Fundamentos e Processos Industriais: Uma Visão Abrangente

Quatro principais períodos marcantes da evolução industrial no Brasil:

• Proibição (de 1500 a 1808): Havia pequenas indústrias (sapatos, têxtil, fiação, etc.) produzindo para o consumo interno.
• Implantação (de 1808 a 1930): Houve uma forte concorrência dos produtos nacionais com os produtos ingleses.
• Revolução Industrial Brasileira (1930 a 1956): Teve início a 2ª Guerra Mundial e o Brasil não conseguia importar/exportar matéria-prima e equipamentos.
• Internacionalização da Economia (após 1956): Houve o crescimento de indústrias.

Tipos de Bens Industriais

As indústrias podem ser classificadas de acordo com os bens que produzem:

• Bens de Consumo Duráveis: Produzem mercadorias que não são trocadas com frequência, como automóveis e eletrodomésticos.
• Bens de Consumo Não Duráveis: Produzem mercadorias de necessidade primária e de rápida reposição, como alimentos, roupas, sapatos, etc.
• Indústrias de Bens de Produção: Transformam os recursos extraídos da natureza em matérias-primas que serão utilizadas por outras indústrias. Exemplos: siderúrgicas e metalúrgicas.
• Indústrias de Bens de Consumo: São responsáveis pela transformação de bens que serão comercializados, como sapatos, roupas, eletrodomésticos, automóveis, alimentos e outros.

O Processo Industrial

O processo industrial consiste na aplicação de princípios físicos, químicos e físico-químicos para a transformação das matérias-primas em produtos, através de mão de obra, equipamentos e energia. Envolvem modificações da composição química, que incluem certas alterações físicas no material que está sendo preparado.

Conceitos Fundamentais

• Operações Unitárias ou Físicas: Ocorrem quando não há alteração na constituição atômica do material.
• Equilíbrio: É a condição em que a taxa de troca de certas grandezas é igual a zero.
• Força Motriz: É a diferença entre a condição de equilíbrio e a condição existente em um sistema.

Fases da Produção em Escala Industrial

A produção em escala industrial, normalmente, envolve três fases:

1. Desenvolvimento em Escala de Laboratório: Estudo detalhado das reações químicas, rendimentos e outros aspectos.
2. Desenvolvimento do Produto em Escala Piloto: Permite reproduzir o comportamento dos equipamentos utilizados.
3. Desenvolvimento do Projeto e Estudo da Viabilidade: Implantação do processo em escala industrial.

Rendimento e Conversão

• Rendimento de uma reação é a relação entre a quantidade real de produto obtido em condições definidas e a quantidade teórica esperada de formação.
• Processo Químico para Elevar a Taxa de Conversão:
  • Utilização de catalisador;
  • Diminuição da temperatura;
  • Aumento das pressões;
  • Remoção do NH3 formado.

Tipos de Processos

• Processo Contínuo: Consiste no fluxo constante de matéria-prima e de produtos em todos os equipamentos existentes no processo produtivo e envolve uma instrumentação de processo.
• Processo Descontínuo: Um equipamento é carregado com as matérias-primas, e ocorre a conversão em algum produto ou subproduto.

Fluxogramas

Fluxogramas apresentam a sequência coordenada das conversões químicas e operações unitárias, expondo os aspectos básicos do processo químico e a ordem de processamento das matérias-primas em produtos.

Etapas de um Projeto Inicial de Processo Industrial

Para a realização de um projeto inicial de um processo industrial, são envolvidas várias etapas, como:

• Levantamento dos equipamentos mínimos e ideais necessários;
• Estudos de corrosão do material e estrutura mínima necessária para a implantação da indústria;
• Sistemas de acondicionamento das matérias-primas e produtos;
• Proteção e segurança aos trabalhadores da indústria e do próprio processo industrial;
• Controle de qualidade das matérias-primas recebidas e produtos formados.

