Capítulo
7
7. Processos Químicos e Tecnologia dos Materiais
7.1.
Química; Bioquímica; Alimentos; Têxtil; Industrial Química; Nuclear; Materiais; Metalúrgica; Plásticos; Cerâmicas; Física; Produção Química.
A Engenharia Química Tudo ao redor de nós é feito de produtos químicos.
A terra, as árvores, as pedras, os carros, as casas e ainda você, que é um emaranhado de diferentes substâncias químicas.
Quando
as
substâncias
químicas
se
encontram, algumas vezes reagem na forma de novas substâncias, como quando os alimentos reagem com as substâncias químicas do seu estômago. A química trata da composição e das mudanças de composição
de
substâncias
e
da
sua
preparação,
separação e análise. A Engenharia Química se preocupa com a fabricação em escala industrial de substâncias
Figura 6-1 -Os engenheiros químicos desenvolvem produtos para a produção de polímeros, tintas, eletricidade, eletrônica e medicamentos
provenientes de matérias-primas, através de processos físicos e químicos. Esta área da engenharia se preocupa com o projeto, construção e gerenciamento de fábricas, nas quais o seu processo principal consiste de reações químicas. Devido à grande
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diversidade de materiais com os quais trabalha o engenheiro químico, a técnica utilizada, por mais de meio século, tem sido a de analisar os problemas de engenharia química em termos de operações unitárias fundamentais ou unidades de processos.
É tarefa do
engenheiro químico, selecionar e especificar o projeto que melhor se enquadra nos requerimentos particulares da produção, e de escolher os equipamentos mais adequados para as novas aplicações.
Figura 7-2 – Vista da Shell Oil Refinery em Martinez, Califórnia, EUA.
Com o avanço da tecnologia, o número de operações unitárias aumenta, sendo as mais importantes a destilação, cristalização, dissolução, filtragem e extração.
Em cada
operação unitária, os engenheiros se ocupam com quatro temas fundamentais: a conservação da matéria, a conservação da energia, os princípios do equilíbrio químico e os princípios de reatividade química1. Além disso, os engenheiros químicos devem organizar as operações unitárias na sua seqüência correta, e devem considerar os custos econômicos do processo global. Uma vez que a operação contínua é mais econômica que um processo de batelada, os processos são freqüentemente repetitivos e aptos ao uso de controle automático, sendo os engenheiros químicos alguns dos primeiros a incorporar o controle automático nos seus projetos. As reações químicas podem ser usadas para produzir todo tipo de produtos úteis. Os engenheiros químicos usam o seu conhecimento de química para descobrir e fabricar melhores
plásticos,
tintas,
combustíveis,
fibras,
medicamentos,
fertilizantes,
semicondutores, papel, e ainda outros tipos de produtos químicos, utilizando as técnicas das reações químicas e as da purificação.
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Os engenheiros químicos também desenvolvem um importante papel na proteção do meio ambiente, no desenvolvimento de tecnologias limpas, no cálculo de impactos ambientais e no estudo do destino das substâncias químicas no ambiente. Muitos engenheiros químicos estão envolvidos na reciclagem de materiais.
A
reciclagem ajuda o meio ambiente, e ainda os materiais usados podem ser convertidos em muitos outros produtos novos. As áreas de conhecimento da Engenharia Química compreendem:
Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia
Química propriamente dita; de Alimentos; Têxtil; de Petróleo2; Bioquímica.
A Engenharia Química está intimamente relacionada com outras ramas da engenharia, tais como, a de Cerâmicas, de Petróleo, Metalúrgica, de Conversão de Energia e Sanitária. Neste capítulo será dada uma ênfase maior nas atividades daqueles profissionais que se denominam engenheiros químicos, nas indústrias onde os engenheiros químicos desenvolvem as suas atividades, e nos processos onde qualquer substância é fabricada de forma eficiente e econômica. Os engenheiros químicos combinam a ciência e a química com a engenharia, com o objetivo de resolver problemas e encontrar as formas mais eficientes de fabricar produtos ou processos. Eles são os responsáveis pela produção do combustível que nós queimamos e pela comida que comemos, pela purificação da água e do ar, e pela recuperação e uso dos materiais encontrados nos nossos oceanos e futuramente, no espaço. Os engenheiros químicos desenvolvem processos industriais cujos produtos valem milhões de dólares, e trabalham de forma econômica,
com
Freqüentemente,
toneladas o
de
sucesso
ou
materiais. fracasso
comercial de um produto depende dos esforços dos engenheiros químicos no projeto da planta
Figura 7-3 - Os engenheiros químicos desenvolvem fábricas e produtos
piloto e na planta em escala real.
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A Engenharia de Petróleo será é tratada no capítulo da Engenharia de Materiais. Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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7.1.1. Definição da Engenharia Química Os engenheiros químicos aplicam os princípios da química e da engenharia na solução de problemas referentes com a produção ou uso de substâncias químicas, construindo uma ponte entre a ciência e a manufatura.
Eles projetam equipamentos e
desenvolvem fábricas químicas de grande escala, planejam e testam métodos de fabricação de produtos e de tratamentos dos seus derivados, e supervisionam a produção. Os engenheiros químicos também trabalham numa grande variedade de indústrias de fabricação, além das fábricas de produtos químicos, tais como naquelas que produzem dispositivos eletrônicos, equipamentos fotográficos, materiais metálicos e poliméricos, polpas vegetais e papel.
Os engenheiros químicos também trabalham em empresas de
cuidados da saúde, de biotecnologia e na área de gestão empresarial. O conhecimento e as obrigações dos engenheiros químicos incluem muitas áreas, dentre
elas
os
princípios
da
química,
física,
matemática e da engenharia elétrica e mecânica. Os engenheiros químicos se especializam normalmente numa operação particular, tal como em oxidação ou polimerização, por exemplo.
Outros se especializam
numa área em particular, tal como controle da poluição ou na produção de produtos específicos, tais como
fertilizantes
e
pesticidas,
plásticos
para
automóveis, elastômeros3, ou em branqueamento por cloro. Os engenheiros químicos estão sempre bem informados de todos os aspectos da fabricação e de como esta afeta o ambiente e a segurança dos trabalhadores e clientes.
Figura 7-4Os engenheiros químicos projetam fábricas e trabalham em laboratórios
Desde que os engenheiros químicos utilizam a tecnologia
computacional para otimizar todas as fases da pesquisa e da produção, eles precisam entender como aplicar as habilidades computacionais na análise de processos, nos sistemas de controle automatizado e no controle de qualidade estatístico.
7.1.2. História da Engenharia Química O químico tem sido sempre um parceiro do engenheiro.
O conhecimento da
composição das substâncias, das suas propriedades e dos métodos para produzir as mudanças desejadas em tais propriedades, tem sido de inestimável ajuda na engenharia. As contribuições dos químicos são óbvias no desenvolvimento de metais, combustíveis, alimentos, revestimentos de proteção e de outros materiais utilizados na engenharia. Esta
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profissão foi uma parte importante da revolução industrial, e o termo “químico industrial” foi aplicado ao seu campo de aplicação.
Na década de 1880, o uso de químicos na
manufatura e no processamento criou uma nova indústria química na qual o objetivo principal era a produção de toneladas e milhares de toneladas de produtos químicos.
Figura 7-5 - Refinaria à noite.
O projeto e a operação das plantas químicas eram executados pelos químicos industriais que aprenderam alguma coisa da engenharia dos engenheiros mecânicos, que conheciam algo da química. O primeiro programa de educação em Engenharia Química foi estabelecido em 1988, no Massachussetts Institute of Technology. No início do século XX, os cientistas alemães apresentavam ao mundo as suas descobertas na química de explosivos, tintas, combustíveis e materiais sintéticos. Hoje em dia, o campo da Engenharia Química, tem se expandido para a produção e estudo de todos os tipos de plásticos, materiais sintéticos e cerâmicas, muitos destes sendo derivados do petróleo.
7.1.3. Especialidades da Engenharia Química A Engenharia Química4 compreende especialidades tais como:
Engenharia Bioquímica; Engenharia de Alimentos; Engenharia Têxtil.
