capÍtulo 1 introduÇÃo geral 04 de agosto de 2008
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CAPÍTULO 1CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO GERALINTRODUÇÃO GERAL
04 DE AGOSTO DE 2008
FINALIDADE DO CAPÍTULO 1
- a sua estrutura (organização)
- a bibliografia pertinente
FINALIDADE DESTA AULA
Apresentar a Engenharia de Processos como uma área relativamente nova na Engenharia Química, incluindo:
- os seus objetivos- a sua localização no contexto da Engenharia Química
- como surgiu e evoluiu
Apresentar a disciplina Engenharia de Processos, incluindo:
- a sua organização
- como é conduzida: aulas, material didático e avaliação
PROCESSO ???
Seqüência de etapas responsáveis pela transformação de matérias primas em produtos de interesse industrial.
Conceito abrangente (Processo Químico): inclui todas as transformações químicas espontâneas, ou por ação de catalisadores ou de microrganismos.
Área da Engenharia Química dedicada ao Projeto de Processos Químicos
Começamos então o Capítulo conceituando Projeto de Processos Químicos.
ENGENHARIA DE PROCESSOS
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na
Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografia
1.1 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.
PROJETO DE PROCESSOS QUÍMICOS
PLANTA INDUSTRIAL
Instalação física onde ocorrem as etapas do Processo Químico
MatériaPrima
Produto
PLANTA INDUSTRIAL
W6 =8.615 kg/hT*
6 = 150 oC
W10 =36.345 kg/hT10 = 80 oC
W13 = 36.345 kg/hT13 = 25 oC
W11 = 59.969 kg/hT*
11 = 15 oCW8 = 228.101 kg/hT*
8 = 15 oC
W*1 = 100.000 kg/h
x*1,1 = 0,002
T*1 = 25 oC
f1,1 = 200 kg/hf3,1 = 99.800 kg/h
W7 = 8.615 kg/hT7 = 150 oC
W5 = 36.345 kg/hT*
5 = 80 oC
W3 = 37.544 kg/hx1,3 = 0,002
T3 = 25 oCf1,3 = 120 kg/hf2,3 = 37.424 kg/h
W4 = 1.200 kg/hx*
1,4 = 0,1
T4 = 80 oCf1,4 = 120 kg/hf2,4 = 1.080 kg/h
W12 = 59.969 kg/hT*
12 = 30 oCW9 = 228.101 kg/hT*
9 = 30 oC
W14 = 1.080 kg/hT*
14 = 25 oC
W2 = 99.880 kg/hx1,2 = 0,0008
T2 = 25 oCf1,2 = 80 kg/hf3,2 = 99.800 kg/h
EXTRATOR
Extrato
Rafinado
EVAPORADOR
CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR
BOMBA
1
2
3
4
5
67
8
910
11
12
13
14
15
Vd = 11.859 l
t*= 0,0833 hr* = 0,60
Ae = 124 m2
Ac = 119 m2Ar = 361 m2
W15 = 37.425 kg/hT15 = 25 oC
Produto
Solvente
A.R. A.R.
Vapor
Matéria prima
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.
O conjunto é numeroso e diversificado !!!
1.1 PROJETO DE PROCESSOS QUÍMICOS
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
Calcular o consumo de
insumos
Calcular a vazão dascorrentes
intermediárias
Investigar reagentesplausíveis Avaliar a
lucratividadedo processo
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na
Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografia
1.2 Engenharia de Processos
É uma área recente na Engenharia Química que veio preencher uma importante lacuna que perdurou por décadas:
a falta de uma sistemática e de instrumentos modernos e eficientes para a execução do Projeto de Processos Químicos.
1.2 ENGENHARIA DE PROCESSOS
Para executar um Projeto, o Engenheiro Químico contava com o seguinte conjunto de conhecimentos adquiridos na sua formação, organizados em Disciplinas e Cursos:
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
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
ENG. DE EQUIPAMENTOS
Tratamento compartimentado!
ENGENHARIA DE EQUIPAMENTOS
Projeto e Análise dos Equipamentos de Processo
Tudo isso ensinado de forma sistemática nos
Cursos de Engenharia Química
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
Mas faltavam metodologia e instrumentos para o projeto de processos: a combinação dos equipamentos formando a planta industrial, de maneira eficiente.
