  • 76.
  • 77. 2º. Sistema aberto em regime permanente sem reação química
  • 78. 3º. Eq. Geral : Acumulo = 0  Entra = Sai
  • 79. 4º. Estabelecer : no. equações = no. Incógnitas (F, D e R)
  • 80. 5º. Estabelecer uma base de cálculo
  • 81. 6º. Resolver o sistema de equações48
  • 82.
  • 83. D = destilado – mol/ t
  • 84. R = resíduo – mol/ tSolução de água + etanol 70 mol % COLUNA D = ? F F = D + R Solução de água + etanol 50 mol % Solução de água + etanol 1 mol % R = ? aquecedor 49
  • 85.
  • 86. F = D + R
  • 87. F.xf = D.xd + R.xr, onde
  • 88. xf, xd e xr = fração molar do etanol na alimentação, destilado e resíduo
  • 89. xf = 0,5 : xd = 0,7 e xr = 0,01
  • 90. Logo resolvendo o sistema teremos:
  • 91. D = F . (xf – xr) / (xd – xr)
  • 92. R = F . (xd – xf) / (xd – xr)
  • 93. Para qualquer valor de F podemos substituir as incógnitas nas equações
  • 94. F = 100 mol (base cálculo)  100 = D+ R ou R = (100 – D)
  • 95. F.xf = D.xd + R.xr
  • 96. 100 . 0,5 = 0,7 . D + 0,01. (100 – D)
  • 97. D = 71 mol e R = 29 mol50
  • 98.
  • 99. Otimizar a limpeza nos trocadores de calor, já que incrustações nos refervedores e condensadores aumentam as vazões dos fluidos de aquecimento e resfriamento.
  • 100. Usar isolamento térmico adequado e na espessura correta que minimize as perdas de calor para o ambiente.
  • 101. Reduzir ao máximo a pressão da coluna, até o limite dos equipamentos, isto é, capacidade de troca térmica do condensador e diâmetro da coluna, o que reduzirá as temperaturas e aumentará a volatilidade relativa, facilitando a separação, exigindo menores refluxos.
  • 102.
  • 103. Verificar se o vapor usado para aquecer os reboilers estão saindo como líquido, isto é se está sendo usado o calor latente para a troca térmica. Recomendar dessuperaquecedores para as áreas que não os possuem.
  • 104. Recomendar melhoria nos sistemas de controle que podem estabilizar melhor o processo, permitindo uma economia de energia.
  • 105.
  • 106. 54 Petróleo O que é ?
  • 107.
  • 108.
  • 109.
  • 110.
  • 111.
  • 112.
  • 113.
  • 116. Metais
  • 118.
  • 119. Petróleo Tipos de Petróleo Características dos hidrocarbonetos
  • 120. 67 Petróleo - Refino Tópicos O que faz uma Refinaria ? Objetivos da Refinaria Esquema de Refino
  • 121. 68 Petróleo - Refino Introdução Objetivo do Refino Refinarias no Brasil Tipos de Processo de Refino Aspectos Ambientais de uma Refinaria de Petróleo
  • 123.
  • 124. Esses produtos comercializáveis são chamados de DERIVADOS DE PETRÓLEO
  • 125.