7.1.4. Tipo de Trabalho dos Engenheiros Químicos O embasamento do treinamento acadêmico que os engenheiros químicos obtém, fornece uma forte base numa grande variedade de carreiras. Algumas das áreas nas quais eles desenvolvem a sua carreira de forma satisfatória e respeitada são:
4
Pesquisa e Desenvolvimento; Projeto e Construção; Operações; Gerenciamento Ambiental e de Efluentes;
A Engenharia de Alimentos possui as suas atribuições profissionais especificada no artigo 17 da resolução 218/73 do CONFEA. Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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Entidades governamentais; Existem também outras áreas. Por
exemplo,
cerca
engenheiros
de
um
químicos
terço
dos
desenvolvem
funções como gerentes ou supervisores. Ainda
muitos
atividades
outros
como
universidades
onde
desenvolvem
professores é
em
ministrado
treinamento de Engenharia.
PESQUISA E DESENVOLVIMENTO Os engenheiros químicos de P&D5 utilizam grande parte do seu tempo projetando e executando experimentos, e interpretando os resultados obtidos. Eles precisam ser observadores e criativos para inventar novas e melhores formas de desenvolver
produtos,
de
controlar
Figura 7-6 - Engenheiro químico ajustando uma válvula numa linha industrial de produção de gás
a
poluição, de reduzir os perigos para a segurança e a saúde, e de conservar os recursos naturais. Nesta profissão são utilizados computadores para pesquisar variáveis, tais como: temperatura, pressão, concentração, tempo e intensidade da mistura.
O refinamento
subseqüente da pesquisa básica deve ser efetuado num laboratório ou numa planta piloto, que é uma versão miniatura da fábrica comercial a ser proposta. Alguma pesquisa e desenvolvimento são realizados pela indústria, para desenvolver melhores produtos.
Apesar disso, a maior parte das pesquisas é desenvolvida nas
universidades. Os professores universitários orientam os alunos de graduação através da pesquisa como o objetivo de desenvolver tecnologias e de obter um melhor entendimento entre as diferentes formas em que os produtos químicos podem interagir sob várias condições.
PROJETO E CONSTRUÇÃO A engenharia de Projetos se refere ao projeto e construção de plantas de fabricação de produtos químicos. Como engenheiros de projetos, você poderá trabalhar diretamente para uma firma de manufatura ou para uma companhia de consultoria contratada pelo fabricante. No trabalho do projeto, os engenheiros químicos devem se basear pesadamente nos conhecimentos obtidos na sua preparação, tais como matemática, física, química e outras ciências relacionadas. Eles utilizam este conhecimento para selecionar e dimensionar 5
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equipamentos e para determinar o método ótimo de produção. Ele deve especificar, e até projetar os sistemas de controle para manter a qualidade do produto consistente, minimizar os desperdícios e para assegurar uma operação segura na fábrica. Os engenheiros químicos desenvolvem capitais e operam custos, apresentando uma previsão dos lucros como justificativa para a proposta do projeto. Depois de ser tomada a decisão de prosseguir com o projeto, o engenheiro deverá preparar as especificações detalhadas para a compra de equipamentos, os desenhos detalhados e os fluxogramas, assim como os cronogramas de prioridades para a instalação dos equipamentos. No trabalho de construção, o engenheiro químico deverá atuar como engenheiro de campo, assistindo diretamente os trabalhadores durante o período da construção. assegura que os requisitos do processo serão satisfeitos.
Isto
Depois da construção, estes
engenheiros poderão assistir às atividades de testes de equipamentos, treinamento de operadores e na posta-em-marcha da planta.
OPERAÇÕES Os engenheiros químicos nas operações, são responsáveis pela operação diária das fábricas de manufatura. Eles estão principalmente interessados em produzir produtos de forma econômica e segura, e que satisfaça as necessidades dos clientes em qualidade e quantidade. Os engenheiros de operação são desafiados pelas variações e carência de matériasprimas, pelas interrupções da produção, pelas flutuações dos custos, clima e falha de equipamentos. Eles ajustam de forma gradual as condições de operação para melhorar os produtos, mantendo a qualidade e reduzindo os custos de operação.
GERENCIAMENTO AMBIENTAL E DE EFLUENTES Os engenheiros químicos envolvidos na área ambiental desenvolvem métodos para reduzir a poluição criada pelas operações de produção. recuperar
materiais
úteis
dos
efluentes
e
dos
Eles desenvolvem técnicas para
desperdícios,
projetam
locais
de
armazenamento para os resíduos e plantas de tratamento, e trabalham com plantas operacionais para projetar estratégias de controle da poluição.
ENTIDADES GOVERNAMENTAIS Engenheiros químicos trabalham nas agências dos governos municipais, estatais e federais, para aconselhar os políticos em assuntos referentes ao meio ambiente e da produção industrial.
Eles estão envolvidos no desenvolvimento de leis e padrões que
protejam o meio ambiente e as pessoas, de acidentes com produtos químicos.
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7.1.5. Preparação para a Engenharia Química O contínuo desenvolvimento de produtos e processos indica que a Engenharia Química é uma profissão dinâmica e versátil, com um futuro excitante. Para ser parte deste futuro, você precisará de uma boa preparação. Existem duas qualidades importantes para ser um engenheiro químico: uma curiosidade natural de como funcionam as coisas, e um treinamento apropriado. O treinamento inicia no ensino médio e deve incluir três anos de formação nas ciências incluindo química e física, quatro anos de matemática, incluindo trigonometria e álgebra, e pelos menos três anos de língua portuguesa.
A educação
continua na universidade durante 4 a 5 anos na Engenharia Química.
Para ocupar
posições de professor ou pesquisador engenheiro químico,
é requerido treinamento
adicional de 2 a 4 anos.
7.1.6. As dez grandes realizações da Engenharia Química De acordo com o American Institute of Chemical Engineers, as dez maiores contribuições dos engenheiros químicos são: 1. A divisão do átomo. 10. Os plásticos. 11. As técnicas e equipamentos para o cuidado da saúde, e até órgãos artificiais. 12. As complexas substâncias farmacêuticas fabricadas em grandes quantidades e que salvam muitas vidas. 13. As fibras sintéticas. 14. A separação liquefeita do ar em oxigênio e nitrogênio. 15. As soluções ambientais para a poluição e os resíduos. 16. Os alimentos: fertilizantes, processamento e empacotamento. 17. Os produtos petroquímicos. 18. A borracha sintética.
7.1.7. Os Engenheiros Químicos EMPREGOS DOS ENGENHEIROS QUÍMICOS As empresas de manufatura empregam mais de 70% de todos os engenheiros químicos, principalmente nas áreas da química, eletrônica, refinamento de petróleo, papel e em indústrias relacionadas a estas. A maior parte do restante trabalha para empresas de serviços de engenharia, em serviços de teste e pesquisa, ou em firmas de consultoria que projetam fábricas químicas. Alguns trabalham em empreiteiras contratadas pelas agências do governo, ou como consultor independente.
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PERSPECTIVAS DOS ENGENHEIROS QUÍMICOS Os engenheiros químicos podem observar uma pequena competição pelos postos de trabalho, desde que o número de novos postos tradicionais se projeta crescer mais lentamente que o número de graduados para a década, até 2010.
O emprego para os
engenheiros químicos é projetado ter um crescimento levemente acima da média de todas as ocupações, até o ano 2010. Apesar de que, em geral, os empregos na indústria de manufatura tendam a declinar, as companhias químicas continuarão a pesquisa e desenvolvimento de novas substâncias químicas, e de processos mais eficientes para aumentar a produção das substâncias existentes, resultando em alguns postos a mais para os engenheiros químicos. Dentre todas as indústrias de manufatura, as de produtos químicos, de plásticos, de produtos farmacêuticos, de biotecnologia e da eletrônica são as que podem oferecer as melhores oportunidades.
Grande parte do crescimento dos postos de trabalho projetado
para os engenheiros químicos vem de indústrias de prestação de serviços, tais como as que prestam serviços de teste e pesquisa.