Ao final da década de 60: um fato relevante
Ocorreu uma combinação de elementos de
Engenharia de Sistemas + Inteligência Artificial
gerando
TEORIA DE PROJETO
De aplicação geral, com efeito marcante em diversas áreas.
Teoria de Projeto
Eng. Naval
Eng. Elétrica
Eng.Química
Eng. Mecânica
Conhecimento específico
de cada área
Aplicável a todas as
áreas
Utilização mais eficiente do conhecimento específico de cada área nos seus Projetos
NA ENGENHARIA QUÍMICA ...
Processos QuímicosProcessos BiotecnológicosProdução de Alimentos
Outros Processos
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
Última camada de conhecimentos agregada à formação, poisexige os conhecimentos encontrados nas camadas anteriores.
ENGENHARIA DE PROCESSOS
Projeto e Análise de Processos Industriais(sistemas formados pelos equipamentos)
Surgiu a
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
Resumindo:
Seguem diversos conceitos relacionados a
Sistemas
Inteligência Artificial
importantes na
Teoria de Projeto
que foram incorporados à
Engenharia de Processos 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
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na
Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografia
1.3 Sistemas
1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização
1.3.1 Conceito
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.
Os elementos e as conexões podem ser:
21
3 4
5
7
6
- constatada (observada)
Isso torna o sistema um conceito bastante abrangente.
- abstratos (intangíveis)- concretos (tangíveis)
A finalidade do sistema pode ser:
- estabelecida (criação)
Processo Químico !Eco - SistemasCorpo Humano
Estabelecida Sistemas Econômicos
Constatada
AbstratosConcretos
Abrangência do Conceito de Sistema
21
3 4
5
7
6
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
TUR
AD
OR
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
ENGENHARIA DE SISTEMAS
Campo do conhecimento que estuda Sistemas de uma forma genérica, independentemente da finalidade e da natureza dos
seus elementos.
Desenvolve técnicas poderosas de aplicação geral.
Vantagem em considerar Processos como Sistemas:
Poder utilizar o arsenal de procedimentos da Engenharia de Sistemas para estudar os Processos Químicos
É a base da Engenharia de Processos
e do surgimento da área:
Engenharia de Sistema de Processos
PSE: Process System Engineering
1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização
1.3.2 Estrutura
1.3 SISTEMAS 1.3.2 Estrutura
Quanto mais complexa a estrutura, mais difíceis o projeto, a análise e a operação do sistema (processos químicos fluxogramas).
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
1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização
1.3.3 Projeto
1.3 SISTEMAS 1.3.3 Projeto
(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
À luz desses conceitos, as atividades do Projeto ficam melhor organizadas
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
Calcular o consumo de insumos
Calcular a vazão dascorrentes
intermediárias
Investigar reagentesplausíveis
Avaliar a lucratividadedo processo
Estabelecer o número
e o tipo dos reatoresDefinir 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
1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização
1.3.4 Síntese
1.3 SISTEMAS 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
PROJETO = SÍNTESE ANÁLISE
Problema Ilustrativo
Estabelecer o fluxograma de um processo para produzir um produto P a partir dos reagentes A e B
Separadores plausíveis: Destilação Simples (DS) ou Destilação Extrativa (DE).
Reatores plausíveis: Reator de Mistura (RM) ou Reator Tubular (RT)Os reagentes devem ser pré-aquecidos e o efluente do reator resfriado.
RTRM
DS DE
Problema Ilustrativo
Estabelecer o fluxograma de um processo para produzir um produto P a partir dos reagentes A e B
- Com Integração Energética (CI): - trocador de integração (T).
- Sem Integração Energética (SI): - aquecedor (A) com vapor; - resfriador (R) com água;
Esquemas plausíveis de troca térmica:
T
A R
Equipamentos disponíveis para a geração do fluxograma do 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.
Um problema com multiplicidade de soluções
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
Fluxogramas Plausíveis para a Processo IlustrativoGerados 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
Aumentando o número de operações e de equipamentos plausíveis, o número de fluxogramas possíveis aumenta
exponencialmente, provocando a chamada
MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES
EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!
