EQE 489 ENGENHARIA DE PROCESSOS 06 de agosto de 2014 ENGENHARIA DE PROCESSOS Análise, Simulação e Otimização de Processos Químicos

EQE 489EQE 489

ENGENHARIA DE PROCESSOSENGENHARIA DE PROCESSOS

06 de agosto de 2014

ENGENHARIA DE PROCESSOSAnálise, Simulação e Otimização de Processos Químicos

CAPÍTULO 1

INTRODUÇÃO GERAL

Engenharia de Processos é o campo da Engenharia que reune os conceitos e os métodos relativos à

concepção, ao projeto e à operação de processos químicos

em que se encontram integrados equipamentos de reação, separação, integração material e energética e controle, com forte apoio em computação.

Implícito nos critérios de projeto adotados encontra-se o atendimento a requisitos de natureza econômica, material, energética, de preservação ambiental e de segurança

Para atingir os seus objetivos, a Engenharia de Processos incorpora um elenco de

conceitos e métodos oriundos de outras áreas do conhecimento

que a tornam aparentemente desvinculada da Engenharia Química à qual, no entanto, se encontra fortemente associada.

A finalidade deste Capítulo é oferecer uma visão panorâmica da Engenharia de Processos, sua origem, evolução e estrutura, visando familiarizar o leitor com o

conteúdo e a linguagem que lhe são peculiares

e que permeiam por toda a disciplina

Almeja, ainda, servir de motivação para a busca do detalhamento e das aplicações do que aqui é apresentado.

PROCESS SYSTEMS ENGINEERING

Buscando subsídios na Engenharia de Sistemas e na Inteligência Artificial, foi se formando e se consolidando a

ENGENHARIA DE PROCESSOS

A Engenharia Química pode ser dividida em dois períodos: antes e depois da Engenharia de Processos.

Aos poucos foi surgindo o interesse pelo estudo do comportamento de conjuntos de equipamentos integrados que

formam os processos.

Antes, todo o esforço dos pesquisadores era voltado para a Ciência da Engenharia Química

(Fenômenos de Transporte, Termodinâmica, Cinética) e ao projeto dos equipamentos considerados isoladamente.

Esses conhecimentos se aplicam não só à Engenharia Química como a diversas áreas que dela se destacaram

Engenharia de Bioprocessos

Engenharia de Alimentos

e qualquer outra que trate de processos que transformam matérias primas em produtos químicos

de interesse através de conjuntos integrados de equipamentos.

Engenharia Metalúrgica (Beneficiamento de Minérios)

Os subsídios para a formação da Engenharia de Processos vieram da

Engenharia de Sistemas e da Inteligência Artificial,

Daí, a estrutura do Capítulo

1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.

1.1 Engenharia

Atividade dedicada à aquisição e à aplicação de conhecimentos de natureza física, técnica, matemática e econômica para a

criação, aperfeiçoamento e implementação de materiais, estruturas, máquinas e aparelhos, sistemas ou processos, com a finalidade de satisfazer as necessidades básicas da sociedade.

O Início

Desde a idade primitiva o homem cria ferramentas úteis para a viabilizar certas ações e executá-las com menor dispêndio de energia

As primeiras ferramentas eram constituídas de uma só peça: pedras para impactar e cortar, tacape, lança e outros.

Depois, as ferramentas passaram a ser constituídas de duas ou três peças articuladas como martelo, arco e flexa, alavanca,

catapultas, roldanas, etc.

As ferramentas foram ficando cada vez mais complexas.

Ele se valia da sua intuição e do acúmulo de experiência na sua atividade

A sofisticação crescente dos objetos aumentou o número e a variedade de peças a articular. Veio a demanda por qualidade e

segurança.

Intuição e empirismo tornaram-se insuficientes para garantir a qualidade das ferramentas criadas.

Em algum momento, surgiu o artesão, indivíduo que fabricava ferramentas como seu meio de vida.

Tornaram-se imprescindíveis conhecimentos científicos e métodos matemáticos que, juntamente com intuição e

criatividade deram origem à

ENGENHARIA

A Engenharia se diversificou em função dos conhecimentos exigidos em cada campo da atividade:

Civil, Mecânica, Elétrica e Química (mais completa).

Cada uma delas compreendendo algumas especialidades que terminaram dando origem a outras Engenharias:

Todas elas voltadas à criação de objetos concretos, tangíveis.

Mais recentemente, o termo passou a ser estendido ao desenvolvimento e aplicação de métodos de trabalho,

articulando não mais peças, mas idéias e tarefas.

Surgiram as engenharias econômica, financeira, de software, de produção ou industrial, de transportes, de segurança e muitas

outras.

Em 29 de junho de 2009, o Ministério da Educação anunciou uma futura reforma no nome dos cursos de graduação – entre eles, os

cursos de Engenharia, que, atualmente, possuem 258 nomenclaturas diferentes. Os nomes dos cursos atuais serão

reduzidos a 22 (Ref.: Wikipedia).

Engenharia Aeronáutica, Engenharia Agrícola , Engenharia de Agrimensura, Engenharia de Alimentos, Engenharia Ambiental , Engenharia Civil , Engenharia de Computação, Engenharia de Controle e Automação, Engenharia Elétrica , Engenharia Eletrônica, Engenharia Florestal ,

Engenharia de Fortificação e Construção, Engenharia Mecânica , Engenharia Mecânica e de Armamento, Engenharia de Materiais , Engenharia de Minas, Engenharia Metalúrgica , Engenharia Naval , Engenharia de Pesca , Engenharia de Produção , Engenharia Química, EngenhariadeTelecomunicações

1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química 1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.

1.2 Engenharia Química

É o ramo da Engenharia dedicado ao projeto, à construção e à operação dos processos químicos de produção.

Os conhecimentos para a execução do projeto são fortemente embasados nas ciências básicas e na matemática, organizados nos Cursos de Engenharia Química de acordo com a figura,

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS

ENG. DE EQUIPAMENTOS

e ministrados na sequência que se segue

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


FísicaQuímica

Físico-QuímicaBioquímica

CIÊNCIAS BÁSICAS

CIÊNCIAS BÁSICAS

Estudo dos fenômenos naturais

descritos formalmente através da

Matemática

Mecânica dos FluidosTransferência de CalorTransferência de MassaCinética QuímicaTermodinâmica

(descritos por Modelos Matemáticos)

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS

FUNDAMENTOS

Estudo dos fenômenos de interesse que ocorrem nos equipamentos

ReatoresTrocadores de calorSeparadores

Torres de destilaçãoTorres de absorçãoExtratoresCristalizadoresFiltrosOutros...

Instrumentos de Controle Automático

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


Tratamento compartimentado!

