anÁlise de processos resumo 24 de setembro de 2008

146
ANÁLISE DE PROCESSOS ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

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Page 1: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

ANÁLISE DE PROCESSOSANÁLISE DE PROCESSOS

RESUMORESUMO

24 DE SETEMBRO DE 2008

Page 2: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

PROCESSO

Seqüência de etapas responsáveis pela transformação de matérias primas em produtos de interesse industrial.

ENGENHARIA DE PROCESSOS

Área da Engenharia Química dedicada ao Projeto de Processos Químicos

PROJETO DE PROCESSOS QUÍMICOS

É o conjunto de ações desenvolvidas

DesdeA decisão de se produzir um determinado produto químico

AtéUm plano bem definido para a construção e a operação da instalação industrial.

Page 3: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

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 EQUIPAMENTOS

ENG. DE PROCESSOS

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

Inteligência Artificial:Na resolução de problemas combinatórios

Page 4: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito

(b ) cuja finalidade é executar uma ação complexa resultante da combinação das ações dos seus elementos.

Sistema: denominação genérica aplicada a organismos, dispositivos ou instalações, com as seguintes características:

21

3 4

5

7

6

(a) são conjuntos de elementos interdependentes (através de conexões), cada qual capaz de executar uma ação específica.

Page 5: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

e interdependentes (através das correntes)

O Processo Químico é 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

CONDENSADORRESFRIADORMIS

TU

RA

DO

R

alimentação

bombaDECANTADOR

20 HP

rafinadoproduto

W11

T11

W6

T6

W4

T4

f14

f24x14

W7

T7

T3

W1

T1x11

f11

f21

T2

f12

Ar

Ae

Vlt

r

f32

f23

Ac

W8

T8

W15

T15

W13

T13

W14

T14

W12

T12

W10

T10

W9

T9

W5

T5

f13

Page 6: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

ENGENHARIA DE SISTEMAS

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

seus elementos.

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

e do surgimento da área:

Engenharia de Sistema de Processos

PSE: Process System Engineering

Page 7: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

1.3.2 Estrutura de Sistemas

1 2

acíclica

1 2

cíclica

1

2

com convergência

Exemplos de Estruturas de Sistemas

É a forma como as conexões interligam os elementos do sistema.

21

3 4

5

7

6

complexa

com bifurcação

1

2

Page 8: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

1.3.3 Projeto de Sistemas

(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

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

ANÁLISE

Page 9: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

1.3.4 Síntese

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

No Projeto: é a etapa criativa

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

Page 10: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Equipamentos disponíveis para a geração de fluxograma de um determinado Processo Ilustrativo

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.

SÍNTESE: responsável por disponibilizar todas as soluções.

Page 11: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

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)

Um problema com multiplicidade de soluções

Page 12: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!

Page 13: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

1.3.5 Análise

Genericamente análise significa:

- decompor um todo em suas partes,

- compreender o comportamento das partes e, a partir daí,

- compreender o comportamento do todo.

Para cada solução alternativa gerada na Síntese:

(a) previsão do desempenho do sistema.

(b) avaliação do desempenho do sistema.

Page 14: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Principais dimensões dosequipamentos

Consumo de utilidadesmatérias primas e insumos

Especificaçõesde projeto

Modelo Matemático

previsão

Principais dimensões dosequipamentos

Consumo de utilidadesmatérias primas e insumos

Modelo Econômico

avaliaçãoLucro

No caso de processos químicos:

ANÁLISE: responsável pela avaliação de cada solução.

Page 15: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

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 DE SOLUÇÕES NA ANÁLISE

Cada par (x1,x2) é uma solução viável

Page 16: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

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

Page 17: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

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

Investigar mercado para o produto

Investigar disponibilidade

das matérias primas

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

Investigar reagentesplausíveis

SELEÇÃO DEROTAS QUÍMICAS

SÍNTESE ANÁLISE

Calcular as dimensõesdos equipamentos

Calcular o consumo de matéria prima

Calcular o consumo de utilidades

Calcular o consumo dos insumos

Calcular a vazão dascorrentes

intermediárias

Avaliar a lucratividadedo processo

Page 18: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

1.3.6 Otimização

Fonte da complexidade: multiplicidade de soluções nos níveis tecnológico, estrutural e paramétrico.

Nível Tecnológico: determinar a melhor rota química.

Nível Paramétrico (Análise): determinar as dimensões ótimas de equipamentos e correntes.

Nível Estrutural (Síntese): determinar a estrutura ótima.

O Projeto de Processos é um problema complexo de otimização.

Multiplicidade de Soluções

Exige a busca da

OtimizaçãoSolução Ótima

através da

Page 19: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Como resolver eficientemente um problema tão complexo?

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.

Estratégias básicas:

Decomposição e Representação

Page 20: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(a) decomposição:

- decompor um problema complexo em sub-problemas mais simples.- obter a solução do problema complexo resolvendo os

problemas mais simples de forma coordenada.

(b) representação

Organizar as soluções segundo uma representação que oriente a sua a resolução.

Essas duas estratégias são aplicadas ao Projeto de Processos

Exemplo: o problema de projeto pode ser decomposto nos sub-problemas tecnológico (rotas químicas), estrutural (síntese) e

paramétrico (análise).

Exemplo: representação de problemas por Árvore de Estados.

Page 21: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

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: Busca orientada

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+CA,B P,C

??

1 PAB Cx

?

T D

2PA

B 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*

Page 22: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

INTELIGÊNCIA ARTIFICIALDecomposição e Representação de problemas

A partir de elementos de

ENGENHARIA DE SISTEMASProjeto, Síntese, Análise e Otimização

É possível sistematizar o Projeto !

Page 23: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

INTRODUÇÃO GERAL

1

INTRODUÇÃO À

SÍNTESE DE PROCESSOS

8

6

SÍNTESE DE

SISTEMAS DE SEPARAÇÃO

7

SÍNTESE

SÍNTESE DE SISTEMAS DE

INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

INTRODUÇÃO À

ANÁLISE DE PROCESSOS

2

ESTRATÉGIAS

DE CÁLCULO

3

OTIMIZAÇÃO PARAMÉTRICA

AVALIAÇÃOECONÔMICAPRELIMINAR

4 5

ANÁLISE

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)

Page 24: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Verificar se o processo atende aos critérios econômicos de lucratividade de forma a justificar a sua montagem e a sua operação.

BaseModelo Econômico

Prever e Avaliar o desempenho ECONÔMICO

Prever e Avaliar o desempenho FÍSICO

(a) prever as dimensões dos principais equipamentos e as condições das correntes, necessárias para atender às especificações técnicas estabelecidas para o projeto.

BaseModelo Matemático

(b) avaliar o comportamento de um processo dimensionado para certas especificações, quando submetido a outras condições operacionais.

Page 25: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Dimensionamento

(c) seleção de métodos para a estimativa das propriedades e dos parâmetros físicos e econômicos.

(b) modelagem matemática

(a) reconhecimento do processo

A Análise se inicia com as seguintes etapas preparatórias:

Seguidas das etapas executivas ligadas aos objetivos da análise:

Simulação

Page 26: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2.1.1 Reconhecimento do Processo

- equipamentos (tipo, condições operacionais, ...)

- correntes (origem e destino, vazão, temperatura, composição...)

- fluxograma do processo (estrutura: “by-passes”, reciclos, etc.).

Consiste em identificar

Page 27: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2.2.2 Modelagem Matemática

O Modelo do Processo é constituído pelos modelos dos equipamentos e pelo modelo do fluxograma.

Modelo do Fluxograma: matriz de conexões.

Sistemas de equações algébricas:

- balanços de massa e energia- relações de equilíbrio de fase- expressões para a estimativa de propriedades, taxas e coeficientes- equações de dimensionamento- restrições nas correntes multicomponentes

Modelos dos Equipamentos:

Page 28: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2.2.2 Propriedades Físicas e Coeficientes Técnicos

Devem ser incluídas equações para a estimativa das propriedades físicas e dos coeficientes técnicos.

Page 29: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2.3 DIMENSIONAMENTO E SIMULAÇÃO

Dimensionamento: fixam-se as metas estabelecidas para o equipamento/processo (saídas especificadas); determinam-se as dimensões e as vazões de entrada capazes de satisfazer as metas.

Simulação: fixam-se as dimensões que satisfazem as metas e alteram-se as vazões das entradas. As saídas terão valores diferentes das metas.

Page 30: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2.3.1 Informações Relevantes (a) Condições Conhecidas

Em todo problema de dimensionamento e de simulação algumas condições de correntes, especialmente de entrada, devem ser conhecidas.

No caso do dimensionamento, devem ser conhecidas:- a produção desejada ou a disponibilidade de matérias primas.- as condições da alimentação, das utilidades e dos insumos.

