Química Industrial - formei
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Formação Modular Q uím ica Industrial C O M U N ID A D E E U R O P E IA F un d o S o cia l E u rop e u INSTITUTO DO EMPREGO E FORMAÇÃO PROFISSIONAL IEFP · ISQ Colecção MODULFORM - Formação Modular Título Química Industrial Suporte Didáctico Guia do Formando Coordenação Técnico-Pedagógica Apoio Técnico-Pedagógico Coordenação do Projecto IEFP - Instituto do Emprego e Formação Profissional Departamento de Formação Profissional Direcção de Serviços de Recursos Formativos CENFIM - Centro de Formação Profissional da Indústria Metalúrgica e Metalomecânica ISQ - Instituto de Soldadura e Qualidade Direcção de Formação Autor Eduardo Dias Lopes Capa SAF - Sistemas Avançados de Formação, SA Maquetagem e Fotocomposição Revisão Produção Propriedade 1.ª Edição Tiragem Depósito Legal ISBN ISQ / José Artur Almeida OMNIBUS, LDA SAF - Sistemas Avançados de Formação Instituto do Emprego e Formação Profissional Av. José Malhoa, 11 1000 Lisboa Portugal, Lisboa, Junho de 1998 200 Exemplares 127-664-98 972-732-466-5 Copyright, 1998 Todos os direitos reservados IEFP Nenhuma parte desta publicação pode ser reproduzida ou transmitida por qualquer forma ou processo sem o consentimento prévio, por escrito, do IEFP M.S.03 Produção apoiada pelo Programa Operacional Formação Profissional e Emprego, co-financiado pelo Estado Português, e pela União Europeia, através do FSE Guia do Formando IEFP · ISQ Actividades / Avaliação Bibliografia Caso de estudo ou exemplo Destaque Índice OBJECTIVOS GERAIS Objectivos Conhecer processos químicos industriais. Da unidade temática I à IX, faz-se referência aos processos industriais de síntese e de separação e aos principais equipamentos usados nas indústrias químicas. Nas unidades temáticas seguintes, abordam-se as principais indústrias de química orgânica, inorgânica e biotecnologia. Recurso a diapositivos ou transparências Recurso a software Recurso a videograma M.T.09 Resumo Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Índice Geral ÍNDICE GERAL I - INTRODUÇÃO AOS PROCESSOS QUÍMICOS INDUSTRIAIS • • • • • Introdução I.2 Classificação da Indústria Química I.3 Operações unitárias I.4 Resumo I.6 Actividades / Avaliação I.7 II - MOAGEM • • • • • Introdução II.2 Tipos de equipamentos. Princípios gerais II.2 Classificação dos equipamentos de moagem II.3 Resumo II.12 Actividades / Avaliação II.13 III - MISTURA E DOSAGEM • • • • • • • • • • Introdução III.2 Mistura de sólidos III.2 Mistura de líquidos III.3 Agitação por ar comprimido III.5 Mistura de sólidos com líquidos III.6 Misturadores de gases e de líquidos com gases III.7 Mistura de soluções coloidais III.7 Dosagem III.7 Resumo III.9 Actividades / Avaliação III.10 IV - PENEIRAÇÃO E CLASSIFICAÇÃO. SEPARAÇÃO ELÉCTRICA E MAGNÉTICA Peneiração IV.2 Classificação e separação por densidade IV.2 Classificação por flutuação IV.6 Separação eléctrica IV.7 M.T.09 • • • • Química Aplicada Guia do Formando IG . 1 IEFP · ISQ • • • Índice Geral Separação magnética IV.9 Resumo IV.10 Actividades / Avaliação IV.11 V - EXTRACÇÃO, SEDIMENTAÇÃO E ESPESSAMENTO • • • • Introdução à extracção V.2 Aspectos práticos da extracção V.4 Instalações piloto e instalações industriais V.4 Sedimentação e espessamento V.5 • Introdução aos fenómenos de sedimentação e espessamento V.5 • • • Sedimentação em líquidos V.5 • Sedimentação em gases V.7 Resumo V.9 Actividades / Avaliação V.10 VI - FILTRAÇÃO, PRENSAGEM E CENTRIFUGAÇÃO • • • • • • • Conceito de filtração VI.2 Fenómenos associados à filtração VI.2 Tipos de filtros VI.4 Princípios básicos da centrifugação VI.8 Tipos de equipamentos usados na centrifugação VI.8 Resumo VI.12 Actividades / Avaliação VI.13 VII - EVAPORAÇÃO, SECAGEM E CRISTALIZAÇÃO • • • • • VII.2 Mecanismos de evaporação e tipos de equipamentos VII.2 Mecanismos de secagem e equipamentos VII.15 Introdução à cristalização VII.22 Equipamentos usados na cristalização e factores físicos associados VII.22 Resumo VII.27 Actividades / Avaliação VII.28 M.T.09 • • Introdução Química Aplicada Guia do Formando IG . 2 IEFP · ISQ Índice Geral VIII - DECANTAÇÃO, DESTILAÇÃO E CONDENSAÇÃO • • • • Introdução VIII.2 Aspectos práticos da destilação VIII.2 Resumo VIII.6 Actividades / Avaliação VIII.7 IX - ABSORÇÃO E ADSORÇÃO DE GASES • • • • • • Introdução ao fenómeno de absorção IX.2 Aparelhagem usada IX.2 Introdução ao fenómeno de adsorção IX.6 Aparelhagem usada IX.6 Resumo IX.10 Actividades / Avaliação IX.11 X - INTRODUÇÃO À INDÚSTRIA DE QUÍMICA ORGÂNICA Combustíveis e sua utilização X.2 Coqueficação da hulha X.5 Borracha X.7 Plásticos sintéticos X.8 Fibras têxteis artificiais e sintéticas X.10 Óleos, gorduras e ceras animais e vegetais X.11 Sabão e detergentes sintéticos X.12 Petróleo e seus derivados X.14 Petroquímica X.27 Química Industrial da madeira X.30 Açúcar e amido X.33 Fertilizantes orgânicos naturais X.34 Insecticidas, fungicidas e herbicidas orgânicos X.34 Corantes X.35 Outros produtos orgânicos X.36 Resumo X.37 Actividades / Avaliação X.39 M.T.09 • • • • • • • • • • • • • • • • • Química Aplicada Guia do Formando IG . 3 IEFP · ISQ Índice Geral XI - INTRODUÇÃO À INDÚSTRIA DE QUÍMICA INORGÂNICA • • • • • • • • • • • Ácido sulfúrico e enxofre XI.2 Derivados do azoto XI.4 Cloreto de sódio XI.7 Carbonato de sódio XI.8 Ácido clorídrico XI.9 Sal de Glauber XI.10 Soda cáustica e cloro XI.11 Fosfatos, fósforo, fertilizantes e sais potássicos XI.13 Explosivos químicos XI.14 Resumo XI.15 Actividades / Avaliação XI.16 XII - INTRODUÇÃO À BIOTECNOLOGIA • • • • • Reactores bioquímicos XII.2 Esterilização XII.5 Recuperação de produtos bioquímicos XII.7 Resumo XII.9 Actividades / Avaliação XII.10 ANEXO I - Introdução às Unidades e Dimensões • • • • • • • • • • • Unidades e dimensões AI.2 Conceito de mole AI.8 Densidade AI.9 Peso específico AI.9 Volume específico AI.10 Fracção molar e fracção de peso AI.10 Unidades de concentração AI.10 Temperatura AI.11 Pressão AI.11 Resumo AI.15 Actividades / Avaliação AI.16 ANEXO II - Peneiração e Peneiros • Peneiração e peneiros B.1 M.T.09 BIBLIOGRAFIA AII.1 Química Aplicada Guia do Formando IG . 4 Introdução aos Processos Químicos Industriais M.T.09 Ut.01 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Introdução aos Processos Químicos Industriais OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • Distinguir o que são operações unitárias e tipos de indústrias; Classificar Indústrias Químicas nos seus vários ramos. TEMAS Introdução Classificação da Indústria Química Operações unitárias Classificação das reacções químicas Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.01 • • • • • • Química Industrial Guia do Formando I . 1 IEFP · ISQ Introdução aos Processos Químicos Industriais INTRODUÇÃO A Química Industrial é uma área tecnológica que tem por objectivo transformar as matérias-primas básicas em produtos que podem ser, directamente ou indirectamente, consumidos pelo Homem. Esta transformação parte de alguns princípios básicos da Química, usando equipamentos de grande dimensão. Portanto, como em qualquer outro ramo de engenharia aplicado à Indústria, tudo se resume em projectar e fabricar. Para tal, e para compreender o funcionamento de uma unidade industrial, será necessário efectuar o projecto duma instalação, conhecer os vários processos de fabricação, ordená-los numa forma lógica e sequencial e introduzir os equipamentos necessários para esse fim. Deste modo, para se conhecer uma unidade industrial é necessário estudar: • • • Operações unitárias; • Controlo industrial. Combustíveis e utilização racional de energia; Materiais de construção (em que a resistência à corrosão é uma componente importante); Voltando ao tema inicial, os bens de consumo podem ser obtidos pelos vários tipos de indústrias: • • • • • • • Indústrias alimentares; Indústria do vestuário; Indústria de produtos de construção; Indústria de produtos de iluminação e aquecimento; Indústria de produtos destinados à agricultura; Indústria de meios de transporte; etc. M.T.09 Ut.01 Os produtos fabricados e o consumo per capita definem o nível de vida. Muitos destes produtos podem ser destinados ao consumo ou à exportação. No entanto, quando existe uma sobreprodução desses produtos, esta acaba por se reflectir no desenvolvimento das populações. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial I . 2 IEFP · ISQ Introdução aos Processos Químicos Industriais CLASSIFICAÇÃO DA INDÚSTRIA QUÍMICA A Indústria Química tem um largo campo de acção, que abrange os seguintes tipos: • • • • • • • produtos metalúrgicos • ferro, aço • não-ferrosos indústrias básicas de química inorgânica • ácido sulfúrico • amoníaco • sais naturais • cloro e bases • adubos indústrias electroquímicas • combustíveis • petróleo e derivados • gás • produtos pesados produtos de destilação da madeira • carvão • gases industriais produtos cerâmicos • cerâmica em geral • cal • cimentos produtos orgânicos naturais • açúcar • amido • papel • celulose • borracha • resinas e gomas • óleos, gorduras e ceras • sabão e glicerol • colas e gelatinas, etc. produtos orgânicos artificiais (sintéticos) • corantes e soluções • plásticos • explosivos • detergentes • gases militares • perfumes produtos farmacêuticos, etc. M.T.09 Ut.01 • Tipos de Indústria Química Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial I . 3 IEFP · ISQ Introdução aos Processos Químicos Industriais OPERAÇÕES UNITÁRIAS Numa Indústria Química existe um número de operações que estão sempre presentes para se produzirem os objectivos finais, as quais se podem sintetizar do seguinte modo: • • • Transporte e mistura dos reagentes; Realização das reacções químicas; Separação e transporte dos produtos de reacção. A realização das operações anteriormente resumidas fazem-se à custa das chamadas operações unitárias da indústria e que são as seguintes: • • • • • • • • • • • • • • • • • • • Transporte de sólidos Transporte de líquidos Transporte de gases Moagem Mistura Transmissão de calor Evaporação Hidratação e desidratação Peneiração Classificação e separação por densidades Separação eléctrica e magnética Extracção Sedimentação e decantação Filtração Centrifugação Secagem Cristalização Destilação Absorção As operações entre a peneiração e absorção são também conhecidas por acções de separação. Na realização das reacções químicas existem também formas de classificação, sendo cada tipo de reacção conhecido por processo unitário. São eles os seguintes: Combustão Oxidação M.T.09 Ut.01 • • Realização das reacções químicas Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial I . 4 IEFP · ISQ • • Neutralização • • • • • • • • • • • • • • • • • Electrólise Introdução aos Processos Químicos Industriais Tratamento por bases Dupla decomposição Calcinação Nitração Esterificação Redução Amonólise Halogenação Sulfonação Hidrólise Hidrogenação Alquilação Reacção de Friedel e Craft Condensação e polimerização Diazotação Fermentação Pirólise, etc. Todos estes factores constituem a base de projecto e funcionamento duma Unidade Química, sendo resumidas no chamado diagrama de fabrico ou flow-sheet. M.T.09 Ut.01 Modernamente, estes diagramas estão introduzidos em computadores de processo e podem fornecer em cada instante um “output” do funcionamento duma dada Unidade. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial I . 5 IEFP · ISQ Introdução aos Processos Químicos Industriais RESUMO A Engenharia Química está estruturada em determinados princípios básicos que permitem ordenar o seu estudo. A ordenação das Indústrias em tipos permite agrupar também princípios específicos comuns a cada uma. M.T.09 Ut.01 A abordagem das operações unitárias possibilita estabelecer em que medida é que, numa unidade industrial, se podem juntar os vários processos para se poder produzir uma determinada substância química. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial I . 6 IEFP · ISQ Introdução aos Processos Químicos Industriais ACTIVIDADES/AVALIAÇÃO 1. O que entende por uma operação unitária numa unidade de processo químico? 2. Qual a razão por que se devem estudar os materiais de construção numa indústria química? 3. Que entende por controlo industrial? 4. Que diferença existe entre Indústria de Química Orgânica e Inorgânica? M.T.09 Ut.01 5. Em sua opinião, de que modo se devem abordar as reacções químicas numa indústria química? Componente Prática Guia do Formando Química Industrial I . 7 Moagem M.T.09 Ut.02 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Moagem OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • Explicar o que é moagem e identificar quais os objectivos numa Indústria Química; • Classificar os tipos de moinhos. TEMAS Introdução Tipos de equipamentos. Princípios gerais Classificação dos equipamentos de moagem Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.02 • • • • • Química Industrial Guia do Formando II . 1 IEFP · ISQ Moagem INTRODUÇÃO Após o transporte de matérias-primas numa Unidade Química, segue-se a mistura das mesmas. Esta, para ser eficiente, implica que as dimensões dos componentes (ou reagentes) seja tão pequena quanto possível. No caso de líquidos, a fase de subdivisão faz-se na mistura. No entanto, no caso dos sólidos é necessário que se faça uma operação preliminar de moagem. A moagem consiste em reduzir as partículas de determinado volume ou granulometria noutras de menor dimensão, submetendo essas partículas a acções mecânicas superiores à tensão de rotura. Os esforços de tipo mecânico mais eficientes pare este efeito, são os de compressão e de corte, actuando na prática simultaneamente. TIPOS DE EQUIPAMENTOS / PRINCÍPIOS GERAIS Com base nos mecanismos físicos associados à moagem (compressão e corte), é possível estabelecer os princípios de funcionamento dos equipamentos. Assim, a compressão pode obter-se do seguinte modo: • efeito entre duas superfícies planas ou curvas que se afastam de modo a permitir a entrada da matéria-prima e que, em seguida, se aproximam; • por rolamento entre duas superfícies planas ou curvas permitindo reduzir, sucessivamente, o afastamento entre elas efectuando, deste modo, a compressão; • percussão de uma dada massa sobre a matéria-prima a triturar. Por sua vez, os esforços de corte são produzidos pelos processos seguintes: • • escorregamento de duas superfícies, uma sob a outra; por percursão dos pedaços de forma não-uniforme. Podem também conjugar-se os esforços de compressão e corte, obtendo-se um efeito misto: escorregamento de uma superfície sobre a outra; idêntico ao anterior, usando também a energia cinética das massas em contacto (da matéria-prima). M.T.09 Ut.02 • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 2 IEFP · ISQ Moagem CLASSIFICAÇÃO DOS EQUIPAMENTOS DE MOAGEM Os equipamentos de moagem podem-se classificar nas seguintes categorias. • • • • Tipos de Indústria Química aparelhos que reduzem partículas médias e grossas ou britadores; aparelhos que reduzem partículas médias e finas ou trituradores; aparelhos que reduzem partículas finas e muito finas ou moinhos; aparelhos que reduzem partículas muito finas e coloidais ou moinhos coloidais. A classificação granulométrica é pouco rigorosa em termos quantitativos. No entanto, pode-se fazer a seguinte divisão: • • • • partículas grossas: 50 a 1500 mm; partículas médias: 1 a 50 mm; partículas finas e muito finas: inferiores a 1 mm; partículas coloidais: inferiores a 1 mícron. Britadores Os britadores exercem um esforço de compressão sobre a superfície a moer, através de aperto entre superfície de distância variável, que se afastam para receber o produto e que se aproximam para efectuar o escorregamento. Existem vários tipos de britadores: • • britadores de superfície plana (Blake e Dodge) (Fig. II.1); britadores de superfície curva (Fig. II.2). Nos britadores de superfície plana, uma das superfícies é fixa e a outra móvel em torno de um veio horizontal, sendo o movimento comunicado por um excêntrico. As superfícies têm o nome de mandíbula ou maxilas, podendo ser lisas ou dentadas (para superfícies muito duras). M.T.09 Ut.02 os britadores de superfície curva, as maxilas são substituídas por dois tronco-cones, sendo o fixo oco e o móvel maciço. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 3 IEFP · ISQ Moagem Fig. II.1 – Britadores de superfícies planas (Blake e Dodge) M.T.09 Ut.02 Fig. II.2 – Britadores de superfícies curvas Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 4 IEFP · ISQ Moagem Trituradores Os trituradores são equipamentos de moagem que podem trabalhar por rolamento de superfícies umas sobre as outras, por aperto entre duas superfícies e por percussão. Nos trituradores por rolamento, este é conseguido por duas ou mais superfícies cilíndricas que rolam sobre um plano horizontal ou sobre outra superfície cilíndrica: trituradores de galgas (Fig. II.3) e trituradores de cilindros (Fig. II.4). Fig. II.3 – Triturador de galgas M.T.09 Ut.02 Fig. II.4 – Triturador de cilindros Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 5 IEFP · ISQ Moagem Nos trituradores que utilizam a força centrífuga (trituradores Symons ou de discos), o mecanismo básico é constituído por duas superfícies cónicas, cujas bases se encontram voltadas uma para a outra e que possuem movimento de rotação, em torno de dois eixos diferentes, no mesmo sentido e com a mesma velocidade (Fig. II.5). Fig. II.5 – Triturador de Symons O disco interior está montado num veio descentrado possibilitando um afastamento ou uma aproximação. Nos trituradores por percussão ou de compressão a actuação é feita deixando cair em cima da substância um determinado número de massas que estão montadas em eixos verticais, accionadas por um veio de cones horizontal, mas que, devido ao baixo rendimento, são pouco usados. Os trituradores de percussão mais comuns (força de corte) são os de martelo (Fig. II.6). M.T.09 Ut.02 Fig. II.6 – Triturador de Martelos Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 6 IEFP · ISQ Moagem Os martelos são peças articuladas na superfície do cilindro e que se mantêm em posição radial, devido à força centrífuga. As partículas a triturar por acção dos martelos são obrigadas a adquirir uma determinada velocidade, devendo atingir a energia necessária para se dar a fractura. Um outro tipo de trituradores de percussão (por corte) são os trituradores de dentes Fig. II.7; o cilindro, em vez de martelos, tem dentes. Fig. II.7 – Trituradores de percussão Os trituradores centrífugos, desintegradores de gaiola ou moinhos Carr (Fig. II.8), são constituídos por dois discos paralelos em que estão montadas barras dirigidas segundo geratrizes de vários cilindros concêntricos; os discos possuem movimento de rotação com sentidos inversos. A substância a moer entra pela parte central e é lançada para a periferia devido à força centrífuga, sendo triturada ao passar pelas barras. M.T.09 Ut.02 Fig. II.8 – Trituradores centrífugos Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 7 IEFP · ISQ Moagem Moinhos Os moinhos baseiam-se no aperto por rolamentos de superfície devido a esforços de corte e a esforços mistos. A moagem por rolamentos é semelhante à dos trituradores de cilindros, mas os eixos destes não são fixos, de modo a obrigarem as roletes a encostarem contra as paredes do moinho (por meio de molas ou de força centrífuga) Fig. II.9 e II.10. R Fig. II.9 – Moagem por pressão por mola M.T.09 Ut.02 Fig. II.10 – Moagem de pressão por força centrífuga Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 8 IEFP · ISQ Moagem Nos moinhos por meio de força centrífuga existem dois tipos de moagem (Griffin e Raymond), sendo o segundo o mais potente e onde se obtém maior eficácia. A moagem por corte consegue-se por meio de duas mós sobrepostas (Fig. II.11), com o mesmo diâmetro, sendo uma fixa e outra móvel, com um plano de contacto e com uma ranhura de modo a permitir a entrada de matéria-prima a moer por um esforço de corte. Fig. II.11 – Moagem por corte Nos moinhos de esforço misto, exercidos só por escorregamento, o princípio de funcionamento é semelhante aos dos moinhos pendulares, em que os roletes são substituídos por esferas de aço (Fig. II.12). Alimentação Zona de moagem Veio M.T.09 Ut.02 Fig. II.12 – Moinho de esfera Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 9 IEFP · ISQ Moagem O movimento de rotação é comunicado por braços montados num veio central. Nos moinhos de esfera, o princípio de funcionamento baseia-se na queda de esferas de aço, sílex ou porcelana que caem em cima da substância a moer, com uma acção de corte junto às paredes. A blindagem destes moinhos é cilíndrica com um movimento de rotação em torno do eixo (que se encontra numa posição horizontal). A velocidade de rotação é tal de modo a que as esferas estejam em contacto com as paredes e que caiam do ponto mais alto. Moinhos coloidais Como se referiu anteriormente, são sistemas de moagem para partículas de granulometria inferior a 1 mícron. Os princípios em que se baseiam são idênticos aos moinhos normais, mas com as seguintes diferenças: • • • • as velocidades dos órgãos móveis são bastante mais elevadas; as capacidades de moagem são bastante menores; a moagem é feita em meio líquido e não em seco; o líquido circula em circuito fechado até se atingir a granulometria desejada. Os principais tipos de moinhos são os seguintes: • • • • moinhos de dentes moinhos de discos moinhos rotativos moinhos de bolas Os moinhos de dentes (ou de Planson e Block) têm uma velocidade de rotação de 1 200 rpm e velocidades periféricas de 200 m/s. O líquido circula a 0,7 m/s. Nos moinhos de disco, o funcionamento é baseado numa mistura de trituradores de discos e de mós planos, em que um dos discos é responsável pela alimentação. O movimento de rotação dos dois discos é de sentido inverso, podendo no entanto um deles ser fixo. No moinho de Harrell a velocidade de rotação atinge 9 000rpm e no “Coloid Mill Corporation” 7 000 rpm. M.T.09 Ut.02 Fig. II.13 – Moinho de discos Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 10 IEFP · ISQ Moagem Os moinhos rotativos têm um princípio de funcionamento idêntico ao dos moinhos de café (Fig. II.14), mas com os dois cones virados para o mesmo lado. O moinho comercial mais comum é o Premier Mill. Fig. II.14 – Moinho rotativo As velocidades periféricas atingem 150 m/s. M.T.09 Ut.02 Os moinhos de bolas são moinhos de pequeno diâmetro (cerca de 25cm) e com esferas de 1 mm. Usam-se sobretudo para substâncias facilmente inflamáveis. No entanto, para se atingir a granulometria desejada é necessário que o líquido circule durante 150 a 200 horas. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 11 IEFP · ISQ Moagem RESUMO A moagem é a operação que se segue ao transporte das partículas de dimensões não apropriadas para se fazer a mistura. A esta operação segue-se, normalmente, a mistura que é feita com todos os intervenientes sólidos ou fluidos. Numa instalação começa-se por fazer a análise da potência a instalar, de modo a poder dimensionar-se a mesma. A classificação dos equipamentos é feita em função da granulometria das partículas que se pretendem obter. Fundamentalmente, existem os seguintes tipos de equipamentos: Britadores Trituradores Moinhos coloidais M.T.09 Ut.02 Estes foram analisados nesta unidade temática, com algum detalhe. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial II . 12 IEFP · ISQ Moagem ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Qual a função da operação moagem numa Indústria Química? 2. Em que princípios físicos se baseia a moagem? 3. Dê exemplos de Indústrias Químicas que usem a moagem como Operação Unitária. 4. Faça um esquema de funcionamento de um moinho de bolas. M.T.09 Ut.02 5. Caracterize os moinhos coloidais. Componente Prática Guia do Formando Química Industrial II . 13 Mistura e Dosagem M.T.09 Ut.03 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Mistura e Dosagem OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • • Definir os conceitos de mistura e dosagem; Definir os tipos de agitadores; Definir o que são coloidais e quais as formas de mistura. • • • • • • • • • • Introdução Mistura de sólidos Mistura de líquidos Agitação por ar comprimido Mistura de sólidos com líquidos Misturadores de gases e de líquidos com gases Mistura de soluções coloidais Dosagem Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.03 TEMAS Química Industrial Guia do Formando III . 1 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem INTRODUÇÃO A produção de reacções químicas ou outras operações unitárias exige que se faça a mistura e, para isso, no caso dos sólidos, é necessário que as partículas sejam tão finas quanto possível. Esta operação obtém-se por moagem, conforme se viu na Unidade Temática anterior. No caso de líquidos e gases, essa operação de subdivisão faz-se por pulverização ou agitação e efectua-se, simultaneamente, com a mistura ou a dosagem. MISTURA DE SÓLIDOS O princípio de mistura entre sólidos é bastante simples. Quando se efectua esta operação, juntam-se os dois componentes que, por exemplo, se encontram depositados em dois pontos diferentes. À medida que a mistura se vai fazendo, vai-se dando uma uniformização. Mistura Quando a camada de um dos componentes for da ordem de grandeza da sua granulometria, a operação de mistura está realizada. A operação de mistura vai obrigar, assim, a uma série sucessiva de conjugação e disjunção em que os dois componentes se vão interpenetrando. O trabalho necessário para realizar a mistura aumenta com os volumes das fracções; a mistura é tanto mais rápida quanto maior forem os volumes das fracções. Existem dois processos de mistura que se usam na Indústria Química, dando origem, portanto, a dois tipos de misturadores: • misturadores contínuos - a mistura é mais lenta mas o consumo de energia é menor; • misturadores descontínuos - a mistura é mais rápida mas o consumo de energia é maior. Os misturadores contínuos são constituídos por uma caixa cilíndrica em cujo interior existe um órgão móvel que efectua a mistura, imprimindo às partículas um movimento com um determinado sentido. Este objectivo é atingido através dum sem-fim. M.T.09 Ut.03 Os misturadores descontínuos são constituídos por uma caixa com um movimento de rotação em torno de um eixo. Esta caixa tem, habitualmente, uma forma cilíndrica ou tronco-cónica (em que se incluem, por exemplo, as betoneiras). No movimento de rotação, devido ao atrito da força centrífuga, a substância é arrastada, caindo de uma determinada altura (Fig. III.1). Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial III . 2 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem Fig. III.1 – Misturadores descontínuos A velocidade de rotação tem de ser limitada para que as partículas caiam quando atingem uma determinada altura. MISTURA DE LÍQUIDOS A mistura de líquidos efectua-se por agitação, executada mecanicamente, ou por meio de ar comprimido (cujo objectivo é criar correntes na massa líquida). A agitação mecânica consiste em comunicar um movimento de rotação a uma determinada porção de líquido. A mistura faz-se por meio de um movimento cuja superfície isobárica é um parabolóide e cujo eixo é o do eixo de rotação. Há no entanto duas forças que impedem a formação de um parabolóide: a força centrífuga que impele a parte isolada para a periferia, e as camadas superiores do líquido que tendem a ocupar o espaço que ficou livre. No entanto, as linhas de corrente são dependentes dos tipos de misturadores. Ao contrário dos sólidos, os líquidos misturam-se rapidamente, uma vez accionada a perturbação, sendo necessário, para tal, ter uma agitação permanente e a energia para o efeito. O cálculo de um agitador de pás é complexo e baseia-se em princípios de mecânica definidos, sendo as fases essenciais as seguintes: resistência ao movimento; potência a instalar; número de rotações; dimensionamento das pás. M.T.09 Ut.03 • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial III . 3 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem Outros tipos de agitadores são os mecânicos; os mais comuns são os seguintes: • • • • • • agitadores de hélice; agitadores sem-fim; agitadores de rotor; agitadores de cone; agitadores de propulsão radial; agitadores de discos de elevada velocidade. Nos primeiros (agitadores de hélice) as pás tradicionais são substituídas por uma hélice. Nos agitadores sem-fim a parte central possui um parafuso sem-fim (Fig. III.2.). Nestes sistemas, cada espora é equivalente a uma hélice. Fig. III.2 – Agitadores mecânicos de tipo sem-fim Nos agitadores de rotor existe um corpo central (rotor), que é accionado como uma bomba centrífuga, obrigando o líquido a circular (Fig. III.3). M.T.09 Ut.03 Os outros tipos de agitadores têm geometrias características dos nomes, obrigando os líquidos a movimentos específicos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial III . 4 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem Fig. III.3 – Agitador de rotor AGITAÇÃO POR AR COMPRIMIDO O sistema por emulsor é idêntico ao de rotor, mas a bomba centrífuga é substituída por um emulsor (Fig. III.4). Ar Comprimido Jactos de Ar Jactos de Ar M.T.09 Ut.03 Fig. III.4 – Agitador por ar comprimido Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial III . 5 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem Outros sistemas fazem borbulhar ar comprimido ou vapor por meio de tubos perfurados, situados no interior do líquido. Este sistema é usado para explosivos ou líquidos corrosivos. MISTURA DE SÓLIDOS COM LÍQUIDOS A mistura de sólidos com líquidos pode efectuar-se de dois modos: Mistura de sólidos com líquidos • Caso a mistura seja pouco viscosa, efectua-se como se de um líquido se tratasse; • se a mistura for bastante viscosa a forma de a efectuar e através de um sistema com um sem-fim, sendo essencial estudar o atrito. As pás possuem formato esférico, tendo cada uma delas uma função idêntica a uma hélice de um sem-fim (Fig. III.5), sendo o número de rotações igual ao de um sistema deste tipo. Líquido Sólidos Líquido Fig. III.5 – Sistema para misturas de elevada viscosidade M.T.09 Ut.03 Para sistemas usados no fabrico de explosivos usam-se misturadores de baixa rotação, podendo efectuar-se, igualmente, uma rotação em torno do eixo. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial III . 6 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem MISTURADORES DE GASES E DE LÍQUIDOS COM GASES A mistura de gases é efectuada num recipiente fechado, fazendo entrar pela parte inferior gás mais denso ou fazendo entrar os dois simultaneamente. Mistura de gases Na mistura de líquidos com gases, pode-se actuar de dois modos: Mistura de líquidos com gases • lançando o líquido finamente dividido na massa do gás; • fazendo borbulhar o gás na massa líquida, sendo, no entanto, o primeiro tipo o mais comum. A mistura do líquido com o gás pode ser feita ainda de dois modos: • lançamento do líquido sob pressão; • afastamento do líquido por meio dum gás sob pressão. A subdivisão pode-se efectuar fazendo passar o líquido através de orifícios finos, ou através dum pequeno rotor que lança o líquido muito dividido para a periferia. O primeiro sistema denomina-se pulverização e o segundo, dispersão. No caso de rotores cilíndricos, o sistema de dispersão chama-se turbodispersor. Pulverização, dispersão, turbodispersão e ar primário O sistema de arrastamento é bastante usado na combustão de líquidos e ar, denominando-se “ar primário”. MISTURA DE SOLUÇÕES COLOIDAIS A mistura deste tipo de soluções é idêntica à dos líquidos, mas com grande agitação, sendo aconselhável a utilização de agitadores de propulsão radial. DOSAGEM A dosagem é acompanhada de medição de quantidades a misturar, tendo aspectos específicos no caso de misturadores descontínuos ou contínuos. Misturadores descontínuos M.T.09 Ut.03 Nestes misturadores é necessária a pesagem prévia dos sólidos e dos líquidos ou a medição dos volumes dos líquidos. A pesagem é semelhante para sólidos ou líquidos, porque os sólidos estão, em princípio, bastante subdivididos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial III . 