ENGENHARIA DE EQUIPAMENTOS

Projeto e Análise dos Equipamentos de Processo

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


Antes do advento da Engenharia de Processos o Engenheiro Químico executava os projetos seguindo

procedimentos intuitivos, aperfeiçoados e consagrados pelo uso, que guardava para si ou para a sua empresa, restritos pelos

recursos computacionais limitados da época sem qualquer sistemática teórica.

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


Faltavam conhecimentos sobre como reunir os equipamentos em um processo integrado de forma sistemática e eficiente.

Conhecimentos até então inexistentes no domínio da Engenharia Química.

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


A Engenharia de Processosque foi buscá-los fora da Engenharia Química

A Engenharia de Processos surgiu com a “Fertilização” da Eng. Química tradicional com elementos de:

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.

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS

Engenharia de Sistemas:No tratamento de conjuntos complexos de elementos interdependentes

Inteligência Artificial:Na resolução de problemas combinatórios

Segue uma breve apresentação desses dois conceitos tão importantes para a Engenharia de Processos

1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistemas1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.

UMA PERGUNTA:

1.3 Sistemas

A introdução do conceito de Sistema vem com

Tendões: Fazem a ligação entre os músculos e os ossos.

Vísceras: São os órgãos que ficam nas cavidades do tórax e abdômen, como os pulmões, o fígado (o mais pesado do corpo), os rins, o baço, o estômago e os intestinos delgado e grosso.

São meios de transporte!OK! E agora ?

E agora ????

O quê estes objetos têm em comum?

REPETE-SE A PERGUNTA

O QUÊ ESTES OBJETOS TÊM EM COMUM ?

RESPOSTA

Eles são objetos constituídos de inúmeras peças que funcionam articuladamente segundo um plano pré-estabelecido.

Apesar de inteiramente distintos quanto à forma e a finalidade, os seus processos de criação e montagem seguem uma

metodologia inteiramente análoga (exceto o corpo humano)

Esses objetos recebem, então, uma denominação genérica

SISTEMAS

Um sistema (do grego sietemiun), é um conjunto de elementos interconectados, de modo a formar um todo organizado.

21

3 4

5

7

6

Todo sistema possui um objetivo geral a ser atingido.

21

3 4

5

7

6

Sistemas são encontrados:

21

3 4

5

7

6

No campo da energia:turbinas, sub-estações, redes de transmissão e outros

equipamentos são elementos interdependentes que, interligados, permitem que a energia liberada numa queda d'água se

transforme em luz e força.

21

3 4

5

7

6

No corpo humano:os aparelhos circulatório, respiratório e digestivo, formados por

órgãos como coração, pulmão, fígado e outros, são interdependentes e funcionam harmoniosamente sediando a vida

humana.

21

3 4

5

7

6

Na natureza: a atmosfera, os oceanos, os rios, os lagos, as espécies animais e

vegetais são interdependentes e, conjuntamente, formam um ambiente em que se desenvolve a vida no planeta.

21

3 4

5

7

6

Na economia: governo, população, bancos, comércio e outras instituições, são elementos interdependentes que formam um ambiente em que

circula a moeda.

21

3 4

5

7

6

Nos processos químicos: reatores, colunas de destilação e trocadores de calor formam

instalações que promovem a transformação de matérias primas em produtos em escala industrial.

Processo Químico !Eco - Sistemas Corpo Humano

Criados Sistemas Econômicos

Constatados

ConcretosTangíveis

Observa-se que SISTEMA é um conceito abrangente:

21

3 4

5

7

6

OrigemAbstratos

Intangíveis

Quanto à origem: constatados ou criados pelo homem

Quanto à natureza dos elementos e conexões: concretos (tangíveis) , abstratos (intangíveis)

e interdependentes (através das correntes)

O Processo Químico como um SISTEMA

Um conjunto de elementos especializados (equipamentos)

reunidos para um determinado fim (produção de um produto).

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

extrato

águaágua

vapor

EVAPORADOR

EXTRATOR

CONDENSADORRESFRIADOR

MISTURADOR

alimentação

bomba DECANTADOR20 HP

rafinadoproduto

W11T11

W6T6

W4T4

f14f24x14

W7T7

T3

W1

T1x11

f11

f21

T2f12

Ar

Ae

Vltr

f32

f23

Ac

W8T8

W15

T15

W13T13

W14T14

W12

T12

W10T10

W9T9

W5T5

f13

PratoTorre de DestilaçãoTorre de DestilaçãoUnidade Industrial (Planta)

Unidade Industrial (Planta)Indústria Química

Indústria QuímicaSegmento IndustrialELEMENTOSISTEMA

SISTEMA é, também, um conceito recorrente

O objeto de estudo tanto pode ser um sistema constituído por elementos ou o elemento de um sistema.


Resultando:




CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS




Com o aumento da complexidade dos sistemas desenvolvidos pelo homem, pesquisadores sentiram a necessidade de estudar formalmente as propriedades de sistemas em geral.

1.4 Engenharia de Sistemas

Não bastava conhecer o comportamento individual de cada elemento.

Esse novo campo do conhecimento foi batizado na década de 1940, no Laboratório da Bell, de Engenharia de Sistemas.

Tornou-se necessário estudar o comportamento dos elementos quando interligados entre si, ou seja, o comportamento do conjunto e desenvolver técnicas para a construção de sistemas de maneira rápida e confiável

Campo do conhecimento que estuda Sistemas de uma forma genérica, independentemente da finalidade e da natureza dos

seus elementos.

EM RESUMO: ENGENHARIA DE SISTEMAS

Essas técnicas são as que permitem a construção de sistemas da mais alta complexidade com alto grau de confiabilidade em

relativamente curto espaço de tempo.

Vantagem em olhar Processos como Sistemas

Dispor do arsenal de procedimentos da Engenharia de Sistemas para estudar os Processos

Tratar todos os processos de um forma unificada.

Paralelamente, estabeleceu-se uma linguagem comum, a linguagem de sistemas.

Fazem parte da linguagem de sistemas termos como projeto, estrutura, síntese, análise e otimização, comuns a todas as engenharias e que serão empregados adiante no desenvolvimento da Engenharia de Processos.

Hoje, ela permitie a comunicação fluente entre engenheiros de diferentes especialidades, viabilizando, em curto espaço de tempo, a criação de sistemas integrados em que se misturam componentes de natureza química, mecânica, elétrica, eletrônica, estrutural e até biológica.


