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CAPÍTULO 3 ESTRATÉGIAS DE CÁLCULO

CAPÍTULO 3 ESTRATÉGIAS DE CÁLCULO. 11 de agosto de 2014. REVISÃO DOS CAPÍTULOS ANTERIORES. INTRODUÇÃO GERAL. ENGENHARIA DE PROCESSOS. É o campo da Engenharia que congrega os conceitos e os métodos destinados à concepção, ao projeto e à operação de processos químicos.

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CAPÍTULO 3 ESTRATÉGIAS DE CÁLCULO

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Presentation Transcript

  1. CAPÍTULO 3 ESTRATÉGIAS DE CÁLCULO 11 de agosto de 2014

  2. REVISÃO DOS CAPÍTULOS ANTERIORES

  3. INTRODUÇÃO GERAL

  4. ENGENHARIA DE PROCESSOS É o campo da Engenharia que congrega os conceitos e os métodos destinados 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. Implícitos na sua prática encontram-se o emprego intensivo de recursos computacionais e o atendimento a requisitos de natureza econômica, material, energética, de preservação ambiental e de segurança.

  5. PROCESSO SOLVAY CaCO3 1 CaO 2 CaCl2 Ca(OH)2 2 NH4Cl 3 CO2 2 NH3 4 2 H2O 2 NH4OH 2 NaCl 2 CO2 5 2 NaHCO3 Na2CO3 H2O 6 CO2 Etapa 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

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

  7. Conhecimento específicode cada área utilizado intuitivamente Teoria de Projeto Eng.Química Eng. Naval Engenharia de Processos Aplicável a todas as áreas Eng. Elétrica Eng. Mecânica As engenharias experimentaram um ganho expressivo

  8. PROJETO DE PROCESSOS É o conjunto de documentos elaborados por uma equipe de engenheiros com detalhes suficientes para a construção e a operação de uma planta industrial O Projeto resulta de um conjunto de ações desenvolvidas DesdeA decisão de se produzir um determinado produto Até À conclusão do Projeto   As ações sãonumerosas e diversificadas !!!

  9. 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 Calcular a vazão dascorrentes intermediárias Investigar reagentesplausíveis 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

  10. À luz da Engenharia de Processos elas são organizadas da seguinte formaquanto à sequência no Projeto

  11. SELEÇÃO DAROTA QUÍMICA Investigar mercado para o produtoInvestigar reagentesplausíveis Investigar a disponibilidade das matérias primas Definir as condições das reações e identificar os sub-produtos gerados SÍNTESEEstabelecer o número e o tipo dos reatores Definir o número e o tipo dos separadoresDefinir o número e o tipo de trocadores de calorEstabelecer malhas de controle Definir o fluxograma do processo ANÁLISE Calcular o consumo de utilidades Calcular a vazão das correntes intermediárias Calcular as dimensões dos equipamentos Calcular o consumo dos insumosCalcular o consumo de matéria prima Avaliar a lucratividadedo processo

  12. ANÁLISE SÍNTESE 2 6 INTRODUÇÃO À INTRODUÇÃO À ANÁLISE DEPROCESSOS 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

  13. Projeto: primeiro passo Seleção da Rota Química DIFICULDADE: MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES

  14. Rotas para a produção de fenol

  15. Projeto: segundo passo Síntese de um Fluxograma para a Rota Química DIFICULDADE NA SÍNTESE MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES

  16. RM RT DS DE Aquecedor Resfriador Trocador deIntegração Reator demistura Reator tubular Coluna de destilaçãosimples Coluna de destilaçãoextrativa T R A EXEMPLO Equipamentos disponíveis para a geração de um fluxograma Este problema é simples O espaço das soluções é constituido apenas de 8 fluxogramas

  17. UM RISCO INERENTE À SÍNTESE . . .

  18. EXPLOSÃOCOMBINATÓRIA !!! Muitas soluções para analisar

  19. Projeto: terceiro passo Análise dos fluxogramas gerados na Síntese DIFICULDADE NA ANÁLISE MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES

