Sobre a origem da Engenharia Química segundo George E. Davis, e o scale-up, otimização tecno-económica, e dimensionamento enquanto noções umbilicalmente ligadas à área técnica

 

Creditado como um fundador da Engenharia Química, o inglês George E. Davis plasmou no seu Handbook of Chemical Engineering considerações sobre a origem da profissão e sobre o que define (e distingue) esta área técnica e esta profissão. Nesta publicação transcrevem-se várias dessas considerações e explicações.

EQ: Uma profissão criada por necessidade

O Engenheiro Químico foi uma criação necessária, provocada pelos maravilhosos avanços feitos nos últimos anos pelos químicos industriais e pela atividade do capital na exploração de invenção após invenção, assim que ela é divulgada. Se estudarmos as especificações das patentes concedidas neste país durante os últimos cinquenta anos, não podemos deixar de observar a mudança que ocorreu nas invenções químicas. É certo que não temos tantas ideias rudimentares protegidas por patentes como tínhamos anteriormente e, embora ainda haja espaço para melhorias, as operações de produção são descritas com mais cuidado do que costumavam ser, e as descrições das máquinas e aparelhos necessários para o funcionamento a maioria das invenções agora são geralmente racionais e completas. O aspecto mecânico da produção química ainda está a avançar a passos largos, e a habilidade do engenheiro está a ser cada vez mais procurada. 

(...) O desenvolvimento gradual de certos processos parece digno de comentário, pois é muito provável que a falta de sucesso nos seus primeiros tempos se deveu à falta de conhecimento da engenharia química. Os químicos não eram engenheiros, e os engenheiros não eram químicos, e a experiência de um era de pouca ajuda para o outro, mas não se deve ignorar o fato de que o engenheiro com um pouco de conhecimento de química era geralmente mais bem-sucedido do que o químico com um conhecimento superficial de engenharia, que ajuda bastante a provar que o conhecimento de engenharia era o mais valioso dos dois.

(...) O primeiro reconhecimento público do Engenheiro Químico parece ter sido feito em 1880, ano em que se tentou fundar uma “Sociedade de Engenheiros Químicos” em Londres. Logo se descobriu que o número de membros de tal sociedade seria muito limitado, e o projeto, tal como foi então redigido, foi abandonado. A definição do Engenheiro Químico, conforme declarado nesta reunião, era a de uma pessoa que possui conhecimentos de química, física e mecânica, e que emprega esse conhecimento para a utilização de reações químicas em larga escala.

(...) A Engenharia Química trata da construção de instalações necessárias à utilização de reações químicas em larga escala, e da manutenção e reparo dessas instalações enquanto estiver em uso, e, sem de forma alguma especificar o setor em que se encontra e qual tal a instalação será utilizada, existem muitos dados comuns a todos os processos químicos que devem constituir pontos de partida pontos do projetista.

(...) Sólidos, líquidos e gases têm de ser movidos e medidos; eles têm que ser misturados e tratados de outra forma, com calor ou frio, muitas vezes sob pressão, e os processos de lixiviação e extração, de evaporação e destilação, muitas vezes exercitam ao máximo os talentos do Engenheiro Químico.

A noção dos desafios inerentes ao scale-up e vantagem da experimentação através de um piloto industrial:

(...) Quando se deseja estabelecer uma nova indústria, ou instalar um novo processo numa antiga, muitas vezes é necessário proceder por via experimental; nem sempre há os mesmos dados para começar, embora muitas vezes muito possa ser feito por analogia com outros processos conhecidos. O trabalho em grande escala é caro, caro no início e caro para alterar e reorganizar se as disposições exatas não tiverem sido previstas com muita precisão no início. Muitas novas empresas sofreram ao realizarem os seus primeiros trabalhos numa escala demasiado grande. Por outro lado, uma pequena experiência feita com alguns gramas de material em laboratório não será de muita utilidade para orientar a construção de obras de grande escala, mas não há dúvida de que uma experiência baseada em alguns quilogramas dará quase todos os dados necessários, fornecendo amplo material para observar seu comportamento durante os diversos processos.

(...) Há alguns anos, foi solicitado a uma empresa de produtos químicos industriais que fornecesse sob contrato uma quantidade considerável de ácido fosfórico comercial, de densidade específica de 1,750, praticamente isento de sais de cal, e contendo não mais de dois por cento de ácido sulfúrico. O químico ligado à obra relatou que o fabrico era fácil, bastando dissolver uma cinza de osso muito pura em ácido sulfúrico, separar o sulfato de cal por subsidência e evaporar o ácido fosfórico diluído até a densidade de 1.750 ser alcançado. Agora, a experiência de laboratório na qual ele baseou seu relatório foi realizada apenas com alguns gramas de cinza de osso, e todo cuidado foi tomado para extrair a totalidade das matérias solúveis. Para este efeito, a mistura de ácido sulfúrico diluído e cinza de osso finamente moída foi lançada sobre um filtro e lavada sem qualquer consideração pela quantidade de água de lavagem utilizada.