No caso da simulação, devem ser conhecidas as dimensões dos equipamentos, as vazões e as condições de todas as correntes de entrada

(b) Metas de Projeto e de Operação

Algumas variáveis têm os seus valores impostos por especificações de ordem técnica ou por restrições ambientais. Normalmente são condições de saída.

Page 31: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Fluxograma do ProcessoDimensionamento: condições conhecidas

W6

T*6

W10 T10

W13 T13

W11 T*

11

W8

T*8

W*1

x*1,1

T*1

f1,1

f3,1

W7 T7

W5 T5W3

x1,3

T3 f1,3 f2,3

W4 x1,4

T4 f1,4 f2,4

W12 T12

W9 T9

W14 T*

14

W2

x1,2

T2 f1,2 f3,2

EXTRATOR

Extrato

Rafinado

EVAPORADOR

CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR

BOMBA

1

2

3

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

15

VdAe

AcAr

r

Alimentação

Vapor

ÁguaÁgua

Benzeno

Produto

Condensado

Benzeno

W15 T15

Page 32: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Fluxograma do ProcessoSimulação: condições conhecidas

W*6

T*6

W10 T10

W13 T13 W*

11 T*

11

W*8

T*8

W*1

x*1,1

T*1

f1,1

f3,1

W7 T7

W5 T5W3

x1,3

T3 f1,3 f2,3

W4 x1,4

T4 f1,4 f2,4

W12 T12

W9 T9

W*14

T*14

W2

x1,2

T2 f1,2 f3,2

EXTRATOR

Extrato

Rafinado

EVAPORADOR

CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR

BOMBA

1

2

3

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

15

V*d

A*e

A*r

A*e

r

Alimentação

Produto

Condensado

Vapor

ÁguaÁgua Benzeno

Benzeno

W15 T15

Page 33: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Fluxograma do ProcessoDimensionamento: metas de projeto

W6

T6

W10 T10

W13 T13 W11

T11

W8

T8

W1

x1,1

T1

f1,1

f3,1

W7 T7

W5 T*

5W3 x1,3

T3 f1,3 f2,3

W4 x*

1,4

T4 f1,4 f2,4

W12 T*

12

W9

T*9

W14 T14

W2

x1,2

T*2

f1,2 f3,2

EXTRATOR

Extrato

Rafinado

EVAPORADOR

CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR

BOMBA

1

2

3

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

15

VdAe

AcAr

* r*

Benzeno

Benzeno

Alimentação

Produto

Vapor

ÁguaÁgua

W15 T15

Condensado

Page 34: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Fluxograma do ProcessoDimensionamento: condições conhecidas + metas de projeto

W6

T*6

W10 T10

W13 T13 W11

T*11

W8

T*8

W*1

x*1,1

T*1

f1,1

f3,1

W7 T7

W5 T*

5W3 x1,3

T3 f1,3 f2,3

W4 x*

1,4

T4 f1,4 f2,4

W12 T*

12

W9 T*

9

W14 T*

14

W2

x12

T*2

f12 f32

EXTRATOR

Extrato

Rafinado

EVAPORADOR

CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR

BOMBA

1

2

3

4

5

67

8

9

10

11

12

13

14

15

VdAe

AcAr

* r*

AlimentaçãoProduto

Vapor

Benzeno

Benzeno

Água Água

W15 T15

Condensado

Page 35: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2.3.2 Balanço de Informação

O Balanço de Informação consiste no cálculo dos Graus de Liberdadedo problema: G = V – N - E (E = C + M).

Em função dos Graus de Liberdade, o problema pode ser:

- inconsistente (G < 0 : sem solução) - consistente

- determinado (G = 0 : solução única)- indeterminado (G > 0 : infinidade de soluções otimização)

Problemas de dimensionamento podem ser determinados (G = 0) ou indeterminados (G > 0, otimização).

Problemas de simulação são determinados (G = 0).(se impomos as entradas, a natureza não nos dá liberdade de escolha das saídas).

Page 36: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(a) Dimensionamento G = 0 (solução única)

INCÓGNITASPARÂMETROS

L

AVALIAÇÃO

ECONÔMICA

Vd,Ae,Ac,Ar

W4,W6,W8,W11,W14

MODELOMATEMÁTICO

VARIÁVEIS ESPECIFICADAS

W1x1,1,x1,4

T1,T2,T5,T6,T8,T9,T11,T12,T14, r,

2.3.3 Execução

Page 37: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(b) Otimização Dimensionamento com G > 0

incógnitas

L

AVALIAÇÃO

ECONÔMICA

Vd,Ae,Ac,Ar

variáveis de projeto

r,T9,T12OTIMIZAÇÃO

W4,W6,W8,W11,W14

MODELOMATEMÁTICO

variáveis especificadas

W1x11,x14

T1,T2,T5,T6,T8,T11,T14,

r, T9, T12

?

Page 38: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

VARIÁVEIS ESPECIFICADAS

INCÓGNITASPARÂMETROS

L

AVALIAÇÃO

ECONÔMICA

Vd,Ae,Ac,Ar

W1,T1,x11,T5,W6,T6,W8,T8,W11,T11,W14,T14

T2, W4, T4, x14, T9, T12, r, MODELOMATEMÁTICO

(c) Simulação G = 0

Page 39: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2.3.4 Módulos Computacionais

A análise de um processo exige três ações:- resolução do modelo matemático do processo- avaliação econômica- otimização

que devem ser executadas por módulos computacionais integrados num programa de computador. Essas ações serão detalhadas nos próximos Capítulos.

VARIÁVEIS ESPECIFICADAS

INCÓGNITAS

L

AVALIAÇÃO

ECONÔMICA

VARIÁVEIS DE PROJETO

r,T9,T12 OTIMIZAÇÃO

MODELOMATEMÁTICO

Page 40: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

A complexidade dos modelos exige o estabelecimento prévio de uma

Estratégia de Cálculo

Fontes de complexidade:

Em geral, os modelos de processos são muito complexos.

(c) presença de reciclos nos processos

(b) não-linearidades em muitas equações

(a) grande número de equações e de variáveis

Desafio: como viabilizar a resolução de modelos tão complexos, e como fazê-lo da forma mais eficiente possível?

Page 41: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

MODELOFÍSICO

MODELOECONÔMICO OTIMIZAÇÃO

Variáveis Especificadas

Variáveis de Projeto

Parâmetros Econômicos

ParâmetrosFísicos Dimensões Calculadas Lucro

Objetivo de uma Estratégia de Cálculo

minimizar o esforço computacional envolvido na resolução dos modelos (problemas de dimensionamento, simulação e otimização de processos).

Page 42: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Métodos de Aproximações Sucessivas

Há duas famílias importantes de métodos numéricos para a resolução de equações não-lineares.

Métodos deRedução de Intervalos

Por diferentes raciocínios lógicos, promovem a redução do intervalo até que se torne menor do que uma tolerância pré-estabelecida.

Por diferentes raciocínios lógicos, testam novos valores até que a diferença relativa entre valores sucessivos se torne menor do que uma tolerância pré-estabelecida.

Partem de um intervalo inicial.(limites inferior e superior)

Partem de um valor inicial.

3.1.2 Resolução de equações não-lineares

ex: Método da Bisseção ex: Método da Substituição Direta

Page 43: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

1 2 3x x

1x

2x

30

Estrutura Acíclica

1 2 3x0

x1

x2

x3

x3

Estrutura Cíclica

Estrutura acíclica: resolução trivial por encadeamento sucessivo a partir que qualquer variável conhecida (xo, por exemplo).

Estrutura cíclica: solução somente por tentativas (exemplo: conhecida xo, o cálculo de x1 depende de x3 ainda não calculada).

3.2 SISTEMAS DE EQUAÇÕES NÃO – LINEARES 3.2.1 Estrutura e Representação

Page 44: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Estrutura

X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8

1 1 1 0 0 0 0 0 0 02 0 1 1 0 0 0 0 0 03 0 0 1 1 0 0 1 0 04 0 0 0 1 1 0 0 0 05 0 0 0 0 1 1 0 0 06 0 0 0 0 0 1 1 0 07 0 0 0 0 0 0 1 1 08 0 0 0 0 0 0 0 1 1

Matriz Incidência (Numérica)

X0 X1 X2 X3 X4 X5 X6 X7 X8

1 * *2 * *3 * * *4 * *5 * *6 * *7 * *8 * *

Matriz Incidência (Gráfica)

Matrizes Esparsas !

1. f1(xo*,x1) = 02. f2(x1,x2) = 03. f3(x2,x3,x6) = 04. f4(x3,x4) = 05. f5(x4,x5) = 06. f6(x5,x6) = 07. f7(x6,x7) = 08. f8(x7,x8) = 0

Representação Matricial

Page 45: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

x

x1 2 3 4 5 6 7 8

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

x8

6

o

Estrutura

1. f1(xo*,x1) = 0

2. f2(x1,x2) = 03. f3(x2,x3,x6) = 04. f4(x3,x4) = 05. f5(x4,x5) = 06. f6(x5,x6) = 07. f7(x6,x7) = 08. f8(x7,x8) = 0

Representação Gráfica (Grafo)

Ciclo !

