CAPÍTULO 7 SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO

1. CAPÍTULO 7 SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 28 de agosto de 2014

2. CONTEXTO

3. Produto Matériaprima Processo Químico O Processo Químico é um Sistema cuja Tarefa é produzir um produto químico em escala industrial de forma econômica, segura e limpa. Esta Tarefa é composta de 4 Sub-Tarefas que sãoexecutadas por 4 Sub-Sistemas

4. Produto Matériaprima Separação Processo Químico Controle  Os 4 Sub-Sistemas Reação Integração (a) Reação: responsável pela modificação do conjunto de espécies, fazendo aparecer o produto principal. (b) Separação: responsável pelo ajuste de composição das correntes, separando o produto dos subprodutos e do excesso de reagentes. (c ) Integração: responsável pela movimentação de matéria e ajustes de temperatura das correntes. (d) Controle:responsável pela operação segura e estável do processo.

5. Os Sub-Sistemas formam o Processo e operam de forma integrada. Separação Reação Controle Integração

6. ORGANIZAÇÃO DO TEXTO/DISCIPLINA ANÁLISE SÍNTESE 2 6 INTRODUÇÃO À INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS SÍNTESE DE PROCESSOS 8 7 3 4 5 SÍNTESE DE SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO SISTEMAS DE SEPARAÇÃO OTIMIZAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA 

7. Na sequência do Projeto, depois de definidos os Sistemas da Reatores ... Fluxograma Embrião

8. A B C D E P R1 - 1 - 1 + 1 + 1 0 0 R2 0 0 - 1 + 1 - 1 1 G - 1 - 1 0 + 2 - 1 1 S2 R2 M2 A + B  C + D C + E  P + D 250 B250 A 100 A100 B 150 A 100 C 150 B 100 D 100 D S1 R1 M1 150 A 100 B 100 C Fluxograma Embrião 100 C 100 P 25 C100 D 25 E 125 E125 C 100 P 100 E 25 C 25 E 100 D

9. Detalhando o Fluxograma Embrião...

10. 04 150 A T4 01 To2 02 Td2 To3 03 Td3 R2 R1 100 A100 B 250 A250 B 150 A100 C150 B100 D M2 M1 D4 D5 D2 D1 D3 T1 1O0 C150 B100 DT5 05 07 150 BT7 150 B100 DT6 06 09 Detalhando os Sistemas de Separação 100 CT9 08 100 DT8 25 C25 ET13 13 10 11 Td11 Td12 To12 To11 15 100 E T10 125 C125 E 12 100 P T15 25 C25 E100 P100 D 14 100 P100 DT14 Objeto deste Capítulo 16 100 DT16

11. PRÉ - REQUISITOS PARA ESTE CAPÍTULO

12. Transferência de Massa Termodinâmica FUNDAMENTOS Estudo dos fenômenos de interesse que ocorrem nos equipamentos Mecânica dos Fluidos Transferência de Calor Cinética Química (Modelos Matemáticos) CIÊNCIAS BÁSICAS FUNDAMENTOS

13. Separadores Torres de destilação Torres de absorção Extratores Cristalizadores Filtros Outros... ENGENHARIA DE EQUIPAMENTOS Projeto e Análise dos Equipamentos de Processo Reatores Trocadores de calor Instrumentos de Controle Automático

14. ÍNDICE

15. 7. SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 7.1 Sistemas de Separação 7.2 O Problema de Síntese 7.2.1 Enunciado 7.2.2 Problema Ilustrativo7.2.3 Solução 7.2.4 Representação Misturas por Listas 7.2.5 A Natureza Combinatória do Problema de Síntese 7.3 Representação do Problema de Síntese 7.3.1 Representação por Árvores de Estado 7.3.2 Representação por Superestrutura 7.4 Resolução pelo Método Heurístico 7.4.1 Regras Heurísticas para Sistemas de Separação 7.4.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico

16. 7.5 Resolução pelo Método Evolutivo7.5.1 Regras Evolutivas7.5.2 Estratégia Evolutiva7.5.3 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Evolutivo 7.6 Resolução por Método de Busca Orientada por Árvore de Estados7.6.1 Descrição do Método de Rodrigo & Seader7.6.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método de Rodrigo & Seader

17. 7. SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 7.2 O Problema de Síntese 7.2.1 Enunciado 7.2.2 Problema Ilustrativo7.2.3 Solução 7.2.4 Representação Misturas por Listas 7.2.5 A Natureza Combinatória do Problema de Síntese 7.3 Representação do Problema de Síntese 7.3.1 Representação por Árvores de Estado 7.3.2 Representação por Superestrutura 7.4 Resolução pelo Método Heurístico 7.4.1 Regras Heurísticas para Sistemas de Separação 7.4.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico 7.1 Sistemas de Separação

18. 7.1 SISTEMAS DE SEPARAÇÃO São sistemas formados por separadores Separadores sãoequipamentos que promovem a separação total ou parcial dos componentes de uma mistura. Princípio Físico Os separadores são concebidos de modo a explorar a diferença das propriedades físicas das substâncias (volatilidade, solubilidade, densidade, tamanho, etc.). Exemplos Colunas de destilação e de absorção, extratores, cristalizadores, evaporadores, sedimentadores, peneiras, membranas, filtros.

19. A Função dos Separadores é promover ABC SEPARADOR AJUSTES DE COMPOSIÇÃO A BC adequando a composição das correntes a exigências na entrada de equipamentos ou na saída do processo. Os separadoresde um sistema podem ser todos de um mesmo tipo ou de tipos diferentes.

20. Os Sistemas de Separaçãosão necessários quando um único separador é insuficiente para a tarefa. PROCESSO sistema de separação A B C A A I B B C R B S A,I S2 S1 S1 Destino de B A Fonte de A Produto Principal reciclo Matéria Prima C I Destino de C Destino de I Sub-Produto Impureza Para remover a impureza I presente na alimentação, basta o separador S. Mas a separação dos componentes do efluente do reator exige dois separadores,S1e S2, que formam um Sistema de Separação.

21. 7. SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 7.1 Sistemas de Separação 7.2.2 Problema Ilustrativo7.2.3 Solução 7.2.4 Representação Misturas por Listas 7.2.5 A Natureza Combinatória do Problema de Síntese 7.3 Representação do Problema de Síntese 7.3.1 Representação por Árvores de Estado 7.3.2 Representação por Superestrutura 7.4 Resolução pelo Método Heurístico 7.4.1 Regras Heurísticas para Sistemas de Separação 7.4.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico 7.2 O Problema de Síntese 7.2.1 Enunciado

22. 7.2 O PROBLEMA DE SÍNTESE 7.2.1 Enunciado Este Capítulo é voltado à resolução do seguinte problema encontrado no projeto de um processo: Dada uma corrente de processo, determinar o sistema de separação que produza um conjunto de correntes de composições definidas, com o custo mínimo.

23. 7. SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 7.1 Sistemas de Separação 7.2 O Problema de Síntese 7.2.1 Enunciado 7.2.3 Solução 7.2.4 Representação Misturas por Listas 7.2.5 A Natureza Combinatória do Problema de Síntese 7.3 Representação do Problema de Síntese 7.3.1 Representação por Árvores de Estado 7.3.2 Representação por Superestrutura 7.4 Resolução pelo Método Heurístico 7.4.1 Regras Heurísticas para Sistemas de Separação 7.4.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico 7.2.2 Problema Ilustrativo

24. 7.2.2 Problema Ilustrativo (Henley & Seader) (Problema 7.1 do Livro) A D E C B A D B E C SISTEMADESEPARAÇÃO? Deseja-se separar os componentes da mistura, de acordo com a figura.