Resultando:




CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS



Uma ferramenta importante para o desenvolvimento e análise de sistemas complexos

INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL


1.5 INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL

Ramo da Ciência da Computação que estuda a forma como o homem utiliza intuitivamente

Inteligência e Raciocínio

na solução de problemas complexos,

implementando-as em máquinas

- sistemas especialistas

- nesta disciplina: resolução de problemas combinatórios

Aplicações de Inteligência Artificial

- processamento de linguagem natural- percepção e reconhecimento de padrões

- armazenamento e recuperação de informação

- robótica

- jogos

- programação automática

- lógica computacional

- sistemas com aprendizado

A Inteligência Artificial preconiza duas estratégias básicas para a resolução de problemas complexos

Decomposição e Representação

(a) Decomposição do Problema

- decompor um problema complexo em sub-problemas mais simples.

- resolver os problemas simples de forma interativa de modo que, ao final, aflore a solução do problema original.

Resolvendo esses problemas de forma interativa, ao final afloram a rota química ótima, o fluxograma ótimo e os valores ótimos das dimensões.

Consiste em:

Problemas complexos são decompostos em sub-problemas de resolução mais simples.

Problema

SP 1 SP 2 SP 3 SP 4

O conjunto das soluções dos sub-problemas forma a solução do Problema original.

SP 1 SP 2 SP 3 SP 4

SP 1 SP 2 SP 3 SP 4

Problema Resolvido

Os subproblemas são resolvidos de forma coordenada

Exemplo : Travessia Perigosa 3 travessias menos perigosas

destino

travessia perigosa

(b) Representação do Problema

Exemplo: Árvore de Estados.

Consiste em organizar as soluções numa estrutura que sugira um método sistemático para a busca da solução ótima

Analogia: enfeites de árvores de natal

Estados são configurações formadas no decorrer da montagem de um sistema. Ex.: na geração de um fluxograma, equipamento

por equipamento.

Estados finais representam o sistema completo. Os demais, são intermediários (incompletos).

Exemplo: Árvore de Estados.

Árvore de Estados é uma figura com a forma de uma árvore invertida em que cada ramo representa uma sequência de etapas

na construção de um sistema.

raiz

De cada estado sai uma bifurcação para os estados que

dele se originam: há uma decisão associada.

Ao longo dos ramos estão os estados intermediários

percorridos durante a resolução do problema.

Nas extremidades dos ramos encontram-se os estados finais, configurações completas, que são as soluções alternativas do problema.

EXEMPLO

0

2

5

12

RT

DS

CI

11SI

6

13 14

DE

CISI

1

3 4

7 8 9 10

RM

DS DE

CICI SISI

RT DSA,P

P

A

T

A,B

(12)

Fluxograma completoUm dos ramos da árvore de

estados

estado

estado

Estado final

O Conceito de Estado

Sequência de Decisões

RM

A,B

P,A

P

A

T DE

(10)

DSRT A,P

P

A

T

A,B

(12)

RT RAA,B A,P

P

A

DE

(13)

RT A,P

P

A

T

A,B

DE

(14)

DS

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

(7)

RM

A,B

P,A

DS

P

A

T

(8)

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

DE

(9)

DSRT RAA,B A,P

P

A

(11)

Vejamos a Árvore de Estados com os estados intermediários e finais da montagem desses fluxogramas

Árvore de EstadosOs 8 fluxogramas

Os Estados 7 a 14 são os fluxogramas completos

7SI

C7

0

5

DS

3

DS

6

DE

4

DE

10CI

14CI

12CI

9SI

11SI

13SI

1

RM

2

RT

8CI

C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14

Estados 1 a 6 são intermediários: existem mo decorrer da agregação sucessiva dos equipamentos

RM: reator de misturaRT: reator tubularDS: destilação simplesDE: destilação extrativa

SI: aquecedor/resfriadorCI: correntes integradas

RM

A,B

P,A

P

A

T DE

(10)

DSRT A,P

P

A

T

A,B

(12)

RT RAA,B A,P

P

A

DE

(13)

RT A,P

P

A

T

A,B

DE

(14)

DS

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

(7)

RM

A,B

P,A

DS

P

A

T

(8)

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

DE

(9)

DSRT RAA,B A,P

P

A

(11)

7SI

C7

0

5

DS

3

DS

6

DE

4

DE

10CI

14CI

12CI

9SI

11SI

13SI

1

RM

2

RT

8CI

C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14

Um fato relevante ao final da década de 60

Com de elementos de

Engenharia de Sistemas e Inteligência Artificial

TEORIA DE PROJETO

Começou a surgir uma

As Teorias existentes, até então, explicavam apenas fenômenos naturais ...(Química, Física, Biologia...).

O reflexo desses avanços, na Engenharia Química, foi o surgimento da área de Engenharia de Processos.

Esta Teoria se propagou por todas as engenharias

Essa nova área veio colocar à disposição dos engenheiros em geral todo o arsenal metodológico da Engenharia de Sistemas.

Permitindo, em cada uma delas, a criação de sistemas de elevado nivel de complexidade e desempenho

Contribuição desta nova Teoria, para as diversas Engenharias???

Teoria de Projeto

Eng. Naval

Eng. Elétrica

Eng.Química

Eng. Mecânica

Conhecimento específico

de cada área utilizado intuitivamente

Aplicável a todas as áreas

As engenharias

experimentaram um ganho expressivo

Engenharia de Processos


1.6 ENGENHARIA DE PROCESSOS

Pode ser considerada uma especialização da Engenharia de Sistemas, aplicada aos processos químicos.

Process Systems Engineering

Internacionalmente:

Origem A Engenharia de Processos é quase tão antiga quanto a Indústria Química cuja história remonta ao Século 19 com o advento da Revolução Industrial na Inglaterra.

A diversificação decorreu da disseminação do uso da química para fins industriais [1].

A maior demanda era por produtos inorgânicos (indústria de álcalis) e se limitava a 6 indústrias principais: sabão, vidro, tecidos de algodão e corantes, papel, fertilizantes e exlosivos.

Devido às inúmeras aplicações do carbonato de sódio, a indústria era predominada pelo Processo Leblanc.

O Processo Leblanc teve o seu ciclo encerrado por 1920, desbancado pelo Processo Solvay, criado pelo químico belga Ernst Solvay, com a primeira planta inaugurada em 1864, que se tornou reponsável por 90% da produção de carbonato de sódio já em 1900 [2].

Era um processo em bateladas que sofria de pressões da população e de autoridades ambientais devido a emissões nocivas de sulfeto de cálcio e ácido clorídrico, também formados, que depositados em aterros liberavam gás sulfidrico.

(a) concepção de um processo integrado: era de todo desejável produzir carbonato de sódio diretamente a partir de duas matérias primas disponíveis: calcáreo (CaCO3) e salmoura (NaCl). Porém, como a reação CaCO3 + 2 NaCl Na2CO3 + CaCl2 não se passa diretamente, Solvay concebeu um engenhoso sistema de reações que, no conjunto, parte das mesmas matérias primas e chega aos mesmos produtos [4];

(b) regime de operação: foi o primeiro processo contínuo com reciclo da indústria química;

Além de revolucionar o mercado da época, o surgimento Processo Solvay se reveste de uma importância especial, por marcar o início da Engenharia de Processos [3], tema deste livro.

