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CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO GERAL

CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO GERAL. 04 DE AGOSTO DE 2008. FINALIDADE DO CAPÍTULO 1. Apresentar a Engenharia de Processos como uma área relativamente nova na Engenharia Química, incluindo:. - os seus objetivos. - a sua localização no contexto da Engenharia Química. - como surgiu e evoluiu.

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CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO GERAL

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  1. CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO GERAL 04 DE AGOSTO DE 2008

  2. FINALIDADE DO CAPÍTULO 1 Apresentar a Engenharia de Processos como uma área relativamente nova na Engenharia Química, incluindo: - os seus objetivos - a sua localização no contexto da Engenharia Química - como surgiu e evoluiu - a sua estrutura (organização) FINALIDADE DESTA AULA Apresentar a disciplina Engenharia de Processos, incluindo: - a sua organização - como é conduzida: aulas, material didático e avaliação - a bibliografia pertinente

  3. PROCESSO ??? Seqüência de etapas responsáveis pela transformação de matérias primas em produtos de interesse industrial. Conceito abrangente (Processo Químico): inclui todas as transformações químicas espontâneas, ou por ação de catalisadores ou de microrganismos.

  4. ENGENHARIA DE PROCESSOS Área da Engenharia Química dedicada ao Projeto de Processos Químicos Começamos então o Capítulo conceituandoProjeto de Processos Químicos.

  5. 1. INTRODUÇÃO GERAL 1.1 Projeto de Processos Químicos 1.2 Engenharia de Processos 1.3 Sistemas 1.4 Inteligência Artificial 1.5 Sistematização do Projeto de Processos 1.6 Organização da Disciplina 1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na Engenharia Química 1.8 Computação Bibliografia 1.1 Projeto de Processos Químicos

  6. PROJETO DE PROCESSOS QUÍMICOS É o conjunto de ações desenvolvidas Até Um plano bem definido para a construção e a operação da instalação industrial. DesdeA decisão de se produzir um determinado produto químico 

  7. PLANTA INDUSTRIALInstalação física onde ocorrem as etapas do Processo Químico

  8. Matéria Prima Produto PLANTA INDUSTRIAL

  9. RESFRIADOR MISTURADOR CONDENSADOR W14 = 1.080 kg/hT*14 = 25 oC 14 W12 = 59.969 kg/hT*12 = 30 oC W9 = 228.101 kg/hT*9 = 30 oC 12 Solvente 9 13 10 W13 = 36.345 kg/hT13 = 25 oC W10 =36.345 kg/hT10 = 80 oC Ar = 361 m2 Ac = 119 m2 11 A.R. A.R. 8 W11 = 59.969 kg/hT*11 = 15 oC W8 = 228.101 kg/hT*8 = 15 oC W5 = 36.345 kg/hT*5 = 80 oC 15 W15 = 37.425 kg/hT15 = 25 oC W3 = 37.544 kg/hx1,3 = 0,002 T3 = 25 oCf1,3 = 120 kg/hf2,3 = 37.424 kg/h 5 EXTRATOR BOMBA EVAPORADOR 3 Ae = 124 m2 1 Vd = 11.859 l Extrato W6 =8.615 kg/hT*6 = 150 oC Matéria prima t*= 0,0833 h r* = 0,60 Vapor 7 6 W2 = 99.880 kg/hx1,2 = 0,0008 T2 = 25 oCf1,2 = 80 kg/hf3,2 = 99.800 kg/h W*1 = 100.000 kg/hx*1,1 = 0,002 T*1 = 25 oCf1,1 = 200 kg/hf3,1 = 99.800 kg/h W7 = 8.615 kg/hT7 = 150 oC 2 W4 = 1.200 kg/hx*1,4 = 0,1 T4 = 80 oCf1,4 = 120 kg/hf2,4 = 1.080 kg/h 4 Rafinado Produto

  10. 1.1 PROJETO DE PROCESSOS QUÍMICOS O conjunto de ações desenvolvidas Até Um plano bem definido para a construção e a operação da instalação industrial. DesdeA decisão de se produzir um determinado produto químico  O conjunto é numeroso e diversificado !!!

  11. Investigar disponibilidade de matéria prima Investigar mercado para o produto Calcular o consumo de utilidades Estabelecer o número e o tipo dos reatores Definir o fluxogramado processo Investigar reagentesplausíveis Calcular a vazão dascorrentes intermediárias Estabelecer as condições da reação e sub-produtos Avaliar a lucratividadedo processo Definir o número e o tipo de trocadores de calor Definir o número e o tipo dos separadores Calcular as dimensõesdos equipamentos Calcular o consumo de insumos Calcular o consumo de matéria prima Estabelecer malhas de controle

  12. 1. INTRODUÇÃO GERAL 1.1 Projeto de Processos Químicos 1.2 Engenharia de Processos 1.3 Sistemas 1.4 Inteligência Artificial 1.5 Sistematização do Projeto de Processos 1.6 Organização da Disciplina 1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na Engenharia Química 1.8 Computação Bibliografia 1.2 Engenharia de Processos

  13. 1.2 ENGENHARIA DE PROCESSOS É uma área recente na Engenharia Química que veio preencher uma importantelacuna que perdurou por décadas: a falta de uma sistemática e de instrumentos modernos e eficientes para a execução do Projeto de Processos Químicos.