Page 46: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

3.2.2 Resolução

Os sistemas de equações podem ser resolvidos por - métodos simultâneos

Todas as variáveis são alteradas simultaneamente. Exemplo: Newton-Raphson, Wegstein, ...

- método seqüencial

Aproveita-se do conhecimento da estrutura do sistema para minimizar o esforço computacional.

Elementos importantes do método seqüencial:

(a) Partição(b) Abertura(c) Algoritmo de Ordenação de Equações

Page 47: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

x

x*1 2 3 4 5 6 7 8

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

x8

6

o

Decomposição em sub-sistemas

PARTIÇÃO

1. f1(xo,x1) = 02. f2(x1,x2) = 03. f3(x2,x3,x6) = 04. f4(x3,x4) = 05. f5(x4,x5) = 06. f6(x5,x6) = 07. f7(x6,x7) = 08. f8(x7,x8) = 0

Uma estratégia para resolver o Sistema

1, 2 [ 3, 4 , 5 ,6 7, 8[ ] ] [ ]

Parte CíclicaParte Acíclica Parte Acíclica

xo* x2 x6 x8

Resolução seqüencial dos sub-sistemas solução do Sistema

Page 48: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

É um algoritmo de atribuição de tarefas: a cada equação é atribuída a tarefa de calcular uma das variáveis do sistema.

3. Em problemas com graus de liberdade, indica as variáveis de projeto compatíveis com o esforço computacional mínimo.

1. Organiza as equações segundo a seqüência lógica, minimizando o esforço computacional seqüência de cálculo.

2. Efetua naturalmente a partição do sistema em conjuntos cíclicos e acíclicos de equações, minimizando o número de equações envolvidas em cálculos iterativos.

Algoritmo de Ordenação de Equações (A.O.E.)

Propriedades do Algoritmo

4. Em problemas com ciclos, indica as variáveis de abertura.

Page 49: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

ELEMENTOS BÁSICOS DO ALGORITMO

Equações de Incógnita Única (EIU)

Variáveis de Freqüência Unitária (VFU)

Ciclos

Equações em que todas as variáveis têm os seus valores conhecidos, menos uma!

Pela lógica: as primeiras a serem resolvidas.

Variáveis que pertencem a uma só equação.

Pela lógica: só podem ser calculadas por esta equações e depois de todas que as antecedem.

Conjuntos cíclicos de equações em que cada variável vem a ser função dela mesma.

Page 50: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Algoritmo de Ordenação de Equações

Enquanto houver equações

Enquanto houver equações com incógnita única (EIU)

(a) atribuir (vincular) essa incógnita à respectiva equação.(b) colocar a equação no primeira posição disponível na Seqüência de Cálculo.(c) remover a variável.

Enquanto houver variáveis de freqüência unitária (VFU)

(a) atribuir (vincular) essa variável à respectiva equação.(b) colocar a equação no última posição disponível na Seqüência de Cálculo.(c) remover a equação.Se ainda houver equações

(a) selecionar uma equação que contenha pelo menos uma variável de freqüência igual à menor freqüência dentre todas as variáveis (Final).(b) colocar essa equação na última posição disponível na Seqüência de Cálculo.(c ) remover equação.

Page 51: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(a) Bisseção

x6a

3 4 5 6

x6a

x2 x3 x4 x5 x6

BISS

(b) Substituição Direta

x6c

3 4 5 6x2 x3 x4 x5 x6

SDx6a

Exemplo de esquemas de resolução do subsistema cíclico por abertura

Page 52: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Situações típicas que podem ocorrem ao aplicar o algoritmo de ordenação de equações em

Sistemas de Engenharia de Processos.

Page 53: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

PROCESSO

OTIMIZAÇÃO

*LEE x

13 2 1

x4

x3

x2

x1

x2

x3

x

x

5 5

4

AVALIAÇÃO

ECONÔMICA

PROCESSO

OTIMIZAÇÃO

*LEE x

13 21

x4

x3

x

2x

1

x2x

3x

x

5 5

4

AVALIAÇÃO

ECONÔMICA

PROCESSO*

LEE x14 3 2 1

x4

x3

x2

x1

x2

x3

x4

AVALIAÇÃO

ECONÔMICASol.únicasem ciclo

Otimizaçãocom ciclo

Sol.únicacom ciclo

Otimizaçãosem ciclo

PROCESSO*

LEE x1

4 3 21x

4x

3x

2

x1

x 2 x 3 x4

AVALIAÇÃO

ECONÔMICA

Page 54: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

REGRAS COMPLEMENTARES NA APLICAÇÃO DOALGORITMO DE ORDENAÇÃO DE EQUAÇÕES

- Variáveis discretas- Variáveis de cálculo direto e iterativo- Variáveis limitadas- Ciclos múltiplos- Variáveis de abertura e de projeto- Eliminação de ciclos.

Page 55: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Variáveis Discretas

Seus valores são limitados a um conjunto finito.

Exemplos: - tipos de insumos: utilidades, solventes, catalisadores.- diâmetros comerciais de tubos.- número de estágios.

Em problemas com G > 0 elas têm preferência como Variáveis de Projeto.Assim:

- assumem apenas os valores viáveis atribuídos pelo otimizador.- não sendo calculadas, não há risco de assumirem valores inviáveis.

Page 56: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Variáveis de Cálculo Direto ou Iterativo

Exemplo

43

21

4321

TT

TTln

)TT(TT

Nesta equação:

- é uma variável de cálculo direto (dadas as temperaturas)- qualquer T é de cálculo iterativo (dado e as demais T’s)

As variáveis de cálculo direto têm preferência para a condição de calculadas.

Variáveis de cálculo direto são aquelas que podem ser facilmente explicitadas numa equação e calculadas sem necessidade de iterações.

Page 57: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Varáveis Limitadas

Os seus valores variam entre limites bem definidos.

Exemplos:- frações mássicas ou molares- temperaturas em trocadores de calor

Variáveis limitadas devem ter preferência para atuar como variáveis de abertura e de

projeto.

Durante a execução do Algoritmo, a atribuição deve ser postergada ao máximo

para que essa preferência seja concretizada.

Page 58: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Ciclos Múltiplos em Seqüência

f1(xo,x1,x3) 0

f2(x1,x2) 0

f3(x2,x3) 0

f4(x3,x4) 0

f5(x4,x5,x7) 0

f6(x5,x6) 0

f7(x6,x7) 0

=

=

=

=

=

=

=

1

2

4

5

6

1. x

2. x

3. final

4. x

5. x

6. x

7. final

x3

x7

Primeira entrada de x7: eq. 5

Primeira entrada de x3: eq. 1

Fechar o ciclo com a final mais próxima

Page 59: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

0

0

0

0

f x x x

f x x x

f x x x

f x x

f x x x

f x x x

f x x

1 o 1 7

2 1 2 6

3 2 3 5

4 3 4

5 3 4 5

6 5 6 7

7 6 7

0

0

0

( , , )

( , , )

( , , )

( , )

( , , )

( , , )

( , )

=

=

=

=

=

=

=

X4

X7

1. x1

4. x3

6. x5

3. x2

5. final

7. x6

2. final

Ciclos Múltiplos Aninhados

Primeira entrada de x7: eq. 7

Primeira entrada de x4: eq. 4

Fechar o ciclo com a final mais próxima

Page 60: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Variáveis de Abertura e de Projeto Simultâneas

(a)

1. x1

2. x2

4. x4

6. x 6

3. x 3

x7

x5

5. final

7. x8

Escolha ConvenienteCiclo com 3 equações

1. x1

2. x2

4. x4

6. x 6

3. x 3

x7

x5

5. final

(b)

7. x8

Escolha InconvenienteCiclo com 4 equações

Em problemas com G > 0 e com ciclo, a variável de abertura deve ser aquela que fecha, com a Equação Final, um ciclo com o

menor número de equações.

Page 61: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Eliminação de Ciclos

31= 1 - X

1131. X

32= 1 - X

12

13= k X

12 / [1 + (k - 1) X

12]

3= W

1X11

r / X13

01. W2

= W1X31

/ X32

32. X

23= 03. W

15

=

2 =

T3

=

=

02'.X12

= X11

(1 - r) / [X31

+ X11

(1 - r)]

07. W

06. T

05. Vd

08.

04. X

33. X

31= 1 - X

1131. X

32= 1 - X

12

13= k X

12 / [1 + (k - 1) X

12]

3= W

1X11

r / X13

01. W2

= W1X31

/ X32

02. W1*X

11* - W

2X12

- W3

X13

= 0

32. X

23= 03. W

15

=

2 =

T3

=

=

X12

07. W

06. T

05. Vd

08.