Todos os ingredientes da Engenharia de Processos moderna já se encontravam no Processo Solvay:

(f) meio ambiente: embora a solução da CaCl2 e resíduos da purificação da salmoura e sobras de CacO3 quando depositados em aterros causam problemas, o processo é muito menos poluente do que o Leblanc.

(e) avaliação econômica: o processo se mostrou indiscutivelmente rentável pelo baixo custo das matérias primas;

(d) seleção e projeto dos equipamentos: Solvay concebeu e projetou os equipamentos do processo, etapa considerada a mais complicada do empreendimento;

(c) eficiência: CO2 e água são reaproveitados e quase toda a amônia empregada no processo é recuperada;

Pode-se afirmar, então, que Ernst Solvay foi o primeiro engenheiro de processos de que se tem notícia [3].

ETAPAS DO PROCESSO SOLVAY

H2O

2 NH4Cl

1CaCO3

CaO

Ca(OH)2

CaCl2

2 H2O

2 NH3

2 NH4OH2 NaCl

2 NaHCO3 Na2CO3

CO2

CO2

2 CO2

2

3

4

5

6

PROCESSO SOLVAYEtapa 1: Calcinação do calcáreo CaCO3 (matéria prima na reação originalmente desejada) que se decompõe na cal CaO para a Etapa 2 e no CO2 para a Etapa 5.

CaCO3 + 2 NaCl Na2CO3 + CaCl2

H2O

2 NH4Cl

1CaCO3

CaO

Ca(OH)2

CaCl2

2 H2O

2 NH3

2 NH4OH2 NaCl

2 NaHCO3 Na2CO3

CO2

CO2

2 CO2

2

3

4

5

6

PROCESSO SOLVAYEtapa 2: Adição da água reaproveitada da Etapa 6 à cal CaO da Etapa 1 formando o Ca(OH)2 para a Etapa 3.


H2O

2 NH4Cl

1CaCO3

CaO

Ca(OH)2

CaCl2

2 H2O

2 NH3

2 NH4OH2 NaCl

2 NaHCO3 Na2CO3

CO2

CO2

2 CO2

2

3

4

5

6

PROCESSO SOLVAYEtapa 3: Produção da amônia NH3 para a Etapa 4 pela adição do Ca(OH)2

da Etapa 2 a uma solução do NH4Cl reciclado da Etapa 5, formando ainda o CaCl2 (produto da reação originalmente desejada).


H2O

2 NH4Cl

1CaCO3

CaO

Ca(OH)2

CaCl2

2 H2O

2 NH3

2 NH4OH2 NaCl

2 NaHCO3 Na2CO3

CO2

CO2

2 CO2

2

3

4

5

6

PROCESSO SOLVAYEtapa 4: Absorção da amônia NH3 da Etapa 3 na água H2O aproveitada da Etapa 3 gerando o NH4OH para a Etapa 5.


H2O

2 NH4Cl

1CaCO3

CaO

Ca(OH)2

CaCl2

2 H2O

2 NH3

2 NH4OH2 NaCl

2 NaHCO3 Na2CO3

CO2

CO2

2 CO2

2

3

4

5

6

PROCESSO SOLVAYEtapa 5: Produção do bicarbonato NaHCO3 para a Etapa 6 pela reação em solução da NH4OH da Etapa 4 com o sal NaCl (matéria prima na reação originalmente desejada) e o CO2 resultante da Etapa 1 e reciclado da Etapa 6.


H2O

2 NH4Cl

1CaCO3

CaO

Ca(OH)2

CaCl2

2 H2O

2 NH3

2 NH4OH2 NaCl

2 NaHCO3 Na2CO3

CO2

CO2

2 CO2

2

3

4

5

6

PROCESSO SOLVAYEtapa 6: Decomposição do bicarbonato NaHCO3 da Etapa 5 gerando o carbonato de sódio


H2O

2 NH4Cl

1CaCO3

CaO

Ca(OH)2

CaCl2

2 H2O

2 NH3

2 NH4OH2 NaCl

2 NaHCO3 Na2CO3

CO2

CO2

2 CO2

2

3

4

5

6

PROCESSO SOLVAYNos anos seguintes, à luz dos princípios básicos estabelecidos por Solvay, diversos outros processos importantes foram concebidos e implantados na Europa.

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


Surgiu e se desenvolveu a Engenharia Química nos moldes de hoje para melhor projetar os equipamentos

Até que começou a surgir o interesse em estudar melhor a concepção dos processos químicos


Resultando:




CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS



Seguem-se, agora, termos novos que fazem parte da linguagem da ENGENHARIA DE PROCESSOS

Com os quais todos deverão se familiarizar


1.6.1 Estrutura dos Processos

Quanto mais complexa a estrutura, mais difíceis o projeto, a análise e a operação do sistema

1 2

acíclica

1 2

cíclica

1

2

com convergência

Exemplos de Estruturas

É a forma como as os elementos do sistema se interligam

21

3 4

5

7

6

complexa

com bifurcação

1

2

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

extrato

águaágua

vapor

EVAPORADOR

EXTRATOR

CONDENSADORRESFRIADOR

MISTURADOR

alimentação

bomba DECANTADOR20 HP

rafinadoproduto

W11T11

W6T6

W4T4

f14f24x14

W7T7

T3

W1

T1x11

f11

f21

T2f12

Ar

Ae

Vltr

f32

f23

Ac

W8T8

W15

T15

W13T13

W14T14

W12

T12

W10T10

W9T9

W5T5

f13

No caso dos processos a estrutura é representada pelos fluxogramas

Essas sub-tarefas são executadas por 4 sub-sistemas formados por equipamentos especializados, a saber:

Um aspecto estrutural importante dos processos químicos, com reflexos no seu projeto, vem de que a tarefa do sistema processo químico é composta por 4 sub-tarefas típicas:

reação, separação, integração material e energética e controle.

Processo Químico

Matéria Prima Produto

(d) sub-sistema de controle: responsável pela manutenção dos processos em condições estáveis e seguras.

(a) sub-sistema de reação: formado por reatores, é o coração de um processo, responsável pela aparecimento do produto de interesse a partir das matérias primas

(b) sub-sistema de separação: formado por separadores, responsável pela purificação das matérias primas, pela separação dos componentes presentes no efluente dos reatores e pelos demais ajustes de composição no processo.

(c) sub-sistema de integração material e energética: responsável pela movimentação das espécies entre os equipamentos e pelos ajustes de temperatura das correntes do processo.

Reação Separação

Integração

Controle

PROCESSO: 4 SUB-SISTEMAS INTEGRADOS

(d) Controle: responsável pela operação segura e estável do processo.