25. Quais são os componentes? A SISTEMADESEPARAÇÃO? D E C B A D B E C Símbolo Componente A Propano B Buteno -1 C n-Butano D Butenos -2 E Pentano Processo Destilação Simples Butenos-2: mistura de trans e cis butenos-2

26. Símbolo Componente Vazão (x) ij (adj.) A Propano 10 (0,01) 2,21 B Buteno -1 100 (0,15) 1,20 C n-Butano 341 (0,50) 1,15 D Butenos -2 187 (0,28) 2,70 E Pentano 40 (0,06) Informações Relevantes: fatores que afetam o custo dos equipamentos (a) a vazão de alimentação de cada componente (b)a volatilidade relativa dos componentes

27. Sobre a volatilidade relativa dos componentes

28. Símbolo Componente Vazão (x) ij (adj.) A Propano 10 (0,01) 2,21 B Buteno -1 100 (0,15) 1,20 C n-Butano 341 (0,50) 1,15 D Butenos -2 187 (0,28) 2,70 E Pentano 40 (0,06) A volatilidade relativa é a razão entre as constantes de equilíbrio de dois componentes : ij = Ki / Kj. Na tabela, ijé volatilidade relativa adjacente, ou seja a volatilidade entre um componente e o menos volátil seguinte na tabela. Tratando-se de volatilidades relativas adjacentesKi > Kj e ij > 1

29. Fato conhecido Quanto mais similares as estruturasde dois componentes, mais similares são as suas propriedades emais difícil a sua separação. Por exemplo: separação de isômeros Portanto, mais similares são as suas constantes de equilíbrio e mais próximo de 1 é o valor de ij. Então, a volatilidade relativa adjacente ijpode servir de medida da dificuldade de separaçãodos componente i e j da mistura.

30. Símbolo Componente Vazão (x) ij (adj.) A Propano 10 (0,01) 2,21 B Buteno -1 100 (0,15) 1,20 C n-Butano 341 (0,50) 1,15 D Butenos -2 187 (0,28) 2,70 E Pentano 40 (0,06) Assim, é mais difícil separar Buteno -1 do n-Butano do que separar os Butenos-2 do Pentano.

31. 7. SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 7.1 Sistemas de Separação 7.2 O Problema de Síntese 7.2.1 Enunciado 7.2.2 Problema Ilustrativo 7.2.4 Representação Misturas por Listas 7.2.5 A Natureza Combinatória do Problema de Síntese 7.3 Representação do Problema de Síntese 7.3.1 Representação por Árvores de Estado 7.3.2 Representação por Superestrutura 7.4 Resolução pelo Método Heurístico 7.4.1 Regras Heurísticas para Sistemas de Separação 7.4.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico 7.2.3 Solução

32. 7.2.3 Solução A A B B B D ComponenteSímbolo Propano A Buteno -1 B n-Butano C Butenos -2 D n-Pentano E C C D D C A B E D C D E E A SOLUÇÃO É UM FLUXOGRAMA Nesta disciplina, as separações são consideradas completas e sem retiradas laterais.

33. Características Básicas de uma Solução C São os detalhes que distinguem uma solução de outra A A B B B D ComponenteSímbolo Propano A Buteno -1 B n-Butano C Butenos - 2 D n-Pentano E C D D C A B E D C D E E (a)seqüência das separações (b)tipo de operação em cada etapa

34. 5 D B C C C C D D D D C C D D A A A E E B B B B 13 4 19 C A E C B D D D C C A A B B E E Exemplo de duas soluções diferentes A A B 17 B D B C D 2 19 D 16 C D E E

35. 7. SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 7.1 Sistemas de Separação 7.2 O Problema de Síntese 7.2.1 Enunciado 7.2.2 Problema Ilustrativo7.2.3 Solução 7.2.5 A Natureza Combinatória do Problema de Síntese 7.3 Representação do Problema de Síntese 7.3.1 Representação por Árvores de Estado 7.3.2 Representação por Superestrutura 7.4 Resolução pelo Método Heurístico 7.4.1 Regras Heurísticas para Sistemas de Separação 7.4.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico 7.2.4 Representação de Misturas por Listas

36. 7.2.4 Representação de Misturas por Listas A síntese de um Sistema de Separação compreende duas ações: • a geração dos fluxogramas plausíveis. (b) o dimensionamento dos separadores e a avaliação do custo de cada fluxograma gerado.