Processos Unitários e Operações Unitárias

A diferença clássica entre processos unitários (conversão química) e operações unitárias (modificações físicas) é fundamental. Para que uma reação ocorra, é necessário que o sistema não esteja em equilíbrio. Para avaliar a eficiência de transformação de uma matéria-prima em produtos, frequentemente são utilizados os conceitos de rendimento e conversão.

Etapas na Produção de Produtos Químicos

As etapas na produção de qualquer produto químico podem ser divididas em três grandes grupos:

• Grupo 1: Consiste na parte principal de qualquer unidade de produção, envolvida na transformação química da matéria-prima em produtos, representado pelos reatores. Essas reações podem ser diversas (hidrogenação, nitração, sulfonação, oxidação, combustão, etc.) e são conhecidas como Processos Unitários.
• Grupo 2: São as etapas de preparação da carga para o reator. Esses equipamentos podem ajustar a pressão, a temperatura, a composição e a fase (sólido-líquido-gasoso).
• Grupo 3: Tratamento dos efluentes do reator.

Operações Unitárias Específicas

Algumas operações unitárias comuns incluem:

• Moagem: Consiste em uma operação unitária de fragmentação e uniformização do tamanho dos grãos.
• Peneiramento: É uma operação utilizada para separar misturas heterogêneas de sólidos.
• Trocador de Calor: Equipamento no qual se efetua transferência de energia térmica entre dois ou mais fluidos em diferentes temperaturas.
• Torres de Refrigeração: Equipamentos utilizados, principalmente, para o resfriamento de água industrial.

Operações Unitárias de Separação

Processos físicos nos quais são separadas duas fases (sólido-líquido e líquido-líquido). Exemplos:

• Filtração: Utilizada para remover sólidos de um fluido (seja gás ou líquido) através de leitos compactos.
• Decantação: Separação de uma suspensão diluída por sedimentação natural.
• Centrifugação: Como a máquina de lavar roupas.

Processos de Transferência de Massa

Transferência de um material de uma fase para a outra, pela preferência de um material por uma das fases, tais como:

• Absorção: Transferência de um componente solúvel de uma fase gasosa para um absorvente líquido.
• Extração: Extração de uma substância presente na mistura líquida por um solvente de maior afinidade.
• Adsorção: Transferência de um constituinte de um fluido (líquido ou gás) para a superfície de uma fase sólida.
• Secagem: Separa um líquido de um sólido pela vaporização do líquido.

Processos de Transferência de Material (Térmica)

Transferência de material de uma fase para outra, devido às trocas térmicas, a saber:

• Evaporação: Concentração de uma solução líquida pela vaporização de uma parte do solvente.
• Destilação: Separação de uma solução líquida devido aos diferentes pontos de ebulição dos componentes líquidos presentes.
• Cristalização: Separação do soluto (sólido) de uma solução (líquida).

As operações unitárias são responsáveis por alterações na pressão, na temperatura, na mistura de materiais, na separação de materiais, no manuseio e transporte de sólidos e fluidos.

Processos de Fabricação Específicos

Fabricação da Cerveja

Na fabricação da cerveja, há várias matérias-primas:

• Cereais
• Lúpulo: É o aromatizante responsável pelo aroma e sabor amargo das cervejas.
• Malte: É um grão de cevada que foi submetido a um processo de germinação controlada, com isso, torna-se mais solúvel, fácil de manipular e triturar.
• Gritz: Cereal que fornece carboidrato auxiliar na fermentação no mosto cervejeiro com menor custo, podendo ser milho, arroz, trigo, centeio, dentre outros.
• Água: Água de boa qualidade é essencial na produção de uma cerveja com qualidade, visto que suas características podem influenciar no aroma ou sabor da cerveja, como, por exemplo, água com elevados teores de sulfato de cálcio está ligada a cervejas mais amargas.
• Leveduras: Microrganismos que fazem parte da fermentação. São responsáveis pela transformação do mosto cervejeiro em álcool e dióxido de carbono. Também são utilizadas na produção de etanol extraído da cana-de-açúcar.

