EQE 489 ENGENHARIA DE PROCESSOS 26 de junho de 2014 ENGENHARIA DE PROCESSOS Análise, Simulação e...
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EQE 489EQE 489
ENGENHARIA DE PROCESSOSENGENHARIA DE PROCESSOS
26 de junho de 2014
ENGENHARIA DE PROCESSOSAnálise, Simulação e Otimização de Processos Químicos
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO GERAL
A Engenharia Química pode ser dividida em dois períodos: antes e depois da Engenharia de Processos.
Aos poucos foi surgindo o interesse pelo estudo do comportamento de conjuntos de equipamentos integrados que
formam os processos.
Antes, todo o esforço dos pesquisadores era voltado para a Ciência da Engenharia Química
(Fenômenos de Transporte, Termodinâmica, Cinética) e ao projeto dos equipamentos considerados isoladamente.
PROCESS SYSTEMS ENGINEERING
Buscando subsídios na Engenharia de Sistemas e na Inteligência Artificial, foi se formando e se consolidando a
ENGENHARIA DE PROCESSOS
Efeitos do surgimento daENGENHARIA DE PROCESSOS
A Engenharia de Processos tornou-se o caminho seguro para o projeto de processos mais eficientes, mais econômicos e mais
seguros.
A Engenharia de Processos veio a se tornar a maior novidade na Engenharia Química após o surgimento dos
Fenômenos de Transporte.
ENGENHARIA DE PROCESSOS
uma disciplina nova que veio preencher importante lacuna na formação do Engenheiro Químico.
da qual a Escola de Química é pioneira no Brasil
O conjunto dos novos conhecimentos que compõem esta nova área, encontram-se reunidos na disciplina
Esses conhecimentos se aplicam não só à Engenharia Química como a diversas áreas que dela se destacaram
Engenharia de Bioprocessos
Engenharia de Alimentos
e qualquer outra que trate de processos que transformam matérias primas em produtos químicos
de interesse através de conjuntos integrados de equipamentos.
Engenharia Metalúrgica (Beneficiamento de Minérios)
Os subsídios para a formação da Engenharia de Processos vieram da Engenharia de Sistemas e da Inteligência Artificial,
Daí, a estrutura do Capítulo
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.1 Engenharia
Desde a idade primitiva o homem cria ferramentas úteis para a viabilizar certas ações e executá-las com menor dispêndio de energia
As primeiras ferramentas eram constituídas de uma só peça: pedras para impactar e cortar, tacape, lança e outros.
Depois, as ferramentas passaram a ser constituídas de duas ou três peças articuladas como martelo, arco e flexa, alavanca,
catapultas, roldanas, etc.
As ferramentas foram ficando cada vez mais complexas.
Ele se valia da sua intuição e do acúmulo de experiência na sua atividade
A sofisticação crescente dos objetos aumentou o número e a variedade de peças a articular. Veio a demanda por qualidade e
segurança.
Intuição e empirismo tornaram-se insuficientes para garantir a qualidade das ferramentas criadas.
Em algum momento, surgiu o artesão, indivíduo que fabricava ferramentas como seu meio de vida.
ENGENHARIA
Com ela, vieram os cursos superiores para a formação profissional de engenheiros, que vieram substituir os artesãos.
Tornaram-se imprescindíveis conhecimentos científicos e métodos matemáticos que, juntamente com intuição e
criatividade deram origem à
Dedica-se à aquisição e à aplicação de conhecimentos de natureza física, técnica, matemática e econômica para a
criação, aperfeiçoamento e implementação de materiais, estruturas, máquinas e aparelhos, sistemas ou processos, com a finalidade de satisfazer as necessidades básicas da sociedade.
A Engenharia se diversificou em função dos conhecimentos exigidos em cada campo da atividade:
Civil, Mecânica, Elétrica e Química (mais completa).
Cada uma delas compreendendo algumas especialidades que terminaram dando origem a outras Engenharias:
Todas elas voltadas à criação de objetos concretos, tangíveis.
Mais recentemente, o termo passou a ser estendido ao desenvolvimento e aplicação de métodos de trabalho,
articulando não mais peças, mas idéias e tarefas.
Surgiram as engenharias econômica, financeira, de software, de produção ou industrial, de transportes, de segurança e muitas
outras.