(c ) Integração: responsável pela movimentação de matéria e ajustes de temperatura das correntes.

(b) Separação: responsável pelo ajuste de composição das correntes,separando o produto dos sub-produtos e do excesso de reagentes.

(a) Reação: responsável pela modificação do conjunto de espécies, fazendo aparecer o produto principal.


1.6.2 Projeto de Processos

Denominação genérica atribuída ao conjunto numeroso e diversificado de ações associadas à criação de um sistema.

À semelhança das demais Engenharias, esta é a tarefa mais desafiante da Engenharia Química.

É um problema complexo por envolver um número elevado de equipamentos que podem ser combinados de diferentes

maneiras, mesmo no âmbito dos sub-sistemas.

Investigar mercado

para o produto

Investigar disponibilidade de matéria prima

Estabelecer as condições da reação e sub-produtos

Estabelecer o número

e o tipo dos reatores

Definir o número e o tipo dos

separadores

Definir o número e o tipo de trocadores de

calor

Estabelecer malhas

de controle

Definir o fluxogramado processo

Calcular as dimensões

dos equipamentosCalcular o consumo

de matéria prima

Calcular o consumo de

utilidades


insumos

Calcular a vazão dascorrentes

intermediárias

Investigar reagentesplausíveis Avaliar a

lucratividadedo processo

(a) previsão do desempenho do sistema.(b) avaliação do desempenho do sistema.

(a) escolha de um elemento para cada tarefa.(b) definição da estrutura do sistema.

PROJETO = SÍNTESE ANÁLISE

O Projeto compreende dois sub-conjuntos de ações, que interagem:

SÍNTESE

ANÁLISE

À luz desses conceitos, as ações do Projeto ficam melhor organizadas

Investigar mercado

para o produto






separadores


calor

Estabelecer malhas

de controle




de matéria prima


utilidades


insumos


intermediárias



Investigar mercado para o produto





Definir o número e o tipo dos separadores


calor

Estabelecer malhas

de controle



dos equipamentosCalcular o consumo de

matéria prima


utilidades

Calcular o consumo de insumos


intermediárias

Investigar reagentesplausíveis

Avaliar a lucratividadedo processo



Investigar disponibilidade

das matérias primas

Definir as condições das reações e identificar os sub-produtos gerados

SELEÇÃO DEROTAS QUÍMICAS





calor

Estabelecer malhas de controle


SÍNTESE

Calcular o consumo de utilidades


intermediárias


dos equipamentos

Calcular o consumo dos insumos

Calcular o consumo de matéria prima


ANÁLISE


1.6.3 Síntese

Genericamente: síntese significa compor um todo a partir de suas partes


(a) escolha de um elemento para cada tarefa.(b) definição da estrutura do sistema.

No Projeto:

É a etapa criativa do Projeto

EXEMPLO

Geração de fluxogramas para a produção de P pela reação

A + B P

Numa análise preliminar, foram listadas as seguintes alternativas para os equipamentos:

Reatores plausíveis

RTRM

Exigências: os reagentes devem ser pré-aquecidos e o efluente do reator resfriado.

Para a reação em questão, os reatores plausíveis são: Reator de Mistura (RM) ou Reator Tubular (RT).

- Com Integração Energética (CI):O efluente quente é aproveitado para pré-aquecer a alimentação num trocador de calor,

- Sem Integração Energética (SI): A alimentação é aquecida com vapor num Aquecedor O efluente é resfriado com água num Resfriador

Aquecimento e resfriamento podem ser feitos das seguintes formas:

T

A R

DS DE

Os componentes do efluente podem ser separados por Destilação Simples (DS) ou por Destilação Extrativa (DE).

Para a montagem do processo ficam disponíveis os seguintes equipamentos para o projetista

RM

Reator demistura

RT

Reator tubular

DS

Coluna de destilaçãosimples

DE

Coluna de destilaçãoextrativa

A

Aquecedor

R

Resfriador

T

Trocador deIntegração

A Síntese consiste em combinar esses equipamentos formando todos os fluxogramas plausíveis em busca do melhor.

Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo

DS

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

(7)

RM

A,B

P,A

DS

P

A

T

(8)

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

DE

(9)

DSRT RAA,B A,P

P

A

(11)

Gerados ao Acaso

RM

A,B

P,A

P

A

T DE

(10)

DSRT A,P

P

A

T

A,B

(12)

RT RAA,B A,P

P

A

DE

(13)

RT A,P

P

A

T

A,B

DE

(14)

Neste exemplo, foram gerados os 8 fluxogramas possíveis que formam o

RM

A,B

P,A

P

A

T DE

(10)

DSRT A,P

P

A

T

A,B

(12)

RT RAA,B A,P

P

A

DE

(13)

RT A,P

P

A

T

A,B

DE

(14)

DS

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

(7)

RM

A,B

P,A

DS

P

A

T

(8)

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

DE

(9)

DSRT RAA,B A,P

P

A

(11)

Espaço das Soluções do Problema

Aumentando a complexidade do processo, aumenta o número de etapas e de equipamentos para cada etapa.

Por conseguinte, aumenta significativamente o número combinações

Ne Engenharia de Processos esse efeito é conhecido como

EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!

MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES

Cada círculo representa um fluxograma plausível.

Isso caracteriza a síntese como um problema com


1.6.4 Análise

Genericamente: análise significa

- decompor um todo em suas partes,

- depreender o comportamento do todo a partir do comportamento das partes.


Um exemplo marcante é o estudo de organismos vivos, do corpo humano às células.

Dimensões dos principais Equipamentos.

Consumo de utilidadesmatérias primas e insumos

Especificaçõesde projeto

Modelo Matemático

previsão

Dimensões dos principais equipamentos

Consumo de utilidadesmatérias primas e insumos

Modelo Econômico

avaliaçãoLucro

No caso de processos químicos, a Análise consiste em prever e avaliar o desempenho de cada fluxograma gerado na Síntese, para fins de comparação

Na Análise também se verifica a

MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES

O Lucro dependerá da receita, dos custos operacionais e das dimensões dos equipamentos (investimento).

Em princípio, diversas combinações de valores plausíveis dessas variáveis produzem um Lucro positivo.