04. X

33. X

Substituindo 01, 07, 04 e 32 em 02, esta fica só com x12 como incógnita.Explicitando x12, resulta 02’, localizada logo depois de 31. A seqüênciafica sem ciclo.

Page 62: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

3.4 DIMENSIONAMENTO E SIMULAÇÃO DE PROCESSOS

Existem duas estratégias básicas:

- Estratégia GlobalTodas as equações são consideradas simultaneamente, independentemente dos equipamentos e que pertencem.O Algoritmo de Ordenação de Equações é executado como se fosse para um equipamento isolado.É a estratégia mais indicada para dimensionamento.

- Estratégia ModularUtiliza módulos criados previamente para cada equipamento.Cada módulo contém as equações já ordenadas para dimensionamento ou simulação. Os módulos são seqüenciados convenientemente segundo o fluxograma material do processo. Reciclos correntes de abertura.A estratégia é indicada para simulação.

Page 63: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Simulação do Processo Ilustrativo - Estratégia Modular

EXTRATOR

RESFRIADOR

MISTURADOR

CONDENSADOR

EVAPORADOR

SS

18. W10

20. Qc

19. c

22'. T9

21. W8

17. W9

24. W13

23. W12

25'. Qr

28. T13

27. T12

26. r

29. W15

30. T15

02. f23

32. f11

31. f31

03. f32

05. T2

07. 06. T3

01' f12

04. f13

08. r

W1

T1

x11

f11

f31

W15

T15

W45

T14

W13

T13

W10

T10

f13

f23

T3

W4

T4

x14

f14

f24

09. f14

13. T4

16. e

15. Qe

12. W6

14. W5

10. f24

11. W7

33. W4

34. x14

T5

T2

f12

f32

W5a

W5c

Repetição até convergir :

|W5c – W5a| / W5a

Page 64: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Simulação de Processos com Estrutura Complexa

1 2 3 4 5 6 7 81* 2 3

4

5 6

7

8

9

10 11

12

13

14

Procedimento:(a) identificação dos ciclos.(b) seleção das correntes de abertura(c) construção do algoritmo de simulação

Page 65: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(a) Identificação dos Ciclos

O procedimento é o de Traçado de Percursos (labirinto)Trabalha-se com uma Lista Dupla: corrente e equipamento de destino.O resultado é lançado na Matriz Ciclo-Corrente (correntes que participam de cada ciclo).

Corrente: Destino :

1 2 3 4 5 6 7 81* 2 3

4

5 6

7

8

9

10 11

12

13

14

Page 66: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

C: D:

3 4 5 6 711*

22 3

4

5 6

7

8

9

10 11

12

13

814

11

22

33

541

22

33

541

C: 1 2 3 5D: 1 2 3 4

765

86

1110 4

765

86

1110 4

7C: 1 2 3 5 6 8 11 D: 1 2 3 4 5 6 8

13 2

7C: 1 2 3 5 6 8 11 D: 1 2 3 4 5 6 8

13 2

C: 1 2 3 5 7 D: 1 2 3 4 7

1295

86

1110 4

C: 1 2 3 5 7 D: 1 2 3 4 7

1295

86

1110 4

12C: 1 2 3 5 7 9 8 11 D: 1 2 3 4 7 5 6 8

13 2

12C: 1 2 3 5 7 9 8 11 D: 1 2 3 4 7 5 6 8

13 2

C: 1 2 3 5 7 12 D: 1 2 3 4 7 8

13 2

C: 1 2 3 5 7 12 D: 1 2 3 4 7 8

13 2

Page 67: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(b) Seleção das Correntes de Abertura

Matriz Ciclo - Corrente

ALGORITMOCalcular os elementos de CRepetir Identificar a corrente com o maior valor em C (pode ser a primeira encontrada) Inscrever a corrente em A Remover os ciclos abertos pela corrente (anular os elementos na linhas correspondentes) Atualizar C Até C = 0

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131 1 1 12 1 1 13 1 1 1 1 1 14 1 1 1 15 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1

1 4 1 3 2 3 4 1 2 2 1 3C

000000

A

Page 68: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131 1 1 12 1 1 13 1 1 1 1 1 14 1 1 1 15 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1

1 4 1 3 2 3 4 1 2 2 1 3C

000000

A

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131 0 0 02 1 1 13 0 0 0 0 0 04 1 1 1 15 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1 1 2 1 2 0 0 0C

300000

A

Page 69: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131 0 0 02 0 0 03 0 0 0 0 0 04 0 0 0 05 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0C

380000

A

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 131 0 0 02 1 1 13 0 0 0 0 0 04 1 1 1 15 0 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 0 0

0 0 0 0 1 1 2 1 2 0 0 0C

300000

A

Page 70: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(c) Construção do Algoritmo de Simulação

1 2 3 4 5 6 7 81* 2

4

5 6

7

8

9

10 11

12

13

143

Abrir C3

REPETIRSimular E3 (C4,C5)Simular E1 (C2)

REPETIRSimular E6 (C10,C11)Simular E4 (C6,C7 )Simular E7 (C9, C12)Simular E5 (C8)

ATÉ Convergir C8

Simular E8 (C13, C14)Simular E2 (C3)

ATÉ Convergir C3

Abrir C8

Corrente 1: única conhecida

Page 71: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

3.5 INCERTEZA E ANÁLISE DE SENSIBILIDADE

Fontes de incerteza:

(a) modelos matemáticos: aproximações lineares, coeficientes constantes...

A análise de processos é executada em ambiente de muita incerteza.

A avaliação dos efeitos da incerteza é efetuada através daAnálise de Sensibilidade

(b) parâmetros físicos e econômicos: valores incertos (aproximados e variáveis).

Page 72: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(b) questionamento do desempenho futuro. Em que grau a incerteza nos parâmetros comprometerá as metas de projeto ?

(a) questionamento do próprio dimensionamento.Em que grau a incerteza nos parâmetros compromete o resultado do dimensionamento ?

A Análise de Sensibilidade consiste de dois questionamentos óbvios efetuados ao final do dimensionamento, realizado em ambiente de incerteza.

Page 73: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Fazem parte da Análise de Sensibilidade:

- as variáveis características do dimensionamento: dimensões.

- as variáveis características do desempenho do processo: variáveis de saída (metas de projeto).

- os parâmetros cujos valores são considerados incertos (variáveis conhecidas são aqui incorporadas ao conjunto dos parâmetros Controle).

Page 74: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Conveniência: usar variáveis adimensionais F / F* e i / i*

Análise de Sensibilidade com Variáveis Adimensionais

)(F

)(F

)/(

)](F/)(F[)/;F/F(S

*

i

*

i

*ii

i

1

*

ii

*

ii*

ii

*

Vantagens:(a) os valores independem das dimensões das variáveis e dos parâmetros.(b) as Sensibilidades podem ser comparadas, permitindo verificar a qual parâmetro a variável de interesse é mais sensível, e em que grau.

Sensibilidade Adimensional:

: vetor dos parâmetros (físicos e econômicos) e das variáveis especificadas cujos valores são incertos.

F: variável do processo cujo valor é incerto devido à incerteza nos parâmetros .

Page 75: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

S(F/F*;i/ i*) estima a incerteza % em F diante de uma incerteza

de 1% em i

|S| > 1 : incerteza ampliada |S| < 1 : incerteza amortecida

)*

i

*

i

*

i*

ii

*

F(

)F(ξ)ξF(1,01100)/ξ;S(F/F

Cálculo aproximado da sensibilidade adimensional

diante de uma incerteza de 1% em i

Page 76: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

4. AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE PROCESSOS

Objetivo: avaliação do desempenho econômico de um processo.

Critério adotado (Rudd & Watson)

Happel: Venture Profit Lucro do Empreendimento (LE)

É o Lucro Relativo ao proporcionado por um investimento “padrão”

Page 77: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Lucro do Empreendimento: LE = L1 - L0

O projeto é economicamente vantajoso se LE 0

L0: Lucro proporcionado por um investimento com: - retorno garantido i ($/a) /($ investido) - sem risco comercial.

L1: Lucro previsto para o processo, com: - retorno estimado j ($/ano) / ($ investido) - com risco comercial.

Sejam:

Lucro do Empreendimento

Page 78: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Fluxograma Ilustrativo do Lucro do Empreendimento

InstalaçõesFísicas

Lucro Bruto

ReceitaR $/a

Custo Total

LB = R - Ctotal $/a

Lucro LíquidoApós o I.R.

Imposto de RendaIR = t (LB - D) $/a

t

LD = LA - IR $/a

Lucro LíquidoApós o Risco

LL = LD - CR $/a

hi

Retorno garantidosobre o

investimento

RI = i Itotal $/a

Compensaçãopelo Risco

CR = h Itotal $/a

Lucro Líquidoantes do I.R.