Desafio: encontrar a melhor solução
SÍNTESEGeração de todos os fluxogramas possíveis
Conjunto numeroso e desordenado
ANÁLISEPrevisão e avaliação de cada
fluxograma
Muitas vezes abre-se mão da solução ótima em favor da melhor solução possível supostamente próxima da ótima
A busca da solução ótima é muitas vezes impraticável, e até mesmo irrelevante, pois pode existir um conjunto de
soluções igualmente boas, equivalentes.
1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização 1.3.5 Análise
1.3 SISTEMAS 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.
PROJETO = SÍNTESE ANÁLISE
Para cada solução alternativa gerada na Síntese:(a) previsão do desempenho do sistema.(b) avaliação do desempenho do sistema.
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:
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
1.3 SISTEMAS 1.3.1 Conceito 1.3.2 Estrutura 1.3.3 Projeto 1.3.4 Síntese 1.3.5 Análise 1.3.6 Otimização 1.3.6 Otimização
O projeto passa pela geração de estruturas e pela otimização do desempenho de cada estrutura, base em que elas serão comparadas em busca da melhor.
1.3 SISTEMAS 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
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
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
Problema: determinar o melhor par de valoresDificuldade: infinidade de soluções viáveis
Cada par (x1,x2) é uma solução viável
Como resolver eficientemente um problema tão complexo: otimização simultânea em três níveis?
INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL !
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
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.
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na
Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografia
1.4 Inteligência Artificial
1.4 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
Inteligência: faculdade abstrata de perceber relações entre objetos
Raciocínio
G
Conclusão
Raciocínio: faculdade ou processo de tirar conclusões lógicas
A
B
C
D
E
F
ObjetosInteligência
- 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
Estratégias básicas preconizadas pela Inteligência Artificial na Resolução de Problemas Complexos
Decomposição e Representação
(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.
Árvore de Estados
Representação com forma de árvore invertida: raiz, ramos, folhas
Raiz
1 2Estados Intermediários
da resolução de um problema
Soluções Parciais Incompletas
3 4 5 6
Estados FinaisSoluções Alternativas Completas
As soluções encontram-se “arrumadas”
ao contrário de...
desordenadas
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na
Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografia
1.5 Sistematização do Projeto de Processos
INTELIGÊNCIA ARTIFICIALDecomposição e Representação de problemas
A partir de elementos de
ENGENHARIA DE SISTEMASProjeto, Síntese, Análise e Otimização
É possível sistematizar o Projeto !
Rota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Problema: produzir P
As ações são:
Estabelecer o número
e o tipo dos reatoresDefinir 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
Elas podem ser organizadas segundo umaÁrvore de Estados
Segue um exemplo simplificado:
- duas rotas química viáveis
- dois fluxogramas viáveis para cada rota
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*
Nível TecnológicoSeleção de uma Rota
Fluxograma ?Dimensões ?
Nível EstruturalSíntese de um
FluxogramaDimensões ? Lucro?
Nível ParamétricoAnálise do Fluxograma
Dimensionamentodos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4 demais dimensões.
RaizRota Química ?Fluxograma ?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
Nível TecnológicoSeleção de uma Rota
Fluxograma ?Dimensões ?
Nível EstruturalSíntese de um
FluxogramaDimensões ? Lucro?
Nível ParamétricoAnálise do Fluxograma
Dimensionamentodos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4 demais dimensões.
RaizRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Solução do Problema de Projeto por Busca Orientada
Vantagem
Varre todas as soluções sem
repetiçõessem omitir a ótima
Desvantagem
Explosão Combinatória
(outros métodos)
PROJETO = SÍNTESE ANÁLISE
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 dá a palavra final.
Resumindo
O Projeto como um problema de otimização em 3 níveis
de produzir P
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na
Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografia
1.6 Organização da Disciplina
1.6 ORGANIZAÇÃO DA DISCIPLINA
Seqüência no Projeto: Síntese Análise
Seqüência Pedagógica: Análise Síntese
INTRODUÇÃO GERAL1
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
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografia
1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na Engenharia Química
1.7 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA ENGENHARIA DE PROCESSOSNA ENGENHARIA QUÍMICASituação até o final da década de 60: CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
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.
1.7 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA ENGENHARIA DE PROCESSOSNA ENGENHARIA QUÍMICASituação até o final da década de 60: CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
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
- Na Eng. de Equipamentos:os problemas são de natureza numérica (modelagem matemática, resolução dos modelos).