Em 29 de junho de 2009, o Ministério da Educação anunciou uma futura reforma no nome dos cursos de graduação – entre eles, os
cursos de Engenharia, que, atualmente, possuem 258 nomenclaturas diferentes. Os nomes dos cursos atuais serão
reduzidos a 22 (Ref.: Wikipedia).
Engenharia Aeronáutica, Engenharia Agrícola , Engenharia de Agrimensura, Engenharia de Alimentos, Engenharia Ambiental , Engenharia Civil , Engenharia de Computação, Engenharia de Controle e Automação, Engenharia Elétrica , Engenharia Eletrônica, Engenharia Florestal ,
Engenharia de Fortificação e Construção, Engenharia Mecânica , Engenharia Mecânica e de Armamento, Engenharia de Materiais , Engenharia de Minas, Engenharia Metalúrgica , Engenharia Naval , Engenharia de Pesca , Engenharia de Produção , Engenharia Química, EngenhariadeTelecomunicações
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química 1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.2 Engenharia Química
É o ramo da Engenharia dedicado ao projeto, à construção e à operação dos processos químicos de produção.
Os conhecimentos para a execução do projeto são fortemente embasados nas ciências básicas e na matemática, organizados nos Cursos de Engenharia Química de acordo com a figura,
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
e ministrados na sequência que se segue
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
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
Esses conhecimentos constituem o cerne da Engenharia Química e concentravam todo o esforço dos pesquisadores da área.
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
O uso desses conhecimentos durante a realização dos projetos seguia uma sistemática individual, limitada pelos recursos computacionais da época aperfeiçoada pela repetição e guardada como segredo industrial.
Faltavam conhecimentos sobre como integrar de forma rápida e eficiente os equipamentos na formação de processos químicos
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
O grande avanço proporcionado pela Engenharia de Processos decorreu de estudo dos processos químicos enquanto um
conjunto de equipamentos integrados.
Ou seja, estudo dos processos químicos do ponto de vista de
SISTEMAS
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistemas1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
UMA PERGUNTA:
1.3 Sistemas
Tendões: Fazem a ligação entre os músculos e os ossos.
Vísceras: São os órgãos que ficam nas cavidades do tórax e abdômen, como os pulmões, o fígado (o mais pesado do corpo), os rins, o baço, o estômago e os intestinos delgado e grosso.
São meios de transporte!OK! E agora ?
E agora ????
O quê estes objetos têm em comum?
REPETE-SE A PERGUNTA
O QUÊ ESTES OBJETOS TÊM EM COMUM ?
RESPOSTA
Eles são objetos constituídos de inúmeras peças que funcionam articuladamente segundo um plano pré-estabelecido.
Apesar de inteiramente distintos quanto à forma e a finalidade, os seus processos de criação e montagem seguem uma
metodologia inteiramente análoga (exceto o corpo humano)
Esses objetos recebem, então, uma denominação genérica
SISTEMAS
Um sistema (do grego sietemiun), é um conjunto de elementos interconectados, de modo a formar um todo organizado.
21
3 4
5
7
6
Todo sistema possui um objetivo geral a ser atingido.
21
3 4
5
7
6
Sistemas são encontrados:
21
3 4
5
7
6
No campo da energia:turbinas, sub-estações, redes de transmissão e outros
equipamentos são elementos interdependentes que, interligados, permitem que a energia liberada numa queda d'água se
transforme em luz e força.
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3 4
5
7
6
No corpo humano:os aparelhos circulatório, respiratório e digestivo, formados por
órgãos como coração, pulmão, fígado e outros, são interdependentes e funcionam harmoniosamente sediando a vida
humana.
21
3 4
5
7
6
Na natureza: a atmosfera, os oceanos, os rios, os lagos, as espécies animais e
vegetais são interdependentes e, conjuntamente, formam um ambiente em que se desenvolve a vida no planeta.
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3 4
5
7
6
Na economia: governo, população, bancos, comércio e outras instituições, são elementos interdependentes que formam um ambiente em que
circula a moeda.
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3 4
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7
6
Nos processos químicos: reatores, colunas de destilação e trocadores de calor formam
instalações que promovem a transformação de matérias primas em produtos em escala industrial.
Processo Químico !Eco - Sistemas Corpo Humano
Criados Sistemas Econômicos
Constatados
ConcretosTangíveis
Observa-se que SISTEMA é um conceito abrangente:
21
3 4
5
7
6
Origem AbstratosIntangíveis
Quanto à origem: constatados ou criados pelo homem
Quanto à natureza dos elementos e conexões: concretos (tangíveis) , abstratos (intangíveis)
e interdependentes (através das correntes)
O Processo Químico como um SISTEMA
Um conjunto de elementos especializados (equipamentos)
reunidos para um determinado fim (produção de um produto).