  20. EXEMPLO dimensionamento de 2 extratores em série W kgB/h W kgB/h 1 2 Q = 10.000 kgA/h x kgAB/kgA x kgAB/kgA 1 2 1 2 x = 0,02 kgAB/kgA o y kgAB/kgB y kgAB/kgB 1 2 Modelo Matemático 1. Q(xo - x1) - W1 y1 = 0 2. y1 - k x1 = 0 3. Q(x1 -x2) - W2 y2 = 0 4. y2 - k x2 = 0 Avaliação Econômica L = R - C R = 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

  21. MULTIPLICIDADE NA ANÁLISE A cada par (x1,x2)corresponde uma solução viável Dificuldade: infinidade de soluções viáveis

  22. Todo problema com Multiplicidadede Soluções exige a busca da sua Solução Ótima através de OTIMIZAÇÃO

  23. Constata-se, assim, que ... O Projeto de Processos é um problema complexo de otimização.

  24. Primeiro fator de complexidade multiplicidade de soluções nos três níveis Nível Tecnológico:determinar a rota química ótima. Nível Estrutural (Síntese): determinar a estrutura ótima. Nível Paramétrico (Análise): determinar as dimensões ótimas de equipamentos e correntes.

  25. Segundo fator de complexidade Os 3 problemas são interdependentes. A solução ótima de um está atrelada à solução ótima dos outros dois.

  26. Uma primeira abordagem para o Projeto Super-estrutura

  27. SUPER - ESTRUTURA Uma estrutura que abriga qualquer uma das estruturas alternativas para um sistema. ExemploSuper-estrutura para algarismos

  28. RM RT DS DE Aquecedor Resfriador Trocador deIntegração Reator demistura Reator tubular Coluna de destilaçãosimples Coluna de destilaçãoextrativa T R A EXEMPLO Equipamentos disponíveis para a geração de um fluxograma Este problema é simples O espaço das soluções é constituido apenas de 8 fluxogramas

  29. Superestrutura para o exemplo ilustrativo T DS RM R A RT DE Contém todos os equipamentos e todas as conexões lógicas. Abriga todos os fluxogramas possíveis do exemplo.

  30. Solução T DS RM R A RT DE Monta-se o modelo matemático da superestrutura Recai-se em problema complexo de otimização O resultado é o fluxograma ótimo

  31. T DS RM R A RT DE Super-estrutura do Problema evidenciando o Fluxograma 7

  32. Uma abordagem alternativa Busca Orientada por Árvore de Estados

  33. ? P ? ? A,B P,C D,E P,F A+B P+C D+E P+F ?? ?? 4 A 1 P 2 D 3 P A P D P x x B C E F x x B C E F T D M D T A M E ? ? ? ? L L L L 6 8 10 7 x* x* x* x* x x o = 3 x o = 4 x o = 6 x o = 5 x x x Busca Orientada por Árvore de Estados Raiz Rota Química ? Fluxograma ? Dimensões ? Nível Tecnológico Seleção de uma Rota Fluxograma ? Dimensões ? Nível Estrutural Síntese de um Fluxograma Dimensões ? Lucro? Nível Paramétrico Análise do Fluxograma Dimensionamento dos Equipamentos e das Correntes. Lucro. Solução Ótima:Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4  demais dimensões.

  34. ? P ? ? D,E P,F D+E P+F ?? D 3 P x E F ? L 10 4 x Solução do Problema de Projeto por Busca Orientada Raiz Rota Química ? Fluxograma ? Dimensões ? Nível Tecnológico Seleção de uma Rota Fluxograma ? Dimensões ? Vantagem Varre todas as soluções sem repetiçõessem omitir a ótima Nível Estrutural Síntese de um Fluxograma Dimensões ? Lucro? Desvantagem Explosão Combinatória(outros métodos) Nível Paramétrico Análise do Fluxograma Dimensionamento dos Equipamentos e das Correntes. Lucro. Solução Ótima:Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4  demais dimensões.