LA = LB - D $/a

Ctotal $/a

ee

DepreciaçãoD = e Idireto $/a

Lucro do Empreendimento: LE = LB - (D + IR ) - RIR $/a

Lucro doEmpreendimento

Retorno sobre o Investimento + RiscoRIR = (i + h) Itotal = im Itotal $/a

RIR

Itotal $Itotal

$

Page 79: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

4.2.1 ESTIMATIVA DOS CUSTOS

Segue resumo adaptado de Peters & Timmerhaus, utilizando valores médios das faixas lá apresentadas. Detalhes: Tabela 4.3 do Livro.

LE = (1- t) (R – Ctotal – e Idireto) – im Itotal $/a

LE = LB - D - IR – RIR $/a LB = R – Ctotal

D = e Idireto

IR = t (LB - D) RIR = RI + CR = (i + h) Itotal = im Itotal

Ctotal ??? Idireto??? Itotal ???

Page 80: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Ctotal = (Cmatprim + Cutil) + 0,076 Ifixo + 0,27 Ctotal + 0,025 R $/a

Ctotal = 1,37 (Cmatprim + Cutil) + 0,104 Ifixo + 0,034 R $/a

Ctotal = Cprod + Cgerais $/a

Cprod = Cdiretos + Cfixos

Cdiretos = (Cmatprim + Cutil) + Cmanut + Csupr + (Cmobra + Cadm + Clab) + Croy

Cdiretos = (Cmatprim + Cutil) + 0,046 Ifixo + 0,27Ctotal

Cfixos = Cimpost + Csegur + Calug + Cjur

Cfixos = 0,03 Ifixo

Cprod = (Cmatprim + Cutil) + 0,076 Ifixo + 0,27 Ctotal

Cgerais = 0,025 R

Ctotal

Page 81: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Itotal = Ifixo + Igiro + Ipartida $

4.2.2 ESTIMATIVA DO INVESTIMENTO

Itotal = 2,34 ISBL $

Igiro = 0,15 Itotal

Ipartida = 0,10 Ifixo

Ifixo = 1,81 ISBL

Iindireto = 0,25 Idireto

Idireto = 1,45 ISBL

OSBL = 0,45 ISBL (custo de investimento "Outside Battery Limits")

ISBL: custo instalado dos equipamentos diretamente envolvidos na produção ("Inside Battery Limits")

Idireto = ISBL + OSBL

Ifixo = Idireto + Iindireto

Page 82: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

LE = 0,48 R - 0,68 (Cmatprim + Cutil) - 0,05 Ifixo – 0,05 Idireto- 0,15 Itotal $/a

Ifixo = 1,81 ISBLIdireto = 1,45 ISBLItotal = 2,34 ISBL

LE = 0,48 R - 0,68 (Cmatprim + Cutil) - 0,46 ISBL $/a

ISBL ???

Os coeficientes dependem das correlações utilizadas intermediariamente que dependem da experiência do avaliador e da

região em que se desenvolve o projeto.

LE = 0,5 R - 0,7 (Cmatprim + Cutil) - 0,5 ISBL $/a

LE = 0,5 (R - Cmatprim - Cutil – ISBL) $/a

Aproximação prática para a discriminação de muitos fluxogramas alternativos gerados na Síntese, com um mesmo nível de erro:

Page 83: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

iM

bi

iEbiEi )

Q

Q(II

Q i: dimensão característica do equipamento i, calculada ou especificada.Qb i: valor-base da dimensão característica do equipamento i cujo custo

de investimento IEbi é conhecido.Mi : fator de escala para o equipamento i, válido para uma faixa de valores de Qi

IEi : custo de investimento do equipamento i para a dimensão Qi.

ISBL = fT fD fL IEi

IEbi, Qbi, Mi: gráficos (Guthrie) e tabelas.

Page 84: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

ISBL = fT fD fL IEi

fT, fD, fL : fatores empíricos.

fL (fator de Lang): transforma preço de compra em custo instalado. (inclui estrutura, pintura, instalação elétrica, instrumentação,...)

fD : transforma preço de compra levantado no ano A no preço de compra no ano em que está sendo executado o projeto. (utiliza Índices de Preços. Ex.: Ch.Eng. Cost Index) f D = IC a / IC b (a: ano da avaliação; b: ano da tabela) Exemplo: em 1960: 1.350 $ em 2000: 1.350 x (IC2000 / IC1960) = 1.350 (394/102) = 5.215 $

fT: transforma o preço de compra na região em que foi levantado no preço de compra na região em que será construída a planta. (considera frete, armazenamento, alfândega, etc.)

Page 85: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

4.2 ESTIMATIVAS ECONÔMICAS

Estimativa aproximada: correlações e fatores empíricos. Uso emestágios preliminares do projeto (erros até 35%).

- Receita (R)- Custos de matérias primas (Cmatprim), e de utilidades (Cutil) - Custos de Investimento (I)

LE = aR - b(Cmatprim + Cutil) - c I

Page 86: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.2.1 Variáveis de Decisão (Manipuladas)

5.2.2 Critério

5.2.3 Função Objetivo

5.2.4 Restrições

5.2.5 Região Viável

5.2 ELEMENTOS COMUNS EM PROBLEMAS DE OTIMIZAÇÃO

Todo problema de otimização exibe os seguintes elementos, qualquerque seja a sua área de aplicação.

Page 87: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.2.1 Variáveis de Decisão (Manipuladas)

São as variáveis manipuladas pelo método de otimização durante a busca da solução ótima.

Na Engenharia de Processos são chamadas de Variáveis de Projeto.

Resultam da liberdade conferida ao projetista pela insuficiência de metas de projeto

O módulo de Otimização arbitra sucessivos valores das variáveis de projeto até o Lucro alcançar o seu valor máximo.

VARIÁVEIS DE PROJETO

Lr,T9,T12

OTIMIZAÇÃO

INCÓGNITAS

AVALIAÇÃO

ECONÔMICA

Vd,Ae,Ac,Ar

W4,W6,W8,W11,W14

MODELOMATEMÁTICO

VARIÁVEIS ESPECIFICADAS

W1x11,x14

T1,T2,T5,T6,T8,T11,T14,

Page 88: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

A busca da solução ótima tem que ser norteada por um critério.

O critério mais comum é econômico:

5.2.2 Critério

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

L

0

100

200

300

400

500

Maximização do Lucro

x7o

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

L

0

100

200

300

400

500

R

C

L

Minimização do Custo(produção fixa Receita constante)

x7o

Page 89: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.2.3 Função Objetivo

(c ) Convexidade: côncava ou convexa.

É a expressão matemática do critério de otimização descrita em termos das variáveis físicas do problema.

A sua caracterização é fundamental para a resolução do problema de otimização.

(a) Continuidade: contínua, contínua com descontinuidade na derivada, descontínua ou discreta.

Pode ser classificada quanto à:

(b) Modalidade: unimodal, multimodal.

Pode assumir formas das mais simples às mais complexas.

Page 90: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.2.3 Função Objetivo(c ) Convexidade (funções multivariáveis)

Para funções multivariáveis, a convexidade encontra-se relacionada aosseus Valores Característicos, que são as raízes da sua Equação Característica.

ji xx

f

2

ijff

11f

12H(x) =

f21

f22

Exemplo: para uma função qualquer de duas variáveis, existem:

Matriz Hessiana:

f11

f12

f21

f22

-

- = 0det

Equação Característica:

Os Valores Característicos são as raízes desta equação.

2 – (f11 + f22) + (f11f22 – f12f22) = 0

Page 91: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

-1,0-0,8-0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

-1,0-0,8

-0,6-0,4

-0,20,00,20,40,60,81,0

f

X2

X1

-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2

0,00,2

0,40,6

0,81,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

-1,0-0,8

-0,6-0,4

-0,20,0

0,20,4

0,60,8

1,0

f

X2

X1

-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

-1,0

-0,8

-0,6-0,4-0,20,00,20,40,60,81,0

f

-1,0-0,8-0,6-0,4-0,2

0,00,2

0,40,6

0,81,0

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

-1,0-0,8

-0,6-0,4

-0,20,0

0,20,4

0,60,8

1,0

f

-1,0-0,8-0,6

-0,4-0,2

0,00,2

0,40,6

0,81,0-1,0

-0,8-0,6

-0,4-0,20,00,20,40,60,81,0

0

-0,80-0,50

-0,20

-0,20

-0,50

0,10

0,10

-0,80-1,1

-1,1

0,40

0,40

-1,4

-1,4

0,70

0,70

-1,7-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0

-1,0

-0,8

-0,6

-0,4

-0,2

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

x 2

X1

estritamente convexa

convexa

estritamente côncava

côncava

ponto de sela

1 ,

2H ( x ) f ( x )

1

> 0 , 2

> 0 positiva definida

1 > 0 ,

2 = 0 positiva semi-definida

1

< 0, 2

< 0 negativa definida

1

< 0, 2

= 0 negativa semi-definida

1

> 0 , 2

< 0 indefinida

Page 92: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.2.3 Restrições

São os limites impostos pelas leis naturais ou estabelecidos às variáveis do processo.