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
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13
14
15
extrato
águaágua
vapor
EVAPORADOR
EXTRATOR
CONDENSADORRESFRIADOR
MISTURADOR
alimentação
bomba DECANTADOR20 HP
rafinadoproduto
W11T11
W6T6
W4T4
f14f24x14
W7T7
T3
W1
T1x11
f11
f21
T2f12
Ar
Ae
Vltr
f32
f23
Ac
W8T8
W15
T15
W13T13
W14T14
W12
T12
W10T10
W9T9
W5T5
f13
PratoTorre de DestilaçãoTorre de DestilaçãoUnidade Industrial (Planta)
Unidade Industrial (Planta)Indústria Química
Indústria QuímicaSegmento IndustrialELEMENTOSISTEMA
SISTEMA é, também, um conceito recorrente
O objeto de estudo tanto pode ser um sistema constituído por elementos ou o elemento de um sistema.
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
Com o aumento da complexidade dos sistemas desenvolvidos pelo homem, pesquisadores sentiram a necessidade de estudar formalmente as propriedades de sistemas em geral.
1.4 Engenharia de Sistemas
Não bastava conhecer o comportamento individual dos elementos.
Esse novo campo do conhecimento foi batizado na década de 1940, no Laboratório da Bell, de Engenharia de Sistemas.
Tornou-se necessário estudar o comportamento dos elementos quando interligados a outros: o comportamento do conjunto e desenvolver técnicas para a construção de sistemas de maneira rápida e confiável
Um fato relevante ao final da década de 60
Com de elementos de
Engenharia de Sistemas e Inteligência Artificial
TEORIA DE PROJETO
Começou a surgir uma
As Teorias existentes, até então, explicavam apenas fenômenos naturais ...(Química, Física, Biologia...).
O reflexo desses avanços, na Engenharia Química, foi o surgimento da área de Engenharia de Processos.
Esta Teoria se propagou por todas as engenharias
Essa nova área veio colocar à disposição dos engenheiros em geral todo o arsenal metodológico da Engenharia de Sistemas.
Permitindo, em cada uma delas, a criação de sistemas de elevado nivel de complexidade e desempenho
Contribuição desta nova Teoria, para as diversas Engenharias???
Teoria de Projeto
Eng. Naval
Eng. Elétrica
Eng.Química
Eng. Mecânica
Conhecimento específico
de cada área utilizado intuitivamente
Aplicável a todas as áreas
As engenharias
experimentaram um ganho expressivo
Engenharia de Processos
Paralelamente, estabeleceu-se uma linguagem comum, a linguagem de sistemas.
Fazem parte da linguagem de sistemas termos como projeto, estrutura, síntese, análise e otimização, comuns a todas as engenharias e que serão empregados adiante no desenvolvimento da Engenharia de Processos.
Hoje, ela permitie a comunicação fluente entre engenheiros de diferentes especialidades, viabilizando, em curto espaço de tempo, a criação de sistemas integrados em que se misturam componentes de natureza química, mecânica, elétrica, eletrônica, estrutural e até biológica.
Campo do conhecimento que estuda Sistemas de uma forma genérica, independentemente da finalidade e da natureza dos
seus elementos.
EM RESUMO: ENGENHARIA DE SISTEMAS
Essas técnicas são as que permitem a construção de sistemas da mais alta complexidade com alto grau de confiabilidade em
relativamente curto espaço de tempo.
Vantagem em olhar Processos como Sistemas
Dispor do arsenal de procedimentos da Engenharia de Sistemas para estudar os Processos
Tratar todos os processos de um forma unificada.
Uma ferramenta importante para o desenvolvimento e análise de sistemas complexos
INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.5 INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL
Ramo da Ciência da Computação que estuda a forma como o homem utiliza intuitivamente
Inteligência e Raciocínio
na solução de problemas complexos,
implementando-as em máquinas
- sistemas especialistas
- nesta disciplina: resolução de problemas combinatórios
Aplicações de Inteligência Artificial
- processamento de linguagem natural- percepção e reconhecimento de padrões
- armazenamento e recuperação de informação
- robótica
- jogos
- programação automática
- lógica computacional
- sistemas com aprendizado
A Inteligência Artificial preconiza duas estratégias básicas para a resolução de problemas complexos
Decomposição e Representação
(a) Decomposição do Problema
- decompor um problema complexo em sub-problemas mais simples.