  35. 2. INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS

  36. ? P ? ? A,B P,C D,E P,F A+B P+C D+E P+F ?? ?? 4 A 1 P 2 D 3 P A P D P x x B C E F x x B C E F T D M D T A M E ? ? ? ? L L L L 6 8 10 7 x* x* x* x* x x o = 3 x o = 4 x o = 6 x o = 5 x x x Busca Orientada por Árvore de Estados Raiz Rota Química ? Fluxograma ? Dimensões ? Nível Tecnológico Seleção de uma Rota Fluxograma ? Dimensões ? Nível Estrutural Síntese de um Fluxograma Dimensões ? Lucro? Nível Paramétrico Análise do Fluxograma Dimensionamento dos Equipamentos e das Correntes. Lucro. Solução Ótima:Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4  demais dimensões.

  37. SÍNTESE 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 8 7 SÍNTESE DE SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA SISTEMAS DE SEPARAÇÃO ANÁLISE 2 INTRODUÇÃO À ANÁLISE DEPROCESSOS 3 4 5 ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO OTIMIZAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA

  38. OBJETIVO DA ANÁLISE Prever e avaliar o desempenho físico e econômico de um processo já existente (em operação) ou ainda inexistente (em fase de projeto) “Bola de Cristal”

  39. Prever e avaliar o desempenho FÍSICO Consiste em(a) prever as dimensões dos principais equipamentos e as condições das correntes, necessárias para atender às especificações técnicas estabelecidas para o projeto. (b) prever o comportamento do processo em condições diferentes daquelas para qual foi dimensionado. Base Modelo Matemático

  40. Prever e avaliar o desempenho ECONÔMICO Consiste em Verificar se o processo atende aos critérios econômicos de lucratividade de forma a justificar a sua montagem e a sua operação. Base Critério Econômico

  41. Resumoda Análise de Processos Cada Capítulo gera subsídios para os Módulos Computacionais 2 INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS 3 4 5 ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO OTIMIZAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA Variáveis Especificadas Parâmetros Econômicos ParâmetrosFísicos MODELOFÍSICO Dimensões Calculadas Lucro MODELOECONÔMICO OTIMIZAÇÃO Variáveis de Projeto 

  42. Simular Extrator Dimensionar Extrator Simular Evaporador Dimensionar Evaporador Dimensionar Condensador Simular Condensador Resolver Problema Dimensionar Resfriador Simular Resfriador Dimensionar Misturador Simular Misturador Dimensionar Processo Simular Processo Otimizar Processo Calcular Lucro

  43. ROTEIRO PARA A RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS NA ANÁLISE DE PROCESSOS 1. Reconhecer ou desenhar o fluxograma: equipamentos, correntes, variáveis do processo. 2. Escrever o modelo matemático.  fundamental 3. Identificar as variáveis conhecidas e as metas de projeto. 4. Efetuar o Balanço de Informação. 5. Estabelecer uma estratégia de cálculo. 6.Resolver o problema. 7.Avaliar criticamente o resultado.  mais importante

  44. FINAL DA REVISÃO

  45. MOTIVAÇÃO PARA O CAPÍTULO 3

  46. Forma Geral dos Modelos Matemáticos de Processos f1(x1, x2, ..., xi ,..., xM) = 0 f2(x1, x2, ..., xi ,..., xM) = 0 . . . . . . fN(x1, x2, ..., xi,..., xM) = 0 Sistema de equações algébricas N equações M incógnitas constituído do conjunto dos modelos dos equipamentos.

  47. Exemplo: Modelo do Processo Ilustrativo

  48. Partindo dos modelos dos equipamentos extrator 01. f11 - f12 - f13 = 002. W15 - f23 = 003. f31 - f32 = 004. k – (3 + 0,04 Td) = 005. k – x13 / x12 = 006. (f11 Cp1 + f31 Cp3) (T1 - Td) + W15 Cp2l (T15 - Td) = 007. Vd -  (f11 /1 + W15/2 + f31/3) = 008. r - f13/f11 = 009. T2 – Td = 010. T3 – Td = 0 evaporador 11. f13 - f14 = 0 12. f23 - f24 - W5 = 0 13. W6 - W7 = 0 14. W6 [3 + Cpv (T6 – T7)] - Qe = 0 15. Qe – [(f13Cp1 + f23Cp2l)(Te - T3) + W52] = 0 16. Qe - Ue Aee = 0 17. e - (T6- Te) = 018. T4 – Te = 019. T5 – Te = 0

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