  14. Para executar um Projeto, o Engenheiro Químico contava com o seguinte conjunto de conhecimentos adquiridos na sua formação, organizados em Disciplinas e Cursos:

  15. CIÊNCIAS BÁSICAS Estudo dos fenômenos naturais Física Química Físico-Química Bioquímica descritos formalmente através da Matemática

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

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

  18. Tudo isso ensinado de forma sistemática nos Cursos de Engenharia Química

  19. Mas faltavam metodologia e instrumentos para o projeto de processos: a combinação dos equipamentos formando a planta industrial, de maneira eficiente. CIÊNCIAS BÁSICAS FUNDAMENTOS ENG. DE EQUIPAMENTOS

  20. Ao final da década de 60: um fato relevante Ocorreu uma combinação de elementos de Engenharia de Sistemas + Inteligência Artificialgerando  TEORIA DE PROJETO De aplicação geral, com efeito marcante em diversas áreas.

  21. Conhecimento específicode cada área Teoria de Projeto Eng.Química Eng. Naval Aplicável a todas as áreas Eng. Elétrica Eng. Mecânica Utilização mais eficiente do conhecimento específico de cada área nos seus Projetos

  22. NA ENGENHARIA QUÍMICA ...

  23. Surgiu a ENGENHARIA DE PROCESSOS Projeto e Análise de Processos Industriais (sistemas formados pelos equipamentos) Processos Químicos Processos Biotecnológicos Produção de Alimentos Outros Processos Última camada de conhecimentos agregada à formação, pois exige os conhecimentos encontrados nas camadas anteriores.

  24. A Engenharia de Processos surgiu com a “Fertilização”da Eng. Química tradicional com elementos de: Resumindo: Engenharia de Sistemas: No tratamento de conjuntos complexos de elementos interdependentes • Resultando:Utilização mais organizada e mais eficiente dos conhecimento específicos da Engenharia Química no Projeto de Processos:- Projeto mais rápido e mais eficiente. • Processos mais econômicos, seguros e limpos. Inteligência Artificial: Na resolução de problemas combinatórios

  25. Seguem diversos conceitos relacionados a Sistemas Inteligência Artificial importantes naTeoria de Projeto Engenharia de Sistemas: No tratamento de conjuntos complexos de elementos interdependentes que foram incorporados à Engenharia de Processos Inteligência Artificial: Na resolução de problemas combinatórios

  26. 1. INTRODUÇÃO GERAL 1.1 Projeto de Processos Químicos 1.2 Engenharia de Processos 1.3 Sistemas 1.4 Inteligência Artificial 1.5 Sistematização do Projeto de Processos 1.6 Organização da Disciplina 1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na Engenharia Química 1.8 Computação Bibliografia 1.3 Sistemas

  27. 1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização 1.3.1 Conceito

  28. 1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 3 4 1 7 2 5 6 Sistema: denominação genérica aplicada a organismos, dispositivos ou instalações, com as seguintes características: (a) são conjuntos de elementos interdependentes (através de conexões), cada qual capaz de executar uma ação específica. (b ) cuja finalidadeé executar uma ação complexa resultante da combinação das ações dos seus elementos.

  29. Os elementos e as conexões podem ser: -concretos (tangíveis) - abstratos (intangíveis) A finalidade do sistema pode ser: -estabelecida(criação) -constatada (observada) Isso torna o sistema um conceito bastante abrangente.

  30. Abrangência do Conceito de Sistema 3 4 1 7 2 5 6 Concretos Abstratos Constatada Corpo Humano Eco - Sistemas Estabelecida Processo Químico ! Sistemas Econômicos

  31. O Processo Químico éumSISTEMA W12 W9 14 W14 12 T9 T12 9 T14 MISTURADOR 13 10 RESFRIADOR CONDENSADOR 5 Ar Ac W5 W10 W13 T5 T10 T13 8 11 W11 W8 T11 T8 água água 15 W15 T15 f13 EVAPORADOR f23 Vl T3 t Ae extrato 3 r W6 7 T6 DECANTADOR bomba W1 vapor 20 HP 6 1 W7 T1 x11 T7 f11 T2 2 f12 f21 EXTRATOR f32 alimentação produto 4 f14 W4 rafinado x14 f24 T4 Um conjunto de elementosespecializados (equipamentos) e interdependentes (através das correntes) reunidos para um determinado fim (produção de um produto).