Fases do Processo de Fabricação da Cerveja:

1. Produção do Mosto: Envolve a moagem do malte, mosturação, filtração, fervura e clarificação do mosto.
2. Fermentação: Transformação do mosto em álcool e dióxido de carbono.
3. Acabamento ou Pós-Tratamento da Cerveja: Envolve operações unitárias de filtração, carbonatação, modificação de aroma e sabor, remoção de cor, envase e pasteurização.

Etapas Detalhadas da Produção de Cerveja:

• Armazenamento do Malte: Pode ser em silos ou em galpões, onde, no silo, antes de ser moído, o malte é peneirado para separar produtos como pedras, sementes e outros.
• Moagem: Realizada por meio de moinhos de facas ou martelo, é usada para esmagar o malte, fazendo com que sua casca se rompa dos grãos e extraindo o conteúdo. Essa moagem pode ser por via seca ou úmida, sendo que a segunda deixa o malte mais maleável.
• Pré-Cozimento do Malte: É pré-cozido em tanques de cozimento, onde os grãos moídos são misturados com água aquecida para ativar a ação de enzimas nos grãos, obtendo uma mistura viscosa com aspecto gelatinoso, conhecido como gelatinação do amido. Durante o cozimento, são acrescentados insumos e enzimas para favorecer a quebra do amido em açúcares.
• Filtração do Mosto: Remoção das cascas dos grãos do malte e do Gritz, por meio da utilização de diversos tipos de filtro.
• Filtração e Cozimento do Mosto
• Fermentação Alcoólica: Processo metabólico constituído de diversas reações bioquímicas, pelo qual açúcares simples são convertidos por microrganismos.
• Maturação: Inicia com a queda de temperatura das dornas, passando de 14ºC para 2ºC, finalizando o processo de fermentação.
• Centrifugação / Filtração: Essa etapa funciona como um polimento do mosto maturado, no qual já se podem conferir as características da cerveja.
• Carbonatação e Envase: Nessa etapa, a bebida é enviada ao processo de pasteurização, sendo, enfim, denominada de cerveja.

Fabricação do Refrigerante

Fases do Processo de Fabricação do Refrigerante:

1. Preparo do Xarope Simples: Realizado em várias fases, como dissolução do açúcar, mistura dos aditivos, concentrados e sucos, cozimento dos xaropes, tratamento e clarificação do xarope e o resfriamento. O xarope simples consiste no produto da dissolução do açúcar em água aquecida à temperatura de 85 a 100 graus Celsius.
2. Obtenção do Xarope Composto: O xarope simples é transferido para outro tanque após o resfriamento, e são adicionados conservantes químicos, sucos e outros concentrados, onde passarão por um sistema de agitação.
3. Fabricação do Refrigerante: É uma etapa na qual se tem a correção da acidez e teores de açúcares do tipo de refrigerante a ser produzido e a diluição do xarope composto em água potável e adição de CO2.

O material solúvel é composto, principalmente, por sacarose, açúcares redutores (maltose) e não-açúcares. Esse material industrial é denominado Brix.

Produção do Açúcar

Etapas na Produção do Açúcar:

1. Recepção da Cana
2. Lavagem (Limpeza)
3. Preparo
4. Extração do Caldo
5. Tratamento do Caldo
6. Concentração
7. Cozimento
8. Centrifugação
9. Secagem
10. Açúcar

Principais Tratamentos Químicos para Remoção de Impurezas:

• Sulfitação: Uso de anidrido sulfuroso (SO2). Em torres de absorção e sob altas temperaturas, há o contato do caldo com o SO2, o que ocasiona a redução do pH, a preservação das propriedades do caldo e a remoção da cor, que pode variar.
• Caleação ou Calagem: Uso de cal virgem para regular o pH ácido proveniente da sulfitação e é realizado em tanques de mistura.
• Fosfatação: Uso de ácido fosfórico (P2O5), que auxilia na remoção de materiais corantes e de coloides existentes.
• Carbonatação: Uso de gás carbônico (CO2) para remoção de íons de cálcio dissolvidos e suspensos. Muito usada na produção de açúcar a partir de beterraba e muito raro seu uso na cana-de-açúcar.