37. (a) Geração dos Fluxogramas Plausíveis É um procedimento de natureza lógica/combinatória (raciocina-se como num "quebra-cabeças"). O procedimento não exige o conhecimento detalhado dos separadores, mas o seu princípio de funcionamento. Neste Capítulo, serão apresentados métodos que ajudam a lidar com este problema combinatório. A tarefa é facilitada pela representação de misturas por listas e pela substituição dos separadores por processadores de listas.

38. LISTAS ABCDE volatilidade A D B E Mistura C Lista São listas formadas pelos componentes de uma mistura ordenados segundo a propriedade física explorada pelo separador A: mais volátil : mais leve : menor TE E: menos volátil : mais pesado : maior TE

39. Na resolução dos problemas de síntese, é conveniente considerar as misturas como listas e os separadores como processadores de listas.

40. Os processadores de listas efetuam um corte na lista (alimentação) formando duas sub-listas (produtos). A volatilidade B C ABC Produto de topo ABCDE A B E C D alimentação D DE E Produto de fundo Sub - listasprodutos Listaalimentação Coluna de Destilação Processador de Listas

41. Os componentes localizados nas pontas da Lista podem ser separados com uma única operação. A ABC ABCD ABCD BCD D A A AB ABCD BCD ABCD B B CD CD Os demais componentes precisarão de duas separações. Ex.: B. ou Nesses casos, optar pela separação mais fácil

42. Portanto Um critério para selecionar um processo de separaçãoé a posição do componente de interesse numa das pontas da lista

43. A presença de uma outra substância pode alterar a ordem dos componentes na Lista Destilação Simples ABCDEF A B E C D F Destilação Extrativa (c/ furfural) ACBDEF A B E C D F f Problema 7.2

44. A presença de uma outra substância pode alterar a dificuldade da separação (volatilidade relativa). Destilação Simples ABC ABCDEF A B E C D A F DEF B C F Destilação Extrativa (c/ furfural) A C AC ACDEF A D E C D E F DEF f B ausente D F E (C/D) = 1,07 (C/D) = 1,70

45. A síntese de um Sistema de Separação compreende duas ações: • a geração dos fluxogramas plausíveis. (b) o dimensionamento dos separadores e a avaliação do custo de cada fluxograma gerado.

46. (b) Dimensionamento dos Separadores e a Avaliação do Custo de cada Fluxograma Gerado É um procedimento de natureza numérica que exige o conhecimento específico dos separadores e dos seus métodos de cálculo (Análise de Processos) Porém, nesta disciplina, os separadores são considerados já dimensionados e avaliados. Os seus custos serão fornecidos nos enunciados.

48. 7. SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 7.1 Sistemas de Separação 7.2 O Problema de Síntese 7.2.1 Enunciado 7.2.2 Problema Ilustrativo7.2.3 Solução 7.2.4 Representação Misturas por Listas 7.3 Representação do Problema de Síntese 7.3.1 Representação por Árvores de Estado 7.3.2 Representação por Superestrutura 7.4 Resolução pelo Método Heurístico 7.4.1 Regras Heurísticas para Sistemas de Separação 7.4.2 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico 7.2.5 A Natureza Combinatória do Problema de Síntese

49. Qual deve ser a primeira pergunta ao se deparar com um problema? A A AB DE AB DS B B Coluna de destilaçãoextrativa Coluna de destilaçãosimples Quantas soluções viáveis o problema apresenta? No caso da Síntese de Sistemas de Separação Soluções para 2 componentes e 2 processos plausíveis 2 soluções Situação mais comum: misturas multicomponentes e mais de um processo plausível de separação.

50. Exemplo: 3 componentes 2 processos plausíveis 8 soluções ! Enumeradas ao acaso Diferenças: Seqüência dos Cortes Tipo de Separador