1 2

Q = 10.000 kgA/h

x = 0,02 kgAB/kgAo

W1

kgB/hW2

kgB/h

y1

kgAB/kgBy2

kgAB/kgB

x1

x2

kgAB/kgAkgAB/kgA

Modelo Matemático1. Q(xo - x1) - W1 y1 = 02. y1 - k x1 = 03. Q(x1 -x2) - W2 y2 = 04. y2 - k x2 = 0

Avaliação EconômicaL = R - CR = pAB (W1 y1 + W2 y2 )C = pB (W1 + W2)pAB = 0,4 $/kgAB : pB = 0,01 $/kgB

Para cada par de valores x1,x2 resultam valores de W1, W2, y1, y2 e Lucro

Exemplo: dimensionamento de 2 extratores em sérieO Lucro depende das vazões de solvente W1 e W2, que

dependem das concentrações x1 e x2

0,005

0,010

0,015

0,020

0,025

0,030

0,035

02468

101214161820

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,020

MULTIPLICIDADE NA ANÁLISE

Variáveis contínuas: uma infinidade de soluções viáveis

Na Análise, as soluções são pares de valores x1,x2

1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia..

1.6.5 Otimização

OTIMIZAÇÃO é a busca da solução ótima de um problema com múltipla soluções

Problema com Multiplicidade de Soluções

Exige a busca da sua

Otimização

Solução Ótima

através de

Nível Tecnológico: a rota química ótima depende dos fluxogramas que ainda serão gerados e das dimensões dos

equipamentos e correntes ainda não definidos .

Nível Paramétrico (Análise): as dimensões ótimas dos equipamentos e das correntes dependem da rota química e do

fluxograma que lhes deram origem.

Nível Estrutural (Síntese): o fluxograma ótimo depende da rota que lhe deu origem e das dimensões dos equipamentos e

correntes ainda não definidos.

Fonte da complexidade multiplicidade de soluções em três níveis interdependentes !!!!!!

Nesse sentido: o Projeto de Processos é um problema complexo de otimização.

Para encontrar a solução ótima, para uma dada rota química, é preciso gerar cada um dos fluxogramas possíveis

Fluxograma Gerado Fluxograma Otimizado

Em seguida, determinar o conjunto ótimo das dimensões dos equipamentos e correntes (otimização paramétrica)

RM

A,B

P,A

P

A

T DE

(10)

DSRT A,P

P

A

T

A,B

(12)

RT RAA,B A,P

P

A

DE

(13)

RT A,P

P

A

T

A,B

DE

(14)

DS

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

(7)

RM

A,B

P,A

DS

P

A

T

(8)

RM

R

A

A,B

P,A

P

A

DE

(9)

DSRT RAA,B A,P

P

A

(11)

Neste caso, seria gerar cada fluxograma e calcular os valores ótimos de : volume do reator, número de estágios, altura e

diâmetro das torres, áreas dos trocadores, vazões de água e de vapor (Lucro Máximo).

O Espaço das Soluções é constituído de apenas 8 fluxogramas

Mas a busca não pode ser conduzida de maneira aleatória.(ineficiente, sem garantia de sucesso)

Como conduzi-la de uma maneira racional de modo a garantir a obtenção da solução ótima?

INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL !

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS



A Engenharia de Processos surgiu com a “Fertilização” da Eng. Química tradicional com elementos de:- Engenharia de Sistemas - Inteligência Artificial

Potencializa o conhecimento específico da Engenharia Química: o engenheiro químico passa a utilizar os seus conhecimentos de forma mais organizada e mais eficiente. Projeto mais rápido e mais eficiente. Resultam processos mais econômicos, seguros e limpos.

Numa Árvores de Estados, os fluxogramas encontram-se “arrumados”

ao contrário de...

Desordenados, dificultando a busca da solução ótima

1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia..

MÉTODOS DE PROJETO

(a) Busca Exaustiva

(b) Métodos Matemáticos- Super-estrutura- Busca Inteligente Orientada por Árvore de Estados

(c) Projeto por Decomposição

(d) Métodos Intuitivos - Método Heurístico - Método Evolutivo

Esses métodos serão estudados na Síntese de Processos


1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto

Voltando às duas exigências decorrentes da concorrência:

(a) um maior conhecimento dos fenômenos ocorridos nos equipamentos

(b) maior organização da execução do projeto

A Engenharia de Processos não prescinde do conhecimento intrínseco adquirido no curso de formação.

Ela veio em acréscimo, auxiliando o projetista naquilo que depende:

(a) da sua intuição, que sucumbe frente a projetos de alta complexidade.

(b) da sua experiência, no início muito pequena.CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


Assim, o projetista passa a ter duas opções:

(b) aliar os seus valores individuais ao arsenal de ferramentas desenvolvido e disponibilizado pela ENGENHARIA DE PROCESSOS.

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


(a) se valer exclusivamente dos conhecimentos, da sua intuição e da sua experiência (auto – suficiente).

INTELIGÊNCIA ARTIFICIALDecomposição e Representação de problemas

A partir de elementos de

ENGENHARIA DE SISTEMASProjeto, Síntese, Análise e Otimização

É possível sistematizar o Projeto !

Investigar mercado

para o produto






separadores


calor

Estabelecer malhas

de controle




de matéria prima


utilidades


insumos


intermediárias










calor

Estabelecer malhas

de controle



dos equipamentosCalcular o consumo de

matéria prima


utilidades

Calcular o consumo de insumos


intermediárias













calor



SÍNTESE



intermediárias


dos equipamentos




ANÁLISE

Problema: produzir P

ILUSTRAÇÃO

Segue um exemplo simplificado:

- duas rotas química viáveis.

- dois fluxogramas viáveis para cada rota.

O problema pode ser representado segundo uma Árvore de Estados na qual fica aparente, também, a sua decomposição

segundo as ações











calor



SÍNTESE



intermediárias


dos equipamentos




ANÁLISE

Nível TecnológicoSeleção de uma Rota

Fluxograma ?Dimensões ?

Nível EstruturalSíntese de um

FluxogramaDimensões ? Lucro?

Nível ParamétricoAnálise do Fluxograma

Dimensionamentodos Equipamentos

e das Correntes. Lucro.

Problema Complexo de Otimização em 3 Níveis : Solução?

RaizRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?

Decomposição e Representação do Problema de Projeto por Árvore de Estados

P?? ?

D+E P+FD,E P,F

??A+B P+C

A,B P,C

??

1 PAB Cx

?T D

2 PAB Cx

?T A

P3DE Fx

?DM

PF

4DE x

?M E

L

x

6 8

x o = 3x*

L

x

L

10

x o = 4x* xx o = 6x*

L

x

7

x o = 5x*

Não se monta toda a árvore para depois encontrar a solução.

A busca da solução se dá à medida em que se vai montando a árvore

O método é o de

Busca Orientada pela Árvore de Estados







e das Correntes. Lucro.

Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4 demais dimensões.


Busca Orientada por Árvore de Estados

P?? ?

D+E P+FD,E P,F

??A+B P+C

A,B P,C

??

1 PAB Cx

?T D

2 PAB Cx

?T A

P3DE Fx

?DM

PF

4DE x

?M E

L

x

6

x o = 3x*

8

L

xx o = 4x*

L

10

xx o = 6x*

L

x

7

x o = 5x*

P?? ?