(b) restrições de desigualdade: g (x) 0 São os limites impostos às Variáveis de Projeto

(a) restrições de igualdade : h(x) = 0 São as equações do próprio modelo matemático.

Há dois tipos de restrições:

Page 93: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.2.4 Região Viável

h(x) = 0

g(x) 0

x1

x2

x3

Busca restrita ao interior da elipse (restrição de desigualdade g(x) 0) que se encontra sobre o plano (restrição de igualdade h(x) = 0)

Região do espaço delimitada pelas restrições de igualdade e de desigualdade à qual se restringe a busca da solução ótima.

Max f(x) {x}

s.a.: h(x) = 0 g(x) 0

Page 94: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.3 Localização da Solução Ótima

Condição para a otimalidade SEM restrição:

• Condição necessária de segunda ordem:Para que x* seja um mínimo local da função f(x), duas vezes diferenciável em x*, é necessário que a condição de primeira ordem seja satisfeita e que a matriz Hessiana H(x*) = 2f(x*) seja positiva semi-definida (ou negativa semi-definida para máximo).

• Condição necessária de primeira ordem:Para que x* seja um mínimo (ou máximo) local da função f(x), diferenciável em x*, é necessário que:

f(x*) = 0

Page 95: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

• Condição suficiente de segunda ordem:Seja f(x) duas vezes diferenciável em x* tal que:f(x*) = 0 eH(x*) seja positiva definidaentão x* é um mínimo local estrito de f (ou máximo se negativa definida).

Condição para a otimalidade SEM restrição:

Page 96: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Condição para a otimalidade COM restrição:

• Condição necessária de primeira ordem de Karush-Kuhn-Tucker (KKT):Para que x* seja um ótimo local do problema com restrições, com f(x), g(x), e h(x) diferenciáveis em x*, é necessário que:os gradientes das restrições de desigualdade ativas, g(x*), e das restrições de igualdade, h(x*), sejam linearmente independentes, e que as seguintes condições sejam satisfeitas:

xL(x*, λ*, μ*) = S(x*) + (λ*)T h(x*) + (μ*)T g(x*) = 0h(x*) = 0g(x*) ≤ 0μj* gj(x*) = 0 , j = 1, 2, ..., p (condições de complementaridade)μ* ≥ 0

Page 97: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Condição para a otimalidade COM restrição:

• Condição necessária de segunda ordem de KKT:Para que x* seja um mínimo local do problema com restrições, com f(x), g(x), e h(x) duas vezes diferenciáveis em x*, é necessário que a condição de primeira ordem de KKT seja satisfeita e, que a matriz Hessiana dafunção de Lagrange, x

2L(x*, λ*, μ*), seja positiva semi-definida para todo vetor não nulo d tal que:

dT hi(x*) = 0 , i = 1, 2, ..., mdT gj(x*) = 0 para as gj(x*) ativas

isto é, dT x2L(x*, λ*, μ*) d ≥ 0.

Page 98: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

(a) Quanto ao número de variáveis: - Univariáveis ou Multivariáveis(b) Quanto à presença de restrições: - Irrestritos ou Restritos

5.4 PROBLEMAS E MÉTODOS DE OTIMIZAÇÃO

(b) Quanto ao tipo de informação utilizada: - Diretos: utilizam apenas o valor da função objetivo. - Indiretos: utilizam, também, os valores das suas derivadas.

À luz dos conceitos apresentados os problemas de otimização podemser classificados:

Os métodos de resolução podem ser classificados:

(a) Quanto à natureza: - Analítico: localiza os pontos estacionários pelo cálculo das derivadas da função objetivo. - Numéricos: buscam os pontos estacionários por tentativas.

Page 99: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

W kg B/h

Q = 10.000 kgA/h

rafinado

y kg AB/kg B

xo= 0,02 kg AB/kg A

extrato

x kgB/kgA

Modelo Matemático:1. Q (xo - x) - W y = 02. y - k x = 0 (k = 4)

Balanço de Informação: V = 5, N = 2, C = 2, M = 0 G = 1 (otimização)

Avaliação Econômica:L = R - CR = pAB W yC = pB WpAB = 0,4 $/kgAB : pB = 0,01 $/kgB

5.5 MÉTODO ANALÍTICO 5.5.1 Problemas univariáveis

Exemplo: dimensionamento do extrator

Page 100: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

2. y = k x1. W = Q (xo - x)/y

Seqüência de Cálculo

Restrições de Igualdade !!!

x y W

1 * * *2 * *

x y W

1 x x o2 x o

Page 101: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Incorporando a L às Restrições de Igualdade ordenadas :

2. y = k x1. W = Q (xo - x)/y

Função Objetivo: L = R - C = pAB W y - pB W

= + =a Q p xp

kAB oB( ) 105

= =b p QAB 4000

= =cp Qx

kB o ,0 5

L = a - b x - c/x

Page 102: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

0,006 0,008 0,010 0,012 0,014 0,016 0,018 0,020 0,0220

10

20

30

40

50

60

L,R,C$/a

x kgAB/kg A

L

C

R

xo =0, 01118

Lo = 15,6

Busca do ponto estacionário:

yo = 0,04472 kg AB/kg B; Wo = 1.972,3 kgB/h; Ro = 35,3 $/h; Co = 19,7 $/h; Lo = 15,6 $/h

Solução completa do problema:

L = a - b x - c/x

x b

dL

dxb

cx

co= - + = || = =2

0 0 01118,

o

2

2 o 3

x

d L c= -2 < 0

dx (x )

Máximo!

Page 103: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

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

5.5 MÉTODO ANALÍTICO 5.5.2 Problemas multivariáveis

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

Balanço de Informação: V = 8; N = 4; C = 2; G = 2 (otimização)

Exemplo: dimensionamento de 2 extratores em série

Page 104: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.5 MÉTODO ANALÍTICO 5.5.2 Problemas multivariáveis

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

W1 x1 y1 W2 x2 y2 1 * * *2 * * 3 * * * *4 * *

W1 x1 y1 W2 x2 y2 1 o x x2 x o 3 x o x x4 x o

Modelo Matemático2. y1 = k x1

4. y2 = k x2

3. W2 = Q (x1 – x2)/ y2

1. W1 = Q (xo - x1)/ y1

Page 105: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Incorporando as Restrições de Igualdade à Função Objetivo L

Buscando o ponto estacionário:

Solução completa:y1

o = 0,05428 kgAB/kgB; W1o = 1.184 kgB/h

y2o = 0,03684 kgAB/kgB; W2

o = 1.184 kgB/hCo = 23,68 $/h; Ro = 43,15 $/h; Lo = 19,47 $/h

L = a – b/x1– cx2 – d x1/x2

L/x1 = b/x12 – d/x2 = 0

L/x2 = - c + dx1/x22 = 0

x1o = (b2/cd)1/3 = 0,01357

x2o = (d/b) x1

2 = 0,00921

L = R – CR = pAB (W1 y1 + W2 y2 )C = pB (W1 + W2)

2. y1 = k x1

4. y2 = k x2

3. W2 = Q (x1 – x2)/ y2

1. W1 = Q (xo - x1)/ y1

a = pAB Q xo + 2 pB Q / k = 130; b = pB Q xo/ k = 0,5; c = pAB Q = 4000; d = pB Q / k = 25

Page 106: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Analisando o ponto estacionário:

L/x1 = b/x12 – d/x2 = 0

L/x2 = - c + dx1/x22 = 0

x1o = (b2/cd)1/3 = 0,01357

x2o = (d/b) x1

2 = 0,00921

o

2 2

o 3 o 22 5 51 21 2 1o o

1 2 o 5 52 21

o 2 o 322 21 2 2 x

b dL L2

(x ) (x )x x x 4 10 2,95 10H(x ,x ) =

d d x 2,95 10 8,69 10L L2

(x ) (x )x x x

Máximo!

det(H - I) = 0 1 = -0,258106 e 2 = -1,011106

Page 107: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

02,04,0

6,08,0

10

12

1416

18

0,005 0,010 0,015 0,020 0,025 0,030 0,0350,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,020

X2

X1

19,5

0,01357

0,00921

Page 108: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Problemas Restritos [hi(x) , gi(x)]

Método dos Multiplicadores de Lagrange

1. Formar o Lagrangeano do problema:

L(x, , , ) = f(x) + i hi (x) + j [gj(x) + j2]

i , j : multiplicadores de Lagrange (ou de Kuhn-Tucker) i : variável de folga (distância de um ponto interior à fronteira da restrição; transforma desigualdade em igualdade)

