TERMODINÂMICA II: PARÂMETROS PARA O DESIGN DE PROCESSOS INDUSTRIAIS

A Termodinâmica, que determina a interação entre diferentes compostos, não pode ser deixada de lado na hora de fazer o design de equipamentos e de estabelecer as diferentes etapas de um processo

No design de processos industriais, o entendimento das propriedades termodinâmicas e interação entre os compostos é especialmente importante em processos de separação, já que estes costumam representar boa parte dos custos do processo como um todo. De forma geral, as chamadas propriedades termodinâmicas determinam a forma como os diferentes compostos envolvidos em um processo interagem entre si e, por isso, determinam a viabilidade de um processo. Já as chamadas propriedades de transporte, que estão associadas às propriedades termodinâmicas e incluem viscosidade, condutividade térmica e difusividade, indicam a taxa com a qual momento, calor ou massa são transferidos e por isso influenciam no tamanho dos equipamentos.

Para descrever essas interações e propriedades, utilizam-se os chamados modelos termodinâmicos, que nada mais são do que expressões matemáticas que buscam simular e prever o comportamento dos sistemas reais de forma teórica. As necessidades industriais incluem tanto o conhecimento de propriedades termodinâmicas em determinada condição operacional quanto a habilidade de delinear um processo com determinadas propriedades termodinâmicas. Idealmente, os modelos devem ser únicos e independentes do sistema e das condições operacionais, o que nem sempre é tarefa fácil.  Para construir tais modelos, os seguintes fatores devem ser levados em consideração:

  • Moléculas a serem investigadas. Existe uma variedade de compostos e misturas de interesse industrial e é importante, sempre que possível, considerar exaustivamente as diferentes combinações para aumentar a confiabilidade do modelo. Uma abordagem normalmente utilizada é a descrição acurada de propriedades termodinâmicas de substâncias puras e a utilização de ferramentas para obter a propriedade de misturas.

  • Propriedades requeridas. O equilíbrio líquido-vapor ainda é a mais comum, mas também existe demanda para outros tipos de equilíbrio de fases e propriedades entálpicas e de transporte. As tradicionais equações químicas possuem aplicações limitadas para descrever esse tipo de propriedade, que requerem modelos mais complexos.

  • Dados experimentais. Muitas vezes uma das abordagens é afirmar a falta de dados e o consequente uso dos dados disponíveis sem uma análise crítica de sua acurácia ou confiabilidade. Embora a escassez de dados, ao menos confiáveis, seja verdade em grande número de sistemas, é preciso sempre fazer uma análise crítica dos dados disponíveis.

Esses fatores estão esquematicamente ilustrados no triângulo da Figura 3.

Figura 3. Fatores a serem considerados no desenvolvimento de modelos termodinâmicos para aplicações industriais

As indústrias de óleo e gás e petroquímicas foram as primeiras indústrias a fazer uso de modelos termodinâmicos de forma mais ampla. No início, as equações cúbicas eram dominantes nos modelos utilizados por tais indústrias, principalmente pela aplicabilidade desses modelos para descrever sistemas em altas temperatura e pressão, as condições operacionais encontradas nesse tipo de indústria. Embora atualmente outros modelos mais complexos já sejam utilizados, as equações cúbicas ainda têm boa aceitação para essa indústria.

Os interesses industriais mudam com o tempo, resultado de novos desenvolvimentos, processos e produtos. Na década de 90, o interesse na Termodinâmica começou a se espalhar por outros setores industriais, como materiais, nanotecnologia e biotecnologia. Grande parte da deficiência dos modelos termodinâmicos estava relacionada à falta de precisão na descrição de equilíbrio líquido-líquido e equilíbrio líquido-vapor, principalmente em sistemas multicomponentes. Em muitos sistemas industriais atuais, polímeros, eletrólitos, surfactantes e solventes coexistem, dando origem a diversas interações simultaneamente. Por isso, a ênfase atualmente está em CO2 e em sistemas formados pelos compostos mencionados anteriormente. A maior parte dos modelos foi desenvolvida para cada subsistema individualmente e falham ao tentar descrever o comportamento dos subsistemas juntos. Além disso, muitos sistemas não têm composição bem definida, como por exemplo, para fluidos de reservatório, o que demanda caracterização adicional.

Atualmente, existe uma grande demanda para que modelos termodinâmicos para produtos e sistemas complexos, incluindo bens de consumo e bioprocessos. A simulação molecular e a química quântica têm mostrado grandes avanços em termos de desenvolvimento e aplicação. Em um futuro próximo, outras ferramentas computacionais podem se tornar uma realidade, como aquelas que lidam com sistemas em não-equilíbrio e a determinação de propriedades de transporte diretamente de potencial intermolecular. No entanto, as indústrias ainda não estão totalmente familiarizadas com a aplicabilidade dessas ferramentas em modelos e como os requisitos das indústrias normalmente são de curto prazo, isso ajuda a explicar a resistência em aplicar tais ferramentas modernas mais complexas. A resposta da indústria a desenvolvimentos na área muitas vezes ainda é lenta, pois as indústrias demoram a atualizar seus modelos termodinâmicos para modelos com maior precisão a não ser quando existe clara vantagem para tal. O processo de desenvolvimento e validação de um modelo e sua aceitação pela indústria pode levar até 10 anos.

Agora que sabemos da importância das propriedades termodinâmicas e das interações da determinação da viabilidade de um processo químico e no design de processos, no próximo texto veremos um estudo de caso da produção de um solvente industrial. Não iremos entrar em detalhes de modelos termodinâmicos, mas pensar, passo-a-passo, nos fatores que devem ser considerados ao desenvolver um processo químico industrial e em como interpretar as interações entre os diferentes compostos em um sistema para tal.

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Autoria de: Clarissa Alves Biscainho

Engenheira Química de Empresa Multinacional – Alemanha

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:

Kontogeorgis G. M., Dohrn R., Hemptinne J.C., Economou J.G., ilnik L. F. Z. e Vesovic V. Industrial Requirements for Thermodynamics and Transport Properties Hendriks. Ind. Eng. Chem. Res. 2010, 49, 11131–11141.