  • 126. Petróleo - Refino Produtos da Refino
  • 127. 75
  • 128. REMAN - 47.000 BPD LUBNOR – 6.300 BPD REPLAN - 352.200 BPD RLAM – 312.800 BPD RECAP – 53.500 BPD REGAP – 151.000 BPD REDUC – 239.000 BPD REVAP – 251.600 BPD MANGUINHOS – 17.000 BPD REPAR – 201.000 BPD RPBC – 170.000 BPD IPIRANGA – 14.000 BPD REFAP – 189.000 BPD Petróleo - Refino Refinarias no Brasil
  • 129. REPLAN SP 1971 352.200 REFINARIA DO PLANALTO PAULISTA RLAM BA 1950 312.800 REFINARIA LANDULPHO ALVES REDUC RJ 1961 239.000 REFINARIA DUQUE DE CAXIAS REVAP SP 1980 251.600 REFINARIA HENRIQUE LAGE REPAR PR 1977 201.000 REFINARIA GETÚLIO VARGAS RPBC SP 1955 170.000 REFINARIA PRESIDENTE BERNARDES REGAP MG 1968 151.000 REFINARIA GABRIEL PASSOS REFAP RS 1969 189.000 REFINARIA ALBERTO PASQUALINI RECAP SP 1955 53.500 REFINARIA DE CAPUAVA REFINARIA DE MANAUS REMAN AM 1953 47.000 REPSOL RJ 1954 17.000 REFINARIA DE MANGUINHOS IPIRANGA RS 1938 14.000 REFINARIA IPIRANGA FÁBRICA DE LUBRIF. DO NORDESTE LUBNOR CE 1966 6.300 CAPACIDADE TOTAL 2.004.400 Petróleo - Refino Refinarias no Brasil SIGLA REFINARIA UF PARTIDA CAPACIDADE (BPD)
  • 130. CAPACIDADE TOTAL 950.000 Petróleo - Refino Refinarias no Brasil Refinarias futuras SIGLA REFINARIA UF PARTIDA CAPACIDADE (BPD) PE 2011 200.000 ABREU E LIMA COPERJ RJ 2012 150.000 CIA PETROQUÍMICA RJ MA 2014 600.000 PREMIUM
  • 131. Petróleo - Refino Refinarias no Brasil Volume de petróleo refinado e capacidade de refino, por refinarias - 2007 Fontes: ANP/SRP; Ipiranga, Manguinhos e Petrobras/Abast (Tabelas 2.21 e 2.24).
  • 132. Petróleo - Refino Refinarias no Brasil Volume de petróleo refinado por origem (nac. e imp.) 2000-2009 (m³) Fontes: ANP/SRP; Ipiranga, Manguinhos e Petrobras/Abast
  • 133.
  • 134. Desta forma são montados arranjos de várias unidades de processamento, para que tal objetivo seja alcançado da forma mais racional e econômica possível.
  • 135.
  • 136. Um esquema de refino define o tipo e a quantidade de derivados. Por isso, alguns derivados só podem ser produzidos em determinadas refinariasTanques Tanques UP2 UP2 UP1 UP1 UP3 UP3 UP4
  • 137.
  • 138.
  • 139. Dificilmente adotada como configuração única em um esquema de refinoGás Combustível DESTILAÇÃO ATMOSFÉRICA GLP Naftas PETRÓLEO Querosene + Diesel Óleo Combustível
  • 140. Petróleo - Refino Esquema de Refino Esquema simplificado de uma Refinaria Processos Separação (físicos) Processos Conversão (químicos)
  • 141. 86 Petróleo - Refino Tipos de Processo
  • 142. 87 Petróleo - Refino Tipos de Processo
  • 143.
  • 146. TIPOS DE UNIDADES Unidades de um estágio: Destilação Atmosférica Unidades de dois estágios: Torre de Pré-Flash e Destilação Atmosférica Destilação Atmosférica e Destilação a Vácuo Unidades de três estágios: Torre de Pré-Flash, Destilação Atmosférica e a Vácuo
  • 147. DIAGRAMA DE BLOCOS GLP Unidade de Destilação com 3 estágios Nafta Leve (Petroquímica) ESTABILIZAÇÃO FRACIONAMENTO DE NAFTA Nafta Média Nafta Pesada GC RETIFICAÇÃO DESTILAÇÃO ATMOSFÉRICA Querosene RETIFICAÇÃO DESSALINAÇÃO E PRÉ-AQUECIMENTO PETRÓLEO PRÉ-FLASH Diesel RETIFICAÇÃO GOL FORNO ATMOSFÉRICO DESTILAÇÃO A VÁCUO GOP FORNO A VÁCUO RV
  • 148.
  • 150. Equipamentos torres de fracionamento retificadores fornos trocadores de calor tambores de acúmulo e refluxo bombas tubulações instrumentos de medição e controle
  • 151. Destilação Atmosférica Nafta Leve, CG e GLP 110 ºC CG 30 ºC 60 ºC CG Água Ácida Água Ácida GLP Nafta Pesada 200 ºC Querosene Nafta Leve Petróleo 400 ºC Diesel RETIFICADORES Vapor D’Água Resíduo Atmosférico (RAT)
  • 152. Petróleo - Refino Esquema de Refino RAT RV Esquema simplificado de uma Refinaria
  • 154. Destilação a Vácuo Gás Residual, Água Ácida e Gasóleo Residual Gasóleo Leve Gasóleo Pesado RAT Gasóleo Residual “slopcut” Óleo Combustível Vapor D’Água Asfalto RV
  • 155.
  • 159.