2. Localizar os pontos estacionários do Lagrangeano.

3. Analisar as soluções obtidas à luz das restrições.

Page 109: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Exemplo: Min f(x) = (x1 – 1)2 + (x2 – 1)2

s.a.: g1 (x) = x12 + x2

2 – 0,25 0 g2 (x) = x1 0 g3 (x) = x2 0

0,5

0,5

restrição

curvas de nível da função objetivo

1

1 x1

x2

Page 110: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Exemplo: Min f (x) = (x1 – 1)2 + (x2 – 1)2

s.a.: g1 (x) = x12 + x2

2 – 0,25 0 g2 (x) = x1 0 g3 (x) = x2 0

Considerar apenas g1(x) e depois eliminar valores negativos de x1 e x2

L (x, , ) = f(x) + i hi (x) + j [gj(x) + j2]

L (x, , ) = (x1 – 1)2 + (x2 – 1)2 + [x12 + x2

2 – 0,25 + 2]

Formar o Lagrangeano:

Page 111: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

L (x, , ) = (x1 – 1)2 + (x2 – 1)2 + [x12 + x2

2 – 0,25 + 2]

L / x1 = 2 x1 – 2 + 2 x1 = 0 x1 = 1/(1 + ) (1)L / x2 = 2 x2 – 2 + 2 x2 = 0 x2 = 1/(1 + ) (2) L / = x1

2 + x22 – 0,25 + 2 = 0 (3)

L / = 2 = 0 (4)

A Eq. (4) é satisfeita para:

0,5

0,5

restrição

x1

x2 curvas de nível da função objetivo

1

1

= 0 (solução irrestrita):

= 0 (folga zero, fronteira da região):

(1) x1 = 1 ; (2) x2 = 1 (viola a restrição!)

(1) e (2) em (3) x1 = x2 = 0,35

= 0,74

Page 112: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.6. MÉTODOS NUMÉRICOS

Os métodos podem ser:

- Diretos: utilizam apenas o valor da Função Objetivo.

- Indiretos: utilizam também o valor da(s) derivada(s) da Função Objetivo (menor números de tentativas mas o esforço computacional é maior).

São métodos de busca por tentativas.

Os pesquisadores buscam desenvolver métodos que atendam às seguintes propriedades:

- Eficiência: resolver o mesmo problema com menor esforço.

- Robustez: resolver uma variedade maior de problemas.

Page 113: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Método da Seção Áurea

Base: Retângulo Áureo (esteticamente perfeito, segundo os gregos)

1

1- Propriedade: removendo um quadrado de lado igual ao lado menor,

resulta um outro retângulo com as mesmas proporções do retângulo original

618,0011

1 2

Razão Áurea

Page 114: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Problema de Mínimo

Eliminação de RegiãoProblema de MáximoEliminação de Região

Atualiza Tolerância ?Novo Ponto

Atualiza Tolerância ?Novo Ponto

Li Lsxs

Fs

xi

Fi

Li Lxs xi

Fs

Fi

s

0,618

Li xs

Fs

xi LsLsxs xi

Fi

Li

Li Lsxs xi

Fs

Fi

= L s - Li

xi = Lixs = Ls - 0,618

+ 0,618

Inicialização

0,618

IniciarRepetir Eliminar Região Atualizar Delta Se Convergiu Então Finalizar Colocar Novo Ponto

Page 115: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

5.6. MÉTODOS NUMÉRICOS

Procedimento Geral:

(c) progressão na direção de busca até decisão em contrário. (b) exploração da vizinhança da base para inferir uma direção de busca.(a) seleção de um ponto inicial (base).

Os métodos diferem quanto à forma de executar a exploração e a progressão.

Alguns métodos diretos:- Busca Aleatória- Busca por Malhas- Busca Secionada- Simplex (Poliedros Flexíveis)- Hooke & Jeeves

5.6.2 Problemas Multivariáveis

(d) finalização

Page 116: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Método de Hooke & Jeeves

ALGORITMO

Senão: reduzir os incrementos

Estabelecer um incremento e uma tolerância para cada variável

Escolher uma Base

Repetir

Explorar a vizinhança da Base (em busca da direção provável do ótimo)

Se houve Sucesso em alguma direção

Então: Progredir (na direção provável) até haver um Insucesso

Senão (proximidade do ótimo):

Se Chegou ao Ótimo

Então: Finalizar

Page 117: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Exploração

Testar a Função Objetivo em cada sentido (incrementos + i e - i) de cada direção (xi) ao redor da Base.

Base?- 1

?

- 2

?+ 1

?

+ 2

A Exploração não pode ser interrompida sem que todas as direções tenham sido testadas.

Do resultado, depreender a direção provável do ótimo

Page 118: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Exploração

BaseS- 1

I

- 2

S

+ 2

Funções unimodais: o sucesso num sentido dispensa o teste no outro.

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,00,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

y

x

S: SucessoI: Insucesso

buscando máximo

Sucesso

desnecessário

Page 119: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Exploração

BaseS- 1

I

- 2

S

+ 2

O Sucesso numa tentativa justifica a mudança da Base para a nova posição. A Exploração continua a partir desta melhor posição.

Page 120: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

x1

x2

Método de Hooke & Jeeves : Fase de Progressão

15+110

Base

+ 2

18

+ 2 2

+2 1

25

+ 2 2

+2 1

22

Resultado da Exploração

Progredir com duplo incrementoaté ocorrer um Insucesso

Sucesso! Mover a Base.Continuar a Progressão

Insucesso!Permanecer na Base (25)

Exploração a partir da Base (25) com 1 e 2 .

Page 121: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

A Base estará suficientemente próxima para ser declarada como o ótimo?

Se todos os incrementos estiverem menores do que as tolerâncias, SIM!: Finalizar

Se algum deles estiver maior, então este deve ser reduzido à metade.

Inicia-se uma nova Exploração à volta da Base com os novos incrementos

Senão: reduzir os incrementos

Se Chegou ao ÓtimoEntão: Finalizar

Page 122: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

6

78

9 1011

12

1 4

5

X2

X1

23

13

Método dos poliedros flexíveis

É um método de busca multivariável (J.A. Nelder e R. Mead, 1964, também chamado de Simplex), onde o pior vértice de um poliedro com n + 1 vértices é substituído por um novo vértice colinear com o vértice antigo e o centróide.

xn

x x j nj i j h ji

n

01

111 2, , , , ,

Centróide:

onde xh,j é o pior vértice.

Page 123: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Método dos poliedros flexíveis

O algoritmo envolve quatro operações de busca, que para o caso da minimização da função objetivo têm as seguintes formas:

0 0

1 1

( ) , 0

( ) max ( ), , ( )

k k k kR h

k k kh n

x x x x

onde f x f x f x

Reflexão 1 1

0 0

1

1

( ) ( ) min ( ), , ( ) ,

( ) , 1

( ) ( ),

sen

1 ( 1)

k k k kR n

k k k kE R

k k k kE R h E

k kh R

Se f x f x f x f x

então x x x x

Se f x f x então x x

ão x x

k k ir para

onde x k é o melhor vértice.

Expansão

0 0

1

( ) ( ) , ( )

, 0 1

1 ( 1)

k k k k k kR i C h

k kh C

Se f x f x i h então x x x x

x x

k k ir para

Contração

1 1( ) ( ), ( )

21,2, , 1

1 ( 1)

k k k k k kR h i iSe f x f x então x x x x

i n

k k ir para

Redução

Page 124: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Método dos poliedros flexíveis

O critério usado por Nelder e Mead para terminar a busca é o seguinte:

11 22

01

1( ) ( )

1

nk ki

i

f x f xn

Page 125: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

DIMENSIONAMENTO POR SIMULAÇÕES SUCESSIVAS

EMPREGADO POR “SOFTWARES” COMERCIAIS

Empregam, para dimensionamento, os módulos ordenados para simulação.

Mas exige um procedimento de otimização:

- função objetivo (a ser minimizada): diferença, em valor absoluto, entre os valores obtidos para as variáveis de saída e os valores estipulados como metas

- variáveis de projeto: as dimensões dos equipamentos

Page 126: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Exemplo: Extrator

T oC

W = 3.750 kgB/h

rafinado

y = 0,032kg AB/kg Br = 0,60

extrato W = 3.750 kgB/h

Q* = 10.000 kgA/hQ* = 10.000 kgA/hxo*= 0,02 kg AB/kg A

To oC

Ts oC

T oCT oC

x* = 0,008 kgAB/kg A

alimentação

solvente

T oC

W = ??? kgB/h

rafinado

y = kg AB/kg Bextrato W = kgB/h

Q* = 10.000 kgA/hQ* = 10.000 kgA/hxo*= 0,02 kg AB/kg A

To oC

Ts oC

T oCT oC

x = ??? kgAB/kg A

alimentação

solvente

FO = |x – 0,008|

Normal

Simulações Sucessivas

Page 127: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

max L(x) = 8,1 x1 + 10,8 x2

{x1, x2}

s.a.: 0,80 x1 + 0,44 x2 24.000 0,05 x1 + 0,10 x2 2.000 0,10 x1 + 0,36 x2 6.000 x1 0 x2 0

Enunciado Formal do Problema

PROGRAMAÇÃO LINEAR

Page 128: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

x2 = L/10,8 – (8,1/10,8) x1 (família de retas)

Função Objetivo

L(x) = 8,1 x1 + 10,8 x2 (linear)

10 20 30 400

10

20

0

x1 (1.000 b/d)

x2

(1.000 b/d)L=81.000

L=162.000

L=243.000L=324.000

L=648.000

Page 129: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

0,80 x1 + 0,44 x2 24.000 (gasolina)0,05 x1 + 0,10 x2 2.000 (querosene) 0,10 x1 + 0,36 x2 6.000 (combustível) x1 0x2 0

região convexa !