Em grande escala, a operação não poderia ser realizada desta forma com sucesso, pois a subsequente evaporação da solução exigiria tanto combustível que tiraria qualquer lucro que poderia haver da operação se fosse conduzida de outra forma. Como este era o único relatório que a direção das obras tinha diante de si, teria sido uma loucura construir novas instalações para trabalhar em grande escala até que a viabilidade das diversas operações fosse estabelecida, pois a experiência de laboratório realmente apenas certificou o que já era conhecido e não dava qualquer indicação das diversas dificuldades que poderiam surgir no decurso do fabrico.

(...) Verificou-se depois que a quantidade de ácido fosfórico produzida em larga escala era quase idêntica à produzida na experiência técnica [piloto], mas ficou aquém da quantidade indicada pela experiência de laboratório. Foi bem possível determinar a direção e a quantidade das perdas de ácido fosfórico na experiência técnica.

(...) O funcionamento da experiência técnica mostrou de forma inequívoca os pontos que deveriam ser observados quando se operava em larga escala.

O imperativo de se fazer gerir sob uma otimização tecno-económica:

(...) É discutível até que ponto os resultados financeiros devem nos influenciar no estudo da Engenharia Química em si. É claro que, de dois aparelhos com igual capacidade de produção, a preferência seria dada ao menos oneroso, se outras condições, como excelência de trabalho, reparos mínimos, baixo custo de mão de obra e facilidade de manipulação fossem semelhantes, mas se alguns das condições fossem desiguais, seria bem possível que o artigo mais barato fosse mais caro a longo prazo, e estes são pontos em que a experiência prática nos dá uma boa posição. O custo total de trabalhar um processo inclui tantos detalhes que parece aconselhável omitir de qualquer tratado de Engenharia Química tudo o que está fora do controle do engenheiro, exceto, talvez, as despesas gerais do estabelecimento.

• Exemplo 1: (...) Era bastante evidente que se o ácido sulfúrico fosse muito concentrado o resultado teria sido um magma que não produziria nenhum líquido claro, enquanto que se o ácido fosse muito fraco, a solução resultante de ácido fosfórico custaria muito muito para evaporar; foi o meio-termo desejado
• Exemplo 2: (...) Ao somar os resultados desta experiência, o inquiridor muito provavelmente chegará à conclusão de que é melhor vender o precipitado de sulfureto à fundição e cobrar ao processo a perda de valor que o o cobre experimentou; a conta de lucros e perdas mostrará então financeiramente se o processo pode suportar tal encargo.
• Exemplo 3: (...) Nas operações químicas reais em grande escala, o constituinte menos dispendioso é geralmente usado em excesso para acelerar a reação, pois, se os reagentes forem empregados apenas em quantidades equivalentes, é necessário um tempo muito mais longo para completar a reação.

    

A noção de dimensionar instalações industriais para uma produção definida

Ora, uma fábrica de determinada capacidade cúbica irá evidentemente funcionar no seu melhor com alguma produção definida, isto é, se uma fábrica for construída para produzir um número predeterminado de toneladas de ácido sulfúrico por semana, e fizer bem o seu trabalho, ela irá provavelmente funcionar menos economicamente se esse número de toneladas for aumentado; deve ser assim, caso contrário uma fábrica muito limitada seria capaz de produzir um número ilimitado de toneladas de ácido sulfúrico. Além disso, todas as porções da planta devem estar devidamente equilibradas; os fornos devem ser projetados para queimar um peso definido de piritas, o desnitrador deve ser proporcional a um certo volume de gás que as câmaras devem ser capazes de lidar, enquanto o absorvedor deve lidar e absorver os gases nitrosos que passam pelas câmaras, estando também devidamente previstas as zonas das condutas de fumos e gases. Será que sempre encontramos essas proporções corretamente projetadas? Foi alguma das partes alguma vez encontrada desequilibrada?

Exemplo: (...) Mas não se deve esquecer que uma instalação projetada em todos os detalhes para trabalhar a uma pressão de 16 pés cúbicos por libra de enxofre não funcionará economicamente a 10 pés cúbicos, pois com o valor inferior muito mais necessária será a capacidade de captura de azoto, o que é muitas vezes esquecido, mesmo nos dias de hoje. Antigamente, quando se praticava a produção de vitríolo sem torres, a percentagem de oxigénio nos gases que escapavam da última câmara raramente ultrapassava os 4%. , enquanto que quando se trabalha nas condições actuais, e com apenas 10 pés cúbicos de espaço de câmara por quilo de enxofre, dificilmente é possível trabalhar economicamente com menos de 8 por cento.