FONTES DE INFORMAÇÕES ADICIONAIS DA ENGENHARIA QUÍMICA
7.2.
American Institute of Chemical Engineers: www.aiche.org American Chemical Society: www.acs.org
A Engenharia Bioquímica A Engenharia Bioquímica estuda os sistemas vivos e aplica este conhecimento para
resolver vários problemas.
Os engenheiros bioquímicos estudam a segurança dos
fornecedores de alimentos, mantêm os organismos desejáveis vivos em processos de fermentação, e projetam sensores biológicos. A bioquímica é muito utilizada para destruir ou transformar resíduos e limpar o solo e águas contaminadas.
Estes engenheiros
contribuem grandemente para a saúde pública e do meio ambiente. A formação do engenheiro bioquímico compreende áreas, tais como a da própria Engenharia Química, bioquímica, microbiologia que constituem a base da biotecnologia. O campo
de
atuação
do
engenheiro
bioquímico
compreende
os
processos
para
o
aproveitamento das substâncias e energia proveniente de bases biológicas. Os profissionais desta área trabalham com sistemas de fermentação e enzimas, no gerenciamento de resíduos e tratamento de efluentes, e na indústria agrícola.
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A Engenharia de Alimentos 6 A Engenharia de Alimentos trata do projeto e implementação de fábricas e processos
que produzem alimentos.
O campo de trabalho do engenheiro de alimentos é bastante
amplo, compreendendo a especificação de equipamentos, o recebimento e processamento das matérias-primas, o controle da qualidade e os métodos e sistemas de empacotamento e armazenamento. Os engenheiros de alimentos combinam a composição dos produtos, reforçando o seu teor nutricional e otimizando os sistemas de produção.
7.4.
A Engenharia Têxtil 7 A Engenharia Têxtil se ocupa do projeto e fabricação de fibras sintéticas e do
tratamento das fibras naturais, destinadas às aplicações têxteis.
O engenheiro têxtil,
desempenha atividades nas áreas de gerenciamento da produção, nos processos de produção de fios, roupas e tecidos, de tinturaria e estampagem. Eles estudam a viabilidade técnica e econômica da implantação de indústrias têxteis, especificando os processos, as máquinas e dispositivos, e ainda as estratégias da manutenção. As empresas que empregam engenheiros têxteis são, principalmente, as de tecelagem, malharias, fios, acabamentos têxteis, e da indústria automobilística.
7.5.
A Engenharia de Materiais Os engenheiros de materiais avaliam os fatores técnicos e econômicos para
determinar qual tipo de metal, plástico, cerâmico ou outro tipo disponível, é o melhor para uma determinada aplicação. Os engenheiros de materiais também testam e avaliam materiais, e ainda desenvolvem outros novos tipos. Por muitos anos, os metalúrgicos conheciam que metais, ligas e processos podem melhorar a resistência mecânica, a condutividade elétrica ou a resistência à corrosão. Mas por que o aço é tão forte? Por que o cobre é um bom condutor da eletricidade? Por que o aço inoxidável resiste à corrosão? Enquanto a metalurgia é a ciência dos metais, a ciência dos materiais é a ciência de todos os tipos de materiais, incluindo os próprios metais, as cerâmicas, os polímeros e os compósitos. As respostas a essas questões fornecem a base para o entendimento dos materiais e o seu comportamento, levando a avanços significativos na construção de novos materiais de acordo com as necessidades, ajudando no progresso em muitas áreas da engenharia. O 6 A Engenharia de Alimentos possui as suas atribuições profissionais especificada no artigo 19 da resolução 218/73 do CONFEA, com o nome de Engenheiro Tecnólogo de Alimentos. 7 As atribuições profissionais dos engenheiros têxteis estão especificadas no artigo 20 da resolução 218/73 do CONFEA. As atribuições para os engenheiros químicos, na modalidade Têxtil, são complementadas as atribuições na resolução 308/86 do CONFEA.
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conhecimento quantitativo dos materiais, baseado na física e química, e expresso em termos de princípios gerais, é chamado de Ciência dos Materiais. Quando se trata de materiais poliméricos e cerâmicos, ainda há muito por descobrir, e no caso de materiais metálicos cristalinos, os engenheiros já começaram a estabelecer os princípios quantitativos necessários para antecipar o comportamento de uma liga conhecida e poder sintetizá-la ou modificá-la para obter novas propriedades.
Figura 7-7 – Tetraedro da Ciência dos Materiais.
Esses engenheiros sabem que a resistência mecânica do aço depende da forma cristalina e da resistência das ligações que mantêm os átomos juntos, e que podem ser calculadas, e ainda da distribuição das discordâncias da estrutura cristalina, que pode ser controlada ou melhorada através de tratamento térmico. A Engenharia de Materiais trata com a química e a física da matéria. É um amplo conceito que engloba praticamente todos os objetos do nosso dia-a-dia. torneira do seu banheiro é cromada ? polímero?
Por exemplo: A
A sua tigela é de aço inoxidável ou de algum tipo de
O que controla a temperatura da água?
Como são feitas as válvulas e os
mecanismos da sua máquina lava-roupas? As tubulações são feitas de cobre ou de PVC? Como são fabricadas estas tubulações e quais são as vantagens e desvantagens entre os dois materiais? Se nada gruda nas frigideiras de teflon, como o teflon gruda na base de alumínio? Os engenheiros de materiais selecionam as matérias-primas, projetam formas de extrair metais úteis dos minérios, sugerem métodos de preparação e processamento, antecipam as propriedades dos materiais nas condições de trabalho, e melhoram as propriedades dos materiais existentes.
Os engenheiros de materiais produzem o
recobrimento de teflon das panelas, as camadas protetoras dos ônibus espaciais utilizados na reentrada na atmosfera, o recobrimento de aviões e navios com tecnologia stealth (invisíveis ao radar) e muitos outros produtos do nosso dia-a-dia. A Engenharia de Materiais pode ser dividida nas seguintes especialidades:
Engenharia de Materiais (Ciência dos Materiais) Engenharia de Cerâmicas Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia
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de Madeira8 de Plásticos9 Metalúrgica de Minas10 de Petróleo11, Geológica12
7.5.1. Definição da Engenharia de Materiais A engenharia de materiais abrange um amplo espectro de atividades que estão em constante mudança.
O desenvolvimento contínuo dos materiais, através de cuidadosas
combinações das propriedades mecânicas, químicas, térmicas, elétricas e magnéticas, fornece oportunidades excelentes para os avanços tecnológicos, em quase qualquer área das engenharias. Como resultado, se espera que os engenheiros de materiais ocupem posições clave e assumam maiores responsabilidades na pesquisa, no desenvolvimento, nas operações e no gerenciamento das indústrias.
Figura 7-8 – Microestrutura de uma liga metálica.
Os problemas desafiantes nas áreas de energia, meio ambiente e transportes, fornecem uma ampla variedade de oportunidades não somente na produção e fabricação de metais, mas também de cerâmicas, semicondutores, polímeros e outros materiais compostos. O aumento da importância da pesquisa e desenvolvimento na ciência dos materiais promete ser uma excelente oportunidade para os engenheiros de materiais na análise microestrutural, nas eletrocerâmicas, na química metalúrgica e no desenvolvimento de novos polímeros.
Não será tratada neste livro. Pode também ser relacionada com a Engenharia Mecânica (mecânica dos polímeros), dependendo do perfil desejado. 10 Às vezes relacionada também com a Engenharia Civil 11 Pode estar também relacionada com a Engenharia Química e/ou Engenharia Civil 12 Também relacionada com especialidades da Engenharia Civil. 8 9
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7.5.2. História da Engenharia de Materiais A nossa moderna civilização requer um fluxo contínuo de matérias-primas, obtidas do nosso planeta. Quando olharmos para o nosso dormitório, praticamente tudo o que pode ser visto, provém da superfície ou da crosta terrestre, na forma de minérios (metais, nãometais, cerâmicas), petróleo (plásticos, combustíveis, borrachas, tintas), animais (couro) ou de vegetais (madeira, tecidos, pigmentos, fibras vegetais, papel). A exploração de minas, a fabricação de cerâmicas e a metalurgia são provavelmente umas das mais antigas artes da engenharia, mas quando aplicadas a aplicações na Lua ou nos leitos marinhos, elas fazem parte de uma das mais modernas áreas da engenharia. A engenharia de plásticos e elastômeros (polímeros) é uma das mais modernas áreas da engenharia.