10 20 30 400

10

20

0

x1 (1.000 b/d)

x2

(1.000 b/d)

A

B

C

D

Egasolina

querosene

óleo

Qualquer ponto no interior ou sobre a fronteira da Região Viável é uma Solução Viável

3.7 REGIÃO VIÁVEL

Page 130: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Solução (C):(14.000, 13.000)

(L = 637.000)

10 20 30 400

10

20

0

x1 (1.000 b/d)

x2

(1.000 b/d)

A

B

C

D

E

óleo

querosene

gasolina

A Solução Ótima se localiza em pelo menos um dos Vértices da Região Viável

Page 131: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Como automatizar a busca pelo o vértice ótimo?

Busca Exaustiva

Método dos Conjuntos Ativos

Método do Ponto Interior

Page 132: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Métodos da busca exaustiva e dos conjuntos ativos

Ignorando os pontos interiores, restringindo a busca à fronteira da região viável e, na fronteira, restringindo a busca aos vértices.

10 20 30 400

10

20

0

x1 (1.000 b/d)

x2

(1.000 b/d)

A

B

C

D

E

óleo

querosene

gasolina

Solução:(26.207, 6.897)

(L=286.764)

81.000

162.000

243.000

324.000

0

(como???)

Page 133: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Para tanto, os passos são os seguintes:

1. Restringir a busca à fronteira da região viável

2. Restringir a busca, na fronteira, aos vértices

Transformando as restrições de desigualdade em restrições de igualdade variável de FOLGA

Busca exaustiva: examinar todos os vértices das restrições

explosão combinatória

Conjuntos Ativos: examinar os vértices da região viável

método Simplex

Page 134: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Max L(x) = 8,1 x1 + 10,8 x2

{x1, x2}s.a.: 0,80 x1 + 0,44 x2 24.000 (gasolina) 0,05 x1 + 0,10 x2 2.000 (querosene) 0,10 x1 + 0,36 x2 6.000 (combustível) x1 0 x2 0

Incorporando as folgas fi às restrições de desigualdade

Max L(x,f) = 8,1 x1 + 10,8 x2

{x1, x2}s.a.: 0,80 x1 + 0,44 x2 + 0,05 x1 + 0,10 x2 + 0,10 x1 + 0,36 x2 + x1 0 x2 0

f1f2

f3

= 24.000 (gasolina) = 2.000 (querosene) = 6.000(combustível)

Page 135: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

O SIMPLEX parte da origem e visita vértices adjacentes na busca da solução ótima, invertendo sucessivamente o papel de 2 variáveis: uma do problema (básica) e uma de projeto (não-básica).

Inverter os papéis de duas variáveis, consiste em reescrever o sistema de equações em termos de uma outra base.

3.9 Algoritmo SIMPLEX (Dantzig, 1947)

Page 136: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

x1 x2 f1 f2 f3 b

0,80 0,44 1 0 0 24.000

0,05 0,10 0 1 0 2.000

0,1 0,36 0 0 1 6.000

8,10 10,80 0 0 0 L

0,80 x1 + 0,44 x2 + 0,05 x1 + 0,10 x2 + 0,10 x1 + 0,36 x2 +

L(x) = 8,1 x1 + 10,8 x2

f1f2

f3

= 24.000 (gasolina) = 2.000 (querosene) = 6.000(combustível)

A mudança de base é executada aplicando o Algoritmo de Gauss-Jordan à Matriz Aumentada (Tableau) do sistema de

equações lineares.

O Lucro é incluído na matriz para que os seus coeficientes sofram as mesmas transformações e fique expresso automaticamente na nova

base.

Page 137: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Projeto Problema

Identifica-se a variável de projeto de maior coeficiente positivo na expressão do Lucro (a que mais contribui para o aumento do Lucro). OBS: coeficiente mais negativo no caso de minimização.

Problema Projeto

Identifica-se o menor valor positivo de b/a, sendo b o vetor dos termos independentes (coluna da direita) e a o vetor dos coeficientes na coluna da variável de projeto escolhida acima. (corresponde a restrição mais próxima ao aumentar a variável de projeto)

Critério para a troca de papéis (PIVOTAMENTO)

L(x) = 8,1 x1 + 10,8 x2 : x1 = x2 = 0 L = 0

aumento em x2 contribui mais para o aumento de L

Page 138: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

x1 x2 f1 f2 f3

0 0 0,14 4,21 1 897

1 0 1,72 -7,59 0 26.207

0 1 -0,86 13,79 0 6.897

0 0 -4,66 -87,52 0 L - 286.765

Ponto D

Com f1 = f2 = 0 L = 286.765

Nenhuma para entrar FIM

Projeto Problema

Identifica-se a variável de projeto de maior coeficiente POSITIVO na expressão do Lucro (a que mais contribui para o aumento do Lucro)

Page 139: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

0 0 0,14 4,21 1 x1 897

1 0 1,72 -7,59 0 x2 26.207

0 1 -0,86 13,79 0 f1 = 6.897

0 0 -4,66 -87,52 0 f2 L - 286.765

f3

Ponto D

Com f1 = f2 = 0

x1= 26.207x2 = 6.897

f3 = 897

L = 286.764

Page 140: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

10 20 30 400

10

20

0

x1 (1.000 b/d)

x2

(1.000 b/d)

A

B

C

D

E

óleo

querosene

gasolina81.000

162.000

243.000

324.000

0

Solução: Ponto Dx1= 26.207x2 = 6.897

gasolina = 24.000 (f1 = 0)querosene = 2.000 (f2 = 0)

óleo = 5.103 (f3 = 897)

L = 286.764

Page 141: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

x1 x2 f1 f2 f3

0 0 0,14 4,21 1 897

1 0 1,72 -7,59 0 26.207

0 1 -0,86 13,79 0 6.897

0 0 -4,66 -87,52 0 L - 286.765

Análise de Sensibilidade

Pode ser efetuada através dos valores implícitos (“shadow prices” ou “custos marginais”) dos produtos, que aparecem na última linha do Tableau Final, com sinal trocado. Corresponde aos multiplicadores de Lagrange das restrições ativas.

bL = -

Por ex.: um aumento de 100 b/d de gasolina (restrição ativa f1) implicaria em um aumento de 100 * 4,66 = 466 $/d no lucro da unidade.

Page 142: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Ou seja, cada b/d produzido de gasolina contribui internamente com 4,66 $/d para o lucro, enquanto que seu preço de venda no mercado externo é de 36 $/b.

Page 143: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Métodos do Ponto Interior

Restringe a busca aos pontos interiores da região viável.

10 20 30 400

10

20

0

x1 (1.000 b/d)

x2

(1.000 b/d)

A

B

C

D

E

óleoquerosene

gasolina

Solução:(26.207, 6.897)

(L=286.764)

81.000

162.000

243.000

324.000

0

(como???)

Page 144: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

3.10 Algoritmo de Karmarkar (1984, Dikin, 1967)

max {f(x) = cT x} {x}sujeito a: A x b x 0

origem

d

dp

dr

Aplica uma projeção do vetor direção (d = f = c) no espaço nulo das restrições transformadas em igualdade.

A busca segue então na direção projetada até as proximidades de uma restrição, obtendo o ponto xk.

Page 145: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

e reformulado para que o ponto de partida do próximo estágio esteja eqüidistante de todos os hiperplanos que formam o poliedro (ou seja, o centróide):

A x = A DD1 x = A D xk+1

f(x) = cT DD1 x = cT D xk+1

resultando no novo problema:

max f(x) = cT D x{x}sujeito a: A D x b

x 0

Repetindo o procedimento até a convergência.

O problema é então normalizado por:

xk+1 = D1 x , onde D = diag(xk)

Page 146: ANÁLISE DE PROCESSOS RESUMO 24 DE SETEMBRO DE 2008

Algoritmo de Karmarkar

Entrada: A, b, c, x0, critério de parada e

max {f(x) = cT x} {x}sujeito a: A x b x 0