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
- Na Eng. de Equipamentos: equipamentos tratados individualmente.
A descontinuidade “conceitual” existentena passagemEng. de Equipamentos Eng. de Processos:
Natureza da Descontinuidade:
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
- 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 EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
Engenharia de Sistemas:No tratamento de conjuntos complexos de elementos interdependentes
Inteligência Artificial:Na resolução de problemas combinatórios
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
Conseqüência Principal da Fertilização:
Questões, até então abordadas de forma intuitiva, passaram a ser tratadas de forma sistemática:
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
- 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”.
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; AIChE Journal).
Revistas: Computers & Chemical Engineering Industrial & Engineering Chemistry Research
Congressos: ESCAPE (European Symposium on Computer Aided Process Engineering); ENPROMER (Encontro sobre Processos Químicos do Mercosul); PSE (International Symposium on Process Systems Engineering)
Instituições: Institute for Complex Engineered Systems Carnegie Mellon University (Pittsburgh, USA)
No Mundo:
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).
Os conceitos e os métodos da Engenharia de Processos não se restringem à Engenharia Química clássica, mas também se aplicam ao crescente número de seus “offsprings” (descendentes):
Abrangência da Engenharia de Processos
- Engenharia Metalúrgica: siderurgia, beneficiamento de minérios.
- qualquer outra em que ocorram transformação de matéria e de conteúdo energético.
- Engenharia de Meio Ambiente: minimização de poluentes.
- Engenharia de Alimentos: produção.
- Engenharia de Polímeros: produção.
- Engenharia de Petróleo: refino.
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografia1.8 Computação
1.8 COMPUTAÇÃO
Problemas reais de projeto são de grande complexidade e demandam grande esforço computacional. O apoio da Informática é indispensável.
Existem diversos softwares comerciais: ASPEN, UNISIM, CHEMCAD, PRO/II, gPROMS, mas demandam licenças e treinamento. EXCEL + VBA.
Softwares nacionais:- PSPE (1985): Rajagopal, Castier, Gil PETROX (Petrobrás)
- EMSO: Projeto ALSOC (2003)(Ambiente Livre p/ Simulação, Otimização e Controle de Processos) – UFRGS, COPPE/UFRJ, USP, CT-PETRO/FINEP e Empresas Petroquímicas.
- DWSIM: Daniel Wagner (RN, 2007): VB.NET
1.8 COMPUTAÇÃO
Alunos devem saber programar FORTRAN, VISUAL BASIC, MATLAB, EXCEL, C/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 GERAL
1.1 Projeto de Processos Químicos1.2 Engenharia de Processos1.3 Sistemas1.4 Inteligência Artificial1.5 Sistematização do Projeto de Processos1.6 Organização da Disciplina1.7 Origem e Evolução da Engenharia de Processos na Engenharia Química1.8 ComputaçãoBibliografiaBibliografia
BIBLIOGRAFIAEm ordem cronológica de publicação
Em 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.
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
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.
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
PratoTorre de DestilaçãoTorre de DestilaçãoUnidade Industrial (Planta)
Unidade Industrial (Planta)Indústria Química
Indústria QuímicaSegmento IndustrialELEMENTOSISTEMA
Aplicação em Cascata do Conceito de Sistema
Nos primórdios da Indústria Química
Projeto: artesanal.
AtualmenteProjeto: atividade sofisticada
Demandando uma SISTEMATIZAÇÃO !!!
Com o desenvolvimento da Indústria Química, a competição passou a demandar:- maior lucratividade- maior segurança- preocupação com a preservação ambiental
acarretando a necessidade de:
(a) compreensão dos fenômenos ocorridos nos equipamentos (modelos)(b) utilização de métodos avançados de cálculo(c) utilização de recursos computacionais
Nos primórdios da Indústria Química
AtualmenteProjeto: atividade sofisticada
Demandando uma SISTEMATIZAÇÃO !!!
(a) concorrência praticamente inexistente(b) margens de lucro bastante favoráveisentão: uma única solução razoável para o projeto bastava para um processo alcançar o sucesso comercial projeto artesanal
(a) concorrência acirrada (b) custos de produção elevados(c) restrições de natureza ambiental(d) questões de segurançaentão: esforços para a busca da solução mais próxima da ótima projeto sofisticado.
Atualmente