Figura 7-9 - Buckminsterfulereno C60, também conhecido como “buckyball”, é a estrutura de carbono mais simples da família dos fulerenos. Os membros da família fulereno são o maior objeto de pesquisas em nanotecnologia.
7.5.3. Especialidades da Engenharia de Materiais Para fornecer um claro entendimento, porém bastante simplificado, das atividades do engenheiro desta área do conhecimento, aplicamos o termo engenheiro de materiais à categoria geral, e definimos as seguintes subdivisões:
13 14
Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia Engenharia
de Materiais13 Geológica14 de Minas de Petróleo de Cerâmicas de Plásticos Metalúrgica
Engenharia da Ciência dos Materiais Ver Engenharia Geotécnica no capítulo A Engenharia Civil. Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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7.5.4. Os Engenheiros de Materiais TIPO DE TRABALHO DOS ENGENHEIROS DE MATERIAIS Os engenheiros de materiais se preocupam com a extração, desenvolvimento, processamento e teste dos materiais usados para criar uma grande diversidade de produtos, desde chips para computadores e tubos de raios catódicos para os aparelhos de televisão, até tacos de golfe e esquis para a neve e água. plásticos,
semicondutores,
e
com
Eles trabalham com metais, cerâmicas,
combinações
destes
materiais,
denominados
de
compósitos, para criar novos materiais que atendam a certas especificações mecânicas, elétricas e químicas.
Eles também se envolvem na seleção de materiais para novas
aplicações. Existem vários desenvolvimentos novos da engenharia de materiais que fizeram possível a manipulação e o uso dos materiais de várias maneiras.
Por exemplo, os
engenheiros de materiais desenvolveram a habilidade de criar e então estudar os materiais no nível atômico, utilizando processos avançados, elétrons, nêutrons ou raios X, para replicar as características dos materiais e dos seus componentes, usando computadores.
EMPREGOS DOS ENGENHEIROS DE MATERIAIS Uma vez que os materiais são os blocos de construção de todos os objetos, os engenheiros de materiais estão distribuídos em todas as indústrias de manufatura. De fato, mais de 80% dos engenheiros de materiais trabalham em indústrias de manufatura, especialmente na produção e processamento primário de metais, produtos eletrônicos e outros equipamentos elétricos, equipamentos de transporte, e em equipamentos e maquinário industrial.
Eles também trabalham nas indústrias de prestação de serviços,
tais como, nas de engenharia, gerenciamento, pesquisa e teste.
Muitos engenheiros de
materiais trabalham para entidades dos governos.
PERSPECTIVAS DOS ENGENHEIROS DE MATERIAIS O número de postos de trabalho para os engenheiros de materiais, se projeta crescerá mais lentamente que a média para todas as ocupações até o ano de 2010. Muitos engenheiros de materiais serão necessários para desenvolver novos materiais para os produtos eletrônicos e plásticos em geral. Apesar disso, muitas indústrias de manufatura nas quais estão concentrados os postos de trabalho dos engenheiros de materiais, tais como as indústrias de produtos metálicos, gemas, argila e vidros, tendem a diminuir o número de postos de trabalho. Tanto quanto as empresas precisam reduzir os seus custos, também precisam melhorar os seus materiais, levando a uma expectativa de crescimento do número de postos de trabalho em muitas empresas prestadoras de serviços, incluindo as de pesquisa e testes, treinamento de pessoal, saúde, e de serviços de engenharia e arquitetura. Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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isso, existirão novos postos de trabalho sendo abertos, resultado da necessidade de substituir engenheiros de materiais que se transferem a outras ocupações ou que deixam à força de trabalho.
INFORMAÇÕES ADICIONAIS DOS ENGENHEIROS DE MATERIAIS
7.6.
Minerals, Metals, & Materials Society: www.tms.org ASM International Foundation: www.asm-intl.org
A Engenharia de Cerâmicas Os engenheiros de cerâmicas projetam e dirigem processos que convertem a argila,
os minerais não-metálicos ou silicatos, em produtos de cerâmica, tais como, componentes automotivos, próteses, blocos protetores para ônibus espaciais e painéis solares. Os engenheiros de cerâmicas desenvolvem novos materiais cerâmicos e métodos para convertê-los em produtos úteis. As cerâmicas incluem todos os materiais inorgânicos não-metálicos, em geral óxidos metálicos e outros compostos mais complexos, que requerem o uso de altas temperaturas no seu processamento. Os engenheiros produtos
diversos
tais
de cerâmicas trabalham como
objetos
de
em
cristal,
microchips, microprocessadores, velas, fibras ópticas, componentes eletrônicos, automotivos e aeronáuticos, tijolos e telhas comuns e vitrificadas, louças, rodas de moer, varas de pescar, cristais, vidros para portas, janelas e pára-brisas, etc.. A engenharia de cerâmicas é um dos mais antigos campos da engenharia, que a cada
Figura 7-10 – Engenheiro de cerâmicas
dia, aumenta a sua importância na nossa vida particular e industrial. O engenheiro de cerâmicas trata da extração, classificação, trituração e mistura de matérias-primas, formando as formas desejadas em formas especiais, pressionando-as e submetendo-as a alta temperatura em fornos.
O engenheiro de cerâmicas é responsável
pelo projeto e operação de equipamentos, pelo teste dos produtos, pelas pesquisas das matérias-primas, os seus processos e produtos. Até recentemente, o trabalho com cerâmicas era mais uma arte do que uma ciência. A relação de engenheiros em relação a artesãos em cerâmicas era baixa, comparada com outras indústrias. Apesar disso, o aumento pela demanda de itens em cerâmicas e o rápido desenvolvimento de novos produtos, resultaram numa maior ênfase na produção em massa
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e de uma demanda proporcional por pesquisa e desenvolvimento de tecnologias avançadas, na fabricação e processamento destes materiais.
7.6.1. Linha do tempo da engenharia de cerâmicas Ano
Aplicação
9000 AC
Primeiros vasos de cerâmica
1500 AC
Primeiros objetos de vidro
1860
Vela de ignição
1879
Lâmpada de Edison com bulbo de vidro
1940
Filtro de combustível de cerâmica
1955
Primeira blindagem cerâmica
1957
Combustíveis cerâmicos desenvolvidos para a produção de energia nuclear
1958
Fibras ópticas de vidro utilizadas em aplicações medicas
1961
Combustível nuclear cerâmico usado para impulsionar naves espaciais
1962
Armadura cerâmica para aplicações militares
1968
Fibras ópticas utilizadas para telecomunicações
1971
Substratos cerâmicos utilizados nos catalisadores em automóveis para controlar a poluição ambiental
1972
Cerâmicas usadas na substituição de dentes
1976
Cerâmicas usadas para substituir articulações ósseas fraturadas ou doentes
1981
São utilizados 34000 blocos de cerâmica protetora, nos ônibus espaciais
1983
Motor de combustão de cerâmica é testado no Japão
1986
É desenvolvida a primeira raquete de tênis É desenvolvida a cerâmica supercondutora
1989
São utilizados componentes cerâmicos nos motores de carros de corrida
1990
Cerâmicas são utilizadas para encapsular resíduos nucleares
1997
Esquis e snowboards são construídos de materiais cerâmicos
1998
São utilizadas as primeiras próteses ortodônticas corretivas feitas de cerâmica translúcida
7.7.
A Engenharia de Plásticos15 A partir da invenção do celulóide em 1868 e do desenvolvimento do primeiro
polímero sintético em 1910, a produção de plásticos tem crescido rapidamente, e hoje em dia, excede em muito a produção do bilhão de toneladas por ano. Os polímeros são formados pela união de duas ou mais moléculas do mesmo tipo, para produzir um novo composto com a mesma composição química, mas com propriedades físicas diferentes.