  32. ENGENHARIA DE SISTEMAS Campo do conhecimento que estuda Sistemas de uma forma genérica, independentemente da finalidade e da natureza dos seus elementos. Desenvolve técnicas poderosas de aplicação geral. Vantagem em considerar Processos como Sistemas: Poder utilizar o arsenal de procedimentos da Engenharia de Sistemas para estudar os Processos Químicos É a base da Engenharia de Processos

  33. e do surgimento da área: Engenharia de Sistema de Processos PSE:Process System Engineering

  34. 1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização 1.3.2 Estrutura

  35. 1.3 SISTEMAS 1.3.2 Estrutura 1 1 1 2 1 2 2 2 acíclica cíclica com bifurcação com convergência 3 4 1 7 2 5 6 complexa É a forma como as conexões interligam os elementos do sistema. Exemplos de Estruturas de Sistemas Quanto mais complexa a estrutura, mais difíceis o projeto, a análise e a operação do sistema (processos químicos  fluxogramas).

  36. 1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização 1.3.3 Projeto

  37. 1.3 SISTEMAS 1.3.3 Projeto Denominação genérica atribuída ao conjunto numeroso e diversificado de atividades associadas à criação de um sistema. Esse conjunto compreende dois sub-conjuntos que interagem: SÍNTESE (a) escolha de um elemento para cada tarefa. (b) definição da estrutura do sistema. ANÁLISE (a) previsão do desempenho do sistema. (b) avaliação do desempenho do sistema. PROJETO = SÍNTESE  ANÁLISE

  38. À luz desses conceitos, as atividades do Projeto ficam melhor organizadas

  39. Investigar disponibilidade de matéria prima Investigar mercado para o produto Calcular o consumo de utilidades Estabelecer o número e o tipo dos reatores Definir o fluxogramado processo Investigar reagentesplausíveis Calcular a vazão dascorrentes intermediárias Estabelecer as condições da reação e sub-produtos Avaliar a lucratividadedo processo Definir o número e o tipo de trocadores de calor Definir o número e o tipo dos separadores Calcular as dimensõesdos equipamentos Calcular o consumo de insumos Calcular o consumo de matéria prima Estabelecer malhas de controle

  40. Calcular o consumo de utilidades Estabelecer o número e o tipo dos reatores Investigar mercado para o produto Calcular a vazão dascorrentes intermediárias Definir o número e o tipo dos separadores Calcular as dimensõesdos equipamentos Investigar reagentesplausíveis Definir o número e o tipo de trocadores de calor Calcular o consumo dos insumos Investigar disponibilidade das matérias primas Estabelecer malhas de controle Calcular o consumo de matéria prima Definir as condições das reações e identificar os sub-produtos gerados Definir o fluxogramado processo Avaliar a lucratividadedo processo SELEÇÃO DEROTAS QUÍMICAS SÍNTESE ANÁLISE

  41. 1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização 1.3.4 Síntese

  42. 1.3 SISTEMAS 1.3.4 Síntese PROJETO = SÍNTESE  ANÁLISE Genericamente: síntese significa compor um todo a partir de suas partes No Projeto: é a etapa criativa (a) escolha de um elemento para cada tarefa. (b) definição da estrutura do sistema.

  43. Problema Ilustrativo Estabelecer o fluxograma de um processo para produzir um produto P a partir dos reagentes A e B RM RT DS DE Reatores plausíveis: Reator de Mistura (RM) ou Reator Tubular (RT) Os reagentes devem ser pré-aquecidos e o efluente do reator resfriado. Separadores plausíveis: Destilação Simples (DS) ou Destilação Extrativa (DE).

  44. Problema Ilustrativo Estabelecer o fluxograma de um processo para produzir um produto P a partir dos reagentes A e B A R T Esquemas plausíveis de troca térmica: - Sem Integração Energética(SI): - aquecedor (A) com vapor; - resfriador (R) com água; - Com Integração Energética (CI): - trocador de integração (T).

  45. RM RT DS DE Aquecedor Resfriador Trocador deIntegração Reator demistura Reator tubular Coluna de destilaçãosimples Coluna de destilaçãoextrativa T R A Equipamentos disponíveis para a geração do fluxograma do Processo Ilustrativo A Síntese consiste em combinar esses equipamentos formando todos os fluxogramas plausíveis em busca do melhor. Um problema com multiplicidade de soluções

  46. Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo Gerados ao Acaso

  47. Fluxogramas Plausíveis para a Processo IlustrativoGerados ao Acaso

  48. MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES Neste exemplo, foram gerados os 8 fluxogramas possíveis Aumentando o número de operações e de equipamentos plausíveis, o número de fluxogramas possíveis aumenta exponencialmente, provocando a chamada

  49. EXPLOSÃOCOMBINATÓRIA !!!

  50. SÍNTESEGeração de todos os fluxogramas possíveis Conjunto numeroso e desordenado ANÁLISEPrevisão e avaliação de cada fluxograma Desafio:encontrar a melhor solução

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