D+E P+FD,E P,F

??

L

x4

10

?

P3DE Fx







e das Correntes. Lucro.Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4 demais dimensões.


Solução do Problema de Projeto por Busca Orientada

Vantagem

Varre todas as soluções sem

repetiçõessem omitir a ótima

Desvantagem

Explosão Combinatória

(outros métodos)

Há ocasiões em que a complexidade do problema é tal que a busca da solução ótima é proibitiva.

Há que se contentar, então, com a melhor solução possível de se obter com razoável esforço computacional.

Métodos, com esta finalidade, serão apresentados nesta disciplina.

Estima-se que a solução encontrada seja próxima da ótima

Desafio: percorrer eficientemente o espaço numerosos e desordenado das soluções em busca da melhor solução

possível

SÍNTESEGeração de todos os fluxogramas possíveis

Formar o espaço das soluções

ANÁLISEPrevisão e avaliação de cada

fluxograma

Há problemas em que um conjunto de soluções equivalentes se destacam das demais, tornando-se irrelevante adotar a melhor

delas, que pode não ser a ótima.

Conjunto de soluções equivalentes


SÍNTESE: responsável por disponibilizar todas as soluções.

ANÁLISE: responsável pela avaliação de cada solução.

De nada adianta a Síntese se não houver a Análise para avaliar cada solução.

De nada adianta a Análise se não houver a Síntese para gerar as soluções.

A Análise é quem dá a palavra final.

Resumindo

O Projeto como um problema de otimização em 3 níveis

1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia

1.7 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO/DISCIPLINA

Seqüência no Projeto : Síntese Análise

Seqüência Pedagógica : Análise Síntese

INTRODUÇÃO ÀSÍNTESE DE PROCESSOS

8

6

SÍNTESE DESISTEMAS DE SEPARAÇÃO

7

SÍNTESE

SÍNTESE DE

SISTEMAS DE

INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

INTRODUÇÃO ÀANÁLISE DE PROCESSOS

2

ESTRATÉGIASDE CÁLCULO

3

OTIMIZAÇÃOAVALIAÇÃOECONÔMICA

4 5

ANÁLISE INTRODUÇÃO GERAL1


1.8 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA ENGENHARIA DE PROCESSOSNA ENGENHARIA QUÍMICASituação até o final da década de 60:

Nos 3 níveis mais internos: - conhecimento organizado em disciplinas consagradas constituindo o conteúdo básico dos cursos de Engenharia Química.

- vasta literatura de apoio (coleções, editoras especializadas).

- ensino compartimentado dos equipamentos com ausência de uma visão integrada dos processos.

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS

1.8 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA ENGENHARIA DE PROCESSOSNA ENGENHARIA QUÍMICASituação até o final da década de 60:

No nível externo: - projeto praticado de forma semi-artesanal e ensinado informalmente (exercício de final de curso).

Contraste!

- ausência de literatura específica de apoio (restrita a temas correlatos).

- ensino de processos praticado de forma descritiva e individual: processo por processo, como se nada existisse em comum

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS

- Na Eng. de Equipamentos:os problemas são de natureza numérica (modelagem matemática, resolução dos modelos).

- Na Eng. de Equipamentos: equipamentos tratados individualmente.

A descontinuidade “conceitual” existentena passagemEng. de Equipamentos Eng. de Processos:

Natureza da Descontinuidade:

- Na Eng. de Processos: equipamentos são elementos interdependentes de um sistema integrado.

- Na Eng. de Processos: os problemas são de natureza lógica e combinatória (seleção e arranjo dos equipamentos).

Explicação para o contraste :

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS




A Engenharia de Processos surgiu com a “Fertilização” da Eng. Química tradicional com elementos de:- Engenharia de Sistemas - Inteligência Artificial

Surgiu a maior novidade naEngenharia Química depoisdos Fenômenos de Transporte

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS

Conseqüência Principal da Fertilização:

Questões, até então abordadas de forma intuitiva, passaram a ser tratadas de forma sistemática:

-a interdependência dos equipamentos.

- a seleção de equipamentos alternativos para uma mesma operação.

- a seleção dos arranjos (fluxogramas) alternativos para uma mesma rota química.

A Engenharia de Processos foi sistematizada: praticada de forma mais eficiente e “ensinável”.

CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS


ENG. DE PROCESSOS

a prática do projeto com as diversas ferramentas importadas da Engenharia de Sistemas e da Inteligência Artificial.

o ensino da Engenharia Química com a criação de disciplinas estruturadas que proporcionam uma visão integrada dos processos acrescentando a dimensão de sistema, até então ausente..

A Engenharia de Processos veio revolucionar:

1981: 200 trabalhos publicados (Revisão: Nishida, Stephanopoulos e Westerberg; AIChEJournal).

Revista: Computers & Chemical Engineering

Congressos: ESCAPE (European Symposium on Computer Aided Process Engineering); ENPROMER (Encontro sobre Processos Químicos do Mercosul)

Instituições: Institute for Complex Engineered Systems Carnegie Mellon University (Pittsburgh, USA)

As primeiras disciplinas:

1970: Análise e Simulação de Processos (PEQ/COPPE)

1976: Desenvolvimento e Projeto de Processos (EQ/UFRJ) Síntese de Processos (PEQ/COPPE)

No Brasil:

As primeiras teses:1. Taqueda,E.R.,"Análise de Processos Complexos por Computador Digital", Tese de Mestrado, COPPE/UFRJ (1973)

2. Lacerda, A. I., "Síntese de Sistemas de Separação", Tese de Mestrado,COPPE/UFRJ (1980)

3. Santos, M. C., "Síntese Heurística de Sistemas de Reatores", Tese de Mestrado, COPPE/UFRJ (1980)

4. Araujo, M. A. S., "Eficiência do Uso de Energia em Processos e a Otimização de Redes de Trocadores de Calor", Tese de Mestrado, COPPE/UFRJ (1980).


1.9 COMPUTAÇÃO

Alunos devem saber programar FORTRAN, VISUAL BASIC, MATLAB, EXCEL, C++ (mercado procura !)

Problemas reais de projeto são de grande complexidade e demandam grande esforço computacional. O apoio da Informática é indispensável.

Existem diversos softwares comerciais: ASPEN, HYSYS, CHEMCAD, PRO/II, mas demandam licenças e treinamento. EXCEL + VBA.

Software nacional:- PSPE (1985): Rajagopal, Castier, Gil PETROX (Petrobrás)- ALSOC (2003)(Ambiente Livre p/ Simulação, Otimização e Controle de Processos) – COPPE/UFRJ – USP – UFRGS – CT-PETRO/FINEP – Empresas Petroquímicas EMSO.- DWSIM: Daniel Wagner (RN) : VB.NET

1.9 COMPUTAÇÃO

Alunos devem saber programar FORTRAN, VISUAL BASIC, MATLAB, EXCEL, C++ (mercado procura !)