Estes materiais de alto peso molecular, chamados de macromoléculas,
podem-se organizar de forma entrelaçada ou ramificada, permitindo uma ampla faixa de propriedades resultantes, que fazem estes materiais serem tão valiosos.
Esta seção teve a participação do professor Ney Darío Kaminsky, que é professor e diretor do curso de Engenharia de Plásticos da Universidade Luterana do Brasil. Kaminsky é o idealizador e fundador do primeiro curso de Engenharia de Plásticos do Brasil.
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Os engenheiros de plásticos se preocupam com a formulação, produção e aplicação de polímeros. Eles estudam as forças atrativas desenvolvidas pelas ligações de covalentes e a deformação plástica das moléculas sob a aplicação de esforços.
Eles sabem que
aumentando o peso molecular dos polímeros, aumenta a resistência mecânica e aos solventes químicos, e diminui a facilidade de moldagem e extrusão. Eles também sabem que cadeias irregulares são mais flexíveis que as regulares, e que os produtos que contêm cadeias flexíveis são mais leves e elásticas com alta resistência a impactos. Para uma determinada aplicação, o engenheiro de plásticos deve decidir qual será o compromisso ótimo. A tremenda faixa de propriedades disponíveis e a extensão potencial desta faixa para novas fronteiras do conhecimento, fazem da engenharia de plásticos uma carreira muito atrativa e desafiante. Os polímeros sintéticos já eram fabricados em escala laboratorial por volta de 1860, sendo que o primeiro plástico a ser utilizado em aplicações práticas foi o celulóide (nitrato de celulose), utilizado em 1864 para solucionar um problema de escassez de marfim nos EUA. Leo Baekeland, belga radicado nos EUA, foi pioneiro na industrialização dos materiais plásticos, fabricando produtos com resinas fenólicas com a famosa marca baquelite, ainda no final do século XIX. Inicialmente, os plásticos se desenvolveram de maneira muito lenta, mas nos últimos 30 anos seu progresso foi sendo acelerado. Atualmente, existem mais de 50 famílias de plásticos, diferenciadas por suas propriedades e aplicações. Considerando os aspectos físicos e mecânicos, temos desde os materiais macios ao toque como a espuma de poliuretano, até os materiais mais duros como a melamina; de materiais transparentes como policarbonatos até os opacos como os fenólicos; de resistentes ao calor como o silicone até os que amolecem em água quente como o polietileno de baixa densidade; dos materiais mais leves que a água como o polipropileno aos mais pesados que o aço com o epóxi com carga de chumbo. É
significativo
o
desenvolvimento
tecnológico
principalmente
dos
materiais
denominados “plásticos de engenharia” que permite a substituição com enormes vantagens, de outros materiais que eram usados antigamente. A substituição do vidro nos frascos; da lata de folha de flandres; do papel nas sacolas; do papelão nas embalagens; da cortiça nas rolhas e da madeira nas obras civis (benefício ecológico de conservação das florestas); do ferro fundido e aço nos automóveis é cada vez mais intensa.
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Figura 7-11 – Empresa Petroquímica.
Os plásticos em sua grande maioria são provenientes do petróleo, que se formou dentro da crosta terrestre sob condições ideais durante milhões de anos. Este petróleo, que é captado geralmente a milhares de metros de profundidade, não só na terra firme como na plataforma marítima, sofre em uma Refinaria uma série de transformações químicas. Nestas refinarias, são produzidos diversos itens, como gasolina, óleo combustível, etc., e a nafta. Esta, por sua vez, é transportada em dutos para os Pólos Petroquímicos, e entregue a uma empresa de 1ª. geração, que produz uma série de gases (propano, butano, propeno, butadieno, etc.) que logo em seguida também por dutos vão para as chamadas empresas de 2ª. geração, que através de sofisticados e automatizados processos transformam-se nos polímeros, de consistência sólida, fornecidos em geral sob a forma de grãos (peleis) ou em pó incolor.
Estas empresas de um Pólo Petroquímico são em geral empresas de grande porte,
com alto nível de desenvolvimento tecnológico. Partindo
desta
2ª
geração,
os
polímeros
são
adquiridos
pelas
empresas
processadoras, da chamada 3ª geração, que então produzem uma infinidade de itens, já comentados anteriormente. É neste setor, que possui p/ex. no Rio Grande do Sul cerca de 600 empresas, e no Brasil mais de 6000, que se situa o maior campo de trabalho para os Engenheiros de Plásticos. É evidente que, pela ampla formação técnica que é recebida, muitos deles desenvolvem atividade na 2ª geração (ou até na 1ª), mas a maioria, até pela maior demanda deste setor, está na atividade industrial de processo. A Engenharia de Plásticos faz parte de um importante ramo de atuação dentro da Engenharia, tendo suas atribuições profissionais definidas pelo CREA, na área da Engenharia de Materiais. A Engenharia de Plásticos seria mais propriamente chamada de Engenharia de Polímeros (em seu sentido mais amplo, pois compreende estudo dos Elastômeros –
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Borrachas, Adesivos e Tintas e Vernizes), abrange um amplo espectro de atividades, É impressionante o que o desenvolvimento tecnológico principalmente dos materiais denominados “plásticos de engenharia” permite a substituição com enormes vantagens, de outros materiais que eram usados antigamente. A substituição do vidro nos frascos; da lata de folha de flandres; do papel nas sacolas; do papelão nas embalagens; da cortiça nas rolhas e da madeira nas obras civis (benefício ecológico de conservação das florestas); do ferro fundido e aço nos automóveis; etc. é cada vez mais intensa. É importante citar, porém, que não só as empresas do setor plástico constituem um campo aberto, mas quaisquer empresas que utilizem plásticos no seu produto, ou seja, a maioria. Para exemplificar, fábricas de refrigerante, da área automobilística, de ônibus, de eletrodomésticos, cutelaria, armas, etc., estão hoje contando com Engenheiros de Plásticos em suas equipes.
Figura 7-12 – Artigos de plástico.
7.7.1. Situação geral do mercado de trabalho Pelas razões já apontadas, o setor de plásticos (materiais poliméricos) se encontra em todo mundo e igualmente no Brasil, em fase de crescimento. Dados estatísticos comprovam que nos últimos 20 anos, seu desempenho tem sido superior ao da economia como um todo. Em reportagem recente da revista Veja, que pesquisou as profissões mais procuradas no mercado e suas possibilidades futuras, apontou para as Engenharias , que : “Fase em que está a profissão:“ Boa: o curso de Engenharia está valorizado. “O passe dos bons engenheiros é disputado em todos os tipos de empresa” ;
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Áreas promissoras: “Engenharia de Materiais, de Meio Ambiente, Agronômica e de Alimentos” . Perspectivas a curto prazo: “O mercado deve abrir novas vagas com o aquecimento da economia”. Especificamente no setor de Materiais Poliméricos, cresce a importância dos engenheiros capacitados a desenvolver seu trabalho, por carência dos atuais profissionais do ramo. É um setor novo que está justamente na fase de necessidade de evolução para poder enfrentar a concorrência nacional e internacional.
Figura 7-13 – Simulação com o software Mold Flow®.
7.7.2. Áreas de atuação dos Engenheiros de Plásticos GERENCIAMENTO DE PRODUÇÃO Os engenheiros que trabalham na área industrial, atuam em fábricas que em geral utilizam processos de transformação de plásticos. Para poder desempenhar tal atividade, é imprescindível o conhecimento dos materiais, das máquinas, dos processos, dos sistemas de produção, que a Engenharia de Plásticos oferece. É uma opção bastante vasta, pois existem no país milhares de empresas no segmento, além de empresas de outros segmentos que também utilizam processos de transformação de plásticos.
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Figura 7-14 – Fabrica com injetoras.