7 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem Os sistemas de pesagem podem ser manuais ou automáticos, caindo a massa no sistema de alimentação, quando necessário. No caso de regulação automática existe uma válvula de regulação que fecha pouco antes do fim da dosagem necessária, sendo o último ajuste feito por uma outra válvula de regulação fina, permitindo, deste modo, uma alimentação rápida e correcta. A medição de volumes de líquidos faz-se com recurso a recipientes de volume conhecido. Misturadores Contínuos Neste caso, há necessidade de fazer uma medição contínua das substâncias a alimentar no misturador, as quais são feitas por doseadores volumétricos ou ponderais. Doseadores Os doseadores volumétricos para sólidos são de tipo variável, indo desde uma simples válvula a dispositivos com um órgão rotativo, que no movimento arrastam um dado volume de sólidos, ou por um transportador de vários tipos. Os doseadores ponderais são do tipo transportador, normalmente de banda, e que é alimentado a partir de uma balança. Os doseadores de líquidos são mais simples e fazem-se, volumetricamente, por meio de válvulas. No entanto, o volume doseado depende da pressão em que é introduzido, sendo necessário a devida calibração. M.T.09 Ut.03 Os doseadores de gases têm um princípio idêntico ao dos líquidos, sendo a pressão de alimentação uma variável importante. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial III . 8 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem RESUMO A mistura e a dosagem são duas operações unitárias fundamentais em Engenharia Química pois, destas acções, depende muitas vezes o resultado prático de uma Instalação Industrial, ou seja, o seu rendimento. A mistura pode ser encarada como uma subdivisão dos constituintes de forma a que as entidades presentes possam reagir ou formar uma outra nova entidade. A mistura de sólidos pressupõe, na maioria das vezes, uma operação prévia de moagem, de modo a que os constituintes fiquem finamente divididos. A energia necessária para se efectuar a mistura pode ser efectuada por meios mecânicos ou por insuflação de ar. Os agitadores são, de um modo geral, de tipo hélice ou rotativos e a escolha do tipo a usar obedece a um certo número de regras. Nos agitadores por ar comprimido, as hélices são substituídas por um emulsor. Este tipo aplica-se muito no fabrico de explosivos, por exemplo, pólvora. M.T.09 Ut.03 A mistura pode abranger não só sólidos, como também outros tipos de fases. A dosagem é uma outra forma de mistura mas, aqui, as quantidades a adicionar são doseadas em função dos fins a atingir. Os doseadores podem ser descontínuos ou contínuos sendo estes munidos de meios de regulação de débitos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial III . 9 IEFP · ISQ Mistura e Dosagem ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Que tipo de operação prévia à mistura é necessário fazer para que esta seja eficiente? 2. Que tipos de misturadores de sólidos existem e quais as vantagens de cada um? 3. Em que consiste a agitação mecânica usada em mistura? 4. Como se procede para fazer misturas de soluções coloidais? M.T.09 Ut.03 5. A dosagem, como meio de mistura, distingue-se por vários factores. Distinga-os. Componente Prática Guia do Formando Química Industrial III . 10 Peneiração e Classifacação. Separação Eléctrica e Magnética M.T.09 Ut.04 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • Identificar operações de peneiração e sua classificação; • Identificar um precipitador electrostático e descrever como é feita a separação magnética. Analisar como se faz a separação e classificação por densidade e por flutuação; TEMAS Peneiração Classificação e separação por densidade Classificação por flutuação Separação eléctrica Separação magnética Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.04 • • • • • • • Química Industrial Guia do Formando IV . 1 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética PENEIRAÇÃO A peneiração é uma operação efectuada em sistemas que são constituídos por redes, às quais é imprimido um determinado movimento, de modo a obrigar as partículas finas a passarem através delas, ficando retidas as de maior dimensão. O movimento é conseguido por três processos: • • • Peneiros rotação movimento horizontal movimento vertical A estes, correspondem três tipos de peneiros: • • • rotativos ondulatórios vibratórios Peneiros rotativos São constituídos por cilindros, em que é deitada a substância a peneirar e cuja superfície lateral é uma rede. A capacidade é de cerca de 200 kg por hora, por m2 e por mm de abertura. Peneiros vibratórios e oscilatórios São constituídos por uma caixa rectangular com um fundo construído por uma rede, cujo número de oscilações varia entre 60 e 400 por minuto e o número de vibrações de 1 200 a 3 500 por minuto. A capacidade vai até cerca de 5 toneladas por hora, por m2 e por milímetro de abertura, para as peneiras vibratórias e de 1 a 3 toneladas por hora, por m2 e por milímetro de abertura, para os oscilatórios. CLASSIFICAÇÃO E SEPARAÇÃO POR DENSIDADE Esta forma de classificação e separação por densidades baseia-se na diferença de velocidade de deposição de uma partícula em suspensão num fluido, em função das suas dimensões ou do seu peso específico. Classificação. Separação M.T.09 Ut.04 Na prática, as velocidades de deposição determinam-se igualando o peso aparente das partículas (peso real menos a impulsão) à resistência que o fluido exerce, ou seja, quando se atinge a velocidade final em que o movimento é uniforme. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 2 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética O movimento das partículas é determinado em função da forma das mesmas, e das características do fluido, em que se está a processar o movimento. A classificação é a separação das partículas de granulometrias diferentes mas com o mesmo peso específico, ou seja, na prática, as partículas depositam-se tanto mais depressa quanto maior for o seu diâmetro (Fig. IV.1). Suspensão Finos em Suspensão Chicana Água Partículas Grosseiras Partículas Intermédias Partículas Pequenas Fig. IV.1 – Deposição de partículas de várias granulometrias A classificação das partículas pode ser auxiliada, se existir um fluido em contracorrente ao sentido em que se está a realizar a deposição. Este fluido pode ser um líquido ou um gás. No caso de ser um líquido, geralmente utiliza-se a água. No caso de se efectuar sem líquido auxiliar, a deposição pode ser feita por gravidade ou mecanicamente. No caso de se usar a gravidade, utiliza-se um sistema de caixas (Fig. IV.2) com uma forma piramidal e de dimensões crescentes. A remoção por meios mecânicos é constituída por um sistema formado por uma caixa com uma rampa de 10 a 20°. O líquido que entra no classificador fica entre a rampa e a superfície livre. As partículas mais finas saem com o líquido, enquanto que as mais grossas ficam na rampa, sendo retiradas por um transportador de pás, cujo movimento é bastante curto (cerca de 30cm). As pás do transportador são montadas numa barra que tem um movimento inverso mas, para que não arraste as partículas no mesmo sentido, levanta durante este percurso (Fig. IV.3). Quando se recorre a um líquido auxiliar, há que usar um sistema que, em princípio, tem a forma de cone (Fig. IV.4). M.T.09 Ut.04 A separação de partículas grossas e finas faz-se por agitação do líquido, provocada pela movimentação das pás, fazendo com que as partículas finas se mantenham em suspensão, aumentando o peso específico do líquido e justificando, deste modo, a separação. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 3 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética Alimentação da suspensão Água de separação Material pesado mais grosso Sólidos menos grossos Sólidos ainda menos grossos Sólidos Finos Fig. IV.2 – Classificador de caixas M.T.09 Ut.04 Fig. IV.3 – Sistema de classificação mecânica Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 4 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética Pode-se recorrer também a um gás auxiliar, como o ar, desde que não haja perigo de explosão ou combustão, ou, quando existir esse risco, deve utilizar-se um gás inerte. Os equipamentos são também em cone duplo (Fig. IV.5). A separação por densidades é idêntica ao de classificação entrando, para o efeito, com a variação de densidades e não com os diâmetros. Esta operação tem grande aplicação em engenharia de minas. Carga Saída de água e de sólidos finos Cone móvel Cone fixo Água Sólidos grossos Fig. IV.4 – Sistema de separação com líquido duplo auxiliar M.T.09 Ut.04 Fig. IV.5 – Sistema de separação com gás auxiliar Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 5 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética CLASSIFICAÇÃO POR FLUTUAÇÃO Outra forma de separação, também com grande aplicação na engenharia de minas, é a que tem como base a flutuação. Consiste em fazer flutuar determinados minérios ou minerais cujas partículas são inferiores a 0,3mm, em líquidos de peso específico inferior. Para o efeito, é necessário fazer diminuir o peso específico aparente desses minerais, o que se consegue por meio de uma película de retenção de ar sobre a superfície dos mesmos. Este efeito é conseguido da seguinte forma: • • • • • Introdução de ar no fundo do recipiente de flutuação; Preparação da superfície dos grãos para retenção da superfície de ar; Fazer com que apenas flutue o mineral que interessa separar; Preparação de espuma que mantenha à superfície o material separado; Conservar o pH do líquido em determinado valor. Apresenta-se na Fig. IV.6 um esquema deste sistema de separação. M.T.09 Ut.04 Fig. IV.6 – Sistema de separação por flutuação Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 6 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética SEPARAÇÃO ELÉCTRICA A separação eléctrica utiliza-se na purificação de gases com partículas sólidas em suspensão. Electrofiltros Este processo foi estudado por Cotrell, nos EUA, por Lodge, na Inglaterra e por Moeller, na Alemanha, sendo, no entanto, mais conhecido por Cotrell. Estes equipamentos têm normalmente o nome de precipitadores eléctricos ou electrofiltros. Basicamente, o processo consiste em fazer passar o gás a purificar entre armaduras de um condensador com potenciais diferentes. O campo eléctrico é criado pela diferença de potencial e tem de ser suficiente para ionizar as partículas. O campo criado não deve chegar para ionizar totalmente o gás, de modo a não provocar a descarga do condensador. Um electrofiltro é constituído por armaduras verticais onde é aplicada uma tensão de 50 a 75 kV. Aquelas são constituídas por fios; as armaduras colectoras são constituídas por placas planas ou redes, ou por tubos que circundam os fios verticais, e com uma distância que varia entre 7,5 e 15cm. Os electrofiltros são constituídos por câmaras de secção quadrada, cujas dimensões variam com o caudal de gases a purificar e com o rendimento que se quer obter. Este será tanto maior quanto maior for o tempo de permanência no campo eléctrico. Na Fig. IV.7, apresenta-se um precipitador electrostático. A despoeiração eléctrica é aplicada para vários fins, nomeadamente: • • • • • Fumos metalúrgicos Ácido sulfúrico Caldeiras a carvão Gasogénios Recuperação de sólidos secos (por ex.: indústria do cimento) M.T.09 Ut.04 O grande problema, ainda hoje, neste tipo de equipamento, são as elevadas temperaturas a que funcionam, o que levanta dificuldades na escolha de materiais para as armaduras e isolamentos laterais. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 7 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética Saída de gases Entrada de água Suporte de isolantes Saída de gás Electrodos de alta voltagem Placa de suporte Electrodos colectores Pesos Corpo Saída de efluente M.T.09 Ut.04 Fig. IV.7 – Precipitador Electrostático ou Electrofiltro Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 8 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética SEPARAÇÃO MAGNÉTICA A separação magnética destina-se a separar pedaços de ferro ou de outro material ferromagnético, de líquidos ou sólidos. Esta operação tem importância quando as substâncias têm de entrar em britadores ou moinhos, como forma de retenção de materiais metálicos. Os dispositivos utilizados são simples e são constituídos por sistemas em que há um actuador magnético que faz a separação, conforme se pode ver na Fig. IV.8. M.T.09 Ut.04 Fig. IV.8 – Sistema de separação magnética de dupla tela Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 9 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética RESUMO Os peneiros são equipamentos de separação de partículas sólidas e dividem-se em: rotativos, ondulatórios e vibratórios. A separação por densidades é baseada nas diferentes velocidades de deposição de partículas, em função das dimensões ou de peso específico. São exemplos deste sistema os ciclones que, dentro deste tipo de equipamentos, são os mais vulgarizados. A classificação por flutuação é outra forma de separação de partículas e é bastante usada em mineração. A separação eléctrica baseia-se no fenómeno de ionização de partículas sólidas em campos criados com alta tensão. M.T.09 Ut.04 A separação magnética destina-se a separar materiais ferromagnéticos, como o aço, e tem alguma aplicação em indústrias metalúrgicas e nas modernas indústrias ligadas à reciclagem ou ao ambiente em geral. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IV . 10 IEFP · ISQ Peneiração e Classificação. Separação Eléctrica e Magnética ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Qual a função da peneiração como operação unitária? 2. Em que tipo de Indústrias Químicas se pode usar a separação por densidades? 3. A flutuação é usada em mineração. Descreva outro tipo de utilização em Instalações Químicas. M.T.09 Ut.04 4. Em que condições se podem usar as separações eléctrica e magnética? Componente Prática Guia do Formando Química Industrial IV . 11 Extracção, Sedimentação e Espessamento M.T.09 Ut.05 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • • • Analisar o que é um diagrama binário de equilíbrio; Determinar o objectivo duma instalação piloto; Explicar o que é a extracção e a sedimentação; Definir os equipamentos principais usados nestas operações unitárias. TEMAS Introdução à extracção Aspectos práticos da extracção Instalações piloto e instalações industriais Sedimentação e espessamento Introdução aos fenómenos de sedimentação e espessamento Sedimentação em líquidos Sedimentação em gases Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.05 • • • • • • • • • Química Industrial Guia do Formando V . 1 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento INTRODUÇÃO À EXTRACÇÃO A operação de extracção consiste em separar os constituintes de uma mistura, pondo essa mistura em contacto com um líquido que dissolva alguns desses constituintes. A quantidade separada depende da quantidade de solvente usado e do tempo de contacto, sendo o problema principal estabelecer qual o mecanismo adequado de dissolução. No caso de uma substância bem definida e completamente solúvel, a separação torna-se uma operação simples de entender. Supondo uma fase líquida B e uma substância A solúvel em B, ambas em presença uma da outra, a fase B vai dissolver a A até se atingir o equilíbrio, ou seja, até que esteja saturada em B, formando-se uma única fase, se não se atingir o limite de saturação. No caso da quantidade ser superior ao limite de solubilidade, formar-se-á uma fase e o remanescente de A não solubilizado. Extracção Conceitos básicos A dissolução faz-se através de uma interface e vai variando ao longo do tempo. Pode dar-se de dois modos: • com o líquido em repouso; • com o líquido em movimento (agitação do solvente). No primeiro caso, o movimento da molécula de A em B faz-se por um mecanismo de difusão e depende das diferenças de concentração. No segundo caso, a dissolução é facilitada por existir uma renovação permanente do solvente (por convecção). Os fenómenos de difusão e de convecção são complexos, sendo necessário recorrer a cálculos longos que simulem os mecanismos físicos que lhes estão associados. No entanto, é do conhecimento comum que o fenómeno da dissolução que está associado à extracção é mais rápido se for feito com agitação. No caso de dissolução de um constituinte de uma mistura (de dois constituintes) num solvente, tem-se já uma verdadeira extracção. Para se perceber melhor o modelo, pode-se considerar que um dos constituintes é completamente insolúvel no solvente. Para se dar a dissolução é necessário que o componente a extrair contacte com a superfície livre do solvente. O equilíbrio dá-se entre duas soluções do constituinte solúvel, ou seja, a existente e a que se vai formar (fase A e fase B). O transporte do constituinte solúvel através do primeiro dissolvente, terá um mecanismo inverso ao da dissolução descrito anteriormente e pode fazer-se por difusão ou por convecção, formando-se na interface um filme estacionário. Existirão, assim, dois filmes adjacentes através dos quais se faz a transferência. M.T.09 Ut.05 No entanto, quando uma das fases é sólida, não se formam dois filmes mas apenas um. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial V . 2 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento No caso de solventes parcialmente solúveis entre si, há necessidade de recorrer a diagramas binários (Fig. V.1) para se saber as concentrações e a composição das fases em presença dos componentes presentes. CAe CBe Fig. V.1 – Diagrama binário de equilíbrio Este facto torna-se mais complexo se existirem mais de dois solventes, podendo-se, para isso, recorrer-se a diagramas ternários (Fig. V.2) a fim de se conhecerem as condições de equilíbrio. D D 1 2 2 3 1 D1 D2 2 1 D1 D2 Fig. V.2 – Diagrama ternário de equilíbrio Convém referir que um factor que não foi abordado detalhadamente é o tempo de execução desta operação, que é longa, se os fenómenos se realizarem apenas por difusão. M.T.09 Ut.05 Para facilidade de aplicação dos diagramas ternários podem-se usar diagramas binários, procurando-se, apenas naqueles, pontos específicos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial V . 3 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento ASPECTOS PRÁTICOS DA EXTRACÇÃO Do ponto de vista prático, a extracção deve efectuar-se reduzindo o mais possível o tempo e a quantidade de solvente. O tempo de extracção total, teoricamente, é infinito, sendo a operação na fase final muito lenta, porque o solvente extractor vai-se concentrando. Assim, para aumentar o rendimento, opera-se por andares, ou seja, o dissolvente vai extrair uma primeira formação enquanto a velocidade for razoável, sendo este renovado, e assim sucessivamente, chamando-se a este processo extracção por contacto múltiplo. O solvente que sai em cada andar é o extracto e a mistura é o resíduo, podendo o número de andares ser igual a dois ou superior. Extracção Um outro processo é o de contracorrente. Neste caso, o solvente novo entra por um andar em que a mistura está quase toda processada. O resíduo que sair desta operação é o resíduo final e o solvente que sair deste andar vai para um outro, onde a mistura é mais rica no constituinte que se quer extrair, e assim por diante. Com este processo, consegue-se reduzir o tempo de extracção com um rendimento desejável. Os processos de contacto múltiplo e contracorrente reduzem também a quantidade de solvente a usar. Um exemplo típico dá como valores de solventes, para uma dada extracção e para um dado rendimento, os seguintes: • • • Prática de extracção simples .............................. 3,7 l contacto múltiplo ............... 1,9 l contracorrente .................... 1,2 l INSTALAÇÕES PILOTO E PROCESSOS INDUSTRIAIS Para o estabelecimento do número de andares e, dada a complexidade deste assunto, recorre-se a instalações piloto e ensaios laboratoriais para determinar o processo de extracção. Modernamente, recorre-se também a modelos computacionais, os quais têm em linha de conta a especificidade dos processos químicos que lhes estão associados. M.T.09 Ut.05 A extracção aplica-se em inúmeros processos industriais como a purificação de óleos lubrificantes ou a extracção de gases em sistema de desgasificação (desgasificadores ou desarejadores), em circuitos de água de alimentação de caldeira. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial V . 4 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento SEDIMENTAÇÃO E ESPESSAMENTO Introdução nos espessamento fenómenos de sedimentação e A classificação, separação por densidades e a extracção de sólidos, tem, normalmente, num processo químico, uma operação de separação, que pode ser feita por sedimentação ou filtração. No caso de partículas que depositem facilmente, usa-se um processo de sedimentação. A secagem também pode ser a operação final a realizar, no caso de o fluido ser um líquido. O espessamento é uma sedimentação de líquidos. Os líquidos que arrastam partículas sólidas podem classificar-se em suspensões ou soluções coloidais, consoante o diâmetro das partículas seja superior ou inferior a 0,1 mícron. Na indústria metalúrgica, chamam-se areias às partículas de diâmetro superior a 74 mícron e lamas às de diâmetro inferior. Os processos de sedimentação não são aplicáveis a soluções coloidais. No caso de partículas em suspensão, às quais se chamam dispersoides, podem ainda dividir-se em mecânicas ou de condensação, consoante sejam arrastadas pelo gás ou sejam provenientes do próprio gás, devido a reacções químicas ou a condensação. Os diâmetros variam, no caso de dispersoides mecânicos, entre 5 e 50 mícron e têm, normalmente, o nome de poeiras ou chuvas, consoante sejam sólidos ou líquidos. Os dispersoides de condensação têm diâmetros entre 0,1 e 0,5 mícron e chamam-se “fumos” ou “névoas”, conforme sejam sólidos ou líquidos. Sedimentação Sedimentação em líquidos Um aspecto teórico, importante, no fenómeno de sedimentação em líquidos é o facto de este não ser idêntico na parte inferior, junto ao fundo. Sedimentação em líquidos A aparelhagem é constituída por um tanque, que tem o nome de espessador, com uma saída na parte central inferior por onde é retirado o sólido sedimentado (através duma bomba de diafragma). O líquido sai pela parte superior enquanto que a alimentação se faz, continuamente, pela parte central superior (Fig. V.3). Um dos aspectos importantes que deve ser considerado no estudo destes equipamentos é, para além da potência do mecanismo de movimento, o dimensionamento das pás e a capacidade de processamento. M.T.09 Ut.05 Estes sistemas devem possuir um mecanismo que transporte a massa espessada para o centro. Aquele é constituído por um veio, animado dum movimento lento de rotação (inferior a 1 r.p.m.), onde são montados 2 ou 4 braços munidos de pás inclinadas (que arrastam as partículas para o centro). Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial V . 5 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento Bomba de Diafragma Fig. V.3 – Sistema de sedimentação O espessador contínuo, com este sistema mecânico, tem o nome de “Espessador Dorr”. Estes são, em geral, colocados em níveis diferentes. Normalmente, cada um deles constitui um andar de extracção em contracorrente (Fig. V.4). 1, 2, 3, 4 - Circuito sólido 5, 6, 7, 8 - Cicuito líquido de lavagem Sódido Novo Agitador Solvente Novo Produto Líquido P de A Conc.ÃO a Conc.ÃO I1 Conc.ÃO I2 Sólido Lavado qP de B Primeiro Espessador Primeiro Espessador de Lavagem Segundo Espessador de Lavagem Fig. V.4 – Espessador contínuo M.T.09 Ut.05 Entre cada dois andares é necessário produzir uma mistura interna entre o extracto que entra e o resíduo. Esta operação é feita numa calha com pás, com um movimento oscilatório em torno de um eixo longitudinal intitulado “amassador Dorrco”. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial V . 6 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento Sedimentação em gases A sedimentação em gases é feita em equipamentos típicos, cujo exemplo mais conhecido é o “ciclone”. As câmaras de sedimentação são equipamentos mais simples desta classe de sedimentadores e podem ser de dois tipos: • • Sedimentação em gases Vazia Com chicanas As chicanas têm a vantagem de permitir aumentar o comprimento de deposição e de fazer com que, nas várias mudanças de direcção, as partículas possam embater nas paredes, perdendo energia e depositando-se mais facilmente (Fig. V.5). Fig. V.5 – Câmara de sedimentação de chicanas Os ciclones são equipamentos em que as partículas, no seu interior, são obrigadas a percorrer um caminho circular dentro duma câmara cilíndrica e troncocónica e a depositarem-se no fundo, perdendo, neste movimento, aceleração. As partículas mais finas, cujo comportamento se assemelha mais a um gás, são arrastadas por este e saem pela parte superior (Fig. V.6). M.T.09 Ut.05 Fig. V.6 – Esquema de um ciclone Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial V . 7 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento M.T.09 Ut.05 As dimensões dum ciclone têm a ver com as dimensões das partículas e com a velocidade de sedimentação. Nestes equipamentos existe uma grandeza importante chamada diâmetro crítico das partículas, a qual define, para determinadas condições de funcionamento, o valor de diâmetro de partículas abaixo do qual não é possível efectuar a sua separação. Outro aspecto importante nestes equipamentos é a perda de carga, motivada pela passagem dos gases no seu interior e que tem de ser tomado em conta, quando se calcula o transporte da massa gasosa. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial V . 8 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento RESUMO A operação de extracção consiste em separar os constituintes de uma mistura, pondo esta em contacto com um líquido que dissolve alguns desses constituintes. A separação é feita através dum interface com o líquido em repouso ou com o líquido em movimento. A extracção recorre, em termos práticos, a diagramas binários ou ternários em equilíbrio, mas dever-se-á ter em conta que o factor tempo é uma variável bastante importante. Assim, e em termos mais práticos, dever-se-ão procurar condições efectivas, que permitam fazer a extracção duma forma rápida e com menor volume possível de solvente. A sedimentação é a forma de separação de partículas que se depositam facilmente, quer seja num meio líquido ou gasoso. M.T.09 Ut.05 Um dos equipamentos mais importantes de separação de partículas por este processo é o ciclone que tem uma vasta aplicação em Engenharia Química. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial V . 9 IEFP · ISQ Extracção. Sedimentação e Espessamento ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Como classifica, do ponto de vista físico, uma separação? 2. De que modo se pode aplicar um diagrama de equilíbrio para extracção de sólidos ou líquidos dum outro líquido? 3. Que características tem de ter uma extracção para ser eficiente? 4. Do ponto de vista prático, como se pode determinar o rendimento de uma extracção? M.T.09 Ut.05 5. Descreva um ciclone e quais as características que deve ter para ser eficiente. Componente Prática Guia do Formando Química Industrial V . 10 Filtração, Prensagem e Centrifugação M.T.09 Ut.06 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • Explicar os mecanismos de filtração e centrifugação, os meios filtrantes e equipamentos; • Identificar os equipamentos usados na centrifugação. TEMAS Conceito de filtração Fenómenos associados à filtração Tipos de filtros Princípios básicos da centrifugação Tipos de equipamentos usados na centrifugação Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.06 • • • • • • • Química Industrial Guia do Formando VI . 1 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação CONCEITO DE FILTRAÇÃO Foi referido anteriormente que, no caso de se pretender efectuar a separação de partículas de diversas granulometrias em suspensão num líquido, esta se pode efectuar por meio de um peneiro colocado no percurso desse líquido. A granulometria das partículas que passam depende da abertura das malhas. Se a malha for mais apertada que a granulometria das partículas, dá-se a separação das partículas por um fenómeno chamado “filtração”. Na filtração usam-se filtros de tecidos de fibras naturais ou artificiais (lã, algodão, seda, etc.) permitindo, deste modo, filtrar o líquido, mas impedindo, no entanto, de reter as partículas mais finas. Filtração Outra hipótese a que se recorre é à filtração através de corpos compactos de determinada porosidade, a qual permite o mesmo efeito. Os materiais mais comuns utilizados são: • • • Membranas Produtos cerâmicos Materiais finos que se encontram entre outros de maior granulometria Outro aspecto que há a considerar na operação de filtração é o facto de o papel onde a substância é filtrada operar também como meio filtrante. Se se chamar “precipitado” à suspensão de partículas num líquido, aquele, ao ser retido no filtro, vai actuar a partir de determinada altura como meio filtrante, sendo denominado “bolo”. O estudo deste bolo é variável consoante se trate de partículas deformáveis ou indeformáveis, ou seja, bolos compressíveis ou incompressíveis. Do ponto de vista industrial e na maioria dos casos, a filtração faz-se usando o bolo como meio filtrante, sendo o papel do filtro, propriamente dito, de simples suporte. Enquanto não se obtém um regime estacionário, é provável que subsista alguma turbidez, que é reduzida, posteriormente, à medida que o processo de filtração se desenvolve. FENÓMENOS ASSOCIADOS À FILTRAÇÃO Sempre que se efectua a passagem de um líquido através de um meio filtrante, há uma resistência a essa passagem. Para aumentar o rendimento de filtração, é preciso actuar de dois modos: • • Exercer compressão ou sobrepressão na parte superior do líquido; Aspirar na parte inferior. M.T.09 Ut.06 Esta sobrepressão ou aspiração (vácuo) é função da perda de carga através da membrana filtrante e do bolo que se vai formando. O conhecimento desta vai possibilitar saber qual a sobrepressão ou vácuo que se tem de aplicar. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 2 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação Portanto, todo o fenómeno de filtração consiste em saber até que ponto se pode reter um bolo, antes de o retirar numa operação intercalar e de modo a que o rendimento de filtragem seja elevado, sem aumentar demasiado a sobrepressão ou a aspiração. Os filtros agrupam-se, assim, em duas grandes categorias: • • Filtros de grande área filtrante e de trabalho descontínuo; Filtros de pequena área e contínuos. No primeiro caso, é usual utilizar-se um composto de filtros empilhados fazendo-se a alimentação entre os mesmos e usando uma sobrepressão. No segundo caso, usam-se filtros rotativos, com aspiração, também chamados filtros de vácuo. Deste modo, é possível definir os filtros que se podem usar na prática: • Filtros de materiais soltos não são utilizáveis para grandes quantidades de precipitado (é destinado, principalmente, à filtração de águas para a indústria alimentar). • Filtros de membrana e de materiais cerâmicos são usados, fundamentalmente, para laboratório. • Em aplicações industriais, os filtros mais usados são os de precipitado. Filtros de membrana As membranas artificiais obtêm-se a partir de soluções coloidais por evaporação do solvente, obtendo-se, deste modo, uma película muito fina de poros bastante apertados. Os filtros de papel usados sobretudo nos laboratórios, podem ser considerados, com alguma aproximação, como membranas. Filtros de membrana Filtros de materiais cerâmicos Filtros de materiais cerâmicos Estes tipos de filtros são, sobretudo, de três categorias: Filtros de porcelana porosa; Filtros de grãos aglomerados por fusão; Filtros de grãos ligados por um cimento de ligação. Aos dois primeiros grupos pertencem os filtros constituídos por vidro ou porcelana aglomerada a alta temperatura, enquanto que, ao terceiro, pertencem os de tipo alumina, carvão ou quartzo, com um cimento de ligação à base de silicato de sódio. M.T.09 Ut.06 • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 3 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação Filtros de grãos soltos Os materiais mais usados são a areia, terra, carvão, carvão activado, etc., com uma granulometria variável, mas que ronda 0,25 mm. Estes tipos de filtros são constituídos por uma caixa cilíndrica ou prismática, podendo o eixo ser colocado vertical ou horizontalmente. Os filtros deste tipo dividem-se, ainda, em lentos e rápidos, podendo estes ser abertos ou fechados. No primeiro caso, são apenas condicionados por uma coluna de água e, no segundo caso, por uma sobrepressão que pode ter valores até 4 bares. As capacidades de filtragem são variáveis. Assim, tem-se: • Filtros lentos – 0,03 l/s m2; • Filtros rápidos – 1 a 3 l/s m2. Estes meios não servem, de modo geral, como únicos meios filtrantes. No entanto, no caso de gases, servem como meio filtrante como, por exemplo, nos chamados “filtros de mangas”. Nestes filtros, é interrompida, periodicamente, a passagem do gás de modo a retirar as partículas retidas, sendo estas operações, de um modo geral, automáticas. Substâncias auxiliares de filtração São substâncias que se juntam aos precipitados finos e coloidais, de modo a facilitar a filtração. Devem permanecer em suspensão na solução, ser inertes e promover a aglomeração dessas partículas. TIPOS DE FILTROS Conforme se viu anteriormente, os filtros de bolo classificam-se em: • • Filtros de pressão Filtros de vácuo Os filtros de pressão subdividem-se, ainda, em: • • • Filtros de prensa Filtros de placas Prensas M.T.09 Ut.06 Os filtros de prensa são formados por uma série de molduras sobrepostas alternadamente, e cujo corte transversal se pode ver na Fig. VI.1, a seguir. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 4 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação Placas de Lavagem Tecido Placa Simples Quadro Entrada da água de lavagem Cabeçote Bolo Fechado Bolo Fechado Fig. VI.1 – Esquema geral de um filtro prensa As características mais comuns são: • • • pressão inferior a 70 bar; dimensões de 1 a 1,5 m de lado; número de quadros inferior a 40 Os filtros de placas são formados por uma série de superfícies filtrantes sobrepostas, constituídas por uma rede metálica sobre a qual assenta o material filtrante (Fig. VI.2). Fundamentalmente, existem dois tipos de filtros: Sweetland e Kelly. A pressão de funcionamento varia, para ambos os casos, entre 3 e 15 bar, situando-se a área total entre 50 a 100 m2. Quando o precipitado é poroso, a quantidade que fica retida é suficiente, tornando-se necessário submetê-la a uma prensagem, que se pode obter por sistemas sem-fim ou por bombas hidráulicas. Outro tipo de filtro, bastante usado na indústria, é o de vácuo, o qual, de um modo geral, é contínuo, sendo a pressão, normalmente, inferior à atmosférica. M.T.09 Ut.06 Existem, fundamentalmente, dois tipos: os de correia e os rotativos. Nos filtros de correia, o material de suporte é formado por uma correia sobre a qual se faz vácuo. Em relação aos filtros rotativos, estes podem ser de tambor ou de discos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 5 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação Suspiro de ar Papel de filtro, tecido ou tela metálica Bolo Bolo Bolo Bolo Bolo Bolo Bolo Bolo Bolo Bolo Placa perfurada Placa de filtragem Entrada Placa polidora Solução de polimento Saída Fig. VI.2 – Filtro de placas Os filtros de tambor são formados por duas superfícies cilíndricas concêntricas, de raios pouco diferentes, sendo a coroa cilíndrica dividida em partes iguais (Fig. VI.3). A cada um dos compartimentos, liga-se um dispositivo de vácuo com disposição radial, reunindo-se todos num disco central, com um número de orifícios igual ao número de tubos, o qual é apertado contra outro disco com dois orifícios diferentes, um com sobrepressão (o menor) e outro ao vácuo (o maior). M.T.09 Ut.06 Quando em funcionamento, os orifícios vão estando em contacto com o vácuo e com o de sobrepressão, dando-se a operação de filtração ou separação do bolo. O filtrado segue pela canalização de vácuo, sendo, posteriormente, bombeado. O vapor do líquido segue também para um condensador barométrico. O vácuo é produzido, de um modo geral, por uma bomba rotativa, e a sobrepressão por um compressor de menor dimensão. A alimentação do filtro é feita, ou pela parte interior, ou através de um tanque concêntrico exterior. No Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 6 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação primeiro caso, o filtro está na parte interior e, no segundo, na superfície exterior (filtros Oliver ou Darrco). Fig. VI.3 – Esquema geral de um filtro rotativo de tambor e tambor de aspiração sobrepressão Os filtros de discos são semelhantes aos rotativos, mas são constituídos por uma série de discos sobrepostos, divididos em vários sectores (Fig. VI.4) ligados a tubos de vácuo. M.T.09 Ut.06 Fig. VI.4 – Esquema geral de um filtro rotativo de discos Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 7 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação Os parâmetros típicos de funcionamento dos filtros rotativos são os seguintes: • • • Velocidade de rotação: 1 a 60 r.p.m. Espessura dos bolos: cerca de 2,5cm Dimensões: Filtros Oliver – diâmetro 30cm a 4,5m – comprimento 30cm a 6m Filtros Darrco – diâmetro 1 a 4m – comprimento 30cm a 1,5m Filtros de discos – diâmetro 0,5 a 4m – número de discos 5 a 10 Os bolos, após serem separados, podem ter de sofrer uma operação posterior de lavagem, operação essa que, na maioria dos casos, é feita com água. Estes processos de lavagem dependem dos tipos de filtro. PRINCÍPIOS BÁSICOS DA CENTRIFUGAÇÃO Nos ciclones, o sistema de separação das partículas baseia-se numa força centrífuga, permitindo, deste modo, recolher as partículas em suspensão num fluido gasoso. A força centrífuga pode ser usada, também, para fazer a separação, sendo esta operação denominada “centrifugação”. A centrifugação pode substituir a separação por densidades (sólidos de densidades diferentes), a sedimentação (sólidos de líquidos) e a decantação (líquidos de densidades diferentes). Os equipamentos utilizados baseiam-se em princípios idênticos aos dos ciclones. TIPOS DE EQUIPAMENTOS USADOS NA CENTRIFUGAÇÃO Basicamente, a aparelhagem usada destina-se a realizar, com o máximo de rendimento, o que se apresenta na Fig. VI.5. A centrífuga tem uma peça lateral (parede) e um canal central de alimentação que formam uma única peça, denominada “cesto” ou “tambor de centrifugação”. Dado que o líquido fica turvo se for descarregado continuamente, a alimentação é feita de forma descontínua, ficando o depósito separado. O líquido sai continuamente através de um cesto exterior. Como exemplos de centrífugas, consideram-se três tipos: Decantador Heine Supercentrífuga Sharples Centrífuga de pratos “De Laval” M.T.09 Ut.06 • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 8 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação Fig. VI.5 – Esquema geral de uma centrífuga O decantador Heine apresenta ainda duas variantes: a contínua, para pequenas quantidades de sólidos, e a centrífuga de parede perfurada, coberta, interiormente, com panos de filtro. O decantador de Heine (Fig. VI.6) tem um diâmetro que varia entre 0,5 e 1,2 m, uma altura entre 25 a 75cm e velocidade de rotação de 500 a 1 500 r.p.m.. M.T.09 Ut.06 Fig. VI.6 – Decantador de Heine Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 9 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação A supercentrífuga Sharples (Fig. VI.7) possui um tambor pequeno, de altura aproximadamente 6,5 vezes o diâmetro, atingindo uma velocidade que pode ir a valores de 18 000 r.p.m.. Em laboratório, as dimensões são menores e as velocidades chegam a atingir 45 000 r.p.m.. Mecanismo de Accionamento Cobertas de Descarga Recipiente Rotativo Espaço com Ar Líquido Leve Armação Sólidos Líquido Pesados Travão Entrada de Líquido Fig. VI.7 – Supercentrífuga Sharples Nas centrífugas de pratos (Fig. VI.8), o líquido percorre canais estreitos entre pratos de forma troncocónica. O afastamento dos pratos é de 0,4mm. Nas centrífugas contínuas, para pequenas quantidades de sólidos, a forma é idêntica à de Heine, onde as partes superior e exterior do tambor estão em comunicação com uma canalização de saída. M.T.09 Ut.06 Nas centrífugas de parede furada há uma operação conjunta de filtração, pois a parede do cesto é perfurada. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 10 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação M.T.09 Ut.06 Fig. VI.8 – Centrífuga de pratos Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 11 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação RESUMO A filtração é uma das formas de separação de sólidos em suspensões, através de meios filtrantes. Estes podem ser de vários materiais, como membranas, produtos cerâmicos e materiais finos, que se encontram entre os de maior granulometria. O aspecto mais importante na filtração é a formação do bolo, cuja consistência influencia a eficiência do mesmo. A filtração pode ser feita com sobrepressão ou depressão, resultando o seu rendimento da velocidade com que o bolo se forma e do modo como é extraído. Os filtros podem-se dividir em filtros de grande área, ou descontínuos, e de pequena área, ou contínuos. A centrifugação é outra forma de separação de sólidos, que se baseia na diferença de densidades. Pode substituir a separação pura e simples por densidades, a decantação e a sedimentação. M.T.09 Ut.06 Existem vários tipos de centrífugas, podendo algumas atingir grandes velocidades de rotação (45 000 r.p.m. em modelos de laboratório). Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VI . 12 IEFP · ISQ Filtração, Prensagem e Centrifugação ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. O que é, fisicamente, a filtração? 2. Que materiais filtrantes se podem aplicar e quais são os mais eficientes? 3. De que modo o bolo pode aumentar a eficiência de uma filtração? 4. O que são filtros de grãos soltos e quais os tipos mais usados? 5. Qual o efeito da sobrepressão ou depressão na eficiência de uma filtração? M.T.09 Ut.06 6. O que é uma centrifugação e em que situações se pode aplicar? Componente Prática Guia do Formando Química Industrial VI . 13 Evaporação, Secagem e Cristalização M.T.09 Ut.07 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • Explicar quais os objectivos da vaporização; • • Explicar conceito de secagem e quais os equipamentos principais; Identificar os mecanismos de evaporação, tipos de equipamentos e quais os equipamentos usados na evaporação; Explicar o conceito de cristalização e quais os equipamentos principais. TEMAS Introdução Mecanismos de evaporação e tipos de equipamentos Mecanismos de secagem e equipamentos Introdução à cristalização Equipamentos usados na cristalização e factores físicos associados Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.07 • • • • • • • Química Industrial Guia do Formando VII . 1 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização INTRODUÇÃO A vaporização de líquidos é uma operação frequente na Indústria Química e tem como objectivos os seguintes: • • • • Produção de vapor para produção de energia; Provocar arrefecimento através da vaporização (refrigeração); Concentrar soluções por vaporização do dissolvente; Separar os componentes de uma mistura líquida. Os dois últimos correspondem a vaporização de misturas, apenas diferindo pela composição do vapor obtido. No primeiro, o vapor é constituído por um componente puro. Esta operação denomina-se “evaporação”. No último, o vapor tem quantidades apreciáveis de todos os componentes e a operação denomina-se destilação. A secagem consiste na separação de um sólido de um líquido por vaporização deste último, podendo ter diversas formas específicas. No caso da quantidade de líquido ser bastante superior à do sólido, obtém-se uma operação mais idêntica à de evaporação. Quando a quantidade de sólido é bastante maior que a de líquido, o fenómeno associado assemelha-se mais à de extracção de sólidos. Este consiste em duas operações sequenciais em que, primeiramente, se dá a difusão do líquido até à superfície do sólido e, posteriormente, uma evaporação. No caso de a quantidade de sólido ser maior que a de líquido, aquela permanece sempre na superfície deste, sendo a secagem uma operação de evaporação. Em caso contrário, a operação é regulada por fenómenos de difusão, sendo o problema físico associado mais complexo. MECANISMOS DE EVAPORAÇÃO E TIPOS DE EQUIPAMENTOS Qualquer sistema que permita fornecer calor ao líquido a evaporar pode ser usado para realizar a evaporação. O vapor obtido pela evaporação tem de ser condensado. O calor libertado na condensação pode ser aplicado na evaporação de líquidos de menor ponto de ebulição, ou do mesmo líquido a pressões mais baixas (este último caso é conhecido por evaporação de múltiplo efeito). Evaporação. Equipamentos Em qualquer dos casos, há vantagem em que a superfície de contacto seja tão grande quanto possível. M.T.09 Ut.07 O fornecimento de calor para se realizar a evaporação pode ser fornecido por um gás quente que é introduzido sobre a superfície livre do líquido, ou através das paredes de contacto com o líquido do próprio recipiente ou de tubagem de aquecimento. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 2 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização No caso de haver contacto directo do gás com o líquido, trata-se de transmitir calor através de dois filmes (gás e líquido) de interface. No segundo caso, há ainda a considerar a transmissão de calor através de uma superfície de aquecimento. O vapor formado pode-se retirar por arrastamento, juntamente com o gás de aquecimento, ou por condensação, no segundo caso. Aqui, existe ainda a possibilidade de lançamento na atmosfera se não se quiser fazer aproveitamento do mesmo (e desde que não se introduzam disfunções ambientais). A execução da evaporação por contacto directo entre o líquido e o gás de aquecimento pode processar-se de modo adiabático, isto é, sem perdas de calor pelo sistema (em que o aquecimento do líquido é, exclusivamente, feito pelo gás). A aparelhagem usada neste caso tem por objectivo produzir uma superfície de separação entre o líquido e o gás tão grande quanto possível, a qual se pode obter por três processos: • • • líquido e gás em repouso, com uma grande superfície de contacto; subdivisão do líquido; subdivisão do gás. No primeiro caso, existe uma grande superfície de contacto, como, por exemplo, numa salina, em que o ar é o próprio gás usado neste processo. A transmissão de calor faz-se por convecção natural. A renovação constante da camada de ar sobre a superfície líquida e o facto de a saturação do ar ser inferior à mesma vai permitir fazer a evaporação. O processo de subdivisão do líquido tem quatro formas de realização: • • • • empilhamentos agitação do líquido pulverização do líquido torres de evaporação Nos empilhamentos, o processo de evaporação é análogo ao do gás e do líquido em repouso, mas este é, no entanto, obrigado a correr sobre uma superfície empilhada, conseguindo-se, assim, uma grande superfície de contacto com o gás. A agitação do líquido obtém-se fazendo circular o líquido e o gás em contracorrente num recipiente cilíndrico de eixo horizontal. M.T.09 Ut.07 No terceiro caso, de pulverização do líquido, este é, primeiro, dividido finamente, antes de ser lançado em contracorrente contra o gás, em equipamentos análogos aos primeiros em que existem sistemas de dispersão. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 3 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Nas torres de evaporação, o gás e o líquido circulam em contracorrente, em torres onde existe um rendimento que permite a dispersão. A subdivisão do gás consegue-se fazendo borbulhar a massa de gás na massa do líquido. No caso de sistemas com parede de separação, é necessário equacionar o problema de transmissão de calor através da superfície de contacto. Esta depende das características físicas do material e da espuma de parede. O aquecimento pode ser feito por diversos sistemas que, seguidamente, se passam a referir: Sistemas de aquecimento Aquecimento por gases quentes Este sistema usa os gases quentes de combustão para aquecimento directo; estes só devem contactar as paredes de transmissão, após a combustão se dar completamente, a fim de evitar a diminuição de velocidade de combustão provocada pelas paredes mais finas. É conveniente, neste sistema, efectuar a agitação de modo a evitar sobreaquecimento. Como exemplo, têm-se as panelas de aquecimento ou as caldeiras. Aquecimento por óleo Neste tipo de sistemas, usam-se líquidos contidos em recipientes de paredes duplas onde o óleo circula, sendo este aquecido, previamente, por sistema directo, análogo ao da caldeira de vapor. Outros dois sistemas baseiam-se no aquecimento por vapor de água ou por sistema eléctrico (resistências). Para além da transmissão de calor, há que considerar a convecção, a qual pode ser realizada por três métodos: • • • convecção natural convecção por agitação convecção por circulação Trocas caloríficas M.T.09 Ut.07 A evaporação pode efectuar-se por qualquer um dos processos anteriormente descritos. A entrada do líquido a evaporar e do fluido de aquecimento fazem-se de modo contínuo. O líquido concentrado, resultante da vaporização, é retirado contínua ou descontinuamente. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 4 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Relativamente aos equipamentos, há vários sistemas a considerar: • • • • • Aquecimento directo Aquecimento usando parede dupla Aquecimento por superfícies tubulares Evaporação a pressão reduzida Evaporação por múltiplo efeito Procede-se, seguidamente, à sua análise detalhada. Aquecimento directo Os equipamentos por aquecimento directo são os que se baseiam no sistema atrás referido, por gases quentes, cujos exemplos mais característicos são as caldeiras. Tratam-se de sistemas tubulares, cuja água circula por convecção natural ou forçada entre dois barriletes, ou um barrilete e um sistema de colectores de distribuição, passando pela fornalha (no caso de caldeiras aquotubulares), sendo aquecida por gases provenientes de combustão (Fig. VII.1). Barrilete Fumos Camara de Combustão Entrada do Sobreaquecedor Final Saída do Sobreaquecedor Final (Vapor Frio) Saída do Sobreaquecedor Primário Queimadores Saída do Economizador Entrada do Sobreaquecedor Primário Entrada do Economizador Fumos Colector Inferior Ar M.T.09 Ut.07 Fig. VII.1 – Caldeira aquotubular Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 5 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Um outro tipo de caldeira usa os gases de combustão para esse efeito (Fig. VII.2), passando por tubos que conduzem água. Fig. VII.2 – Caldeira pirotubular O vapor produzido passa, em seguida, por um circuito de sobreaquecimento, de modo a aumentar a temperatura do vapor, podendo destinar-se directamente ao Processo Químico ou passar, primeiramente, por um sistema de produção de energia. Aquecimento de parede dupla Neste caso, o aquecimento é produzido num recipiente envolvido por uma camisa exterior, onde passa um fluido de aquecimento (Fig. VII.3). M.T.09 Ut.07 Fig. VII.3 – Sistema de aquecimento de parede dupla Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 6 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Aquecimento por superfícies tubulares Neste sistema, bastante difundido com a Indústria Química, há a considerar quatro tipos: • • • • tubos horizontais tubos verticais tubos inclinados tubos com formas especiais Nos evaporadores de tubos horizontais, existem duas variantes, consoante o fluido de aquecimento circula no interior ou no exterior dos tubos. Nos sistemas onde o vapor circula no interior dos tubos (Fig VII.4), este entra, primeiramente, no compartimento de onde parte o feixe tubular que penetra no líquido a evaporar. Vapor produzido Carga Vapor de água Solução fervente externa ao tubos Caixa de vapor Feixe de tubos Condensado ou purga Solução concentrada Fig. VII.4 – Evaporadores de tubos horizontais com aquecimento pelo interior dos tubos Os condensados e os gases não condensáveis saem pelo compartimento oposto ao primeiro. Dimensões habituais: Diâmetro - 1 a 3,5 m Diâmetro dos tubos - 22 a 32 cm Altura - 2 a 3m M.T.09 Ut.07 • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 7 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Este sistema é adequado para soluções não viscosas e que não originem incrustações ou cristais sobre a superfície livre dos tubos. No caso de o vapor passar pelo exterior dos tubos (evaporador Yaryan –Fig. VII.5), o evaporador é formado por um cilindro oco de bases perfuradas para a passagem daqueles. Sobre estas bases, estão as placas de distribuição, fazendo-se a alimentação através do primeiro tubo; em torno do segundo, existe uma câmara com anteparos que permite a separação entre líquido e vapor. Esta separação deve-se ao facto de, à medida que a evaporação se dá, se formar uma mistura de gás e líquido em turbilhão que necessitam de uma separação. Fig. VII.5 – Evaporador de tubos horizontais com aquecimento pelo exterior dos tubos O comprimento usual destes equipamentos varia entre 2,5 e 6m. Nos evaporadores de tubos verticais existem quatro tipos fundamentais: • • • • standard cesto tubos compridos circulação fechada Nos evaporadores tipo Standard (Fig. VII.6), os tubos são montados numa coroa cilíndrica, e o vapor circula no seu exterior. Por vezes, o cilindro central da coroa circular, através do qual o líquido desce, é substituído por vários cilindros situados em vários pontos da superfície do líquido. Dimensões habituais dos tubos: Diâmetros: Comprimento: 25 a 100 mm 0,75 a 2m M.T.09 Ut.07 • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 8 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Vapor Ventilação Feed Vapor de Água Vapor de Água Condensado Licor Espesso Fig. VII.6 – Evaporador de tubos verticais tipo Standard Nos evaporadores de tubos verticais de tipo cesto, a superfície através do qual o líquido desce é anelar em vez de central (Fig. VII.7). A caixa e os tubos constituem um sistema único quando se desmontam, possuindo um anteparo que evita o arrastamento líquido, pois, quando a evaporação é violenta, pode arrastar grandes quantidades de líquido. Nos evaporadores de tubos verticais de tipo tubos compridos (Fig. VII.8), também vulgarmente designados por tipo Kestner, dá-se um aumento de velocidade de passagem de líquido com o objectivo de reduzir a espessura do filme de líquido. O líquido ocupa um nível relativamente baixo (60 a 90cm), a partir da parte inferior, atravessando o feixe de uma só vez. Na parte superior, existe um anteparo que faz a separação do líquido; este desce, de seguida, por um tubo lateral. A válvula é usada apenas no início de funcionamento ficando aberta quando em regime estacionário. Dimensões dos tubos: • Diâmetro • Comprimento – 32 a 64 cm –3 a 6m M.T.09 Ut.07 O feixe tubular pode, também, estar situado no exterior. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 9 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Vapor Vapor de água Cabeça do Vapor Deflector Ventilação dos gases Passagem descendente anular Alimentação Elemento de aquecimento tipo cesto Condensado de vapor de água Saída do licor espesso Filtros do sal quando necessário Fig. VII.7 – Evaporador de tubos verticais de tipo cesto Nos evaporadores de feixe tubular vertical, de circulação forçada (Fig. VII.9), o líquido circula através do accionamento de uma bomba. Este tipo de evaporadores é aconselhável para líquidos de elevada viscosidade, líquidos que formam espuma ou que dão origem a incrustações. As dimensões habituais dos tubos: Diâmetro Comprimento – 19 mm – 2,5 m M.T.09 Ut.07 • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 10 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Vapor produzido Espaço de arraste e separação Chicana de impacto para separar líquido e vapor Ebulição no interior dos tubos Vapor de água condensando-se no exterior dos tubos Saída da solução concentrada Purga Carga Bomba de circulação Fig. VII.8 – Evaporador de tubos verticais de tipo tubos compridos Como no caso anterior, existe uma variante de tubo externos. Os evaporadores de tubos inclinados são uma variante daqueles e usam-se apenas em casos muito particulares, sendo, contudo, de utilização muito frequente. M.T.09 Ut.07 Os evaporadores de tubos de formas especiais constituem outra variante, podendo ter a forma de U ou em serpentina. Não apresentam qualquer vantagem em relação ao vertical. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 11 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Fig. VII.9 – Evaporador de feixe tubular de circulação forçada Evaporação a pressão reduzida Neste sistema, o recipiente de evaporação está em comunicação com um ejector que aspira os vapores formados. Condensação de vapores formados Os vapores produzidos por sistema de evaporação são, em seguida, condensados em sistemas específicos, denominados condensadores. Estes funcionam por contacto directo com o líquido de arrefecimento (condensador de contacto) ou através de dois circuitos distintos (condensadores de superfície). Os primeiros são os mais importantes e classificam-se em húmidos e secos, consoante os condensados e os gases não condensados são retirados pela mesma bomba ou por bombas diferentes. Em qualquer dos casos, a condensação pode ser em contracorrente ou em co-corrente (corrente no mesmo sentido), como se pode ver nas Fig. VII.10 e VII.11. M.T.09 Ut.07 No tipo húmido, a remoção conjunta do líquido e do gás é feita por uma bomba com dimensões suficientes para a mistura a transportar. No tipo seco, o líquido é retirado por um tubo barométrico ou por uma bomba, sendo os gases não condensados aspirados por uma bomba de vácuo. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 12 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Ar Água Vapor Fig. VII.10 – Condensação em contracorrente Vapor Água M.T.09 Ut.07 Fig. VII.11 – Condensação em co-corrente Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 13 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Separação do condensado do vapor de aquecimento O vapor de aquecimento que se vai condensando à medida que a evaporação prossegue tem de ser retirado continuamente, usando-se para o efeito bombas ou purgadores. Um purgador é um sistema que permite retirar o condensado, mas que evita a saída do vapor. Existem três tipos fundamentais: • • • dilatação copo rotativos Apresentar-se-ão, a seguir, exemplos dos dois primeiros tipos de purgadores. Qualquer destes sistemas pode ser de retorno ou não-retorno, conforme a câmara de descarga tiver uma pressão superior, igual ou inferior à da câmara a esvaziar. Os purgadores de dilatação e de copo são de tipo não-retorno, e os rotativos de retorno. Purgador de dilatação Este sistema pode ser visto com maior detalhe, na Fig. VII.12. O tubo está ligado ao evaporador e a saída é fechada pela válvula, montada na extremidade de uma haste solidária com uma parede ondulada, sendo esta, por sua vez, montada numa das extremidades de uma manga metálica. Purgadores Fig. VII.12 – Purgador de dilatação M.T.09 Ut.07 O espaço entre a parede ondulada e a manga está cheio de óleo. O condensado, ao contactar com a parede do purgador, vai arrefecendo também o óleo, contraindo a manga, e a válvula abre-se deixando sair o líquido. Quando este sai, o vapor aquece de novo a manga. Este sistema, devido à dificuldade de regulação, só se usa para pequenas capacidades. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 14 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Purgador de copo Neste sistema (Fig. VII.13), o líquido vai enchendo o copo, o qual desce quando o peso do líquido atinge um certo valor. A haste desce, igualmente, e abre a válvula. Este tipo de purgador é intermitente. Valvula Haste Corpo Fig. VII.13 – Purgador de copo MECANISMOS DE SECAGEM E EQUIPAMENTOS O estudo de secagem depende do tipo de mecanismo que se verificar, o qual está associado ao grau de saturação do sólido, no líquido que se pretende evaporar. Secagem Seja qual for o modo de evaporação, esta só se realiza se a saturação do sólido for superior às das condições ambientais que o rodeiam. Da diferença entre estes dois valores, designada por “saturação livre f” e que se exprime em massa de líquido por unidade de massa de sólido, nasceu o conceito fundamental no estudo da secagem. A secagem efectua-se através de um gás quente que atravessa, continuamente, um secador onde está contida a substância a secar, condensando-se como adiabática. O gás tem uma circulação contínua, em que a temperatura e a humidade são variáveis de ponto para ponto, independentes do tempo, durante o período em que a secagem é regulada pela evaporação. Este período tem o nome de “secagem a velocidade constante”. M.T.09 Ut.07 Experimentalmente, existe um valor crítico, ou fc , abaixo do qual o fenómeno é regulado pela dispersão e, acima do qual, é regulado pela evaporação. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 15 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Quando a saturação crítica é atingida, a velocidade de difusão diminui e a parte de líquido evaporado é cada vez menor. Neste caso, o período é designado por período de secagem a velocidade decrescente. Os secadores podem classificar-se em três tipos: • • • directos indirectos especiais Nos secadores directos, a secagem faz-se por convecção de calor entre o gás quente e o sólido húmido. O agente de aquecimento pode ser ar aquecido por vapor, gases de combustão ou atmosfera inerte (azoto, vapor sobreaquecido). As temperaturas variam até 750°C. Quando a secagem se faz abaixo da temperatura de ebulição do líquido, o factor determinante da velocidade de secagem é a saturação do gás, tendo implicações na velocidade de secagem e na saturação final do sólido. Quando esta é inferior à temperatura de ebulição do líquido, a saturação do gás não tem influência. Para se efectuar a secagem a baixas temperaturas, é necessário secar previamente o gás quando a sua humidade é elevada. O rendimento de secagem aumenta quando a temperatura do gás aumenta e a de saída se mantém constante. Nos secadores indirectos, a secagem resulta da condução de calor através de paredes metálicas e, em geral, o agente de secagem é vapor saturado (mas pode ser água quente, gases de combustão, etc.). A temperatura de contacto varia entre 0 e 500°C, sendo especialmente adequados para actuarem a temperaturas reduzidas e em atmosferas inertes. Aplicam-se, por exemplo, na recuperação de dissolventes. A utilização de vapor saturado dá bom rendimento, porque o fornecimento de calor é fornecido à medida das necessidades. Existem dois tipos fundamentais de secadores especiais: os de energia radiante e os de alta frequência. Nos de energia radiante, são usadas lâmpadas de incandescência ou de refractário. • O secador é constituído por um túnel onde existem lâmpadas, através do qual o material a secar é transportado. Este sistema é adequado para secagem de filmes delgados, como filmes fotográficos, ou secagem de pinturas. • No segundo caso, as substâncias a secar passam num campo electrostático de alta frequência, sendo a secagem feita do interior para fora. Uma das indústrias que usa este sistema é a fabricação de contraplacado, a cerâmica, etc. • A diversidade de secadores obriga a que se faça uma sistematização baseada nas características dos materiais a secar. M.T.09 Ut.07 • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 16 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Apresentam-se alguns exemplos: • Materiais em bolos ou massas, contidos em transportadores ou tabuleiros: • secadores descontínuos • secadores contínuos (túnel) • Materiais soltos, granulares ou cristalinos: • rotativos de tipo directo • rotativos de tipo indirecto • Materiais em folhas contínuas: • secador de cilindros • Pastas e lamas: • secadores com agitação mecânica • Materiais em solução: • secadores de tambor • secadores de pulverização Nos secadores descontínuos, de compartimentos à pressão atmosférica (Fig. VII.14), o corpo é dividido em várias secções, onde o gás é aquecido por meio de uma tubagem; na entrada, pode ser misturado gás fresco ou gás húmido, de modo a reduzir a velocidade de secagem, se necessário. M.T.09 Ut.07 Fig. VII.14 – Secadores de compartimentos Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 17 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Este tipo de secador é indicado para substâncias aglomerantes ou plásticas, massas granulosas, pastas e fibras têxteis. Nos secadores descontínuos de compartimentos em vácuo (Fig. VII.15), as paredes são ocas, de modo a permitir a circulação de vapor ou água quente na câmara de secagem. Fig. VII.15 – Secador de compartimento em vácuo Este, quando usado para secagem de pólvora ou precipitados, torna irrelevante a velocidade de difusão através do sólido. Nos secadores contínuos de túnel (Fig. VII.16), o gás de secagem circula em contracorrente com a carga ao longo de todo o secador, e usa-se, por exemplo, em indústria de tijolos, cerâmica ou madeira, permitindo realizar a secagem lentamente e em grandes quantidades. Na madeira, é habitual humidificar o ar antes da entrada, com o objectivo de evitar a secagem rápida na fase final. M.T.09 Ut.07 Fig. VII.16 – Secadores contínuos Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 18 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Os secadores rotativos de tipo directo são constituídos por uma superfície cilíndrica, revestida a refractário e assente sobre roletes, sobre os quais se efectua a rotação (Fig. VII.17). Fig. VII.17 – Secador rotativo directo em contracorrente Este secador usa-se, por exemplo, para açúcar, sal ou outros materiais granulares e cristalinos. Nos secadores rotativos de tipo indirecto, existe um tubo indirecto em contacto com o cilindro exterior por meio de canais (Fig. VII.18). E - Queda da alimentação F - Chaminé do forno G - Alimentador em parafuso H - Ventilador J - Carreto de accionamento K - Panela de descarga L - Elevadores M - Valvula de passagem esquiva Fig. VII.18 – Secador rotativo de tipo indirecto de corrente dupla e aquecido por gases de combustão M.T.09 Ut.07 A - Porta de combustão B - Regulador de ar C - Forno D - Valvulas de controlo Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 19 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Este sistema é usado, por exemplo, em materiais como argila para porcelanas, os quais não podem ser contaminados. No cálculo das dimensões, entra-se em linha de conta com a inclinação, número de rotações, etc. O secador de cilindros é usado para materiais em folhas descontínuas (Fig. VII.19). O aquecimento é indirecto e feito por vapor que passa no interior dos cilindros. Fig. VII.19 – Secador de cilindros O secador com agitação mecânica (Fig. VII.20) é usado para pastas e lamas que não podem ser secas em secadores rotativos, pois podem agarrar-se às paredes; outros processos alternativos explicados anteriormente são demasiado onerosos. M.T.09 Ut.07 Fig. VII.20 – Secadores de agitação mecânica Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 20 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Os secadores de tambor (Fig. VII.21) são usados na fase final de evaporação, em que a viscosidade não permite a utilização de evaporadores. Fig. VII.21 – Secador de dois tambores com alimentação entre eles Portanto, este tipo de secadores é o adequado para soluções de materiais. Os secadores deste tipo são aquecidos internamente e têm um movimento de rotação lento. Os secadores de pulverização (Fig VII.22) baseiam-se na pulverização de uma solução numa câmara de secagem de forma cilíndrica; o aquecimento é directo. M.T.09 Ut.07 Fig. VII.22 – Secador de pulverização Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 21 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Existe ainda um outro tipo de secador (de dispersão), onde a secagem se faz por arrastamento, por correntes de gases quentes. INTRODUÇÃO À CRISTALIZAÇÃO A cristalização consiste em separar uma substância dissolvida, por saturação de solução, por arrefecimento ou evaporação do solvente. A cristalização inicia-se pela formação de pequenos cristais – núcleo de cristalização – que vão aumentando de volume à medida que a cristalização prossegue. Este fenómeno é o inverso de dissolução e só se dá se existirem condições específicas entre a massa líquida e a superfície dos cristais formados. Portanto, a cristalização consiste, primeiramente, na formação de núcleos de cristalização – ou nucleação – seguida de crescimento nos núcleos formados. Na prática, a cristalização efectua-se em soluções, onde se espalham núcleos de cristalização já formados e sobre os quais prossegue a formação dos cristais. Pode-se determinar o tamanho dos cristais fazendo-se uma análise granulométrica. Durante a cristalização, existem trocas de calor, que podem ser de arrefecimento ou aquecimento. EQUIPAMENTOS USADOS NA CRISTALIZAÇÃO E FACTORES FÍSICOS ASSOCIADOS Para que se realize uma cristalização controlada, é necessário que se conjuguem os seguintes factores: • A solução não deve estar sobressaturada além de um certo limite, de modo a evitar a deposição incontrolada; • Para que a sobressaturação seja controlada, é necessário que a solução seja renovada; • Os cristais devem ser agitados continuamente, para evitar a sua aglomeração; • Os cristais que se vão formando devem ser removidos, de modo a manter constante a sua velocidade de formação. Cristalização. Equipamentos Os cristais podem ser classificados de acordo com o sistema de fornecimento do sistema de produção: Sobressaturação produzida por arrefecimento; Sobressaturação produzida por evaporação com produção de calor; Sobressaturação produzida por evaporação adiabática (cristalizadores de vácuo); M.T.09 Ut.07 • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 22 IEFP · ISQ • Evaporação, Secagem e Cristalização Circulação de águas-mãe, com sobressaturação provocada por quaisquer dos processos anteriores (cristalizadores de classificação). O método por arrefecimento, é a forma mais eficaz para produzir a sobressaturação, nos casos em que a solubilidade aumenta muito com a temperatura. No caso de a solubilidade ser pouco variável com a temperatura, usa-se a evaporação. Os cristalizadores de arrefecimento podem ser contínuos ou descontínuos. Nos de tipo descontínuo, existe um tanque onde a solução saturada é lançada, efectuando-se a cristalização por arrefecimento e vaporização. A solução pode, ou não, ser agitada, e o tempo de cristalização varia entre 2 e 10 dias. Na Fig. VII.23 mostra-se um sistema deste tipo, em que as lâminas facilitam a formação dos cristais. Saída de água de arrefecimento Entrada de água de arrefecimento Fig. VII.23 – Cristalizador descontínuo de arrefecimento Nos de tipo contínuo, os mais usados são de tipo Wulff Bock e Swenson-Walker. O primeiro é constituído por um canal inclinado, montado sobre roletes e com um movimento de oscilação. A alimentação é contínua, sendo o arrefecimento feito por convecção natural. M.T.09 Ut.07 Nos de tipo Swenson-Walker, a sua constituição é idêntica à dos transportadores de tipo parafuso, permitindo o arrastamento dos cristais (Fig. VII.24). Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 23 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Fig. VII.24 – Cristalizador Swenson-Walker (cristalizador contínuo) Nos cristalizadores de evaporação (Fig. VII.25) a solução circula através de um evaporador, por meio duma bomba. Os cristais de maior dimensão são retirados pela parte inferior. Água Vapor de água Ao reservatório quente Vapor de água à pressão Aquecedor Descarga de cristais Descarga de cristais Recompressor de vapor Condensado Bomba Suspensão de cristais M.T.09 Ut.07 Fig. VII.25 – Cristalizador de evaporador Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 24 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Nos cristalizadores de vácuo, de arrefecimento e de evaporação, a solução é lançada num cilindro vertical de base cónica, sendo o vácuo feito por um ejector (Fig. VII.26). O abaixamento do ponto de ebulição forma o fenómeno de vaporização adiabática. Fig. VII.26 – Cristalizador de vácuo Nos cristalizadores de classificação (Fig. VII.27) faz-se circular uma solução sobressaturada, de baixo para cima, através de uma suspensão de cristais. A variação de velocidade de sustentação com as dimensões dos cristais origina a classificação dos mesmos, dando origem ao seu nome. M.T.09 Ut.07 Fig. VII.27 – Cristalizadores de classificação Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 25 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização Um dos problemas relacionados com a utilização é o do endurecimento dos cristais, quando armazenados a granel ou em sacos; o endurecimento é facilitado pelos seguintes factores: • • • • • • • teor de humidade presença de impurezas tamanho dos cristais pressão de armazenagem temperatura duração de armazenagem transição para outra forma cristalina. M.T.09 Ut.07 Todos estes factores provocam uma ligação entre os cristais, criando o endurecimento, o que é de evitar; isso consegue-se com a adição de agentes de acondicionamento, os quais formam uma película entre os mesmos. As substâncias usadas nestes casos são, por exemplo, o calcário, a cal, o caulino, o talco. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 26 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização RESUMO A vaporização é uma operação que é utilizada na Indústria Química para várias finalidades, como a produção de vapor, a refrigeração, a concentração de soluções ou a separação de componentes de misturas líquidas. Para efectuar a vaporização é necessário, na maioria das vezes, provocar o aquecimento do meio líquido, o que se pode fazer por vários meios, como sejam: o aquecimento por gases, óleo, por uma forma directa ou por trocas caloríficas. A vaporização pode realizar-se, ainda, por pressão reduzida em níveis próximos da tensão de vapor, à temperatura a que se realiza. Nos sistemas de vaporização, existem acessórios de extrema importância, denominados “purgadores” e que têm como objectivo fazer sair condensados não desejáveis no sistema. A secagem é outra forma de separação de líquidos e sólidos, com importância na Indústria Química. Os secadores são os equipamentos mais representativos desta Operação Unitária e podem ser directos, indirectos ou especiais. Os secadores utilizam-se bastante, por exemplo, na Indústria de Adubos e de Açúcares. A cristalização é outra forma de separação de sólidos e líquidos e baseia-se no princípio físico da precipitação de um sólido, quando este atinge valores superiores ao limite de saturação. M.T.09 Ut.07 Os equipamentos característicos desta Operação Unitária são os cristalizadores. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VII . 27 IEFP · ISQ Evaporação, Secagem e Cristalização ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Qual a maior aplicação na indústria da Operação Unitária de vaporização e com que fim é que é usada? 2. Qual a diferença entre vaporização e secagem? 3. De que modo se pode fazer o aquecimento em sistemas de vaporização? 4. Qual a diferença entre uma caldeira aquotubular e uma outra pirotubular? 5. Descreva o princípio de funcionamento de um secador contínuo e indique em que tipo de indústrias se pode aplicar. M.T.09 Ut.07 6. Por que razão se pode aplicar a cristalização como forma de purificação de uma substância em solução? Componente Prática Guia do Formando Química Industrial VII . 28 Decantação, Destilação e Condensação M.T.09 Ut.08 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Destilação e Condensação OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • • Definir destilação; Enumerar alguns aspectos práticos da destilação; Identificar os principais tipos de equipamentos e sistemas de destilação e condensação. TEMAS Introdução Aspectos práticos da destilação Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.08 • • • • Química Industrial Guia do Formando VIII . 1 IEFP · ISQ Destilação e Condensação INTRODUÇÃO Entre as operações, em Engenharia Química, com grande importância, encontram-se a destilação e a condensação, aplicadas à separação de misturas líquidas. Têm particular importância na Indústria dos Petróleos e na separação de misturas gasosas a baixas temperaturas, em particular, na produção de azoto e oxigénio a partir do ar, e do hidrogénio a partir de gases de fornos de coque. A operação de decantação, também bastante importante na Indústria Química, destina-se a separar líquidos não-miscíveis. A destilação consiste em vaporizar uma mistura líquida, obtendo-se uma fase vaporizada com uma composição diferente do líquido. Efectuando-se a condensação seguinte, obtém-se um líquido com uma composição diferente. A mistura inicial também ficará, igualmente, com uma composição diferente. O facto de a condensação se fazer parcialmente origina uma mudança de composição. Conjugando-se a vaporização e a condensação consegue-se, numa condição limite, efectuar a separação dos componentes de uma mistura. Este problema é, no entanto, complexo, tornando-se ainda mais complexo se se pensar em misturas de vários componentes. ASPECTOS PRÁTICOS DA DESTILAÇÃO A destilação pode efectuar-se por meio dos três processos seguintes: • • • vaporização (ou condensação) integral vaporização (ou condensação) diferencial rectificação Na vaporização diferencial, o vapor que se vai formando é retirado continuamente, sendo condensado a seguir. Deste modo, quando se vaporiza uma certa quantidade de líquido, o vapor tem uma composição correspondente à do líquido em cada instante. A rectificação consiste em fazer circular parte do destilado, misturando-o com o vapor que sai, de modo a enriquecê-lo nos componentes mais voláteis. A junção do destilado em circulação ao vapor tem o nome de “refluxo” e a relação de massas do refluxo e do vapor denomina-se “relação de refluxo”. Apresenta-se, na Fig. VIII.1, um esquema de um sistema de rectificação. M.T.09 Ut.08 A vaporização integral consiste em vaporizar parcialmente o líquido, mantendo-o em contacto com o vapor e fazendo condensar o vapor obtido. A vaporização termina quando as tensões de vapor dos componentes em mistura igualarem a pressão P a que a vaporização se efectua, obtendo-se duas fracções com composições diferentes: o destilado mais rico em componentes voláteis e o resíduo enriquecido nos componentes menos voláteis. A partir de cada uma destas duas fracções, é possível obter destilados e resíduos cada vez mais ricos, respectivamente, no componente mais volátil e no menos volátil. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VIII . 2 IEFP · ISQ Destilação e Condensação Condensador Divisor de refluxo Arrefecedor Produto Arrefecedor Fig. VIII.1 – Sistema de rectificação A alimentação da coluna de destilação é feita num ponto intermédio; a parte superior chama-se coluna de rectificação, e a parte inferior coluna de esgotamento. Basicamente, uma coluna de destilação é formada por uma superfície cilíndrica, onde são montados uma série de pratos afastados igualmente e em que o vapor está em contacto com um vapor em circulação. A localização do prato de alimentação determina-se a partir da composição de vapor que sai de cada um deles. As colunas de destilação podem ser de dois tipos : • pratos de campânula • colunas de enchimento Pratos de campânula Estes pratos são circulares, sendo a entrada de vapor feita através de campânulas colocadas, uniformemente, em toda a área do prato (conforme Fig. VIII.2). M.T.09 Ut.08 Para determinar as suas dimensões, é necessário estabelecer uma relação entre a velocidade de passagem de vapor e o rendimento dos pratos. Este problema é complexo e, teoricamente, difícil de calcular. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VIII . 3 IEFP · ISQ Destilação e Condensação O espaçamento dos pratos varia entre 0,135 e 0,6 m e a velocidade de vapor através de coluna varia, também, entre 0,135 e 0,6 m/s. O diâmetro dos tubos que entram nas campânulas varia entre 5 e 10 cm e a sua velocidade de saída situa-se na ordem de 3 m/s. Destilação Equipamentos Fig. VIII.2 – Distribuição de campânulas num prato O vapor, ao atravessar a coluna, perde pressão. Esta é composta por três parcelas: • • • perda de pressão nos tubos de passagem de vapor; perda de pressão nas fendas das campânulas; perda de pressão existente, devido à coluna de líquido situada acima das fendas. A perda de pressão cifra-se em cerca de 5 mm de Hg por prato, para colunas de média e alta pressão (1 a 30 bar), e de 2 mm de Hg para colunas de vácuo (10 mm de Hg). Para colunas de vácuo elevado, a perda de pressão é bastante inferior. Abaixo de 2 mm, as colunas trabalham com baixo rendimento, sendo preferível usar colunas de enchimento. As colunas de enchimento são do tipo das torres de absorção de gases; a altura de torre equivalente a um prato é designada por HEPT (Height Equivalent to one Plate Theoretical) e o valor varia consoante os tipos de enchimento. Existem, ainda, as chamadas “destilações especiais”, podendo aqui incluir-se: Destilação azeotrópica Destilação extractiva Destilação por arrastamento com vapor Destilação molecular M.T.09 Ut.08 • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VIII . 4 IEFP · ISQ Destilação e Condensação A destilação azeotrópica é aquela que se aplica a misturas que formam um azeotrópico, efectuando-se por adição de um componente suplementar. Este componente, por seu turno, pode formar também um azeotrópico com algum dos componentes, efectuando a separação por um outro processo (decantação ou extracção). Na destilação extractiva, que é um caso particular de destilação azeotrópica, o terceiro componente é menos volátil que os restantes, correspondendo o processo a uma destilação e extracção simultâneas. Na destilação por arrastamento por vapor (normalmente vapor de água), introduz-se este na mistura a vapor, com ou sem calor interior. A mistura do vapor com essa mistura vaporiza a uma temperatura inferior à do componente menos volátil, permitindo, deste modo, efectuar a destilação a baixa temperatura. Este processo utiliza-se quando existe o perigo de alterar as propriedades de uma substância por destilação a alta temperatura, em particular, para separar líquidos de pontos de ebulição a altas temperaturas. M.T.09 Ut.08 A destilação molecular efectua-se a pressões inferiores a 0,01 mm de Hg num evaporador especial, constituído por um disco com elevado número de rotações e do tipo Hickman. O disco é aquecido e o líquido é introduzido pela parte central e distribuído pela superfície sob a forma dum filme delgado e devido à força centrífuga. Este tipo de destilação é extremamente dispendioso, sendo, portanto, adequado para componentes de custos elevados. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VIII . 5 IEFP · ISQ Destilação e Condensação RESUMO A destilação é uma das Operações Unitárias de maior importância na Indústria Química, pois, praticamente, todas as instalações de processo possuem colunas para separação de líquidos de vários pontos de ebulição. A destilação baseia-se na aplicação dos diagramas de equilíbrio e na Lei de Raoult. Um aspecto das misturas líquidas que trazem problemas na destilação está relacionado com a formação de misturas azeotrópicas. As aplicações industriais da destilação são feitas, quer a temperaturas baixas (gases líquidos), quer a altas temperaturas (destilação atmosférica de petróleo). M.T.09 Ut.08 Os sistemas industriais usados na destilação são, fundamentalmente, de rectificação e utilizam colunas típicas com pratos de campânulas ou colunas de enchimento. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial VIII . 6 IEFP · ISQ Destilação e Condensação ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Dê exemplos de Indústrias Químicas onde se apliquem Operações Unitárias de destilação. 2. Que processos físicos existem na destilação? 3. Que tipos de colunas de destilação são aplicados na Indústria Química? M.T.09 Ut.08 4. Como é a actuação da destilação por arrastamento por vapor? Componente Prática Guia do Formando Química Industrial VIII . 7 Absorção e Adsorção de Gases M.T.09 Ut.09 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • • • Distinguir os fenómenos de absorção e adsorção; Identificar quais os equipamentos principais usados nestas operações; Explicar a reversibilidade da reacção de absorção; Interpretar as operações de adsorção. TEMAS Introdução ao fenómeno de absorção Aparelhagem usada Introdução ao fenómeno de adsorção Aparelhagem usada Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.09 • • • • • • Química Industrial Guia do Formando IX . 1 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases INTRODUÇÃO AO FENÓMENO DE ABSORÇÃO A absorção de gases foi, anteriormente, abordada quando se estudou a extracção. Resta acrescentar, nesta unidade temática, alguns aspectos relacionados com a aparelhagem e dimensões, fazendo-se, no entanto, previamente, algumas referências a aspectos físico-químicos associados. Por exemplo, no caso em que o líquido com o qual se faz a absorção reage quimicamente com o gás a absorver, será necessário considerar a absorção física e a reacção química. APARELHAGEM USADA Na absorção de gases, a entrada destes faz-se sempre pela parte inferior, e os tipos usados dependem, fundamentalmente, de cada um dos filmes de interface, e dos caudais de líquido e de gás. Existem, assim, as seguintes categorias de aparelhagem de absorção: • • • • • • Absorção Aparelhagem Sistemas em que o gás borbulha no líquido; Câmaras de pulverização; Sistemas em que o gás passa sobre massas líquidas; Torres de enchimento; Colunas de pratos; Sistemas com partes mecânicas. Os sistemas em que o gás borbulha no líquido, só se usam no caso em que os gases são completamente solúveis, sendo a absorção regulada pelo filme líquido. Nas câmaras de pulverização, o líquido é pulverizado na massa do gás. São utilizadas quando a absorção é regulada pelo filme gasoso. Na Fig. IX.1, mostra-se um equipamento deste tipo. Os sistemas de pulverização podem ser colocados em vários níveis de câmaras ou numa coluna central. O sistema em que o gás passa sobre massas de líquido (Fig. IX.2) aplica-se quando se libertam grandes quantidades de calor na reacção de absorção (garrafões de grés). A torre de enchimento, conforme ilustra a Fig. IX.3, destina-se a ser ocupada por este. M.T.09 Ut.09 Podem usar-se várias torres em série; a alimentação é feita por distribuidores, conforme se pode ver na Fig. IX.4, em que a vedação se obtém por meio de uma junta hidráulica. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 2 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases Pás contra rodopio Disco Ramificação múltipla para pulverização Entrada de gás tangencial Amortecedor das oscilações da admissão Manípulo Saída de Líquido Entrada de Líquido Fig. IX.1 – Câmaras de pulverização Gás Líquido M.T.09 Ut.09 Fig. IX.2 – Garrafões de grés Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 3 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases Entrada do Líquido Saída do Gás 1. Invólucro 2. Entradas e Saídas 3. Enchimento Saída do Líquido Entrada do Gás Fig. IX.3 – Torre de enchimento Fig. IX.4 – Distribuidor de torre O enchimento destina-se a aumentar a superfície livre do líquido, tendo de obedecer às seguintes condições: baixo peso por unidade de volume grande superfície em relação ao volume grande secção de passagem M.T.09 Ut.09 • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 4 IEFP · ISQ • • • Absorção e Adsorção de Gases grande volume livre pequena retenção de líquido elevada resistência química Os tipos de enchimento mais vulgares são os seguintes: • • • • • • coque tijolos cerâmicos anéis de Raschig anéis de Lessing selas de Berl esferas de Gottmann Os anéis de Raschig são anéis em material cerâmico, que podem apresentar algumas variantes (Fig. IX.5), tais como a existência de uma espiral interior ou de um ceptro que o divide. Fig. IX.5 – Anéis de Raschig Os anéis de Lessing são anéis metálicos com uma tela interna. A sela de Berl, representada na Fig. IX.6, tem uma configuração especial. M.T.09 Ut.09 Fig. IX.6 – Sela de Berl Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 5 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases As colunas de pratos são idênticas às de rectificação. Os sistemas com partes mecânicas são constituídos por órgãos rotativos que lançam o líquido no gás, aos quais pertencem os tubos dispersores. INTRODUÇÃO AO FENÓMENO DE ADSORÇÃO Fisicamente, a adsorção consiste na retenção da molécula de um gás ou de um líquido sobre a superfície de um sólido, constituindo um filme de adsorção. A superfície do sólido refere-se à superfície total incluindo os poros e os capilares. A adsorção pode ser física ou química, conforme é determinada por forças de Van der Walls ou pela formação de compostos à superfície. Adsorção O calor de adsorção física (energia envolvida quando se processa este tipo de ligação) é da mesma ordem de grandeza da liquefacção, podendo ser, no entanto, superior (até 100%). O calor de adsorção química pode formar valores elevados da ordem de 100 000 cal/mole de gás. Por exemplo, o calor de adsorção física do azoto pelo ferro varia de 1 000 cal/mole, no início, até 1 360, na fase final. Na adsorção química a alta temperatura atingem-se valores de 35 000 cal/mole. A adsorção física é rápida e reversível; a adsorção química é lenta (quase sempre), exigindo uma temperatura de desadsorção bastante elevada. APARELHAGEM USADA As substâncias adsorventes, mais vulgares, são: • • • • • • • carvão mineral sílica gel bauxite activada alumínio activado carvão activado terra de infusórios metais A substância adsorvente tem de ser reactivada, sendo apenas necessário, para isso, fazer atravessar a substância absorvente por gases quentes. No caso de líquidos é necessário fazer a lavagem. M.T.09 Ut.09 A adsorção pode ser estática ou dinâmica, conforme o fluido não esteja em movimento ou atravesse uma camada de substância adsorvente. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 6 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases A adsorção de gases tem duas aplicações principais: • • secagem de gases catálise de contacto A adsorção de líquidos tem por objectivo a remoção de impurezas de certas substâncias. Estas podem ser coradas ou ter um cheiro desagradável, sendo necessário efectuar estas operações. Na Fig. IX.7, apresenta-se um esquema de uma unidade descontínua, sendo indicado o equipamento necessário para efectuar o arrefecimento, em circuito fechado, após a activação. Entrada de ar humido Coluna de adsorção Refrigerante Aquecedor Entrada para a activação Saída de ar seco Saída na activação Fig. IX.7 – Unidade descontínua de adsorção Na Fig. IX.8, apresenta-se uma unidade semelhante mas de funcionamento contínuo. Ventilador de regime Entrada de ar comprimido Refrigerante Colunas de adsorção Aquecedor Entrada para a activação Saída de ar seco Ventilador para a activação M.T.09 Ut.09 Fig. IX.8 – Unidade contínua de adsorção Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 7 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases Na Fig. IX.9, apresenta-se um esquema de secagem de um gás comprimido com activação, em circuito fechado em alta pressão. Compressor Gasometro Aquecedor Coluna Ventilador Saída do gás seco Condensador Fig. IX.9 – Secagem a alta pressão com activação Na Fig. IX.10, mostra-se uma unidade de percolação em fase líquida, onde é necessário proceder à calcinação fora do adsorvedor. Absorvente regenerado Oleo Dissolvente Vapor Dissolvente e vapor Coluna de adsorção Oleo tratado Absorvente exausto Fig. IX.10 – Unidade de percolação Na Fig. IX.11, mostra-se um exemplo de uma unidade de contacto em fase líquida. M.T.09 Ut.09 A adsorção é uma área recente de Engenharia Química. A sua aplicação industrial é relativamente recente. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 8 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases Deposito do Absorvente Torre de contacto Bomba de vacuo Alimentador Misturador Coluna de adsorção Filtro prensa Vapor ou ar Deposito de recolha Aquecedor Oleo Oleo tratado Aquecedor Absorvente exausto Fig. IX.11 – Unidade de contacto em fase líquida As aplicações mais modernas são: • • • hipersorpção cromatografia recuperação de solventes por carvão activado A hipersorpção consiste na absorção de vapores de hidrocarbonetos usando, para o efeito, um leito fluidizado de carvão activado. A cromatografia (muito usada em Química Analítica) baseia a sua aplicação na adsorção de líquidos ou gases, em colunas de separação. M.T.09 Ut.09 O carvão activado está a ser bastante usado na recuperação de solventes, nas indústrias que usam grandes quantidades destes produtos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 9 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases RESUMO A absorção é um fenómeno normalmente associado à extracção, regendo-se por duas formas específicas: a química e a física. Os equipamentos utilizados nesta operação baseiam-se em sistemas em que o gás borbulha no líquido, em câmaras de pulverização, em sistemas em que o gás passa por massas liquidas, em torres de enchimento ou em colunas de pratos, e em sistemas com partes mecânicas. A adsorção consiste na retenção de moléculas de gases ou de líquidos sobre a superfície de sólidos, sendo constituída por uma película superficial ligada, química ou fisicamente, ao sólido de suporte. A reacção de adsorção é um fenómeno reversível, exigindo uma temperatura determinada para se concretizar. M.T.09 Ut.09 Como exemplos de substâncias adsorventes mais vulgares, tem-se o carvão activado ou a sílica gel, embora já existam outras substâncias com as mesmas características de adsorção. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial IX . 10 IEFP · ISQ Absorção e Adsorção de Gases ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Faça a distinção entre absorção e adsorção. 2. Qual a semelhança entre as torres de destilação e as usadas em Operações Unitárias de absorção? 3. Na adsorção, as ligações moleculares podem ser de tipo físico ou químico. Distinga estes dois tipos de ligações. M.T.09 Ut.09 4. Descreva o que é reversibilidade da adsorção. Componente Prática Guia do Formando Química Industrial IX . 11 Introdução à Indústria de Química Inorgânica M.T.09 Ut.110 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • Explicar qual a extensão desta indústria e quais os objectivos de cada um dos seus constituintes; • Identificar, dentro de cada tipo de indústria, quais as Operações Unitárias que deverão existir para se produzirem as diferentes substâncias químicas. TEMAS Combustíveis e sua utilização Coqueficação da hulha Borracha Plásticos sintéticos Fibras têxteis artificiais e sintéticas Óleos, gorduras e ceras animais e vegetais Sabão e detergentes sintéticos Petróleo e seus derivados Petroquímica Química Industrial da madeira Açúcar e amido Fertilizantes orgânicos naturais Insecticidas, fungicidas e herbicidas orgânicos Corantes Outros produtos orgânicos Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.10 • • • • • • • • • • • • • • • • • Química Industrial Guia do Formando X . 1 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica COMBUSTÍVEIS E SUA UTILIZAÇÃO É desnecessário referir quais as implicações que os combustíveis têm na indústria e nas instalações em geral. Do ponto de vista de classificação, existem três tipos de combustíveis: • • • Carvões Petróleo/Derivados Gás natural Os carvões combustíveis podem ser classificados segundo as normas ASTM, em várias classes, com base no teor em carbono fixo, teor de voláteis e poder calorífico: 1. Antracite (meta-antracite, antracite, semiantracite); 2. Betuminosos (com cinco subgrupos baseados no teor de voláteis, teor em carbono fixo e poder calorífico); 3. Subetuminosos (subdivididos em três grupos com diferente poder calorífico); 4. Linhites (linhites e turfas). Existe ainda uma outra classificação, mais específica (Classificação Internacional de Carvões), que se baseia, igualmente, no poder calorífico e no teor em voláteis, mas que engloba ainda a humidade, o carbono fixo, as propriedades de endurecimento e a resistência. Esta tabela foi desenvolvida, primeiramente, nos EUA e posteriormente retomada e desenvolvida pela CE ou, mais concretamente, por um organismo específico – CECA (Comunidade Europeia do Carvão e do Aço). O carvão é extraído de duas formas: • • Em céu aberto Em minas Para ser utilizado, o carvão necessita de uma preparação prévia, de modo a retirar-lhe resíduos não-combustíveis (rocha, etc.). Após a extracção, é, primeiramente, sujeito a uma limpeza e pré-classificado com base nos seguintes factores: • • • Combustíveis Granulometria Teor em cinzas Teor em enxofre M.T.09 Ut.10 Para as primeiras operações, usam-se sobretudo trituradores, separadores e equipamentos de limpeza. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 2 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica A composição química é a característica determinada antes da utilização, usando-se também as normas ASTM, que incluem os teores de: • • • • • • Carbono Hidrogénio Oxigénio Azoto Enxofre Resíduo mineral (cinzas) Outras características: • • • • Humidade Carbono fixo Cinzas Poder calorífico A utilização do carvão é feita, principalmente, nas seguintes operações: • • • Combustão Gaseificação Coqueficação Na produção de energia, em que o carvão é usado como combustível, conseguem-se hoje em dia rendimentos de 0,30 kg carvão/KWh, correspondendo a um rendimento global de 37% para um carvão com um poder calorífico de 7 280 Kcal/Kg. A gaseificação tem como objectivo produzir gases industriais usados posteriormente em combustíveis (ou, eventualmente, para outros fins). Este processo tem provado ser bastante eficiente para combustíveis pobres, de baixo poder calorífico. O petróleo é outro dos produtos naturais usados como combustível, após preparação adequada (destilação). O petróleo formou-se por decomposição anaeróbica de óleos, a uma temperatura mediana, em antigos sedimentos marinhos. A composição química é complexa sendo a sua M.T.09 Ut.10 A coqueficação permite converter o carvão em coque, alcatrão, produtos químicos e gases industriais (que poderão ser usados também como combustíveis). Esta operação é análoga à denominada “destilação seca”. O aquecimento progressivo permite fazer a separação dos vários compostos orgânicos retidos nos carvões. A coqueficação pode ser feita a três níveis de temperaturas (510 - 650°C - baixa temperatura; 600 - 890°C - média temperatura; 900 - 1 100°C - alta temperatura). Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 3 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica constituição baseada no tipo de hidrocarbonetos presente: • • • • Base parafínica Base mista Base nafténica Base aromática Os compostos parafínicos variam de hidrocarbonetos gasosos a líquidos e parafinas sólidas, com mais de 30 átomos de carbono na molécula, com predominância de cadeias lineares. Podem também aparecer cicloparafinas, como o ciclopentano e o ciclohexano. Os aromáticos apresentam benzeno, tolueno, etilbenzeno, xileno, naftalina, etc. Os compostos oxigenados são provenientes das acções de armazenamento, sendo poucos os compostos naturais que podem, no entanto, existir (fenóis, ácidos nafténicos, ácidos gordos, etc.). Os compostos sulfurados estão combinados, sobretudo, com componentes resinosos e asfálticos. Os compostos metálicos são constituídos, principalmente, à base de vanádio e níquel. A refinação do petróleo tem por fim a obtenção de produtos comerciais (incluindo combustíveis). A refinação usa, praticamente, todas as operações unitárias, que se estudarão mais adiante. As fracções primárias obtidas em destilação são: • • • • • • • Gasolinas leves Nafta Querosene Gasóleo leve Gasóleo médio Gasóleo pesado Resíduos Estes produtos podem usar-se como combustíveis ou ser processados para obtenção de outros produtos. Numa operação prévia, antes da destilação, é feita uma separação de hidrocarbonetos gasosos dissolvidos através de um separador gás-óleo, o qual, por sua vez, separa também partículas e água. Os gases recuperados nesta operação são: butano, propano, metano, etano e outros hidrocarbonetos mais pesados (em quantidades pequenas). Alguns destes produtos podem ser logo processados para produzirem gasolina natural. Apresentam-se, a seguir, alguns dos principais derivados do petróleo: Combustíveis Solventes M.T.09 Ut.10 • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 4 IEFP · ISQ • • • • • Introdução à Indústria de Química Orgânica Lubrificantes Óleos especiais Asfalto Ceras Produtos farmacêuticos O gás natural é o outro dos combustíveis, extraído também de rochas sedimentares que, depois de ser processado para separação de hidrocarbonetos líquidos, água, dióxido de carbono e compostos sulfurados, é usado como combustível ou como matéria-prima de base para outros produtos. O próprio enxofre dos compostos sulfurados é uma fonte de enxofre elementar importante. COQUEFICAÇÃO DA HULHA Uma elevada percentagem de hulha é usada em pirólise, para coqueficação. Na ausência de ar, a hulha betuminosa, quando aquecida, funde em primeiro lugar, desprendendo depois produtos voláteis e deixando um resíduo chamado “coque”. Os produtos voláteis são constituídos por: • • • • • • • Gás Alcatrão Amoníaco Benzeno Tolueno Xileno Outros Os primeiros fornos usados são do tipo reverbero, onde parte dos gases é aproveitada para queima. Este processo não é, no entanto, muito rentável devido à perda que produz; o coque, na sua maioria, é usado, hoje em dia, na fabricação de ferro e aço. A hulha para a coqueficação é misturada a partir de diferentes tipos, sendo depois introduzida nos fornos (com diferente volatilidade). Usa-se hulha com granulometria de cerca de 2,5cm, fazendo-a passar, previamente, por um triturador, introduzindo-a, depois, numa tela transportadora, passando por moinhos de martelos onde é pulverizada em partículas com cerca de 3mm. No entanto, pode usar-se com granulometrias um pouco maiores. Em seguida, é transportada para os fornos, em vagonetes. Estes fornos possuem orifícios de alimentação na parte superior, sendo previamente tarada a quantidade alimentada. M.T.09 Ut.10 Os fornos de coqueficação são componentes descontínuos, carregando-se e descarregando-se periodicamente. A descarga é feita por um máquina impulsora de êmbolo. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 5 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Outros fornos de coque fazem a recuperação química dos gases, constituindo câmaras verticais estreitas, cobertas com ladrilhos de sílica. Apresenta-se, na Fig. X.1, um exemplo de um forno Koppers-Becker, em uso nos EUA. 1 - Entrada de gases de alto forno 2 - Saída de gases de combustão 3 - Entrada de ar 4 - Recuperador 5 - Forno 6 - Nível de coque 6 7 5 7 - Saída de coque 4 3 1 2 Fig. X.1 – Forno de coque Koppers-Becker Estes fornos trabalham a temperaturas entre 920 e 1 150°C, na zona de coqueficação. Os produtos voláteis provenientes da hulha são vários, originando, por sua vez, vários subprodutos que, a seguir, se resumem: Gás Coque Alcatrão Amoníaco (sob a forma de sulfato de amónio) Óleos leves (aromáticos) M.T.09 Ut.10 • • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 6 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica O gás, por sua vez, contém grande quantidade de H2 S, que tem de ser depurado ou lavado por meio de uma reacção com arsenato de sódio, ou queimado de modo a formar H CN (ácido cianídrico), o qual é liquefeito e posteriormente recuperado como Na CN (cianeto de sódio). O H2 S pode também usar-se para produzir ácido sulfúrico. O alcatrão da hulha pode ser reprocessado por destilação contínua para fraccionamento, podendo obter-se vários produtos, como naftaleno, fenóis, etc. Actualmente, esta fracção é utilizada na petroquímica como matéria-prima. O amoníaco obtido também deve ser purificado na forma composta de hidróxido, cloreto ou sulfureto. Pode-se, também, fazer a coqueficação a baixa temperatura, entre 500 e 750°C, o que permite maiores rendimentos em alcatrão e origina um combustível de melhor qualidade. Este método é usado para hulhas ou linhite, podendo usar-se uma variante de leito fluidizado, onde o tempo de coqueficação é mais baixo. Modernamente, está a realizar-se também a gaseificação subterrânea do carvão, quando os jazigos são de baixa qualidade (pobres). O processo consiste em queimar carvão com baixa quantidade de ar, fazendo-se uma combustão e destilação simultâneas, sendo os gases extraídos através de furos adequados. BORRACHA Antes da 2.ª Guerra Mundial, o termo borracha significava o produto natural e as suas diversas aplicações. Com a guerra, a necessidade de se obter grandes quantidades deste produto provocou a formação de indústrias de produção de borracha sintética. Actualmente, a borracha é também denominada muita vezes por SBR (proveniente do nome em inglês – borracha de estireno butadieno). Outros elastómeros foram também produzidos, como, por exemplo, a borracha butílica, o silicone, etc. A cronologia da borracha é antiga, sendo a data de 1860 como o ano em que o isopreno, obtido por pirólise de borracha natural, foi polimerizado num elastómero. Borrachas A borracha sintética de butadieno-estireno (SBR) é obtida por polimerização a quente, mediante a seguinte fórmula (em parte, por cada 100 de monómero): Butadieno 75 Estireno 25 Água 180 Sabão 5,0 Laurilmercaptano 0,5 Persulfato de potássio 0,3 (n - C12 H25S H) M.T.09 Ut.10 • • • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 7 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica As condições de polimerização (em emulsão) são as seguintes: • • • • Temperatura 50° C Tempo 12 horas Rendimentos 75 % Pressão 7 bar Pode-se também polimerizar a uma temperatura abaixo de 50°C e em emulsão. Existe um outro tipo de borracha, chamada butílica. Consiste num copolímero de isobutileno, com cerca de 3% de isopreno. É diferente da SBR, pois utiliza um catalisador (cloreto de alumínio) e uma temperatura de polimerização de -100°C. Outros tipos de borrachas: • • • • Neopreno Copolímero butadieno-acrilonítrilo Silicone (átomos alternados de silício e oxigénio) Hypalon (polietileno clorosulfonado) Um dos produtos usados na fabricação de borracha é o butadieno, o qual se pode obter do seguinte modo: • • • • • Cracking de hidrocarbonetos C4 ou superiores; Desidrogenação catalíticas de butenos ou de n-butano; Tratamento catalítico de álcool etílico e mistura de etanol acetaldeído; Condensação aldólica do acetaldeído; Reacção do acetileno com formaldeído com hidrogenação e desidratação posteriores. O estireno, outro produto importante na fabricação do SBR, obtém-se a partir de benzeno e etileno, os quais passam, primeiro, por etilbenzeno iroginando estireno por desidrogenação. PLÁSTICOS SINTÉTICOS As características do plástico têm a ver com a estrutura química macromolecular. As propriedades podem ser alteradas, misturando-os com produtos que lhe modificam o comportamento, adaptando-os, assim, às operações de transformação. M.T.09 Ut.10 A classificação de plásticos foi referida no módulo de Química Aplicada (e também abordada nesta obra), como estando dividida em duas grandes classes: a dos termoplásticos e a dos termoendurecíveis. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 8 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Do ponto de vista do Engenheiro Químico, os plásticos interessam-lhe quando relacionados com as operações unitárias usadas na fabricação e com os princípios fundamentais de fabricação. Os processos de fabricação podem classificar-se em: A) Processos de polimerização por adição: • • • • • Massa Emulsão Suspensão Dissolvente Dissolvente/não-dissolvente B) Processo de polimerização por condensação. C) Processo de polimerização por abertura dos anéis aromáticos e por adição, crescendo o polímero de forma diferente da de cadeia. A polimerização por adição tem um enorme problema industrial a enfrentar, relacionado com a elevada quantidade de calor proveniente daquela operação e que é necessário escoar. No caso do PVC, é de 12-26 Kcal/mol e de 835 Kcal/Kg, no caso do PE, podendo levar à destruição dos mesmos se o calor não for retirado. A polimerização em massa aplica-se aos monómeros que dissolvam os seus polímeros (estireno, metacrilato de metilo). A polimerização em emulsão usa um sabão como agente emulsionante e é usado, por exemplo, nas borrachas. É feita em solução aquosa. São vários os polímeros que podem usar o processo de suspensão: • • • • • Polimetacrilato de metilo Poliestireno Policoreto de vinilideno (copolímero com cloreto de vinilo) PVC e copolímeros Poliacetato de vinilo M.T.09 Ut.10 Alguns polímeros são insolúveis em monómeros, como o PVC; se a polimerização se inicia no monómero puro, forma-se um precipitado de polímero. Algumas vezes, adicionam-se outros solventes para aumentar ou diminuir a solubilidade do monómero no polímero sólido. Os sistemas de polimerização com solvente e não-solvente baseiam-se neste princípio. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 9 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Na polimerização por condensação, encontram-se as resinas de fenol-formaldeído usadas em: • • • • Componentes eléctricos Vernizes isolantes Laminados industriais Adesivos, etc. A sua sequência de reacções de formação é bastante complexa. Outros plásticos são polimerizados, também, por condensação, como por exemplo: • • • • Resinas aminoplásticas Policarbonatos Epoxi Poliester O polietileno pode ser polimerizado por dois processos: • • Alta pressão (superior a 1 000 bar) Baixa pressão (com catalisador) Um produto natural polimérico é, por excelência, a celulose, que pode ser usada, como tal, no fabrico de papel ou seus derivados, como o celofane e plásticos celulóicos. FIBRAS TÊXTEIS ARTIFICIAIS E SINTÉTICAS A produção de fibras têxteis artificiais para fins industriais ultrapassou já a de fibras naturais, como o algodão ou a lã, misturando-se muitas vezes estes tipos de fibras. Como fibras têxteis, temos: • • • • • • • Rayon – obtido a partir da celulose Acetato de celulose Nylon – poliamida Poliester Anílico Fibras vinílicas Fibra de vidro M.T.09 Ut.10 O processo de fabricação consiste em obter, a partir de massas poliméricas, fios que permitam a sua utilização a jusante na indústria têxtil. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 10 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica ÓLEOS, GORDURAS E CERAS ANIMAIS E VEGETAIS Os óleos, gorduras e ceras animais e vegetais são ésteres ácidos orgânicos, pertencentes a séries de ácidos gordos, assim chamados por existirem nas gorduras. O éster é formado pela combinação de um álcool e de um ácido. Os de origem animal englobam ésteres de glicerina e uma grande variedade de ácidos gordos. As ceras são ésteres de ácidos da mesma natureza, constituindo um álcool diferente do glicerol. Os ácidos gordos pertencem, por sua vez, às categorias seguintes: • • • Ácidos saturados Ácido oleico Ácidos insaturados Podem ainda ser subdivididos em vários tipos. Como exemplos de ácidos gordos saturados, têm-se: • • • Butanoico ou ácido butírico Hexadecanoico ou ácido palmítico Octadecanoico ou ácido esteárico Como exemplos dos ácidos não-saturados, têm-se: • • 9-hexadecanoico ou ácido palmitoleico 9-hexadecanoico ou ácido oleico Apresentam-se, em seguida, alguns exemplos de óleos ou gorduras, de grande importância: • Comestíveis: • • • • • • Manteiga Margarida Óleo de algodão Óleo de soja Sebo Produtos à base de óleos secantes: M.T.09 Ut.10 • Óleo de rícino • Óleo de linhaça • Tall oil Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 11 IEFP · ISQ • Introdução à Indústria de Química Orgânica Vários: • Óleo de coco • Óleo de fígado de bacalhau • Óleo de peixe e de cetáceos, etc. Para que um óleo possa ser usado na indústria alimentar, precisa de ter as seguintes características: • • • Sabor agradável Isento de cheiros desagradáveis Cor pálida Isto pressupõe, na fase de pré-aplicação, uma série de operações unitárias de modo a conferir-lhe as características adequadas. Os outros óleos têm aplicações vastas, desde a fabricação de tintas até à indústria química fina. Cabe referir, aqui, um óleo de grande importância na indústria da pasta de papel: o tall oil. O tall oil é um subproduto da fabricação do papel, a partir de madeira de pinho. No decurso da fabricação da pasta, os ácidos gordos e resinosos são transformados em sabões e, posteriormente, retornam à situação anterior. Esta fracção denomina-se tall oil. O óleo pode ser reprocessado para obtenção de subprodutos químicos ou, pura e simplesmente, queimado, normalmente em caldeiras auxiliares. Outro aspecto importante neste tipo de indústria é a hidrogenação dos óleos não-saturados, com o objectivo de obter gorduras saturadas para a fabricação de sabões. Esta operação realiza-se com a adição de catalisadores. SABÃO E DETERGENTES SINTÉTICOS Conforme se referiu anteriormente, os sabões são obtidos a partir de gorduras por reacções específicas com bases. Modernamente, usam-se, como alternativa, os detergentes. Quimicamente, um sabão é um sal sódico ou potássico do ácido esteárico e de outros ácidos gordos de peso molecular superior. Outros metais, como o cálcio, chumbo ou alumínio, podem ser igualmente usados na fabricação de um tipo de sabão, mas, no entanto, são insolúveis. Contudo, são aplicados, por exemplo, em lubrificantes de tintas. A reacção da saponificação obtém-se por acção de uma gordura sobre solução cáustica, formando-se a glicerina: Hidróxido de sódio + Estearato de glicérido ô M.T.09 Ut.10 Estearato de sódio (sabão) + Glicerina Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 12 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Do mesmo modo, pode obter-se sabão por reacção de uma base com ácido esteárico, sendo a água o componente resultante para além daquele. Em relação às matérias-primas, têm-se as seguintes: • • Sabão e detergentes Hidróxido de sódio Óleo • Coco • Azeite de má qualidade • Óleo de palma O procedimento mais comum é o de ebulição, com produção de lotes de 0.5 a 400 ton. Pode também usar-se um método contínuo. Um equipamento típico utilizado é a caldeira, com 9m de diâmetro e 12m de altura. Permite a obtenção de lotes de 135 Kg, por reacção de soda (18-20° Be) com óleo (Fig. X.2). 1 2 1- Entrada de Vapor 2- Vapor para agitação 4 3- Saída de água / glicerina 4- Tubagem para bomberar sabão 3 Fig. X.2 – Caldeira de fabricação de sabão Existem outros processos de fabricação de sabão, como o contínuo, a frio, em varetas ou escamas, em misturador, etc. O sabão também pode ser apresentado em pó, obtido por secagem em torres de atomização, conseguindo-se, assim, um produto com densidade entre 0,2 e 0,5gr/cm3. M.T.09 Ut.10 Os detergentes são produtos alternativos aos sabões, devido ao deficit de gorduras existente no mercado mundial e ao facto de possuírem acções de limpeza superiores aos sabões vulgares. São substâncias tensioactivas que envolvem em solução as manchas de sujidade ou gordura, sofrendo, posteriormente, uma acção de dispersão na água (ou solvente). Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 13 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Os detergentes dividem-se em: • • • • • surfactivos amónicos surfactivos não-iónicos surfacticos anfotéricos surfactivos catiónicos adjuvantes e vigorantes Os detergentes aniómicos e catiónicos são assim chamados devido à acção iónica de parte da sua constituição; nos não-iónicos, a actuação deve-se a ligações de hidrogénio. Os anfotéricos actuam de forma diversa, pois as suas moléculas possuem agentes catiónicos e aniómicos. Alguns compostos, denominados adjuvantes e vigorantes, são usados como agentes em propriedades emulsionantes, podendo ser usados como complemento dos sabões (carbonato de sódio, silicato sódico, sulfato sódico). PETRÓLEO E SEUS DERIVADOS O petróleo foi referido, anteriormente, quando da análise dos combustíveis. Petróleo e derivador Os componentes do petróleo são os seguintes: • • Hidrocarbonetos parafínicos de cadeia normal ou ramificada; • • Hidrocarbonetos aromáticos, com anéis benzénicos; • • • • • Hidrocarbonetos olefínicos (com duplas ligações ou ligações insaturadas); Hidrocarbonetos nafténicos ou hidrocarbonetos saturados activos, com anel de 5 a 7 átomos de carbono; Hidrocarbonetos polivinilícos, constituídos por compostos nafténicos e aromáticos com mais de um anel na sua estrutura; Compostos de enxofre (teor máximo é de 6%); Compostos de oxigénio (alcoóis, fenóis, etc.); Compostos de azoto (piridinas, quinoléinas, etc.); Compostos inorgânicos (sais, água, etc.). A composição elementar varia nos seguintes teores (ponderais): Carbono 83 – 87% Hidrogénio 1 – 15% Enxofre 0,1 – 6% Azoto 0,1 – 1,5% Oxigénio 0,3 – 1,2% M.T.09 Ut.10 • • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 14 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Os EUA classificam o petróleo em vários tipos, a seguir resumidos: A – Base parafínica B – Base parafínica intermédia C – Base intermédia parafínica D – Base intermédia E – Base intermédia nafténica F – Base nafténica intermédia G – Base nafténica O petróleo divide-se em várias fracções por destilação, as quais, por sua vez, são submetidas a tratamentos posteriores: Produto Intervalo Gasolina natural Ebulição (°C) 0 82 Gasolina 26 193 Nafta 93 232 Petróleo para reactores 82 232 Queroseno 176 287 Petróleo para aquecimento 204 315 250 399 193 343 288 427 315 538 sup. 329 Óleos lubrificantes sup. 482 Asfalto sup. 482 Resíduos sup. 482 Fracções leves: • • • • • Fracções intermédias: • Gasóleo • Diesel • Fuel óleo pesado Fracções pesadas: • Óleos lubrificantes • Parafinas Fracções residuais: • • • • Coque de petróleo M.T.09 Ut.10 Tabela X.1 – Fracções do petróleo bruto Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 15 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica O transporte do petróleo é feito por diversos meios: • • • • Navio (petroleiros) Oleodutos Cisternas Vagões-cisterna A refinação do petróleo passa por uma série de operações que, a seguir, se resumem: • • • • • • Eliminação de sal Destilação “Cracking” Melhoria de gasolina Refinação de óleos lubrificantes Processos auxiliares Numa primeira fase, faz-se a eliminação de sal adicionando-se água num teor de 6-15%, aquecendo-se a mistura sob pressão, de 90 a 150°C. A mistura é emulsionada, passando o sal à fase aquosa, efectuando-se, de seguida, a separação. Num outro processo (eléctrico), o petróleo é adicionado a 4-10% de água sob pressão, a uma temperatura entre 70-150°C, sendo a separação feita mediante a ajuda de um campo electrostático. A destilação pode ser feita por três processos: • • • Uma etapa Duas etapas Torres de vácuo A Fig. X.3 mostra um sistema de destilação com uma etapa. Neste processo, o petróleo bruto (ou crude) é alimentado depois de pré-aquecido num permutador e numa fornalha, fazendo-se a seguir a separação dos produtos por fracções, baseada nos pontos de ebulição. Cada fracção que sai lateralmente é submetida a um novo fraccionamento em pequenas colunas, chamadas strippers, usando-se vapor para separar a fracção dos componentes mais voláteis, de forma a que o ponto de ebulição do produto retirado se ajuste ao desejado. Refinação do petróleo M.T.09 Ut.10 Nas refinarias modernas, usa-se um sistema por duas etapas, com o objectivo de se conseguir o número suficiente de cortes para obtenção da gama de produtos desejados (Fig. X.4). Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 16 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Gás Gasolina Crudo Vapor Nafta Vapor Queroseno Vapor Gas-oil Vapor Fuel-oil Forno Vapor Resíduo Fig. X.3 – Destilação com uma etapa 17 15 1 5 3 2 3 3 3 6 6 12 6 3 6 13 16 4 7 8 9 10 11 14 18 19 M.T.09 Ut.10 Fig. X.4 – Destilação de “crude” em duas etapas Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 17 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Legenda: 1. 3. 5. 7. 9. 11. Torre atmosférica Vapor Torre de ajustamento à pressão atmosférica Diesel pesado Querosene Nafta 13. 15. 17. 19. Aquecedor para a primeira destilação súbita Primeira torre de destilação dupla Estabilizador Cabeças 2. Aquecedor de torre atmosférica 4. Resíduos 6. Óleo quente 8. Diesel leve 10.“Crude” 12.Primeira torre de ajustamento por destilação rápida 14.Querosene ligeiro 16.Óleo quente para caldeiras 18.Gasolina despropanizada O sistema possui uma primeira torre que trabalha a cerca de 3,5 bar, uma segunda torre à pressão atmosférica e uma coluna estabilizadora. Da torre principal, saem lateralmente duas ou mais fracções, enquanto que as cabeças alimentam o estabilizador, o qual pode trabalhar como estabilizador normal ou despropanizador. Todas as fracções derivadas passam pelos strippers. Quando se funciona a altas temperaturas, pode-se formar coque nos tubos de aquecimento ou nos pratos, produzindo-se uma degradação térmica. A fim de reduzir a temperatura de funcionamento, trabalha-se com vácuo. Os refinadores de petróleo usam o vácuo para as fracções em óleos lubrificantes e em cargas para o cracking catalisador, na produção de asfalto. Para a obtenção das fracções de lubrificantes, é necessário uma torre de vácuo que pode estar acoplada a uma unidade de destilação de duas etapas (Fig. X.5). Torre de vácuo Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Vapor Gasóleo Purgas M.T.09 Ut.10 Fig. X.5 – Destilação em vácuo para obtenção de fracções lubrificantes Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 18 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica O crude proveniente da torre de destilação atmosférica alimenta a torre de vácuo a 426°C e a pressão absoluta de 40 a 130mm Hg. As fracções derivadas passam pelos strippers. A Fig. X.6 apresenta o esquema de funcionamento de uma unidade de vácuo produtora de matéria-prima para uma unidade de cracking catalítico (cujas condições de funcionamento são as mesmas que para a obtenção de lubrificantes). Crude reduzido Torre de destilação súbita Torre de condensação Acumulador de “cabeças” Aquecedor / Fornalha Vapor Purga Produto para cracking Asfalto Crude reduzido Fig. X.6 – Destilação em vácuo O processo de cracking catalítico deve-se, em grande parte, ao baixo teor de gasolina obtida no processo de destilação atmosférica (18%). Para o efeito, faz-se a conversão de outras fracções de petróleo em gasolina. Esta pode obter-se pelos seguintes modos: • • • • • Destilação directa do petróleo bruto (crude); “Cracking” do fuelóleo proveniente do petróleo; Polimerização de hidrocarbonetos gasosos com 3 ou 4 átomos; Da gasolina residual procedente do gás natural; Dos combustíveis líquidos sintéticos. M.T.09 Ut.10 O fuelóleo é uma das fracções de viscosidade média, obtida a partir da destilação. Aquecendo o gasóleo sob pressão e expandindo-o numa torre de fraccionamento, observou-se a formação de uma elevada percentagem de componentes de baixo ponto de fusão (de que é feita a gasolina), devido à quebra de ligações nas moléculas grandes. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 19 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica O cracking produz grande variedade de produtos, tais como: • • • • • Gases Naftas de baixo e médio pontos de ebulição Queroseno Petróleo residual Carbono Existem várias formas de efectuar o cracking, sendo algumas mais usadas, hoje em dia, e que se passam a referir: • • • • • “Cracking” térmico “Cracking” catalítico Leito fluidizado Com transporte pneumático “Reforming” catalítico O cracking térmico foi usado nos primeiros tempos em que o gasóleo era submetido, durante um certo tempo, a um aquecimento forte em tubos de aço a baixa pressão, mantendo-se em circulação e sendo expandido numa câmara de baixa pressão onde se separavam vapores e líquidos. Os vapores e líquidos submetiam-se, em seguida, a uma destilação fraccionada na forma habitual. As refinarias de pequena dimensão ainda usam este processo; nas modernas refinarias usa-se o cracking catalítico. A decomposição térmica do petróleo inicia-se a 370°C, mas a velocidade de decomposição é demasiado baixa. A prática industrial usa temperaturas da ordem de 450 a 565°C para obtenção de gasolina. As reacções que se produzem são as seguintes: • • • • Quebra de ligações C-C Desidrogenação Polimerização Ciclação As mais importantes são, sem dúvida, a quebra de ligações C-C e a polimerização (Tabela X.2). Apresentam-se, a seguir, as condições cracking: Cracking M.T.09 Ut.10 As condições de funcionamento são fixadas de modo a obter uma conversão por passagem de cerca de 20%, voltando o resíduo a passar pelo sistema. Se se aumentar o rendimento por passagem, dá-se uma diminuição de teor em gasolina e o aumento da formação de coque. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 20 IEFP · ISQ A partir de Introdução à Indústria de Química Orgânica Para obter Tempo de Reacção Temp.