Demonstrações e aulas práticas programadas.

Todos os procedimentos ensinados na disciplina são descritos sob a forma de algoritmos programáveis.

1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia

Em ordem cronológica de publicaçãoEm vermelho, os livros que inspiraram a disciplina

01. STRATEGY OF PROCESS ENGINEERING Rudd,D.F. e Watson,C.C. - J.Wiley, 1968.

02. THE ART OF CHEMICAL PROCESS DESIGN Wells,G.L. e Rose,L.M. - Elsevier, 1968.

03. CHEMICAL PROCESS SIMULATION Husain,A. - Wiley-Eastern, 1968.

04. MATERIAL AND ENERGY BALANCE COMPUTATIONS Henley,E.J. e Rosen,E.M. - J.Wiley, 1969.

05. PROCESS SYNTHESIS Rudd,D.F., Powers,G.J. e Siirola,J.J. - Prentice-Hall, 1973.

1.10 Bibliografia

06. CHEMICAL PROCESS ECONOMICS Happel,J., Jordan,D.G. - Marcel Dekker, 1975.

07. INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING AND COMPUTER CALCULATIONS Myers,A.L. - Prentice-Hall, 1976.

08. PROCESS FLOWSHEETING Westerberg,A.W., Hutchinson,H.P., Motard,R.L. e Winter, P. –

Cambridge, 1979.

09. PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL ENGINEERS Timmerhaus,K.D. e Peters,M.S. - McGraw-Hill, 1980 (3a. Ed.).

10. STEADY-STATE FLOWSHEETING OF CHEMICAL PLANTS Benedek,P. - Elsevier, 1980.

11. PROCESS ANALYSIS AND DESIGN FOR CHEMICAL ENGINEERS Resnick,W. - McGraw-Hill, 1981.

12. CHEMICAL PROCESS SYNTHESIS AND ENGINEERING DESIGN Kumar,A. - Tata McGraw-Hill, 1981.

13. AN INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING DESIGN Sinnott,R.R. - Pergamon Press, 1983.

14. A GUIDE TO CHEMICAL ENGINEERING PROCESS DESIGN AND ECONOMICS, Ulrich,G.D. - J.Wiley, 1984.

15. CONCEPTUAL DESIGN OF CHEMICAL PROCESSES Douglas, J.M. - McGraw-Hill, 1988.

16. OPTIMIZATION OF CHEMICAL PROCESSES Edgar,T.F. e Himmelblau,D.M. - McGraw-Hill, 1988.

17. CHEMICAL PROCESS STRUCTURES AND INFORMATION FLOWS Mah, R.S.H. - Buterworths, 1990.

18. FOUNDATIONS OF COMPUTER-AIDED PROCESS DESIGN Siirola,J.J., Grossmann,I.E. e Stephanopoulos,G. (editores) - Cache-Elsevier, 1990.

19. ANALYSIS AND SYNTHESIS OF CHEMICAL PROCESS SYSTEMS Hartmann,K e Kaplick,K. - Elsevier, 1990.

20. CHEMICAL PROCESS DESIGN Smith,R. – McGraw-Hill, 1995.

21. SYSTEMATIC METHODS OF CHEMICAL PROCESS DESIGN Biegler,L.T., Grossmann,I.E. e Westerberg, A. W. - Prentice-Hall, 1997.

22. GREEN ENGINEERING Allen, D. T. e Shonnard, D. R. - Prentice Hall, 2002

23. ANALYSIS, SYNTHESIS AND DESIGN OF CHEMICAL PROCESSES Turton,R., Bailie,R.C, Whiting,W.B e Shaeiwitz,J.A. – Prentice Hall, 2003

24. PRODUCT AND PROCESS DESIGN PRINCIPLES Seider,W., Seader,J.D. e Lewin,D.R. – Wiley, 2004

25. ENGENHARIA DE PROCESSOS Perlingeiro, C. A. G. – Edgard Blucher, 2005

Se o Processo Químico é o alvo principal do Engenheiro Químico, a Engenharia de Processos pode ser considerada a

essência da Engenharia Química, porque é onde se faz a construção do Processo.

As demais áreas são suas coadjuvantes indispensáveis, porém coadjuvantes.

UMA AFIRMAÇÃO POLÊMICA

PROJETOROTAS QUÍMICASFLUXOGRAMAS

DIMENSÕES

Processos de Separação

Controle de Processos

Processos Tecnológicos

Termodinâmica

Avaliação Econômica

Transferência de Massa

Mecânica dos Fluidos

Reatores

Transferência de Calor

O PROJETO é o problema central da Engenharia Química

Dele decorrem todos os demais, encontrados

Durante a execução de um

projeto

Cursando alguma

disciplina

Os problemas específicos não têm existência própria.

Só existem:

(a) na definição de um processo em fase de projeto

(b) no aprimoramento de um processo já em operação

Ao final do Capítulo 1, os seguintes conceitos devem ter sido absorvidos:

Projeto de processos químicos: definição sintética.

Estrutura da disciplina: sua justificativa.

Inteligência Artificial: definição, estratégias básicas e a representação do projeto de processos por árvore de estados.

Otimização: conceito e aplicação no projeto.

Síntese e Análise: em que consistem, em que diferem e como se combinam no projeto.

Sistema: conceito e exemplos. A conveniência em se tratar um processo como um sistema.

Engenharia de Processos: seu papel como área da Engenharia Química.

ESTRUTURA DA 2ª. EDIÇÃO DO LIVRO

FIM

Nos processos químicos, três elementos são importantes: a rota química, os equipamentos e a estrutura (fluxograma).

Tradicionalmente: ênfase nos equipamentos em detrimento da estrutura.

Nos Currículos tradicionais:

Equipamentos: Operações Unitárias (macro), Fenômenos de Transporte (micro).

Processos: poucas e descritivas.

Fácil de constatar...

Reflexos no Projeto: resumia-se a escolher os equipamentos sem questionamento da estrutura.

Aprimoramento de processos limitado à criação de novos equipamentos, ao aperfeiçoamento dos existentes e de

procedimentos de cálculo.

Abordagem esgotada!

Necessário um novo patamar no aprimoramento de processos: aprimorar a estrutura, criar novas concepções.

Década de 1960: primeiros trabalhos sobre fluxogramas de processos

Compreender a sua estrutura e o seu processo de formação.

Possível graças ao resgate e à aplicação do conceito de sistema à Engenharia.

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EQE 489 ENGENHARIA DE PROCESSOS 06 de agosto de 2014 ENGENHARIA DE PROCESSOS Análise, Simulação e Otimização de Processos Químicos