ASSISTÊNCIA TÉCNICA – COMERCIAL É outro importante setor que abriga muitos Engenheiros de Plásticos, que justamente utilizam seus conhecimentos dos polímeros, das máquinas e dos moldes, para orientar os clientes em relação ao material que deve ser utilizado em cada caso, ou a respeito do tipo de molde que deve ser aplicado.
DESENVOLVIMENTO DE NOVOS PRODUTOS: É outra área muito importante, de novos desenvolvimentos, em que as indústrias de 3ª geração determinam a necessidade de um produto novo, seja por obsolescência do antigo, seja para fabricar peças melhores e mais econômicas, seja pela necessidade de substituir a matéria prima, ou para entrar em um novo mercado, ou concorrer com maiores condições com outras empresas, e assim por diante. O mercado atualmente é muito dinâmico, o que obriga as indústrias a constante trabalho visando novos produtos. Mais uma vez, só conhecendo todas variáveis envolvidas (polímero, máquina, etc.), é que um engenheiro tem condições de desenvolver o produto ideal. Faz parte desta área, o trabalho de pesquisa e de prospecção de novas utilizações dos materiais poliméricos existentes ou em desenvolvimento, muitas vezes em substituição de outros tipos de matéria prima, acrescentando vantagens em relação a estética, custo, facilidade de processamento, e tantas outras.
PROJETO E EXECUÇÃO DE MATRIZES É um campo muito importante e mais específico, que se por um lado exige os conhecimentos gerais já descritos, exige um profundo conhecimento dos softwares de desenho e de projeto, além de software de simulação no caso dos processos de injeção. Costuma-se dizer que o molde é o coração do projeto de uma peça bem concebida. É importante o uso da matéria prima correta, uma boa máquina com boa regulagem, um bom Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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planejamento, etc., mas sem um molde bem projetado e bem executado, o resultado não é o ideal. Além do projeto correto, exige-se conhecimento das operações de usinagem, retífica, fresamento, etc., ou seja, das máquinas-ferramenta que realizam estas operações. Dependendo do molde e de seu uso, estes podem ter um custo maior do que as máquinas, exigindo ótimo treinamento dos operadores que atuam neste trabalho, pois a quebra do molde, ou sua deterioração com uso e regulagem inadequada, podem determinar enorme prejuízo à empresa, acrescido da perda de produção durante o período de manutenção.
Figura 7-15 – Matéria prima.
QUALIDADE Os engenheiros de plásticos recebem formação básica em Qualidade. Para atuação nesta área nas empresas é necessária a formação continuada e a realização de cursos certificados.
BENEFICIAMENTO DE PLÁSTICOS O beneficiamento de materiais plásticos é um setor de importância fundamental, pois agrega valores a estes materiais. O beneficiamento de plásticos pode transformar uma resina de cor escura como o caso das resinas fenólicas em materiais agradáveis aos olhos, como são as conhecidas fórmicas utilizadas para revestimento de móveis e pisos. Importância de aspecto visual também pode ser notada em plásticos revestidos por capas metálicas, como o caso de alguns celulares, emblemas de marcas de veículos ou artigos de decoração. Este processo de revestir objetos plásticos com metal traz inúmeras vantagens industriais, refletindo diretamente em custos reduzidos para o consumidor final. A pintura de plásticos como o caso de pára-choques de veículos automotores, tanques, embarcações, entre outras, também é uma técnica que faz parte do beneficiamento de materiais plásticos. Esta técnica bem como as outras, são responsáveis pela transformação de um material pobre, de baixo custo de matéria-prima e fabricação em um artigo de maior valor e mais agradável utilização.
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RECICLAGEM É outra atividade fundamental, ainda pouco explorada e usada adequadamente, mas que devido aos aspectos ecológicos que a nossa civilização atualmente prioriza, cada vez mais se torna necessária. O engenheiro de plásticos encontra-se capacitado para atuar nesta área, tanto nas empresas de transformação de plásticos, como nas empresas que atuam diretamente na reciclagem de materiais.
7.7.3. Indústrias que utilizam polímeros em seu produto Outra classificação que pode ser feita, refere-se ao tipo de indústrias que mais utilizam o plástico.
INDÚSTRIA AUTOMOTIVA O crescente uso dos materiais poliméricos na indústria automotiva tem servido sem dúvida para sua evolução. Os polímeros substituem cada vez mais os outros materiais, e com vantagens em relação a: a) estética e acabamento, pois as peças já são fabricadas na cor correta e com formas muitas vezes impossíveis no sistema antigo; b) custo: tanto em relação à produtividade, pois podem ser fabricadas várias peças em cada molde (fabricação em série), como em peso, que é da ordem de 7 vezes menor que o metal. Esta vantagem do peso, que reduziu expressivamente o peso dos carros, foi responsável por outro fator positivo, a redução do consumo de combustível; c) segurança dos passageiros, pois os polímeros são mais maleáveis e resistem melhor aos choques; d) conforto: nos estofados, na maciez dos painéis, etc.
Figura 7-16 – Plásticos na indústria automotiva.
Além disso, cada vez mais aplicações antes cativas dos metais, como em peças do motor submetidas a altas pressões e temperaturas, estão atualmente utilizando plásticos de engenharia.
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No caso do Celta fabricado pela GM em Gravataí, por exemplo, das 15 empresas sistemistas que trabalham em função deste carro, 8 são da área de plásticos. Em peso, cerca de 13% das peças são formadas de polímeros, o que representa relativamente muito mais, devido ao menor peso específico do plástico, como já comentamos.
INDÚSTRIA CALÇADISTA A indústria calçadista, especialmente em nosso Estado, sofreu uma evolução impressionante, e ao redor deste segmento, criou-se um complexo de indústrias, seja de moldes, de fabricação de acessórios, de ateliês para fabricação de protótipos para as Feiras e Exposições, etc. Os maquinários de produção são sofisticados, principalmente para os tênis e assemelhados , em máquinas em forma de carrossel, com várias operações paralelas e com uso de várias cores.
ÁREA DA BORRACHA As indústrias de elastômeros são indústrias de extrema tecnologia que acompanham o desenvolvimento do setor industrial brasileiro. Os artigos elastoméricos estão presentes em inúmeros setores como: Coureiro-calçadista, automobilístico, aeronáutico, ferroviário, alimentício e indústrias dos mais variados setores. A presença dos artigos de borracha são indispensáveis
em
acoplamentos
de
tração,
amortecedores
de
impactos,
correias
transportadoras, pneumáticos, mangueiras, vedações entre outras.
CONSTRUÇÃO CIVIL É muito expressiva atualmente, a participação dos polímeros na construção civil. Seja nos pisos, nos tapetes de fibra sintética, nas aberturas de portas e janelas, nos forros, além de toda canalização de água quente e fria, nos eletrodutos, nas tomadas de luz, na fiação de fios elétricos, caixa dágua, tapetes, etc. tudo é de plástico.
A substituição da
madeira pelo plástico, desempenha um benefício ecológico importante, evitando o corte de árvores. Nos móveis modernos, em sua maioria atualmente se usa madeira aglomerada com resinas poliméricas. Se examinarmos os eletrodomésticos que existem nas residências, pode-se constatar igualmente, que em sua totalidade possuem peças de plástico em sua composição. Já existem no mercado pelo menos duas alternativas de residências com uso intensivo de plástico, as ”Casas de PVC” da ULBRA em convênio com a Medabil, e a casa de plástico da Marcopolo – MVC.
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Figura 7-17 – Plásticos na indústria da construção civil.
PLASTICULTURA Setor de grande importância em nosso país, pelo seu potencial sempre reconhecido, mas que só há poucos anos está sendo explorado. O Brasil, pela sua extensão territorial, pela imensa variedade de clima e condições de solo, pela sua população com vocação para o setor agrícola, tem tudo para se tornar o maior produtor e exportador de artigos do setor agrícola e pecuário. Inclui-se neste setor, o da floricultura, igualmente promissor. E para racionalizar, evitar problemas de intempéries protegendo as plantas e animais, criarem condições para mais rápido crescimento, melhorar variedades, etc., é fundamental a utilização de telas e de coberturas de laminado plástico. Ainda pouco explorado, mas necessário, este nicho de mercado possui um grande potencial de crescimento. Na Europa (principalmente Espanha), Israel, Estados Unidos, p/ex., áreas de cultivo utilizam intensamente painéis de plástico.