Fabricação do Álcool

A fabricação do álcool consiste, principalmente, na transformação dos açúcares em álcool, através da utilização de microrganismos responsáveis por essa transformação.

Etapas:

1. Tratamento do Caldo
2. Preparação do Mosto
3. Fermentação
4. Destilação

Origem e Refino do Petróleo

A teoria mais aceita sobre a origem do petróleo é sobre a decomposição de matéria orgânica, seja ela vegetal ou animal, em depósitos marítimos, tomados por um ambiente com pouco oxigênio e que, juntamente com sedimentos, se solidificaram em rochas como calcário, folhelhos, arenitos e outros.

Classificação do Petróleo:

• Grau de Densidade: É de grande importância porque representa o conteúdo das frações leves e pesadas do óleo bruto.
• Composição dos Hidrocarbonetos: Pode ser classificado em: Óleos parafínicos, óleos naftênicos e óleos aromáticos.

Etapas do Processo de Refino:

1. Separação: Atua por meio de um agente físico sem modificar a estrutura química das moléculas. Exemplos:
   • Destilação
   • Desasfaltação
   • Desaromatização
   • Desparafinação
   • Desoleificação
   • Extração de aromáticos
   • Adsorção de parafinas lineares
2. Conversão: Modifica a estrutura molecular do material, valorizando-o economicamente. Exemplos:
   • Craqueamento
   • Coqueamento
   • Reforma Catalítica
3. Tratamento e Processos Auxiliares: Compreendem as unidades de remoção de impurezas e metais dos produtos da refinaria de petróleo.

Subprodutos do Petróleo:

• Coque: Utilizado na fabricação de eletrodos.
• Asfalto: Impermeabilizante na construção civil.
• Óleo Combustível: Fração residual da destilação das frações mais leves do petróleo.
• Petrolato: Substância gelatinosa, obtida pela desparafinação de óleos pesados de petróleo.

Sustentabilidade na Indústria

O processo industrial clássico objetiva o aumento da produtividade e do lucro, não importando com as consequências ambientais causadas, sendo que a utilização de matéria-prima e insumos é feita de forma ilimitada por essas empresas, não havendo preocupações com o aumento do rendimento do processo.

Conceitos de Sustentabilidade:

• Ecologia Industrial: Considera o processo industrial como um conjunto de etapas de produção e consumo no qual o fluxo de materiais e energia atravessa as unidades de produção, assim como os níveis tróficos de um ecossistema natural.
• Conceito de Produção Mais Limpa: Significa a prevenção da poluição, a minimização da geração de poluentes e a adoção de tecnologias mais eficientes no uso de energia e materiais.
• Avaliação do Ciclo de Vida (ACV): Tem como principal objetivo identificar as fontes diretas e indiretas da geração de resíduos e poluentes associados a um processo produtivo ou ao próprio produto. A ACV do produto sempre é acompanhada de uma análise detalhada do processo e das interações da planta industrial com o meio ambiente.

Fabricação do Aço

As principais matérias-primas da fabricação do aço são o minério de ferro, carvão (mineral ou vegetal) e o calcário.

Beneficiamento do Minério de Ferro (Operações Unitárias):

• Britamento: Redução grosseira da granulometria do mineral extraído das jazidas.
• Peneiramento: Classificação dos minerais conforme o tamanho dos grãos.
• Mistura do Minério, Calcário e Carvão.
• Moagem: Reduzir novamente a granulometria do material, aumentando, assim, a superfície específica da mistura (minério, calcário e carvão).
• Concentração e Classificação: Aumentar o teor de ferro da mistura e classificá-la em termos de alto, médio e baixo teor.
• Aglomeração: Melhorar a permeabilidade da carga do alto forno, reduzir o consumo de carvão e acelerar o processo de redução. Pode ser resumida em:
  • Sinterização: Consiste em aglomerar partículas finas de minério com 5% de carvão fino.
  • Pelotização: Consiste em produzir pelotas de partículas finas de minério com alto teor de ferro.