º C Pressão, Bar Metano Acetileno 0,01 0,1 sup. 1 000 vácuo Etano Etileno 0,1 0,2 730 - 840 0,31 - 2,1 Propano Etileno 1 3 670 - 780 0,31 - 2,1 Gasóleo Gasolina 40 300 450 - 560 14 - 63 Crude Reduz. Gasolina -- -- 450 - 540 0,7 - 5 Tabela X.2 – Condições de funcionamento no “cracking” térmico O cracking catalítico foi introduzido para aumentar o rendimento de transformação e o índice de octanas da gasolina produzida. O primeiro processo a ser implementado foi o de Houdry, com leito fixo. Actualmente, os mais usados são os de leito fluidizado e os de leito móvel, representando o “cracking” catalítico mais de 70% da capacidade total de cracking. As reacções que se passam no “cracking” catalítico são: • • • • Rotura de ligações Isomerização Alcoolização Aromatização Os catalizadores são de natureza variável sendo os mais comuns de: • • Sílica/Alumínio Substâncias puras (com especificação definida) No leito móvel, as partículas têm uma alimentação de 3 a 4 mm e 2 a 400 mícron para o leito fluidizado. M.T.09 Ut.10 No processo por leito fluidizado, uma corrente de vapor de petróleo arrasta consigo o catalisador pulverizado, passando ao reactor onde entrou em contacto mais efectivo (em que há uma grande dispersão das duas fases). O facto de se chamar fluidizado provém da mistura se comportar como se fosse um único fluido. A mistura passa a um ciclone interno, onde a maior parte do pó catalisador é separado e regressa ao reactor, enquanto que os vapores resultantes da reacção passam a uma coluna de fraccionamento, dando origem a gasóleo pesado, gasóleo leve e gasolina ou nafta. Como o catalisador perde propriedades, parte dele é extraído e passa para um regenerador por meio de ar, onde o carvão depositado é queimado. Os gases do regenerador atravessam um ciclone interno, separando-se do pó, passando em seguida a um recuperador de calor e a um precipitador electroestático; então, o catalisador é reintroduzido no circuito de produção. A temperatura é mantida a cerca de 480-510°C. A reacção Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 21 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica de cracking é endotérmica, sendo o calor adicionado através do pó do catalisador. As unidades possuem uma capacidade que pode ir a mais de 15 000 m3/dia. As pequenas unidades tratam cerca de 500 m3/dia. A Fig. X.7 apresenta um diagrama de fluxo duma unidade cracking catalítico de leito fluidizado. Gás + Gasolina Reactor Regenerador Ventilador Principal Ventilador Auxiliar Vapor Entrada Fig. X.7 – Cracking catalítico de leito fluidizado Nas unidades de cracking catalítico com transporte pneumático (Fig. X.8), o catalisador proveniente do separador entra no reactor, onde fica em contacto com um produto pré-aquecido. O catalisador e o petróleo circulam através do reactor. Os vapores produzidos vão por uma coluna de fraccionamento e o catalisador vai por uma zona de purga, fora do reactor e do regenerador (tubos de descida). Pela acção de uma corrente de ar que entra em contracorrente com o catalisador, queima-se o carbono depositado sobre este, passando, depois, a uma zona de arrefecimento a fim de se ajustar a temperatura. Em seguida, é separado por uma corrente de ar a baixa pressão que o leva à parte superior do reactor, reiniciando-se o ciclo. Na tabela seguinte (Tabela X.3), podem ver-se as condições típicas de funcionamento do cracking catalítico: Reforming Platforming M.T.09 Ut.10 O reforming catalítico deve-se ao facto de a procura da gasolina não ser satisfeita pelos processos normais, nomeadamente, ao facto de o índice de octanas ser elevado. O reforming catalítico é um processo que tem lugar com a presença de hidrogénio. Na realidade, o que se passa não é uma hidrogenação mas antes uma desidrogenação, sendo reciclado parte do hidrogénio produzido para controlar a velocidade de reacção (desidrogenação). O catalisador é constituído por molibdénio sobre alumina. Este catalisador promove a ciclagem, mantendo os anéis dos que sofreram desidrogenação Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 22 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica parcial (butanização). O produto final possui grande quantidade de hidrocarbonetos aromáticos e uma pequena quantidade de hidrocarbonetos alifáticos. O produto obtido é pouco estável, podendo misturar-se com a gasolina, depois de eliminar os gases num separador prévio, seguido de uma destilação para estabilização. Fig. X.8 – Cracking catalítico com transporte pneumático Leito Fluidizado Leito Móvel 465 - 537 445 - 520 Pressão do reactor. bar 0,7 - 1,4 0,35 - 1,26 Velocidade passagem (h/peso cat.) 0,5 - 1,3 1-4 Relação peso, catalisador/ petróleo 5 - 20 1,5 - 7,0 Carbono no catalizador regenerado, %peso 0,4 - 1,6 0,1 - 0,6 Carbono no catalizador esgotado %peso 0,5 - 2,6 1,2 - 3,1 621 732 Temperatura do reactor, ºC Temperatura máxima regenerador, ºC M.T.09 Ut.10 Tabela X.3 – Condições de funcionamento de cracking catalítico Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 23 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica É aconselhável ter dois reactores em funcionamento em que, enquanto um está em funcionamento, o outro vai eliminando pequenas quantidades de coque depositado na superfície do catalisador, por queima, através de injecção de pequenas quantidades de ar numa corrente de gás inerte, devolvendo ao catalisador as características iniciais. Existem dois tipos de reactores do tipo reforming, dependendo de se regenerar, ou não, o catalisador. À primeira unidade também se chama platforming e, à segunda, reforming. A diferença está em que, periodicamente, neste último caso, o reactor é submetido a uma reacção de regeneração. As Fig. X.9 e X.10 mostram os fluxogramas dos dois tipos de unidades. Nafta sem enxofre Compressor Hidrogénio regenerado Reactor Reactor Excesso de hidrógenio Reactor Propano e butano Estabilizador Reformado estabilizado Fig. X.9 – Unidade de platforming Gás combustível Gás rico em hidrogénio Reactor de reserva Cabeças Reactor Reactor Reactor Ar Gás inerte Estabilizador Forno Separador Nafta Forno Forno Forno Reformador M.T.09 Ut.10 Fig. X.10 – Unidade de reforming Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 24 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica As condições normais de funcionamento são as seguintes (Tab. X.4): Temperatura ºC Pressão bar Petróleo/ catalizador H 2/m3 petr. "Platforming" 450 - 525 14 - 56 1-4 710 - 2300 "Reforming" 482 - 510 14 - 26 1-5 620 - 1420 Tabela X.4 – Condições de funcionamento nas unidades de reforming A melhoria da gasolina pode ser obtida através da adição de outras substâncias, para formação de moléculas de hidrocarbonetos de um determinado modo, e por reordenação da estrutura molecular das moléculas existentes, com ou sem separação simultânea de hidrogénio. Os processos seguintes alteram a estrutura das moléculas ou aumentam o seu tamanho, melhorando, deste modo, o índice de octanas. • • • • • • • • Estabilização “Reforming” Isomerização Alcoolização Hidrorefinação Hidroreforma Hidrogenação Polimerização Cabe aqui referir apenas que, um dos aditivos tradicionais nas gasolinas é o chumbo de tetraetilo ou chumbo de tetrametilo, cujo objectivo é o de aumentar o índice de octanas, sendo, pois, um antidetonante. Outros antidetonantes podem ser, por exemplo, cicloroetileno ou dibromoetileno, os quais permitem a expulsão dos óxidos de chumbo formados na explosão dentro de um motor. Relativamente à refinação de óleos lubrificantes e, para além da utilidade que têm, representam uma fracção importante dos subprodutos do petróleo, sendo obtidos a partir de hidrocarbonetos parafínicos de alto ponto de ebulição. Estes produtos possuem as seguintes características: • • • Estabilidade a alta temperatura; • Aderência suficiente sob a acção de esforços de corte. Fluidez a baixa temperatura; M.T.09 Ut.10 Variação pequena de viscosidade num determinado intervalo de temperatura; Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 25 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica A Fig. X.11 apresenta um diagrama de fluxo de uma unidade de fabricação de óleos lubrificantes. Como a fracção desejada tem um ponto de ebulição, a sua separação em várias fracções deve-se fazer a baixa pressão, por destilação em vácuo. As fracções assim obtidas são tratadas, posteriormente, com o objectivo de separar naftenos, compostos aromáticos, nitrogenados e oxigenados, compostos de enxofre e outros. Gasóleo Oleo leve Destilação vácuo Refinação c/ dissolventes Desparafinado Extrato Parafinas Tratamento com Terras Oleo pesado Alimantação com crude reduzido Oleo residual Oleo lubrificante Resíduo Desasfaltado c/ propano Mistura Aditivos Asfalto Fig. X.11 – Diagrama geral de refinação de óleos lubrificantes O asfalto encontra-se, somente, no resíduo e, portanto, requer um tratamento para separação. Resumem-se, a seguir, os vários métodos de tratamento dos óleos: Desasfaltação Extracção com solvente Desparafinação Tratamento com adsorventes Mistura de óleos lubrificantes M.T.09 Ut.10 • • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 26 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica PETROQUÍMICA A Indústria Petroquímica pode definir-se como sendo o sector de fabricação química que usa como matéria-prima produtos extraídos, na maioria dos casos, do petróleo e do gás natural. No início dos anos 60, a Indústria Petroquímica tinha uma taxa de crescimento 4 vezes superior à indústria química. Dominando a Indústria Petroquímica, estão os compostos orgânicos fabricados a partir de compostos básicos, tais como: • • • • • • • • • • • Metano Acetileno Etano Etileno Propano Propeno Butano Butileno Butadieno Benzeno Outros aromáticos Além disso, existem muitos produtos químicos inorgânicos, encontrando-se, entre eles, os seguintes: • • • • • • Amoníaco Ureia Ácido nítrico Enxofre Ácido sulfúrico Negro de fumo Estes são, cada vez mais, produzidos a partir do petróleo. Pode dividir-se a Indústria Petroquímica em duas vertentes: uma, que compreende a produção e separação das matérias-primas básicas mencionadas anteriormente, e a outra que trata da conversão das mesmas em numerosos produtos químicos. O gás natural, tal como é extraído, contém grande número de compostos, sendo formado por hidrogénio, metano, etano, propano, butano, hidrocarbonetos mais pesados e sulfureto de hidrogénio. M.T.09 Ut.10 O metano pode separar-se por meio de um processo de absorção (o metano e o hidrogénio não são absorvidos); os restantes hidrocarbonetos são submetidos a um fraccionamento, de modo a obter produtos puros. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 27 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica A fabricação do acetileno fazia-se, antigamente, por reacção da carbite com água. O processo petroquímico actualmente usado é bastante mais económico: cracking do metano, de acordo com a reacção: 2CH4 ® C2H2 + 3H2 Dada a importância que o etileno e propileno têm no nosso País, é de aprofundar os processos de fabricação destes produtos, não só pela quantidade produzida, como também pelos produtos que dela derivam. O etileno pode ser produzido de vários modos: • • • • A partir de propano; A partir de etano; A partir de gases de refinaria; A partir de “cracking” de hidrocarbonetos pesados. O propano também é uma boa fonte de propeno como subproduto do etileno. Outra matéria-prima do etileno é o n-butano, com produção de propeno e buteno como subprodutos. Em algumas fracções de petróleo bruto, para além de etileno, podem produzir-se, igualmente, compostos aromáticos. Na Fig. X.12, pode ver-se o processo clássico de obtenção de etileno e propileno, a partir de etano. Previamente, a mistura é feita com vapor para promover a obtenção de rendimentos mais altos de olefinas, decompondo-se em fornos de cracking, a temperaturas entre 620 e 815°C. Os produtos seguem, posteriormente, para uma torre de arrefecimento até 38°C, com o objectivo de condensar os polímeros e aromáticos. M.T.09 Ut.10 Fig. X.12 – Obtenção de etileno e propileno Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 28 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica O gás é, em seguida, comprimido e, se se necessitar de um produto isento de acetileno, passa por uma hidrogenação. Na continuação, é feito um arrefecimento antes de entrar num sistema de refrigeração. O etileno e os hidrocarbonetos mais leves separam-se num desetanizador, saindo pela parte superior. Na parte inferior, obtém-se propano e hidrocarbonetos superiores. A recuperação do etileno realiza-se por arrefecimento dos gases que saem pela parte superior, até uma temperatura de -126°C, sendo o condensado tratado num desmetanizador. A recuperação do propano requer um tratamento dos produtos precedentes da parte inferior do desmetanizador, através de um despropanizador e de um separador de propano. Pode-se, também, purificar o etileno a uma temperatura de -18°C, num sistema de absorção. Etileno e propileno A grande utilização actual do propileno é na fabricação do polipropileno, embora, classicamente, fosse usado como matéria-prima para o isopropanol, para a fabricação de detergentes e óxido de proprileno, cumeno e glicerina. O gás de escape das refinarias possui grande quantidade destes produtos, muito embora a maior parte da produção seja feita a partir de subprodutos do etileno proveniente das operações de cracking. As olefinas superiores (C4 e seguintes) obtêm-se por desidrogenação catalítica do butano e por um processo de purificação, a partir de solventes selectivos, recuperações de gases de refinação e por cracking de nafta de outros produtos. De salientar, no caso do etileno e butileno, o moderno processo de steam cracking, obtido a partir de fracções pesadas do petróleo (ou directamente deste). Este é um dos métodos, hoje em dia, mais usados. Relativamente a outros produtos orgânicos, destaca-se o papel dos aromáticos, cujo processo clássico de obtenção é o de Udex (Fig. X.13). Produção refinado Aquecedor Entrada Benzeno Tolueno Coluna de Benzeno Coluna de Tolueno Xileno Coluna de Xileno Fig. X.13 – Processo Udex para purificação de hidrocarbonetos aromáticos Com este processo obtêm-se os seguintes produtos: • • • Benzeno Tolueno Xileno M.T.09 Ut.10 Por um processo específico pode ainda obter-se o naftaleno, através de desalcoolização. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 29 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica QUÍMICA INDUSTRIAL DA MADEIRA A madeira é um composto orgânico natural, com uma composição complexa, e cujos constituintes principais são (as composições variam segundo o tipo de madeira): • • • • • • Linhite Homocelulose Holocelulose Celulose alfa Rentosanas Grupos acetilo A principal aplicação da madeira é, sem dúvida, na pasta de papel e no papel, podendo, no entanto, obter-se ainda outros derivados igualmente importantes. A fabricação de pasta de papel é, portanto, o aspecto mais importante a reter, relacionado com a madeira. A casca da madeira contém uma grande quantidade de matéria não-fibrosa e uma pequena quantidade fibrosa. Por essa razão, na primeira operação, a madeira é descascada nos descascadores. Os toros com cerca de 1,2 - 1,6m são, em seguida, triturados, obtendo-se uma estilha que constitui a matéria-prima da pasta de papel. A estilha, depois de reduzida a uma massa com água, por moinhos, forma a chamada pasta mecânica, a qual pode ser transformada por dois métodos químicos diferentes: • • Sulfito Sulfato (Kraft) Comum aos dois é a dissolução da linhina de madeira, de forma a que apenas fique uma massa fibrosa de celulose (20-30% de madeira). Todos estes sistemas usam meios aquosos sob pressão e temperatura, embora utilizem diversas formas para o atingir (daí a distinção dos processos). Pasta de papel A lixívia de digestão, usada no processo de sulfito, consiste em ácido sulfuroso e um sal deste (magnésio, sódio e amónia). No processo Kraft (ou alcalino), usa-se hidróxido de sódio como agente de digestão. M.T.09 Ut.10 A lixívia contém, também, sulfureto de sódio, de modo a acelerar a formação da pasta química. A presença de enxofre faz aparecer gases que contêm mercaptanos, sulfuretos e disulfuretos, os quais emitem cheiros característicos desagradáveis. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 30 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica A seguir à fabricação da pasta, segue-se o branqueamento e a purificação, antes da fabricação da pasta propriamente dita, e do papel. No processo de sulfito, a lixívia de cozimento constitui a sua base. Prepara-se com enxofre fundido, que é queimado, cujos gases passam, em seguida, por um leito de cal. A absorção faz-se numa torre com anéis de Raschig ou de pratos com campânulas. Nestas colunas circula a água de cal contendo os hidróxidos referidos (hidróxido de cálcio, magnésio, amónia ou sódio). A lixiviação dura 7 a 10 horas, a uma temperatura de 140°C, e a uma pressão máxima de cerca de 5-6 bar. No fim do período de digestão, a pressão baixa a 2,8 bar, de modo a recuperar o dióxido de enxofre e a utilizá-lo novamente. Após a descarga a, pasta é processada com lavagem e branqueamento para posterior utilização. No processo alcalino (Kraft), há também uma digestão feita por soda. A lixívia residual denomina-se licor negro. Este é concentrado em evaporadores, aproveitando os gases quentes do forno como fonte calorífica. Segue-se a adição de sulfato de sódio (Kraft) ou de cálcio, sendo este licor queimado nas chamadas caldeiras de recuperação. A massa de partículas das caldeiras é recuperada nos electrofiltros, enquanto que a massa fundida passa pelo fundo das caldeiras para tanques específicos, onde é fundida. À massa fundida chama-se “licor verde”. Este é caustificado e reutilizado. Da reacção com hidróxido de cálcio, obtém-se hidróxido de sódio e carbonato de cálcio, o qual é calcinado e reutilizado. A única diferença entre o processo de Kraft e o da soda reside no facto de, no primeiro, o produto químico usado é o sulfato de sódio e, no segundo, o carbonato de sódio. No forno, o sulfato de sódio é reduzido a sulfureto com o carbono do licor negro, a uma temperatura de 930-980°C e numa reacção endotérmica. Nos digestores, a fase de tratamento da madeira é de cerca de 2 a 3 horas, enquanto que, na de sódio, é de 5 a 7 horas. A temperatura de processamento é de cerca de 170°C. A pasta obtida é, em seguida, passada por lavadores que trabalham em vácuo; o rendimento atingido é de 45 a 50%, sendo o método Kraft mais eficiente. Na indústria da madeira, pode-se usar um outro tipo de reacção obtendo-se a pasta semiquímica; neste, o processo químico é mais suave, não existindo a eliminação de linhina. Assim, a separação das fibras é feita por processos mecânicos, sendo utilizada, por exemplo, para madeira dura. Os digestores são contínuos e o rendimento de obtenção de pasta é superior aos convencionais. Os processos químicos de transformação da madeira para obtenção de pasta passam, ainda, por um processo de purificação e de branqueamento à base de produtos clorados. M.T.09 Ut.10 Resta referir que podem ser usados outros materiais fibrosos para produção de pasta, para além de madeira. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 31 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica As matérias-primas são provenientes de sistemas de reciclagem de resíduos sólidos: • • • • Papéis velhos Trapo de algodão Cordas velhas Borra de algodão, etc. Após a obtenção da pasta de papel, há que passar à fase de fabricação de papel; esta possui duas fases preliminares e uma de fabricação propriamente dita: • • Preparação da composição da pasta Refinação A estas duas fases, segue-se a fabricação do papel. Na preparação da composição da pasta, é misturada a massa fibrosa (pasta obtida do processo descrito anteriormente) com produtos químicos, destinados a conferir consistência ao papel, e com outros aditivos (resinas, agentes colantes, cargas inorgânicas como argila ou dióxido de titânio, corantes, etc.). Em seguida, a pasta assim preparada é refinada em tambores ou moinhos, de modo a melhorar a sua resistência e a aumentar o grau de união entre as fibras. Na fabricação de papel, a pasta é introduzida em cubas próprias e feita passar num sistema de prensagem, após uma preparação adequada (Fig. X.14). 7 12 13 15 16 17 18 14 30 35 Legenda: 7. Cuba de nível 12-18. Prensas intermédias 30. Prensas 35. Sistema de enrolamento M.T.09 Ut.10 Fig. X.14 – Diagrama de uma máquina de papel Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 32 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Existe, ainda, uma larga gama de variedades de produtos da madeira, que a seguir se descrevem, e que poderiam ser objecto de tratamento idêntico ao da pasta de papel. São eles: • • • • Cartões fibrosos Cartões compósitos Laminados de papel Combinações de madeira-resina e madeira-polímeros Outra grande aplicação da madeira como matéria-prima da Indústria Química provém da carbonização e destilação, através das quais se produz não só carvão, como outros produtos químicos. A carbonização da madeira é um processo de decomposição térmica (também chamada destilação seca). A destilação seca de madeira produz, para além do negro de fumo, ácido acético, metanol e acetona (até 7% da matéria-prima seca usada). Produz-se ainda uma fracção relativamente importante de alcatrão. Da madeira mais macia pode produzir-se terebentina, óleos, alcatrão e carbono vegetal. Existem, ainda, outros derivados da madeira, sendo os produtos orgânicos mais importantes, o tanino e alguns produtos medicinais. AÇÚCAR E AMIDO Dentro dos constituintes alimentares essenciais conhecidos, consideram-se os três seguintes: • • • Proteínas Gorduras Hidratos de carbono Dois dos hidratos de carbono importantes na alimentação são o amido e o açúcar. As matérias-primas do açúcar são a cana e a beterraba. Para a produção de açúcar de cana, faz-se passar esta última por um processo de extracção do suco através de moinhos, procedendo-se, em seguida, à sua separação e refinação. A composição química do suco de açúcar de cana é a seguinte: 77 – 86% Sacarose 10 – 20% Outros açúcares 0,5 – 2,5% Outros compostos orgânicos 0,5 – 1,0% Cinzas 0,3 – 0,7% pH 5,1 – 5,7 M.T.09 Ut.10 Água Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 33 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica Açúcar e Amido O suco do açúcar é enviado de seguida para as seguintes operações: • • Filtração Separadores – cristalização da sacarose A matéria não-sólida extraída é usada como combustível para produzir vapor. A sacarose é posteriormente separada da água através de centrifugadoras de alta velocidade. Na fase final de utilização, a sacarose impura (96-97%) é refinada, fazendo-se uma recristalização e centrifugação com prévia eliminação da cor. O amido é obtido, fundamentalmente, a partir da batata. Esta é previamente lavada e depois triturada, passando a suspensão/solução de amido, seguidamente, por processos de separação e centrifugação para extracção da água. Na fase final, é filtrado através de filtros de malha de seda. A pureza bacteriológica é obtida por adição de SO2. FERTILIZANTES ORGÂNICOS NATURAIS Cabe aqui uma breve referência a estes produtos orgânicos. Os subprodutos das indústrias de carnes, bem como de peixe seco, são valiosos fertilizantes a partir dos desperdícios. A matéria-prima proveniente dos matadouros e fábricas de peixe, após cozimento, concentração e pulverização, pode dar um fertilizante de razoável qualidade (por exemplo: restos de sangue). Outro exemplo são os ossos que podem ser submetidos à acção do vapor, podendo os resíduos assim obtidos ser sujeitos ao mesmo tipo de processo. INSECTICIDAS, FUNGICIDAS E HERBICIDAS ORGÂNICOS A aplicação de produtos químicos como insecticidas, fungicidas e herbicidas é uma actividade muito antiga. Modernamente, eles podem ser preparados, sinteticamente, a partir de compostos orgânicos, atingindo-se valores económicos de grande relevo. Referem-se, neste ponto, apenas os mais importantes: Óleos de petróleo Aldrin Aramite Hexacloreto de benzeno DDT Dinitroderivados M.T.09 Ut.10 • • • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 34 IEFP · ISQ • • • • • Introdução à Indústria de Química Orgânica Ditiocarbamatos Bayer 21/199 Diazinon Cloro IPC Diuron CORANTES As substâncias corantes são produtos coloridos que se usam para produzir determinadas cores, quando dispersas sobre outros compostos. Os corantes modernos são produtos orgânicos de síntese. Para que possam ser aplicados, terão de possuir características típicas que permitam a sua fixação sobre os materiais a colorir. Esta actividade é de enorme importância, nomeadamente, para a indústria têxtil, devido à operação afim de tinturaria. Devem, portanto, possuir características que lhes permitam absorver luz no domínio do espectro visível (comprimento de onda entre 4 000 e 8 000 Angstroms). As propriedades dos corantes permitem uma classificação dos mesmos, em vários tipos: • • • • • • • • Corantes ácidos Corantes básicos Corantes directos Corantes de enxofre Corantes reactivos Corantes dispersos Corantes azóicos Corantes com mordentes A aplicação de um corante sobre uma fibra passa por vários estágios, os quais se passam a referir: Preparação da fibra Preparação do banho de tinturaria Aplicação do corante Acabamento M.T.09 Ut.10 • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 35 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica OUTROS PRODUTOS ORGÂNICOS SINTÉTICOS Cabem neste grupo de produtos orgânicos todos aqueles que são derivados de materiais existentes na natureza (petróleo, gás natural, hulha) e que tenham experimentado, pelo menos, uma reacção química, como oxidação, hidrogenação, sulfonação, etc. Nos produtos derivados do metano, têm-se, por exemplo: • • • • Gás de síntese (amoníaco, metanol, etc.) Metanos colorados Acetileno Acrilatos e metacrilatos Dos produtos derivados do etileno, têm-se os seguintes: • • • • • Óxido de etileno Etanol Polietileno Etilbenzeno Hidrocarbonetos clorados Do propileno, obtêm-se os seguintes produtos: • • • • • • • • Álcool isopropílico Acetona Cumeno Dudeceno Noneno Óxido de propileno Glicerina Polipropileno Do butano e do buteno, ou butileno, obtém-se: n-butenos Butadieno Isobuteno M.T.09 Ut.10 • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 36 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica RESUMO Os combustíveis representam, na Indústria Química, um factor estratégico na economia das Unidades de Transformação. Os principais combustíveis são os carvões, o petróleo e o gás natural. Os combustíveis sólidos (carvões) caracterizam-se por propriedades físicas e químicas e são especificados por normas internacionalmente aceites. O petróleo e derivados constituem, igualmente, a base de numerosos produtos combustíveis usados na indústria, depois de previamente processados por destilação e operações posteriores. O gás natural é usado tal qual é extraído das jazidas, após separação de hidrocarbonetos líquidos. Na coqueficação da hulha (ou destilação seca da hulha), é possível extrair um elevado número de componentes orgânicos, sendo o resíduo um combustível de elevado valor calorífico. A borracha, outro produto orgânico de elevada utilização industrial, pode ser obtida a partir de produtos naturais ou sinteticamente. Os plásticos são polímeros obtidos por reacções de síntese, a partir de monómeros, por vários processos industriais. Outros polímeros de origem orgânica de elevada importância económica são as fibras têxteis artificiais. Os óleos, gorduras e ceras animais e vegetais representam, também, uma gama de produtos com forte implantação na produção industrial. Como exemplo, aponta-se o óleo de soja, que, por si só, tem, actualmente, um elevado valor comercial. A produção de produtos saponificavéis (sabão e detergentes) representa, igualmente, uma actividade industrial com grande impacte mundial. Os sabões são obtidos a partir de ácidos gordos naturais, por neutralização com uma base. Os detergentes são produtos sintéticos com o mesmo efeito que os sabões e que têm vindo a substituir estes, devido à grande procura de produtos saponificavéis e à falta de produtos naturais para fabricação de sabões. Nos produtos orgânicos, é o petróleo, sem dúvida, o de maior importância, devido aos inúmeros derivados que, a partir dele, se podem obter. M.T.09 Ut.10 Na destilação atmosférica, obtêm-se vários subprodutos dos quais a gasolina e o fuel são os mais importantes. Por operações catalíticas é possível obter, a partir de fracções pesadas, outros compostos de maior valor comercial. Os subprodutos do petróleo são a matéria-prima básica da Petroquímica. Nesta indústria, podem-se obter produtos-base para as indústrias de síntese anteriormente referidas. Os exemplos mais importantes são o etileno e o propileno. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 37 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica A madeira é a matéria orgânica natural base para inúmeras indústrias, das quais a mais importante é a da pasta de papel. Os dois processos de obtenção de pasta são de sulfito e de sulfato (Kraft). Nos produtos alimentares, salientam-se as indústrias do açúcar e do amido, obtidos por processos de transformação industrial relativamente simples. M.T.09 Ut.10 Resta, ainda, focar a importância de outras indústrias da Química Orgânica, como as dos fertilizantes, insecticidas, fungicidas e herbicidas orgânicos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial X . 38 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Orgânica ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Que tipos de combustíveis principais existem? 2. Como se pode caracterizar um carvão? 3. Indique alguns produtos da destilação seca da hulha. 4. Qual a diferença entre borracha natural e sintética? 5. Como se pode obter um plástico? 6. Como define uma gordura natural? 7. Descreva a fabricação do sabão. 8. Indique a composição química elementar qualitativa do petróleo. 9. Qual o objectivo do reforming e do platforming? M.T.09 Ut.10 10.Descreva a forma como são produzidos o etileno e o propileno, a partir de outros produtos orgânicos. Componente Prática Guia do Formando Química Industrial X . 39 Introdução à Indústria de Química Inorgânica M.T.09 Ut.111 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • Explicar qual a extensão desta indústria e quais os objectivos de cada um dos seus constituintes; • Identificar, dentro de cada tipo de indústria, quais as Operações Unitárias que deverão existir para se produzirem as diferentes substâncias químicas. TEMAS Ácido sulfúrico e enxofre Derivados do azoto Cloreto de sódio Carbonato de sódio Ácido clorídrico Sal de Glauber Soda cáustica Fosfatos, fósforo, fertilizantes e sais potássicos Explosivos químicos Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.11 • • • • • • • • • • • Química Industrial Guia do Formando XI . 1 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica ÁCIDO SULFÚRICO E ENXOFRE O ácido sulfúrico é um dos produtos químicos pesados, oleaginoso, de elevada viscosidade e fortemente corrosivo, que constitui o eixo de muitas outras indústrias (ácido clorídrico, sulfato de amónio, etc.). Queimando pirites através de um processo intitulado ustulação, obtém-se dióxido de enxofre que, depois de oxidado, origina trióxido de enxofre; combinando este óxido com água, obtém-se ácido sulfúrico. O ácido sulfúrico é fabricado nas chamadas câmaras de chumbo, onde o dióxido de enxofre é oxidado com oxigénio e óxido de azoto misturado com água pulverizada. Os óxidos de azoto são activadores (catalisadores gasosos) da reacção da oxidação. A temperatura, nas câmaras de chumbo, é de cerca de 110°C. O ácido sulfúrico produzido vai-se acumulando no fundo, de donde é extraído, posteriormente, para tanques de armazenamento. A concentração de ácido varia entre 62 e 93% (50 e 66° Bé). As matérias-primas para a fabricação do ácido sulfúrico são as seguintes: • • • Enxofre fundido Pirites Outros materiais O processo das câmaras de chumbo que constitui, sem dúvida, o sistema mais divulgado, tem a configuração que se apresenta na Fig. XI.1. 10 9 11 6 8 EF 12 3 5 7 2 4 G 1 AB G OC CT CT F B M.T.09 Ut.11 Fig. XI.1 – Isométrica de câmaras de chumbo Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 2 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica Dada a importância deste sistema, apresentam-se, a seguir, os componentes principais que estão na legenda da Figura anteriormente referida: F. Alimentador de enxofre B. Queimador de enxofre CT . Torres de combustão G. Torre de Glover AB . Queimador de amoníaco OC . Câmara lateral EF . Extractor de ar 1 a 12 . Câmaras de chumbo Ácido sulfúrico Os fornos de ustulação de pirites são de vários tipos, sendo, o mais comum, de tipo rotativo de placas, onde se obtêm gases com um teor de 8% de SO2. Um vez iniciada a reacção, esta torna-se auto-suficiente, pois é exotérmica. O gás libertado da ustulação passa, em seguida, a precipitadores. Na fase de purificação dos gases quase todo o calor é absorvido podendo, no entanto, aproveitar-se alguma dessa energia para produzir vapor. Os equipamentos que queimam enxofre geram um gás rico em SO2 (10 a 11%). Estes gases entram na torre de Glover, onde se encontram com o ácido proveniente da torre de Gay-Lussac, o qual é rico em gases nitrosos e água (esta serve para separar o gás nitroso). A torre de Glover tem por objectivo arrefecer o gás sulfuroso e concentrar o ácido. Nesta torre forma-se mesmo uma certa quantidade de ácido sulfúrico novo. Estes componentes são forrados com sílica fundida ou chumbo. O gás sulfuroso com vapor e os gases nitrosos arrastados da torre da Gay-Lussac saem da torre de Glover conjuntamente com o excesso de oxigénio e azoto, passam pela zona do queimador de amoníaco (para enriquecer em óxidos de azoto) e entram nas câmaras de chumbo. Pela base da torre de Glover sai ácido novo aí produzido. Modernamente, o ácido das torres de contacto passa, também, pelas torres de Glover para se tornar mais concentrado. Na zona de queima catalítica (sobre platina) do amoníaco, este passa a monóxido de azoto. No método de contacto, os gases reagentes passam através de um catalisador sólido, onde o dióxido sulfuroso se converte em trióxido de enxofre ou óxido sulfúrico. Este é, em seguida, absorvido por ácido sulfúrico, permitindo atingir concentrações de 98 ou 100%, ou mesmo, ultrapassar este valor, formando os chamados oleums. A procura de ácido sulfúrico a 100%, ou superior, deve-se à indústria dos corantes. Quando existe enxofre em grandes quantidades em vez de pirites, as instalações são mais pequenas não sendo necessárias câmaras de pó, precipitadores, torres lavadoras, etc., o que torna o método mais simples. M.T.09 Ut.11 Em muitas ocasiões, o ácido sulfúrico usa-se como desidratante, sendo necessário separar a água absorvida, mediante concentradores, para que se possa voltar a utilizar. Estes sistemas baseiam-se num processo de câmaras de chumbo, em que o ácido é aquecido por óleo mineral. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 3 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica O enxofre é outro produto inorgânico de grande importância que aparece na natureza em jazidas minerais. Para ser purificado, é fundido e filtrado no estado líquido. O enxofre pode ser igualmente aproveitado como subproduto de outras indústrias, como as do petróleo ou do carvão (coque). DERIVADOS DO AZOTO A fabricação do amoníaco é dos processos que a Indústria Química mais fabrica, em unidades de grande dimensão. Para o efeito, é necessário juntar azoto e hidrogénio a alta pressão e temperatura moderada sobre um catalisador. A importância do amoníaco deve-se, essencialmente, aos fertilizantes. Devido à utilização de nitrato de amónio e ureia como fertilizantes, tem-se registado uma grande procura mundial de amoníaco e ácido nítrico (que é outro derivado do azoto). Os principais métodos de azoto resumem-se, a seguir, na Tabela XI.1. Método Catalisador Americano Ferro activado Haber Ferro activado Mont Cenis Complexo de Cianeto de ferro Claude (França) Ferro activado Casale (Itália) Ferro activado Fauser Ferro activado Recicl. Rend.% Origem H2 gás P, bar T, ºC 300 200 500 550 sim sim 20 - 30 8 Gás Nat. Coque Vap 100 400 sim 9 - 12 Gás pobre 900 650 não 40 - 85 750 200 500 500 sim sim 15 - 18 12 - 23 Electrol Tabela XI.1 – Métodos de fabricação de amoníaco Todos os métodos, com excepção do Mont Cenis, usam o ferro como catalisador. O hidrogénio é proveniente de gás de petróleo, electrólise ou de outros processos como, por exemplo, a queima de produtos petrolíferos. A reacção de combustão mais frequente transforma os produtos de carbono em dióxido de carbono, monóxido de carbono e hidrogénio, com teores variáveis, os quais são, posteriormente, sujeitos a reacções de enriquecimento em reactores com catalisadores. Amoníaco A lavagem com azoto líquido permite lavar o gás de síntese de traços de monóxido de carbono, sendo o dióxido de carbono retirado previamente por arrefecimento e separação. M.T.09 Ut.11 Uma das operações importantes a sofrer pelo gás de síntese é a purificação, de modo a retirar H2S, CS2, COS e outras impurezas. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 4 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica A síntese de amoníaco faz-se em reactor de alta pressão, com uma espessura de parede extremamente elevada (Fig. XI.2). Fig. XI.2 – Reactor de amoníaco A reacção, embora a alta temperatura, é isotérmica pelo que o corpo tem de estar bem protegido a fim de evitar a degradação. À saída do reactor de síntese, o gás é arrefecido num permutador de calor, onde se faz a separação a alta e baixa pressão, sucessivamente. O ácido nítrico é outro dos produtos azotados conhecido desde o século XIII. O processo Glauber usa ácido sulfúrico com nitrato de sódio. Actualmente, o ácido nítrico obtém-se a partir da oxidação do amoníaco com o ar, sobre um catalisador de metal nobre, a baixa pressão e a uma temperatura entre 800 e 900°C. São vários os métodos utilizados hoje em dia e que se resumem na Tabela XI.2. Baixa pressão Média pressão (Montecatini) Alta pressão (Muleman) Alta pressão (Dupont) Hoko Fauser Temp. ºC P, bar Con. % 800 850 950 - atm. 2,8 2,8 8,4 - 50 - 52 60 70 98 - 99 Ácido nítrico M.T.09 Ut.11 Tab. XI.2 – Métodos de fabricação de ácido nítrico Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 5 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica Após a produção de óxidos de azoto, os gases passam a uma torre de absorção. O dióxido de azoto reage com a água, formando monóxido de azoto e ácido nítrico. Na torre de absorção, deverá existir ar suficiente para oxidar o óxido nítrico, à medida que este se vai formando. O ácido nítrico não pode concentrar-se por simples destilação, pois forma uma mistura azeotrópica com 68% do peso; para tal, usa-se um agente desidratante para eliminar a água. O agente desidratante mais usado é o ácido sulfúrico concentrado. A mistura é destilada, em seguida, obtendo-se ácido nítrico para ser concentrado (95 a 98%) e ácido sulfúrico a 70% (depois de desnitrificado). Este ácido sulfúrico pode ser reconcentrado e novamente usado. Um dos outros produtos derivados do azoto é o nitrato de amónio, que se obtém fazendo neutralizar o ácido nítrico com amónia (Fig. XI.3). Nitrato de amónio Ar Ar HNO3 NH3 NH4 NO3 Sólido NH4 NO3 Conc. NH4 NO3 Diluido Fig. XI.3 – Diagrama de fabricação do nitrato de amónio O nitrato de amónio é desidratado e granulado, antes de ser armazenado. Este produto é de extrema perigosidade e, quando combinado com matéria orgânica, produz uma explosão violenta. Outro produto azotado é a hexametilenotetramina ou, simplesmente, tetramina, que se obtém por reacção do amoníaco com álcool metílico. A reacção dá-se a 50°C e em solução a um pH entre 7 e 8. A tetramina usa-se para fabrico de explosivos de alta potência ou como agente conservante na fabricação de resinas, por exemplo, do tipo fenol-formaldeído. M.T.09 Ut.11 Outro composto proveniente do azoto é a hidrazina, cuja fórmula é N2H4, usada como combustível de elevada potência ou como neutralizador de águas de alimentação de caldeira de alta pressão. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 6 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica Apresentam-se, em seguida, outros compostos azotados de elevada importância: • • • Ureia Ácido cianídrico Acrilonitrilo A ureia é um produto obtido a partir da combinação de amoníaco com dióxido de carbono (dois produtos da fabricação de amoníaco). A reacção passa por carbamato de amónio, o qual se decompõe em ureia e água. O óxido de carbono e o amoníaco que não reagirem voltam a ser reciclados e entram no processo. Existem vários métodos de obtenção, que se passam a descrever: • • • • • Du Pont Pedriney Montecatini Inventa Chemico O ácido cianídrico obteve grande importância devido à fabricação do anilonítrico, o qual constitui a matéria-prima de algumas fibras sintéticas. CLORETO DE SÓDIO O cloreto de sódio existe na natureza em quantidades quase sem limite, constituindo a matéria-prima para outros produtos inorgânicos: • • • • Carbonato de sódio Soda cáustica Sulfato de sódio Sulfato de sódio cristalizado ou sal de Gauber É, também, a matéria-prima do ácido clorídrico e do sódio. A obtenção de sal pode ter várias proveniências: • • • Evaporação Sal gema Salmoura M.T.09 Ut.11 O sal tem grande poder de solubilidade em água, pelo que as salmouras são industrialmente evaporadas de água, até à sua obtenção. Posteriormente, é seco em secadores rotativos, feitos em monel. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 7 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica CARBONATO DE SÓDIO O método Europeu mais comum de extracção de carbonato de sódio é a partir de carbonato de amónio (soda Solvay), e deve-se ao químico belga Solvay. O processo baseia-se no facto de que, se se dissolver bicarbonato de amónio com uma solução concentrada de sal comum, o sal amónico dissolve-se e separa-se o bicarbonato de sódio na forma sólida, isto é, é filtrado, seco e calcinado, obtendo-se o carbonato de sódio. Este processo passou a ser rentável a partir do momento em que Solvay conseguiu uma recuperação do amoníaco. Processo Solvay Carbonato de sódio Na prática, uma solução saturada de sal trata-se com amoníaco gasoso (Fig. XI.4); esta dissolução satura-se com dióxido de carbono, permitindo a continuidade da acção; a suspensão resultante de bicarbonato de sódio em solução de cloreto de amónio é filtrada e o bicarbonato de sódio é calcinado, a fim de se obter carbonato de sódio. O cloreto de amónio é tratado com cal apagada (hidróxido de cálcio), permitindo a recuperação do amoníaco. Fig. XI.4 – Processo Solvay para fabricação de carbonato de sódio com amoníaco Não existe grande risco de se perder o amoníaco nesta operação. O cloro, no entanto, não é recuperado. M.T.09 Ut.11 O sulfato de sódio comercial é um produto proveniente do cloreto de sódio por acção do ácido sulfúrico, sendo o ácido clorídrico um subproduto desta reacção. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 8 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica 2Na Cl + H2 SO4 ® 2HCl + Na2 SO4 Para o efeito, usa-se o chamado “forno de Mannheim” (Fig. XI.5). B A E C A . Carga B . Saída de gases C . Descarga D D . Sistema de accionamento E . Refrigeração Fig. XI.5 – Forno Mannheim para produção de sulfato de sódio com ácido clorídrico como subproduto O sulfato de sódio é bastante importante para a fabricação dos seguintes produtos: • • • Papel Detergentes Vidro ÁCIDO CLORÍDRICO • • • • A partir de sal, em fornos; Combustão do cloro obtido por electrólise; Subproduto de cloração de hidrocarbonetos como benzeno e penteno; Cloro e vapor sobre coque a 350°C. M.T.09 Ut.11 O ácido clorídrico pode fabricar-se através dos seguintes processos: Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 9 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica O cloreto de hidrogénio é um gás que, por arrefecimento à temperatura ambiente, não se condensa, sendo necessária a sua dissolução em água. A concentração normal é de 20° Bé a 15,5°C (32,46% de ácido). Por exemplo, pode aproveitar-se o cloreto de hidrogénio proveniente dos fornos de Mannheim para, através de uma conduta de gás coberta com alcatrão, entrar numa caixa, onde deixa a maior parte do ácido sulfúrico que transporta. Passa, posteriormente, por um sistema de refrigeração e, depois, entra em torres de absorção (Fig. XI.6). C 1 2 3 A B A . Caixa B . Refrigerador C . Torres de absorção (1,2,3)– saída de gás tratado Fig. XI.6 – Sistema de absorção de ácido clorídrico O ácido clorídrico é usado como decapante nas instalações de arame de aço ou de chapa, na fabricação de corantes, fenol, plásticos e outras aplicações de menor importância. SAL DE GLAUBER M.T.09 Ut.11 O sal de Glauber é o sulfato de sódio decahidratado, obtido por dissolução do sulfato de sódio em tanques de madeira com agitação e com passagem de vapor para evitar a saturação. A solução é tratada com cal, para tratar o ácido sulfúrico que o sulfato de sódio arrasta e para precipitar os sais de ferro e alumínio. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 10 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica O líquido é, em seguida, sedimentado, passando para os cristalizadores. Quando o sal cristaliza num líquido ácido, obtêm-se cristais incolores; em líquidos neutros produzem-se sais de cor acastanhada, cuja composição qualitativa é a seguinte: • • • • • • Sulfato de sódio hidratado Cloreto de sódio Humidade Sulfato férrico Sulfato de cálcio Ácido livre O sal de Glauber deve a sua importância ao uso tradicional na indústria têxtil. SODA CÁUSTICA E CLORO A soda cáustica ou hidróxido de sódio, é um sólido branco muito solúvel em água. Obtém-se por caustificação do carbonato de sódio com cal e por electrólise do cloreto de sódio em solução aquosa, com produção simultânea de cloro e hidrogénio. A soda cáustica pode-se obter, como atrás se referiu, por meio duma reacção a quente do carbonato de sódio com hidróxido de cálcio, dando hidróxido de cálcio e carbonato de cálcio, através da seguinte reacção: Soda cáustica Na2 CO3 + Ca(OH)2 ® 2Na OH + Ca CO3 O processo electrolítico obtém-se por aplicação de uma corrente eléctrica. Na Fig. XI.7, pode ver-se a célula electroquímica. O ião cloreto forma gás cloro nos ânodos marcados com A e C; o ião hidrogénio forma hidrogénio nos cátodos B e D. Um diafragma separa a salmoura do compartimento anódico do catódico. Na solução, vai-se acumulando hidróxido de sódio que sofre, posteriormente, um processo de purificação. Apresenta-se, na Fig. XI.8, um esquema de uma célula de diafragma tipo Hooker. Seguidamente a esta operação, dá-se uma outra de concentração da solução de soda cáustica. Na célula de mercúrio, o cátodo é de mercúrio e o ânodo de grafite, não existindo diafragma. M.T.09 Ut.11 O ião sódio, ao receber um electrão, passa a metal e dissolve-se de imediato no mercúrio. O cloro liberta-se sob a forma de gás amarelo. Estes dois fenómenos processam-se numa das câmaras da célula. A amálgama de mercúrio com sódio sai da célula, fazendo-a reagir com água existente na câmara, dando origem a hidrogénio e a uma solução de hidróxido de sódio. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 11 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica Fig. XI.7 – Célula electrolítica para electrólise de soluções aquosas de cloreto de sódio Saída do cloro Entrada da salmoura Saída do hidrogénio Tubo de nível Cátodo forrado de amianto Saída de soda Barra anódica Anodos de grafite Fig. XI.8 – Célula Hooker tipo “S-3B” A soda cáustica possui muitas aplicações industriais, como por exemplo: Pasta de papel Metalurgia Refinação do petróleo M.T.09 Ut.11 • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 12 IEFP · ISQ • • • Introdução à Indústria de Química Inorgânica Lixívias e detergentes Têxteis Sabões Como subproduto da soda cáustica, obtém-se cloro e hidrogénio, os quais se podem vender como gases ou produzir ácido clorídrico sintético. O cloro é obtido, principalmente, a partir de electrólise, como subproduto de sódio ou soda cáustica. O armazenamento do cloro consegue-se liquefazendo-o por compressão a 0°C e 18 bar, a -20°C e 5,5 bar ou a -33,5° e a uma pressão ligeiramente superior à atmosférica. O cloro usa-se também como branqueador, quando em reacção com a cal, originando hipoclorito de cálcio. FOSFATOS, FÓSFORO, FERTILIZANTES E SAIS POTÁSSICOS Os fosfatos são, em grande parte, retirados às chamadas “fosforites”. Podem ser beneficiados, também, como fertilizantes. A fosforite converte-se em produtos utilizáveis por dois métodos: • Processo por via húmida, que produz ácido fosfórico impuro, usado para fertilizantes; • Combustão de fósforo elementar para obtenção de ácido fosfórico puro, que se converte em fosfato. No processo de forno eléctrico, existem as seguintes etapas na fabricação de ácido fosfórico: • Preparação da fosforite (com carga à base de óxido de cálcio, sílica, alumínio, fluor, óxido de ferro, etc.); • • • • • Alimentação do forno; Forno de aço onde se produz fósforo elementar; Precipitação num electrofiltro de pó de fósforo; Condensação dos gases de fósforo; Conversão, por via húmida, em ácido fosfórico. Como compostos mais importantes do fósforo, usados como fertilizantes têm-se os seguintes: Fosfato de sódio (por reacção de ácido fosfórico com soda cáustica); Fosfato de cálcio (por reacção do ácido fosfórico com cal hidratada); Tricloreto de fósforo; Pentasulfureto de fósforo. M.T.09 Ut.11 • • • • Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 13 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica Os fosfatos usam-se como fertilizantes, misturando-se com compostos azotados, como nitratos, ureia e outros compostos. Por exemplo, os superfosfatos amónicos possuem na sua constituição um superfosfato (18% P2 O3) com amoníaco. Como fertilizantes, existem ainda muitos outros sais, dos quais se destacam: • Granulado de nitrato de sódio, que é um produto em grão arredondado, obtido por fusão, a partir de sal, para diminuir as características higroscópicas; • Sais de potássio, misturas complexas de sais hidratados, como cloretos, sulfatos, etc. e que são usados como fertilizantes para correcção de solos. EXPLOSIVOS QUÍMICOS A indústria de explosivos ocupa muitos milhares de pessoas na sua fabricação, sendo uma das indústrias mais importantes no mundo. Os explosivos podem classificar-se em: • • Explosivos detonadores Explosivos deflagradores M.T.09 Ut.11 São, em muitos casos, produtos orgânicos, mas, por vezes, são produtos inorgânicos, como no caso da pólvora negra. Muitos dos produtos inorgânicos constituem a carga oxidante necessária para a explosão, como o nitrato de sódio, nitrato de amónio, etc. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 14 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica RESUMO O ácido sulfúrico é um produto de elevada viscosidade, com diversos derivados. É obtido a partir de enxofre, pirites e outros produtos derivados com enxofre. O processo das câmaras de chumbo é o processo mais usado; consiste num reactor de oxidação que utiliza gases nitrosos como catalisadores. No método de contacto, os gases reagentes são activados por um catalisador sólido, onde o dióxido de enxofre passa a óxido sulfúrico. Outro produto importante da Química Inorgânica é o amoníaco, derivado azotado, utilizado na Indústria dos adubos. A maioria dos processos de fabricação usa o ferro activado como catalisador, uma pressão elevada e uma temperatura média. Outro derivado do azoto é o ácido nítrico, obtido a partir da oxidação do amoníaco, e cuja reacção é produzida a uma temperatura entre 800 e 900°C, com um catalisador de metal nobre. Existem ainda outros derivados com azoto, como o nitrato de amónio, a ureia, o ácido cianídrico e o acrilonitrilo. O carbonato de sódio é um sal cuja fabricação foi iniciada por Solvay, no século passado. É obtido por reacção do bicarbonato de amónio com sal comum. A inovação deste processo consistiu na recuperação do amoníaco. O ácido clorídrico produz-se a partir de vários processos, sendo necessário dissolvê-lo em água para o manter estável no estado líquido por forma a poder ser utilizado. O sal de Glauber é o sulfato de sódio decahidratado obtido em cristalizadores, vastamente utilizado na indústria têxtil. A soda cáustica é um sólido que pode ser obtido por vários processos, sendo o mais tradicional a reacção a quente do hidróxido de cálcio com carbonato de sódio. Outro processo utilizado na sua obtenção consiste na electrólise a partir de cloreto de sódio. As aplicações da soda cáustica são muitas e vão desde a pasta de papel aos sabões. Como subprodutos da electrólise do cloreto de sódio existem, ainda, o cloro e o hidrogénio. M.T.09 Ut.11 Outros produtos da indústria da química inorgânica são os fosfatos, fósforo, fertilizantes e sais potássicos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XI . 15 IEFP · ISQ Introdução à Indústria de Química Inorgânica ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Quais os métodos de fabricação de ácido sulfúrico e em que princípio se baseiam? 2. Qual o papel do ácido nítrico no método das câmaras de chumbo? 3. Que princípios básicos são aplicados na fabricação de amoníaco? 4. Que outros produtos inorgânicos azotados conhece, que sejam derivados do ácido nítrico? 5. Descreva o processo Solvay para a fabricação de carbonato de sódio. M.T.09 Ut.11 6. Qual a massa de ácido clorídrico que se pode obter em 710 gr de cloro? Componente Prática Guia do Formando Química Industrial XI . 16 Introdução à Boitecnologia M.T.09 Ut.112 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • • • Analisar o que são reactores bioquímicos; Identificar as funções químicas desejáveis na fermentação; Descrever a constituição de um fermentador; Descrever as características específicas que estas indústrias possuem e que as distinguem das outras indústrias químicas. TEMAS Reactores bioquímicos Esterilização Recuperação de produtos bioquímicos Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 Ut.12 • • • • • Química Industrial Guia do Formando XII . 1 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia REACTORES BIOQUÍMICOS As fermentações comerciais são levadas a efeito em reservatórios pressurizados assépticos. O ar está esterilizado de forma a evitar a contaminação de microrganismos. Contudo, a produção de organismos patogénicos, para fins médicos ou bioquímicos, é feita a baixa pressão, pois a segurança dos operadores é mais importante que a integridade da produção que se pretende efectuar. O tratamento de resíduos biológicos usa culturas específicas de microrganismos, em equipamento aberto. A fermentação distingue, também, os processos nos quais o oxigénio está ausente mas, actualmente, este defeito é extensivo a prorenos aeróbicos. As funções químicas desejáveis na fermentação são: • • • • • • Contactos líquido-gás; Mistura; Transferência de calor; Medição contínua de concentrações; Controlo de espuma; Alimentação de nutrientes ou reagentes como controladores de pH. Apresenta-se, na Fig. XII.1, um fermentador normal na indústria farmacêutica. M.T.09 Ut.12 Fig. XII.1 – Fermentador Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XII . 2 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia Existem bastantes tubos em que os sistemas de cobre ou latão são evitados, devido ao efeito negativo que o cobre tem em muito dos sistemas biológicos. Por exemplo, notou-se existir mais de 50% de redução de rendimento de produção de penicilina num sistema em que existia uma válvula de liga cuprosa, numa linha de alimentação. Podem-se usar permutadores de calor externo como sistemas de arrefecimento para tanques de grande dimensão, em vez de camisas de arrefecimento, devido à velocidade de arrefecimento que estes conseguem obter. Seguem-se alguns aspectos inerentes a um fermentador convencional: • A válvula de “by pass” no sistema de ar deve permitir que não se forme bastante espuma e que o potencial redox não seja demasiado elevado durante a fase inicial de fermentação; • São adicionados antiespumantes, quando este factor é detectado por uma sonda electrónica; • Toda a tubagem é protegida de contaminação, por meio de utilização de vapor • O nível de líquido dentro do fermentador é determinado por pontos de referência; • • O peso da carga é determinado pela medição de pressão hidrostática; As bombas são pouco usadas, pois a movimentação dos fluidos é feita por pressurização de aparelhos processuais, de um lado para o outro. Fig. XII.2 – Fermentadores de ascensão (cilindro concêntrico e cilindro com reciclagem externa) M.T.09 Ut.12 A necessidade de fermentadores com elevada velocidade de transferência de oxigénio, como os de alimentadores por hidrocarbonetos, originou fermentadores de ascensão, como os da Fig. XII.2. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XII . 3 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia O fermentador de maior dimensão no mundo foi projectado para produzir proteínas de células simples a partir de hidrocarbonetos, em Bilingham (Inglaterra). Tem mais de 100m de altura e 10m de diâmetro. Têm sido experimentadas variantes de fermentadores, mas nenhuma se tornou muito popular. Um dos exemplos é o fermentador rotativo (Fig. XII.3), para arejamento do meio. A “perfomance” acabou por se mostrar inadequada, levando à adaptação de sistemas auxiliares de agitação. Fig. XII.3 – Fermentador rotativo Um dos maiores fermentadores para antibióticos é de tipo horizontal, conforme se pode ver na Fig. XII.4. Fig. XII.4 – Fermentador horizontal Muitos tipos de fermentos têm uma velocidade de produção de álcool mais baixa, quando o teor deste atinge 10% e, no caso do vinho, que atinge valores superiores, essa velocidade de produção é bastante baixa. Para tal, pode-se recorrer a sistemas de vácuo que, deste modo, vão extraindo o álcool (a 30°-40°C). Além disso, uma grande parte do dióxido de carbono que se vai formando na fermentação, acaba por sair. M.T.09 Ut.12 A fermentação do etanol é um exemplo prático de acumulação do produto, que inibe a cultura microbiológica. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XII . 4 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia Existem outras alternativas para acelerar a fermentação, como a extracção, com solventes, dos inibidores dessa fermentação. Outra alternativa consiste na produção de células de fermentação fora do sistema, fazendo-as reciclar para dentro do sistema de fermentação. Outro sistema é a imobilização das células activas de fermentação em gel específico (gel de imobilização). A fermentação pode ser combinada com outras operações unitárias. Válvulas e bombas com grande tendência para a contaminação por microorganismos são proibidas em sistemas assépticos. As válvulas de diafragma são, ainda, bastante usadas, mas os ciclos de aquecimento e arrefecimento produzem rotinas que levam à contaminação, imobilizando as cargas em operação. As válvulas esféricas, pelo facto de serem anti-retorno, podem ser usadas com alguma eficiência. Muitas vezes é atribuída a estas válvulas a causa da contaminação, pelo que são projectadas para serem facilmente verificadas pelas manutenções das fábricas, nos próprios locais. Em laboratórios ou em unidades piloto, usam-se muito as bombas peristálticas. A transferência de fluidos, em unidades industriais, é realizada por diferenças de pressão. Toda a tubagem de um fermentador é soprada por vapor durante o período de esterilização, conforme se referiu anteriormente. Outro aspecto a considerar em alguns fermentadores aeróbicos consiste na alimentação de oxigénio que, quando saturado em água, se consome em muito pouco tempo; consegue-se mantê-lo, fazendo uma sopragem contínua e um controlo por eléctrodos específicos. Nas reacções de fermentação, a remoção do CO2 da cor é importante porque, quando em solução, origina carbonato e altera o pH para valores acima de 10. Além disso, um excesso de dióxido de carbono pode originar dificuldades de dissolução de oxigénio. As fermentações tradicionais, como as do álcool, são feitas à custa de microrganismos que criam condições propícias a isso, rejeitando a acção de outros. A levedura, por exemplo, baixa o pH produzindo ácidos a partir de açúcar, sendo a tolerância com o álcool outra vantagem para a sua permanência. No entanto, as fábricas modernas têm técnicas assépticas ou cuidados extremos para evitar a contaminação com produtos estranhos que podem alterar o gosto, textura, aroma ou aparência. Os bioprocessos, como as culturas de tecidos para produção de vacinas, podem ser facilmente contaminados, pois existe abundância de nutrientes e nenhuma protecção específica contra os organismos estranhos. Portanto, existem sistemas considerados relativamente bons antiprotectores e outros que o não são. A natureza e o valor do produto determinam, assim, o nível de precauções e de controlo. M.T.09 Ut.12 ESTERILIZAÇÃO Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XII . 5 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia A esterilização é, pois, um aspecto estatístico, já que os organismos estranhos estão sempre presentes mas não se propagam a uma velocidade extremamente elevada. Uma boa defesa contra a contaminação é relativamente pouco onerosa, enquanto que uma protecção absoluta é extremamente cara. Além disso, a protecção das pessoas que trabalham nestes meios é extremamente dispendiosa, havendo, algumas vezes, notícias de acidentes com mortes. O processo de fermentação mais caro e bem protegido está, algumas vezes, contaminado. Técnicas assépticas e de esterilização são, portanto, essenciais para manter os bioprocessos não contaminados. As formas normais de esterilização são: • • Renovação de microrganismos por filtração; Eliminação dos mesmos com produtos químicos ou calor. A esterilização por filtração segue os caminhos normais duma operação unitária deste tipo, apresentando, contudo, as seguintes diferenças: • O meio filtrante e o filtrado são sujeitos à acção de vapor a uma temperatura e pressão que destrua todos os microrganismos; • • A dimensão das partículas removidas está ao nível do mícron; Os meios filtrantes devem ser resistentes e não degradáveis, através de aquecimentos sucessivos. O ar é esterilizado, na maior parte das vezes, por filtração. A utilização de aquecimento para o efeito foi bem sucedida, mas o equipamento para executar estas operações não é suficientemente fiável quando é de grandes dimensões. A fiabilidade deste equipamento de grandes dimensões tem mais a ver com o sistema de controlo para manter condições ajustadas de funcionamento, do que com a possibilidade de garantir temperaturas elevadas. Além disso, os custos de energia, actualmente, são bastante elevados, o que faz com que a filtração seja uma alternativa promissora. A esterilização de líquidos por filtração é feita desde que se conhecem os filtros de membrana de muito pequena dimensão de poros. Quando o calor danifica os ingredientes dos líquidos, a filtração é o meio adequado. No entanto, a complexidade dos equipamentos faz com que só se utilizem em casos mesmo necessários. Os recipientes terão igualmente de ser, todos eles, previamente esterilizados. Quando os produtos não podem ser aquecidos para se fazer a esterilização, costuma-se realizar primeiro a esterilização, com calor, dos recipientes e a filtração dos produtos. M.T.09 Ut.12 A amplitude do problema de esterilização do ar pode ser analisada através do seguinte exemplo, em que a fermentação é aeróbica. Uma fábrica, com 20 fermentadores de 10 000 litros cada, necessita de 2 milhões de litros de ar para o efeito. São necessários grandes compressores e pelo menos dois terão de Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XII . 6 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia estar em reserva devido a operações de manutenção necessárias. Uma das alternativas que pode ser usada nesta operação consiste na esterilização contínua, em que os tempos de detenção são pequenos, utilizando-se sistemas de tipo permutadores de calor. RECUPERAÇÃO DE PRODUTOS BIOQUÍMICOS Esta fase de fabricação pode ser mais cara e difícil do que a fermentação. Por exemplo, para a unidade de produção de antibióticos, o investimento para a fase de recuperação é quatro vezes maior que o da fermentação. Cerca de 60% dos custos fixos de uma unidade de fermentação de ácidos orgânicos ou aminoácidos são atribuídos à fase de recuperação. O equipamento é idêntico ao de outras fábricas. Outros produtos estão contidos nas células e não são acessíveis ou são-no, apenas parcialmente, através do meio. É possível que, em alguns casos, se possam levar essas células antes de as partir para obter o produto. Esta operação é específica da engenharia bioquímica. Contudo, o equipamento pode ser semelhante ao de outras indústrias. Os moinhos coloidais ou sistemas de corte, como os homogeneizadores usados para fabricação de tintas e outros produtos, são suficientes para quebrar as paredes de vários tipos de células. As células com grande resistência no corte podem ter de passar pelo equipamento várias vezes, mas o calor gerado pode constituir um problema. A energia de ultrasons pode ser usada para esse efeito quando as quantidades são pequenas, mas torna-se impraticável quando as estas são grandes. Recuperação de produtos bioquímicos O lixamento com areia ou leitos específicos, bombeamento através de orifícios pequenos com alta pressão, ciclagem térmica com arrefecimento a baixa temperatura, etc. são vários dos métodos usados para quebrar as células. Seguem-se as operações de extracção propriamente ditas. É possível, em muitos casos, prosseguir directamente com permuta iónica. Pode-se considerar, também, a centrifugação com filtros rotativos. A extracção com solvente, ou a permuta iónica, é um dos processos ideais para recuperação dos produtos, devido à boa selectividade, à elevada produtividade e à razoabilidade dos custos. Estas e outras etapas de purificação podem ser afectadas por modificações na fermentação. Por exemplo, a adição de excesso de lípidos ou antiespumantes na fermentação pode originar problemas de emulsão em extracção com solventes ou impedir a permuta iónica, porque a superfície de resina fica coberta com esses produtos. M.T.09 Ut.12 A estabilidade dos produtos bioquímicos também pode ser perturbada. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XII . 7 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia A mistura de penicilina em fermentação é acidificada mesmo antes da extracção com solventes de extracção (ésteres, acetona, hidrocarbonetos halogenados), pois o pH baixo destrói, com alguma rapidez, quando em solução aquosa (extracção de retorno para solução aquosa com um pH de 7,5 a 8, em que o bicabornato serve de regularizador). M.T.09 Ut.12 Outro processo de extracção é a centrifugação, bem como a adsorção em carvão, que é usada, por exemplo, para a remoção de impurezas. Ainda outro processo bastante usado para o isolamento é a cromatografia. Na prática, qualquer substância pode ser separada a purificada através de colunas cromatográficas. No entanto, este sistema só se aplica a pequenas quantidades. A cristalização é o processo de formação e purificação do produto final. Podem-se obter, assim, cristais de antibiótico de elevada pureza a partir da matéria-prima corada, ou, ainda, soluções relativamente impuras, se o bolo for uniforme e susceptível de lavagem, o que retirará a água-mãe. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XII . 8 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia RESUMO Um dos aspectos relacionados com a Biotecnologia é a produção de materiais orgânicos biológicos, usados na Indústria Farmacêutica, a qual é denominada, muitas vezes, Química Fina. A produção de organismos patológicos põe problemas acrescidos relacionados com a segurança das pessoas, como o do rendimento das reacções, o qual pode ser afectado pelo meio ambiente. O reactor característico da biotecnologia é o fermentador onde se processam as transformações químicas. Os componentes em cobre são evitados, porque têm uma fraca resistência à corrosão. A transferência de fluidos é feita por pressurização, de modo a evitar “acidentes” susceptíveis de provocar contaminação; do mesmo modo, as válvulas são evitadas, sendo condição necessária para a sua utilização o serem facilmente desmontáveis em operações de manutenção simples. A esterilização é a operação que se associa às reacções de biotecnologia para aumentar o rendimento das transformações; pode ser feita por vários processos, sendo a filtração o mais comum. M.T.09 Ut.12 Outra operação associada à biotecnologia é a recuperação dos produtos bioquímicos, sendo o investimento cerca de quatro vezes superior ao da fase de fermentação, como, por exemplo, para uma unidade de produção de antibióticos. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial XII . 9 IEFP · ISQ Introdução à Biotecnologia ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Defina o que é uma fermentação e explique em que moldes se processa. 2. Descreva resumidamente o que é um fermentador. 3. Por que razão se deve evitar o uso de bombas ou outros “acidentes”, em instalações bioquímicas? M.T.09 Ut.12 4. De que modo se processa a esterilização? Componente Prática Guia do Formando Química Industrial XII . 10 Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões M.T.09 An.01 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões OBJECTIVOS No final desta unidade temática, o formando deverá estar apto a: • • • Distinguir os vários sistemas de unidades; Transformar unidades de uns sistemas para os outros; Interpretar a homogeneidade de uma equação. TEMAS Unidades e dimensões Conceito de mole Densidade Peso específico Volume específico Fracção molar Unidades de concentração Temperatura Pressão Resumo Actividades / Avaliação M.T.09 An.01 • • • • • • • • • • • Química Industrial Guia do Formando AI . 1 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões UNIDADES E DIMENSÕES O uso de unidades ou dimensões, juntamente com os números nos seus cálculos, requer grande atenção. O uso apropriado das dimensões na resolução de problemas não é apenas adequado do ponto de vista lógico, mas deve ser, também, de utilidade, ao conduzir o interessado ao longo do caminho correcto da análise, desde os dados disponíveis até à solução. Dimensões são conceitos básicos de medida, tais como: comprimento, tempo, massa, temperatura, etc. Unidades são os meios de se expressarem dimensões, tais como, pés ou centímetros, para comprimento, ou horas e segundos, para tempo. As unidades são associadas a algumas grandezas que se tenham considerado, anteriormente, como adimensionais. Um bom exemplo é o peso molecular, que consiste na massa de uma substância, por mole da mesma. Este método de colocação de unidades em todos os números que não são, fundamentalmente, adimensionais tem os seguintes benefícios práticos: a) Diminui a possibilidade de inversão, por descuido, em qualquer parte do cálculo; b) Reduz, em muitos casos, o cálculo a simples factores, facilmente manipulados numa calculadora; c) Reduz os cálculos intermediários e reduz consideravelmente o tempo de resolução dos problemas; d) Permite uma abordagem lógica do problema, ao contrário da memorização de uma fórmula e da inserção de números na mesma; e) Demonstra o significado físico dos números que se usam. Qualquer pessoa sabe que, ao se adicionar bananas a laranjas, se obtém salada de frutas. A regra para o trabalho com as unidades é bastante simples; basta tratar as unidades como se fossem símbolos algébricos (somar, subtrair ou equacionar unidades equivalentes, tais como, libras, watts etc.). Porém, tal não pode ser feito com unidades não-equivalentes. Considere-se a seguinte operação: 5 Kg. + 3 calorias (I.1) Esta não tem qualquer significado, pois as dimensões dos dois termos são diferentes. Considere-se, agora, a seguinte operação numérica: 10 libras + 5 gramas (I.2) M.T.09 An.01 Esta ser executada (as dimensões são as mesmas, isto é, massa) apenas após as unidades serem transformadas na sua equivalência, quer sejam libras, gramas, onças, ou qualquer outra. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 2 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões Na multiplicação ou divisão, podemos multiplicar ou dividir unidades diferentes, tais como, 10 cm : 4 segundos = 2,5 cm/s, mas não se podem anular essas unidades. As unidades contêm uma significativa quantidade de informação que não pode ser ignorada. Servem, por exemplo, como guias na eficiente resolução de problemas, como se poderá ver adiante. Exemplo AI.1 Se um avião voa a uma velocidade duas vezes superior à do som (considerando-se a velocidade do som como 1 100 ft/s), qual será a sua velocidade em milhas por hora? 1 milha = 5 280 ft vel. = 2 x 1 100 ft/s x 3 600 s/h /5 280 ft/mi = 1 500 mi/h Neste exemplo, é usada a chamada “equação dimensional”, que contém unidades e números. A velocidade inicial, 2 200 ft/s, é multiplicada por factores (chamados “factores de conversão”) de valores equivalentes de combinações de tempo, distância, e assim por diante, até se chegar à resposta final desejada. Os factores usados são valores simples, bem conhecidos, e, portanto, a própria conversão é simples. Claro que é possível trabalhar-se com factores de conversão, o que reduzirá o tempo de cálculo; por exemplo, no exercício de aplicação, poder-se-á usar o factor de conversão de 60 mi/h que é igual a 88 ft/s. No entanto, é mais fácil usar valores já conhecidos do que procurar esses factores de conversão num manual. Em qualquer ponto da equação dimensional, pode-se determinar as unidades consolidadas e ver quais as conversões que ainda são necessárias. Os padrões dimensionais não foram, substancialmente, revistos, até ao século XIX. Quando as colónias americanas se separaram de Inglaterra, retiveram, entre outras coisas, os pesos e medidas então em uso. É provável que, naquela época, esses fossem os pesos e medidas mais usados e firmemente estabelecidos no mundo. Essa falta de uniformidade levou a Assembleia Nacional de França, durante a Revolução Francesa, a criar um decreto (8 de Maio de 1790), o qual determinava à Academia Francesa de Ciências a sua actuação junto da Sociedade Real de M.T.09 An.01 Não havia tal uniformidade em pesos e medidas, no continente europeu. Os pesos e medidas não só diferiam de país para país, mas também de cidade para cidade e de mercador para mercador. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 3 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões Londres com o objectivo de “estabelecer um padrão invariável para todas as medidas e todos os pesos”. Tendo já um sistema adequado de pesos e medidas, os ingleses não participaram desta tentativa de normalização francesa. O resultado do esforço francês levou ao que é hoje conhecido como “sistema métrico”. O sistema métrico tornou-se o preferido dos cientistas do século XIX, em parte porque este sistema pretendia ser um sistema internacional de medidas, e, também, porque as unidades de medida eram teoricamente tidas como reprodutíveis de modo independente, e, ainda, devido à simplicidade da natureza decimal. Esses cientistas criaram novas unidades para os novos fenómenos físicos observados, baseando-as em leis fundamentais da física e relacionando-as com as unidades de massa e comprimento do sistema métrico. Os americanos e britânicos adoptaram o seu sistema de medidas às exigências da nova tecnologia, ao longo do tempo, para actividades comerciais e científicas, apesar do facto de os outros países, um após outro, passarem a adoptar o sistema métrico. Problemas das especificações das unidades para electricidade e magnetismo levaram a numerosas conferências internacionais que culminaram, em 1960, na 11.ª Conferência Geral sobre Pesos e Medidas e na adopção do sistema SI de unidades (Sistema Internacional). Até ao momento presente os Estados Unidos, são o único país desenvolvido do mundo que não emprega, ou não está envolvido, na transformação das suas medidas para unidades SI. As Tabelas AI.1 e AI.2 apresentam os sistemas de unidades mais comuns usados em engenharia, nas últimas décadas. Note-se que todos os sistemas SI, cgs, fps (inglês absoluto) e os sistemas de engenharia ingleses apresentam três unidades básicas, sendo a quarta derivada destas últimas. Comprimento Sistemas Absolutos (Dinâmicos) Cgs centímetro pé Fps (ft-lb-s ou sistema inglês absoluto) metro SI Sistemas Gravitacionais pé Sistema prático inglês Sistema prático americano pé Tempo Massa Sistemas de Unidade Força Energia Temperatura ºK, ºC segundo grama dina* segundo libra poundal* e rg , jo ule , ou caloria ft poundal segundo quilograma newton* joule* K, ºC segundo slug* libra-peso Btu (ft) (lb) (ft) (lbf) ºR, ºF segundo, hora libra-massa (lbm) libra-massa (lbf) Btu ou (hp) (h) ºR, ºF ºR, ºF * Unidade derivada de unidades básicas; todas as unidades de energia são derivadas M.T.09 An.01 Tabela AI.1 – Sistemas de Unidades mais comuns Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 4 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões Muitas das unidades do sistema SI receberam nomes especiais (ver Tab. AI.2), homenageando físicos e recebendo os símbolos correspondentes. Grandeza física Comprimento Massa Tempo Temperatura termodinâmica Quantidade de substância Nome da unidade Símbolo para a unidade* metro quilograma segundo m kg s grau kelvin K mol mol Unidades SI derivadas Grandeza física Energia Força Potência Frenquência Área Volume Densidade Velocidade Velocidade angular Aceleração Pressão Calor específico Nome de unidade Símbolo para a unidade* joule newton watt hertz metro quadrado metro cúbico quilograma por metro cúbico metro por segundo radiano por segundo metro por segundo ao quadrado newton por metro quadrado pascal joule por (quilograma kelvin) J N W Hz Definição de unidade kg. m2.s-2 kg. m2.s-2 J. m-1 kg. m2.s-3 J. s-1 ciclo/s m2 m3 kg. m-3 m. s-1 rad. s-1 m. s-2 N. m-1. Pa J. kg-1. K-1 Unidades alternativas Grandeza física Tempo Temperatura Volume Massa Pressão Unidade permissível Símbolo para a unidade minuto hora dia ano grau Celsius litro (dm3) tonelada (Mg) grama bar (105 Pa) min h d a ºC l t g bar * Os simbolos para as unidades não vão para o plural, porem o plural é usado para os nomes não-aberviados M.T.09 An.01 Tabela AI.2 – Unidades do Sistema Internacional, SI Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 5 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões A unidade de força, por exemplo, tem os símbolos kg.m.s-2; por conveniência para esta combinação, foi dado o nome NEWTON e o símbolo N. Do mesmo modo, a unidade de energia é o newton.metro. N.m«»m2.Kg.s-2 (I.3) Tem o nome de JOULE e o símbolo J. A unidade de potência é o watt, definido como um joule por segundo. Apenas o sistema inglês tem quatro unidades basicamente definidas. Consequentemente, para que as unidades fiquem correctas, o sistema inglês obriga a usar um factor de conversão, gc, uma constante, cujo valor numérico não é a unidade. Pode-se usar a lei de Newton para ver qual a situação em relação à conversão de unidades: F = Cma (I.4) As siglas têm a seguinte correspondência: F – força m – massa a – aceleração C – constante, cujo valor depende das unidades que forem unidades que forem seleccionadas para F,m e a. No sistema CGS, a unidade de força é o din; fazendo C = 1 din/g.cm/s2 F = 1 din/(g.cm/s2)/1g/(1cm/s2) = 1din (I.5) No sistema SI, a Força é definida por Newton(N) e o valor de C = 1N/Kg.m/s2 F = 1N/(Kg.m/m2)/1Kg/(1m/s2) = 1 (I.6) No sistema inglês, os valores numéricos da força e da massa devem ser, essencialmente, os mesmos, na superfície terrestre. Portanto, se uma massa de 1 lbm é acelerada a g ft/s2, onde g é a aceleração da gravidade (cerca de 32,2 ft/s2, dependendo da localização da massa), podemos fazer com que a força seja 1 lbm, através da escolha do valor numérico e das unidades adequadas para C. M.T.09 An.01 Foi escolhido um valor de 1/32,174 para a constante, porque 32,174 é o valor da aceleração média da gravidade (g) ao nível do mar, a uma latitude de 45º, quando g é expresso em ft/s2. A aceleração da gravidade, sofre uma pequena variação de lugar para lugar, na superfície da terra, e varia consideravelmente quando o observador se afasta da superfície, como num foguete. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 6 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões Com esta selecção de unidades e com o número 32,174, sendo usado no denominador do factor de conversão, ao inverso de C, é dado o símbolo gc: gc = 32,174.(ft.lbm)/(s2.lbf) (I.7) A divisão por gc dá exactamente o mesmo resultado que a multiplicação por C na lei de Newton. Pode-se ver, portanto, que o sistema inglês permite ter o valor numérico de uma libra-massa igual ao de uma libra-força, caso o valor numérico da razão g/gc seja igual a 1, como ocorre na maioria dos casos. Do mesmo modo, 1 lb-massa também pesa, geralmente, 1 lb (peso é a força requerida para manter a massa em repouso). Deve-se prestar atenção para o facto destas duas grandezas, g e gc, não serem as mesmas. Note-se também que a libra (massa) e a libra (força) não são as mesmas unidades no sistema de engenharia inglês, embora se fale de libras para expressar força, peso ou massa. Além disso, se um satélite com a massa 1 lb (massa), “pesando” 1 lb (força) na superfície terrestre, for elevado a uma altura de 50 milhas, não “pesará” 1 lb (força), embora a sua massa ainda seja 1 lb (massa). Resumindo, a confusão em relação à palavra peso é a seguinte: peso significa, rigorosamente, força de gravidade. Por outro lado, em linguagem comum, a maioria das pessoas, incluindo engenheiros e cientistas, omite as designações “força” ou “massa” associadas a libra ou quilograma; porém, o significado pode ser depreendido do contexto e ninguém fica confuso pelo facto de um homem com 6 pés de altura ter apenas 2 pés. Do mesmo modo se interpreta a afirmação de que uma garrafa “pesa” 5 kg como significando que a garrafa tem uma massa de 5 kg, sendo atraída à superfície terrestre por uma força igual a: (5Kg.9,8m/s2) = 49(kg)(m)(s-2) se g = 9.8m/s2 (I.8) Numa balança de molas em equilíbrio, a força da mola que empurra uma massa para cima iguala a força da gravidade para baixo, de modo a que o “peso” de uma massa possa ser determinado. Uma das melhores características do sistema SI é a de as unidades, seus múltiplos e submúltiplos estarem relacionados por factores-padrão designados pelos prefixos indicados na Tab. AI.3. Factor Prefixo Símbolo Factor Prefixo Símbolo 1016 1015 1012 109 106 103 102 101 exa penta tera giga mega quilo hecto* deca* E P T G M k h da 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 10-15 10-18 deci* centi* mili micro nano pico femto atto d c m µ n p f a Unidades, múltiplos e submúltiplos * Uso não recomendado, excepto na medição de áreas e volumes. M.T.09 An.01 Tab. AI.3 – Prefixos do SI Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 7 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões Deve-se evitar o uso de prefixos em denominadores (à excepção de kg). Não se devem usar prefixos duplos; quer dizer, deve-se usar manómetro e não milimicrómetro. O uso destes prefixos leva a algumas curiosas combinações de sons , tais como, “nanonewton”. Também pode ocorrer uma certa confusão, porque o prefixo M pode ser confundido com m, bem como M = 1 000 derivado do número mil. Quando uma unidade composta é formada pela multiplicação de duas ou mais unidades, o seu símbolo consiste nos símbolos das unidades individuais unidos por um ponto (por ex.: N.m, para Newton metro). O ponto pode ser omitido no caso de unidades mais comuns, como watt-hora (símbolo Wh), caso isto não cause confusão, ou no caso em que os símbolos são separados por expoentes, como em N.m. Não devem ser usados hífenes em símbolos para as unidades compostas. Nos símbolos das unidades podem ser usados expoentes positivos e negativos. Se uma unidade composta é formada pela divisão de uma unidade pela outra, o seu símbolo será constituído pelas unidades separadas, seja por uma barra ou multiplicadas, usando-se potências negativas (por ex.: por segundo). Note-se que, no sistema SI, os símbolos não são abreviações. Um símbolo como dm deve ser considerado como um todo. Quando são usados prefixos com símbolos elevados a uma potência, o prefixo também é elevado à mesma potência. Também podem ser usadas considerações dimensionais, como ajuda na identificação das dimensões de termos e quantidades numa equação. As equações devem ser dimensionalmente coerentes; quer dizer, cada termo numa equação deve possuir as mesmas unidades e dimensões que qualquer outro termo adicionado ou subtraído. CONCEITO DE MOLE Mole, molegrama Pode-se, portanto, usar para evitar a confusão que poderia ocorrer com 103 g mol (ou l kg mol) ou com a libra-mol (abreviada lb mol), do sistema inglês, que tem 6,023 x10 23 moléculas. Assim sendo, uma libra-mol de uma substância contém mais massa que uma mole-grama da mesma substância. M.T.09 An.01 Um mole consiste num certo número de moléculas, átomos, electrões ou outros tipos especificados de partículas. Em particular, o Comité Internacional de Pesos e Medidas, em 1969, aprovou o mole (símbolo mol no sistema SI) como sendo a quantidade de substância que contém um número de entidades elementares igual ao número de átomos em 0,012 kg de carbono 12. Deste modo, no sistema SI, o mole contém um diferente número de moléculas em relação ao sistema prático inglês. No sistema SI, um mol contém 6,023 x10 23 moléculas; chamar-se-á a esta quantidade “mole-grama” (símbolo g mol), para evitar confusão, embora, no sistema de unidades SI, a designação oficial seja simplesmente mole. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 8 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões Apresenta-se a seguir outra abordagem para o entendimento da unidade mole. Para converter o número de moles em massa, utiliza-se o peso molecular: mole-grama=massa em gr/peso molecular (I.9) lb mol=massa em lb/peso molecular (I.10) Além disso, não há motivo que impeça efectuar cálculos em termos de toneladas de moles, quilogramas de moles, ou quaisquer outras unidades, tendo em conta, é certo, os cuidados necessários. Caso se encontre uma unidade como quilomole (kmol) sem uma especificação de massa associada, deve-se considerar o sistema SI (103 g mol ou 1 kg mol). DENSIDADE Densidade é a razão de massa por unidade de volume, por exemplo: Kg/m3 ou lb/ft3. Possui um valor numérico e unidades; para determinar a densidade de uma substância, deve-se saber o seu volume e a sua massa ou peso. Se a substância é um sólido, um método usual para determinação do seu volume é através do deslocamento de uma quantidade medida de líquido inerte. Por exemplo, um peso conhecido de um material pode ser colocado num recipiente de um líquido de peso e volume conhecidos, podendo ser determinados o peso e volume finais da combinação. A densidade (ou peso específico) de um líquido é vulgarmente medida com um picnómetro (peso e volume conhecidos são colocados no líquido, sendo registada a profundidade de penetração deste material no líquido) ou por uma balança Westphal (o peso conhecido de uma peça é comparado, no líquido desconhecido, em relação à água). As densidades de gases são bastante difíceis de ser determinadas; a balança de Edwards é um método que compara o peso de um bolbo cheio de ar com o peso do mesmo bolbo contendo o gás a ser determinado. PESO ESPECÍFICO Para líquidos e sólidos, a substância referência é, normalmente, a água. Deste modo, o peso específico é a razão da densidade da substância em questão, em relação à densidade da água. O peso específico de gases é, frequentemente, referido ao ar, porém, pode ser referido a outros gases. M.T.09 An.01 O peso específico é vulgarmente considerado como uma razão adimensional. Na realidade, deve ser considerado como a razão de duas densidades, da substância em estudo, em relação à de uma substância referência. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 9 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões VOLUME ESPECÍFICO O volume específico de qualquer composto é o inverso da densidade, isto é, o volume por unidade de massa ou unidade de quantidade de material. As unidades de volume específico podem ser, por exemplo, m3/Kg. Volume específico FRACÇÃO MOLAR E FRACÇÃO DE PESO A fracção molar é, simplesmente, o número de moles de uma certa substância dividido pelo número total de moles presentes. Esta definição é válida para gases, líquidos e sólidos. Do mesmo modo, a fracção de peso é o peso da substância, dividido pelo peso total de Fracção molar todas as substâncias presentes. Matematicamente, estas ideias podem ser expressas como: fracção molar de A = moles de A/moles totais (I.11) fracção de peso de A = peso de A/peso total (I.12) Percentagem molar e percentagem em peso são as respectivas fracções, multiplicadas por 100. UNIDADES DE CONCENTRAÇÃO Concentração é a quantidade de um certo soluto numa quantidade fixa de solvente ou solução, misturado com dois ou mais componentes, por exemplo: a) Peso por unidade de volume (Kg de soluto por m3); b) Moles por unidade de volume (mole-grama de soluto por cm3); c) Partes por milhão – uma unidade utilizada para se expressar a concentração de soluções extremamente diluídas; ppm é equivalente a uma fracção de peso para sólidos e líquidos, porque a quantidade total de material é muito maior do que a quantidade de soluto, consistindo, essencialmente, numa fracção molar para gases; d) Outras unidades de concentração que se devem conhecer bem são molaridade (mol/litro), normalidade (equivalentes/litro) e molalidade (mol/kg de solvente). Concentração M.T.09 An.01 Um exemplo típico do uso destas medidas de concentração é o conjunto de normas através das quais a Agência de Protecção do Meio Ambiente dos Estados Unidos (EPA) definiu os níveis extremos a partir dos quais os quatro poluentes do ar mais comuns poderão prejudicar os indivíduos ao longo do tempo. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 10 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões É importante lembrar que, numa solução ideal, como em gases ou numa mistura simples de hidrocarbonetos líquidos ou de compostos com a mesma natureza química, os volumes dos componentes podem ser adicionados, sem grande erro, para dar o volume total da mistura. Esta regra não é válida para as chamadas misturas não-ideais, quando o volume total da mistura pode ser maior que a soma dos volumes dos componentes puros. TEMPERATURA Provavelmente, a origem do conceito de temperatura vem da nossa sensibilidade física ao calor e ao frio. Tentativas no sentido de uma melhor especificação levaram à ideia de uma escala de temperatura e ao termómetro, aparelho que mede o quanto um certo material está frio ou quente. Toda a gente conhece o termómetro usado nos laboratórios, com mercúrio selado no interior de um tubo de vidro, ou o termómetro a álcool, usado na medição de temperaturas externas. Embora não seja objectivo deste anexo discutir em pormenor os diversos métodos de temperatura, podem-se indicar algumas das técnicas mais comuns, com as quais talvez se esteja familiarizado: a) A voltagem produzida por uma junção de dois condutores diferentes sofre alteração com a temperatura, sendo usada como medida de temperatura (o termopar); b) A propriedade de variação da resistência eléctrica com a temperatura é registada num aparelho conhecido por termistor; c) Duas lâminas finas de metal, unidas numa extremidade, expandem-se a velocidades diferentes com a variação da temperatura. Estas lâminas participam do controlo do escoamento de água no radiador de um automóvel e na operação de condicionadores de ar e sistemas de aquecimento; d) Altas temperaturas podem ser medidas por pirómetros, que detectam a energia radiante que emana de um corpo quente. PRESSÃO Medição de pressão M.T.09 An.01 Tal como a temperatura, a pressão pode ser expressa em escalas absolutas e relativas. A pressão pode ser definida como a força por unidade de área. A Fig. AI.1 mostra uma coluna de mercúrio sustentada por uma placa selante. Supondo que a coluna de mercúrio tem uma altura de 50 cm e 1 cm2 de área, como o peso específico do mercúrio é de 13,55 g/cm3 a 20°C, o valor da força é de 6,64N. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 11 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões Vácuo Hg 50 cm Placa selante Fig. AI.1 – Medição de pressão O tipo de instrumento usado para a medição de pressão determina se a medida é absoluta ou relativa. Por exemplo, um manómetro aberto numa das extremidades (Fig. AI.2) mede a pressão relativa, visto que essa extremidade está aberta para a atmosfera. Ar Dh = 11,0 in Hg N2 Fig. AI.2 – Manómetro aberto numa das extremidades medindo a pressão relativa acima da atmosférica No caso de uma das extremidades estar fechada (Fig. AI.3), há a criação de vácuo num dos extremos, medindo-se, então, a pressão absoluta. M.T.09 An.01 Se, por exemplo, a medição for feita como se mostra na Fig. AI.4, o aparelho dará a pressão atmosférica e chamar-se-á barómetro. Ao valor de pressão medido chama-se pressão barométrica. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 12 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões Vácuo Dh = 40,10 cm Hg N2 Fig. AI.3 – Manómetro de pressão absoluta Vácuo Dh Fig. AI.4 – Barómetro de mercúrio Existem, à semelhança dos sistemas de medição de temperatura, outros sistemas como os de tipo Bourdon e de diafragma. Apresentam-se, na Fig. AI.5, os domínios de aplicação dos instrumentos medidores de pressão. M.T.09 An.01 Cabe ainda uma referência à medição de pressão abaixo da atmosférica ou vácuo. Quando se refere que um dado recipiente tem uma pressão de vácuo de 100 mm Hg, isso significa que se tem uma depressão em relação à pressão atmosférica de 100 mm de mercúrio; também se pode referir que a pressão é de -100 mm Hg. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 13 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões mmHg Atm 103 102 1 0,1 10 0,01 1 0,001 Sensor capacitivo 10 Barómetro 104 Manómetro de mercúrio 100 Diafragma metálico 105 Manómetro Bourdon C Pressão absoluta 106 1 000 M.T.09 An.01 Fig. AI.5 – Domínios de aplicação dos instrumentos medidores de pressão Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 14 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões RESUMO As unidades e dimensões são a base para os cálculos de Engenharia, em especial, de Engenharia Química. A utilização de unidades e dimensões obriga a que haja alguma coerência de modo que, o resultado de um cálculo de Engenharia, possa ter validade. Até ao século XIX, não existia uniformidade nas unidades, sendo o sistema métrico o que maior disseminação teve no século XX. Com excepção dos EUA, todos os países adoptam, actualmente, o SI, ou sistema internacional. Ainda hoje, dentro dos sistemas métricos, o CGS é bastante usado, embora o SI tenda a ser usado mais universalmente. O mole é a unidade que define a quantidade de substância que contém um número de entidades elementares igual ao número de átomos em 0,012 Kg de carbono. A densidade é a razão da massa por unidade de volume e expressa-se, por exemplo, em Kg/m3. O peso específico é uma razão adimensional entre a massa de determinado volume e o mesmo volume de uma substância de referência. O volume específico é o inverso do peso específico. Define-se fracção molar como a razão do número de moles de uma dada substância e número de moles total. A concentração define-se em várias unidades e consiste na quantidade de um certo soluto, numa dada quantidade fixa. A temperatura é um conceito que define o quão frio ou quente um dado material se encontra. Existem vários métodos de medir a temperatura. M.T.09 An.01 A pressão é definida como a força por unidade de área e pode ser medida por manómetros. Os manómetros de referência são, normalmente, de mercúrio. Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AI . 15 IEFP · ISQ Anexo I - Introdução às Unidades e Dimensões ACTIVIDADES / AVALIAÇÃO 1. Converta 25 gal/h em l/s. 2. No sistema SI, o peso de homem de 180 lb, na superfície terrestre, é de: (a) 801 N (b) 81,7 Kg (c) nenhum destes valores (d) ambos os valores 3. Qual o peso molecular da água? 4. Quantos moles, ou moles grama, existem em 180 gramas de água? 5. Qual a densidade da água à temperatura ambiente? 6. Numa mistura de metano, etano e propano líquidos existem as seguintes percentagens ponderais (em peso): metano 20% etano 40% propano 40% Calcular, para esta mistura, o seguinte: (a) as fracções em peso (b) as fracções molares (c) as percentagens molares (d) o peso molecular médio Quais são os pontos de referência das escalas Celsius e Fahrenheit? 8. Converta 100 mm Hg em bar e psi. M.T.09 An.01 7. Componente Prática Guia do Formando Química Industrial AI . 16 Anexo II - Peneiração e Peneiros M.T.09 An.02 IEFP · ISQ Química Industrial Guia do Formando IEFP · ISQ Anexo II - Peneiração e Peneiros PENEIRAÇÃO E PENEIROS A peneiração consiste em determinar as dimensões dos peneiros e a potência a instalar, em função do peso a peneirar por hora. As malhas podem ser definidas segundo três normas principais, alemãs e americanas. Número Malhas por cm2 Abertura da malha em mm Diâmetro do fio em mm 4 5 6 8 16 25 36 64 1,50 1,20 1,02 0,75 1 0,80 0,65 0,60 10 11 12 14 100 121 144 196 0,60 0,54 0,49 0,43 0,40 0,37 0,34 0,28 16 20 24 30 256 400 576 900 0,385 0,300 0,250 0,200 0,24 0,20 0,17 0,13 40 50 1 600 2 500 0,150 0,120 0,10 0,08 Tab. AII.1 – Peneiros segundo norma alemã (DIN) Malhas por poleg. Dimensão da abertura (poleg) Diâmetro do fio (poleg) 3 4 6 8 10 14 20 28 35 48 65 100 150 200 1,050 0,742 0,525 0,371 0,263 0,185 0,131 0,093 0,065 0,046 0,0328 0,0232 0,0164 0,0116 0,0082 0,0058 0,0041 0,0029 0,149 0,135 0,105 0,092 0,070 0,065 0,036 0,032 0,035 0,025 0,0172 0,0125 0,0122 0,0092 0,0072 0,0042 0,0026 0,0021 M.T.09 An.02 Tab. AII.2 – Peneiros de W.S. Tyler Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AII . 1 IEFP · ISQ Anexo II - Peneiração e Peneiros Para que as partículas passem através do peneiro, é necessário que estas não toquem nos fios da rede, tendo de ser ter em conta que as mesmas caem dentro das malhas e não nos fios. Esta possibilidade, ou probabilidade, calcula-se, usando funções matemáticas específicas não detalhadas no âmbito desta publicação. Um dos outros aspectos que interessa salientar na medição granulométrica é a possibilidade de as partículas se dividirem em: • • diferencial cumulativa M.T.09 An.02 A composição granulométrica diferencial indica a função de partículas que fica retida entre dois peneiros sucessivos. No caso de composição granulométrica Componente Científico-Tecnológica Guia do Formando Química Industrial AII . 2 IEFP · ISQ Bibliografia BIBLIOGRAFIA ALVES, Manuel dos Santos, Prontuário da Língua Portuguesa, 2ª Edição, Universitária Editora, Lisboa, 1993. BERGSTRÖM, Magnus e REIS, Neves, Prontuário Ortográfico e Guia da Língua Portuguesa, 25ª Edição, Editorial Notícias, Lisboa, 1993. COSTA, J. Almeida e MELO, A. Sampaio, Dicionário da Língua Portuguesa, 7ª Edição, Porto Editora, Porto, 1994. COSTA, Maria Rosa, A Pontuação, Porto Editora, Porto,1991. CUNHA, Celso e CINTRA, Luís F. Lindley, Breve Gramática do Português Comtemporâneo, Edições Cosmos, Lisboa, 1985. 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