7.7.4. Indústrias que utilizam itens de material polimérico Deixamos por último este item importante, que em resumo representa quase todas as demais indústrias que, embora não sendo do ramo de plásticos, utilizam plásticos no seu produto e conseqüentemente necessitam de Engenheiros capacitados para projetar ou especificar estas peças, ou para atestar sua qualidade, ou em grande parte dos casos, fabricarem internamente as mesmas. Ou seja, se existem cerca de 6.000 fábricas do setor de plásticos no país, existem outras tantas milhares que, não sendo do ramo, possuem ligação direta com os mesmos. Assim, fábricas como a Pepsi Cola fabricam suas garrafas, a Marcopolo fabrica dezenas de peças plásticas para os ônibus, a Zivi Hércules os cabos dos talheres, a Moto Serras Stihl partes de seu produto, a Agrale as peças de tratores, a Multibrás os itens dos eletrodomésticos, e assim por diante.
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Figura 7-18 – Plásticos na indústria de bebidas.
7.7.5. Aplicações dos materiais plásticos Os materiais poliméricos substituem com vantagens uma série de outros materiais, como:
Substitui o papel em sacolas de supermercados, em embalagens de gêneros alimentícios; Substitui o algodão ou sisal nos sacos de feijão, arroz; Substituem o vidro em garrafas de bebidas e remédios; Substitui a folha de flandres nas latas de azeite; Substitui o algodão e linho nos tecidos em geral, nas fraldas de bebê; Substitui os tecidos nos tapetes, e também nos estofados; Substitui o alumínio em pastas de dentes, em latas de refrigerantes; Substitui o amianto (com todos seus problemas cancerígenos) em caixas de água; Substitui o material cerâmico em peças técnicas, e em telhas na construção civil; Substitui a madeira nos marcos de portas e janelas, uma grande vantagem ecológica; Substitui o concreto ou a madeira em moirões, em dormentes de trem; Substitui o mármore em pisos residenciais; Substitui a cortiça nas rolhas de garrafa; Podemos citar também novas tendências de uso dos plásticos, que irão auxiliar o
crescimento do setor:
7.8.
Embalagens para tintas (baldes) – potencial de 20 mil t/ano; Embalagens para ovos – em PVC ou P S – 20 mil t/ano; Tanques de combustível – 9 mil t/ano; Garrafas de cerveja em PET – 570 mil t/ano; Tubulação para infra-estrutura – telecomunicação, energia, água- 200 mil t/ano; Frascos de óleo comestível em PET – 42 mil t/ano; Agribusiness – exportações de frutas – 100 mil t/ano.
A Engenharia Metalúrgica De forma geral, existem três grandes áreas de atividade na engenharia metalúrgica: a
metalurgia extrativa, a metalurgia física e a metalurgia de processos.
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A metalurgia extrativa se preocupa com a extração de metais do minério e seu posterior refinamento. extração.
O produto das minas é a matéria-prima para os metalúrgicos de
Eles primeiro usam meios mecânicos para remover os minerais desejados da
indesejável companhia de outros materiais. Este processo é chamado de beneficiamento. Depois os metalúrgicos extrativos devem separar o metal dos compostos químicos, nos quais existem no minério bruto, e obter destes, o metal puro comercial. A piro-metalurgia envolve o uso de fogo como agente redutor ou fundidor, num forno específico.
A eletro-
metalurgia é empregada na produção de alumínio e na purificação do cobre.
Figura 7-19 – Processo de fundição na Engenharia Metalúrgica.
A metalurgia física faz uso de metais refinados. Estes engenheiros se ocupam da produção de ligas que melhoram as propriedades físicas do material, por exemplo: aço de alta resistência mecânica, aço inox, soldas de baixo ponto de fusão, bronze resistente a corrosão, ferro de alta permeabilidade magnética, transistores de silício de alta pureza e ferro fundido de fácil montagem. O trabalho de fundição é um campo especial da metalurgia física, e que envolve a escolha de fornos, metais, moldes, areias e bases. O forjamento e as soldas são beneficiados pelo trabalho do metalúrgico na preparação das ligas, nos testes físicos e no tratamento térmico.
Figura 7-20 – A metalografia permite aos engenheiros metalúrgicos estudar a microestrutura dos metais.
Os processos metalúrgicos desenvolvem e melhoram os processos de modificação das propriedades dos metais, tais como, fundição, forjamento, extrusão e tratamentos térmicos. Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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A Engenharia Nuclear Os
engenheiros
nucleares
projetam,
desenvolvem, monitoram e operam as plantas de
geração
eletricidade
nuclear e
usadas
energia,
para
para
submarinos, navios e satélites.
gerar
impulsionar Eles também
conduzem pesquisas em energia nuclear e radiações.
Por exemplo, eles podem trabalhar
na manipulação do ciclo de combustível nuclear e no uso do mesmo e na disposição segura dos resíduos produzidos pelos reatores, tanto de fissão quanto de fusão16. Alguns engenheiros se especializam
no
desenvolvimento
de
armas
Figura 7-21 – Sistemas eletro-eletrônicos de suporte ao diagnóstico e tratamento
nucleares, outros no desenvolvimento de usos industriais e médicos dos materiais radioativos.
Figura 7-22 - Imagens obtidas por aparelhos que utilizam a radiação
As oportunidades de emprego e os salários para os engenheiros nucleares são considerados excelentes.
A demanda pela indústria, pelos serviços de utilidade pública,
pelos governos e pelas universidades por os engenheiros nucleares, excede a oferta. Não 16 Os reatores de fusão nuclear ainda são experimentais, sendo que até a data, não se conseguiram reatores economicamente viáveis.
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existem barreiras geográficas ou climáticas para as oportunidades nesta carreira.
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Os
empregadores são muito diversos, tais como em companhias de geração de energia, petróleo, laboratórios de pesquisa, equipamentos elétricos e farmacêuticos. A utilização crescente de radioisótopos e de radiações na pesquisa e na medicina, levaram ao prognóstico precoce dos problemas de saúde e à novas formas de tratar as doenças.
O uso da radiação para preservar os alimentos pode diminuir o custo dos
mesmos, através do menor uso de pesticidas e de refrigeração. Enquanto os reatores de fissão fornecem energia abundante, o objetivo em longo prazo é a utilização de reatores de fusão, que possibilitarão energia praticamente sem limites, a partir da água de mar, por exemplo. Por fazer disponível uma vasta quantidade de energia elétrica de forma econômica, os engenheiros nucleares contribuirão com o desenvolvimento na revolução social mundial. As agências governamentais, firmas de advocacia e centros de pesquisas médicas, procuram por engenheiros nucleares.
7.9.1. História da Engenharia Nuclear O estudo progressivo do homem nas ciências da natureza, tais como a física, mecânica, química, eletrônica, etc., levaram eventualmente ao descobrimento de que toda a matéria consiste de componentes básicos agrupados de formas diferentes, e que podem ser, e são úteis para vários propósitos.
A história por trás destes descobrimentos é uma
ilustração fascinante da pesquisa científica assistida pela experiência da engenharia. Ela representa a cooperação de mentes brilhantes provenientes de todas as partes do mundo. O seu trabalho era desenvolver uma nova fonte de energia de grande significância científica, social e política. Se os resultados finais serão para o benefício da humanidade ainda está por ser visto, mas em uma única década, a fissão atômica progrediu desde os laboratórios Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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para o mundo industrial, sendo que hoje em dia a engenharia nuclear está bem estabelecida.
ÁTOMOS A palavra átomo significa indivisível, e por muito tempo, se acreditou que esta era a menor partícula componente da matéria. O nosso conhecimento atual indica que um átomo consiste de um núcleo massivo positivamente carregado, rodeado por uma nuvem de elétrons negativamente carregada17. O núcleo é formado por nêutrons (sem carga), prótons (carregados positivamente), e um número de outras partículas elementares.
E = MC2 Por milhões de anos o sol tem esquentado a crosta terrestre e possibilitado a vida. Ele tem sido a fonte primária de toda a energia do planeta. A tremenda saída de energia do sol não pode ser devida simplesmente ao resfriamento de um corpo quente. Não faz muito tempo que os cientistas revelaram o mistério do seu poder.
O entendimento das forças
nucleares e das reações tem sido a meta de muitos físicos brilhantes ao longo do mundo.
Figura 7-23 – Reator de fusão tipo Tokamak. Princeton University, New Jersey, EUA.
Em 1905, aos 26 anos, Albert Einstein propôs a sua teoria da relatividade, a qual levava à conclusão de que E = mc2, ou seja que a massa e a energia são fases diferentes do mesmo objeto, e as suas quantidades estariam relacionadas através de uma constante, que no caso seria a velocidade da luz elevada ao quadrado.
Atualmente acredita-se (melhor dito, define-se) que os prótons e nêutrons componentes do núcleo são formados por outras subpartículas denominadas quarks. Existem diferentes tipos de quarks, e dependendo das associações, formarão diferentes entidades. Os quarks estariam unidos por outras partículas chamadas de glúons.
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Vinte e sete anos depois, os físicos britânicos John Cockcroft e E. T. S. Walton demonstravam a exatidão da teoria de Einstein pelo bombardeio de um alvo de lítio, com íons de hidrogênio altamente energéticos, pela medição da energia e da massa resultantes. Neste experimento uma pequena quantidade de massa “desapareceu”, compensada pelo aparecimento de uma quantidade equivalente de energia.
CHERNOBYL A tecnologia nuclear é relativamente nova e muitos desenvolvimentos ainda estão por vir. O acidente na planta geradora de Chernobyl aumentou a preocupação das pessoas no que se refere à segurança e meio ambiente, embora as plantas nucleares ainda possam ser menos prejudiciais ao meio ambiente e menos poluidoras, quando comparadas com as usinas hidrelétricas e termelétricas.
LINHA DO TEMPO 1932 - John Cockcroft e E. T. S. Walton confirmam a teoria de Einstein da “criação”18 da energia. 1932 – O inglês James Chadwick descobriu o nêutron, como sendo uma partícula nuclear. 1934 – O italiano Enrico Fermi bombardeou urânio com neutros e aparentemente criou um novo elemento radioativo mais pesado (urânio 93). 1938 – Os alemães Otto Hahn e F. Strassman descobriram que um dos produtos do bombardeio do urânio é o bário – o átomo tem sido dividido! 1938 – Os alemães refugiados na Dinamarca, Lise Meitner e Otto Frisch, explicaram o trabalho de Hahn e Strassman, como sendo a fissão nuclear. 1939 – Fermi apontou a possibilidade da reação em cadeia, da fissão do urânio pelos nêutrons, produzindo mais nêutrons. 1941 – Os EUA autorizaram todos os esforços para desenvolver armas atômicas. 1945 – Aconteceu a primeira explosão atômica bem sucedida em Alamogordo, Novo México, depois de quatro anos de trabalho, a um custo de dois bilhões de dólares daquela época. 1952 – Os norte-americanos Norris Bradbury e Edward Teller usaram o calor da fissão atômica para fundir isótopos de hidrogênio em hélio. 1954 – A primeira explosão termonuclear feita pelo homem aconteceu na ilha Bikini.
18 A “criação” da energia, é uma palavra que não está de acordo com os princípios da termodinâmica. Aparentemente, a energia não pode ser criada nem consumida, mas sim transformada. O único evento conhecido (?) que não está de acordo são os buracos negros, onde que funcionam como verdadeiros sumidouros de matéria, sem a correspondente criação de energia.
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1956 – Foi inaugurada a primeira planta nuclear de energia em Calder Hall, Inglaterra.
7.9.2. Especialidades da Engenharia Nuclear O engenheiro nuclear das próximas décadas terá oportunidades nas seguintes áreas:
Interação da radiação com a matéria Instrumentação e Controle Análise de Reatores Fusões controladas Gerenciamento de combustíveis Conversão de Energia Reatores de fissão Aplicações computacionais Meio Ambiente Economia Aplicações de Radioisótopos Processos Legais Materiais Manufatura e Vendas Padrões de Aferição Segurança Construção Administração Equipamentos Eletromédicos Indústria farmacêutica
Figura 7-24 - Sistemas de apoio ao diagnóstico médico
7.9.3. Preparação na Engenharia Nuclear Uma vez que a engenharia nuclear está baseada numa base sólida de matemática, ciências e engenharia, o engenheiro nuclear deverá estudar os conteúdos comuns aos demais estudantes de engenharia. Estes incluem as áreas da matemática, química e física. Também devem ser incluídos os conteúdos de mecânica dos sólidos, termodinâmica, transferência de calor, natureza e propriedades dos materiais, fenômenos eletromagnéticos, mecânica dos fluidos e transferência de massa.
Assim que o seu estudo progredir, o
estudante deverá efetuar estudos em matemática avançada, ciências da engenharia e em física atômica e nuclear, focada na análise, síntese, projeto e utilização de sistemas nucleares. O currículo da engenharia nuclear usualmente inclui a análise e projeto de sistemas que tratam com a interação da radiação na matéria, medições de radiação, produção e utilização de radioisótopos, física e engenharia de reatores, reatores e materiais de fusão. Muitos desses tópicos são tratados na sala de aula e nos laboratórios. Ênfase especial é dada na segurança da manipulação das fontes de radiação, e na análise segura de sistemas nucleares. Descobrindo a Engenharia: A Profissão
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7.9.4. Os Engenheiros Nucleares Os engenheiros nucleares projetam, desenvolvem e controlam plantas que utilizam energia nuclear para fins médicos, ou de geração de energia elétrica.
TIPO DE TRABALHO DOS ENGENHEIROS NUCLEARES Os engenheiros nucleares pesquisam e desenvolvem os processos, instrumentos e sistemas utilizados para tirar proveito da energia nuclear e da radiação.
Eles projetam,
desenvolvem, monitoram e operam plantas nucleares utilizadas para gerar energia elétrica. Eles podem trabalhar no ciclo de produção de combustível, na manipulação e no uso de combustíveis nucleares, e no armazenamento seguro dos resíduos produzidos como resultado da fissão ou fusão nuclear. Alguns se especializam no desenvolvimento de fontes de energia nuclear para naves espaciais; outros na pesquisa da utilização de materiais radioativos na indústria e na medicina, tais como equipamentos de diagnóstico e tratamento de problemas de saúde.
EMPREGOS DOS ENGENHEIROS NUCLEARES Os engenheiros nucleares são contratados na sua grande maioria, por empresas de geração de energia, seguidos de firmas de consultoria e em menor quantidade em agências de governo19.
PERSPECTIVAS PROFISSIONAIS DOS ENGENHEIROS NUCLEARES Boas oportunidades esperam aos engenheiros nucleares devido ao pequeno número de graduados nesta área em particular. É projetado um aumento nos postos de trabalho, devido à transferência de engenheiros para as áreas de gestão e daqueles que deixam a força de trabalho. Serão necessários engenheiros nucleares para operar as plantas nucleares existentes, para desenvolver e manter os equipamentos tecnológicos da área médica, e para melhorar o tratamento de resíduos e na elaboração de normas de segurança.
7.10. Exercícios a. Faça um resumo sobre a importância da engenharia de processos químicos e tecnologia de materiais para a sociedade. b. Faça um relato da sua visão sobre a interação da sua engenharia com a engenharia processos químicos e tecnologia de materiais.
19 Na América do Sul, somente dois países possuem centrais de geração termonuclear, sendo estas Atucha I e II na Argentina, e Angra I, II e III, no Brasil.
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c. Descubra o nome de uma empresa que trabalha na área da engenharia processos químicos e tecnologia de materiais. d. Pesquisar quais as universidades que oferecem esse curso.
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