- resolver os problemas simples de forma interativa de modo que, ao final, aflore a solução do problema original.
Resolvendo esses problemas de forma interativa, ao final afloram a rota química ótima, o fluxograma ótimo e os valores ótimos das dimensões.
Consiste em:
Problemas complexos são decompostos em sub-problemas de resolução mais simples.
Problema
SP 1 SP 2 SP 3 SP 4
O conjunto das soluções dos sub-problemas forma a solução do Problema original.
SP 1 SP 2 SP 3 SP 4
SP 1 SP 2 SP 3 SP 4
Problema Resolvido
Os subproblemas são resolvidos de forma coordenada
Exemplo : Travessia Perigosa 3 travessias menos perigosas
destino
travessia perigosa
(b) Representação do Problema
Exemplo: Árvore de Estados.
Consiste em organizar as soluções numa estrutura que sugira um método sistemático para a busca da solução ótima
Analogia: enfeites de árvores de natal
Estados são configurações formadas no decorrer da montagem de um sistema. Ex.: na geração de um fluxograma, equipamento
por equipamento.
Estados finais representam o sistema completo. Os demais, são intermediários (incompletos).
raiz
De cada estado sai uma bifurcação para os estados que
dele se originam: há uma decisão associada.
Ao longo dos ramos estão os estados intermediários
percorridos durante a resolução do problema.
Nas extremidades dos ramos encontram-se os estados finais, configurações completas, que são as soluções alternativas do problema.
EXEMPLO
RM
A,B
P,A
P
A
T DE
(10)
DSRT A,P
P
A
T
A,B
(12)
RT RAA,B A,P
P
A
DE
(13)
RT A,P
P
A
T
A,B
DE
(14)
DS
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
(7)
RM
A,B
P,A
DS
P
A
T
(8)
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
DE
(9)
DSRT RAA,B A,P
P
A
(11)
Vejamos a Árvore de Estados com os estados intermediários e finais da montagem desses fluxogramas
Árvore de EstadosOs 8 fluxogramas
Os Estados 7 a 14 são os fluxogramas completos
7SI
C7
0
5
DS
3
DS
6
DE
4
DE
10CI
14CI
12CI
9SI
11SI
13SI
1
RM
2
RT
8CI
C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14
Estados 1 a 6 são intermediários: existem mo decorrer da agregação sucessiva dos equipamentos
RM: reator de misturaRT: reator tubularDS: destilação simplesDE: destilação extrativa
SI: aquecedor/resfriadorCI: correntes integradas
RM
A,B
P,A
P
A
T DE
(10)
DSRT A,P
P
A
T
A,B
(12)
RT RAA,B A,P
P
A
DE
(13)
RT A,P
P
A
T
A,B
DE
(14)
DS
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
(7)
RM
A,B
P,A
DS
P
A
T
(8)
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
DE
(9)
DSRT RAA,B A,P
P
A
(11)
7SI
C7
0
5
DS
3
DS
6
DE
4
DE
10CI
14CI
12CI
9SI
11SI
13SI
1
RM
2
RT
8CI
C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.6 ENGENHARIA DE PROCESSOS
Pode ser considerada uma especialização da Engenharia de Sistemas, aplicada aos processos químicos. Internacionalmente:
Process Systems EngineeringSe os conhecimentos que fazem parte da formação do
Engenheiro Químicos
Eng.Química
Eng.Química
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
Faltavam conhecimentos sobre como integrar de forma rápida e eficiente os equipamentos na formação de processos químicos
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
Problemas surgiam ao se tratar da criação de processos:
- integração e interferência dos equipamentos
- número elevado de maneiras de se formar o fluxograma: equipamentos alternativos, arranjos alternativos, etc.
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
Uma maior organização da execução do projeto veio com a Engenharia de Processos
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-se, agora, termos novos que fazem parte da linguagem da ENGENHARIA DE PROCESSOS
Com os quais todos deverão se familiarizar
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.6.1 Estrutura dos Processos
Quanto mais complexa a estrutura, mais difíceis o projeto, a análise e a operação do sistema
1 2
acíclica
1 2
cíclica
1
2
com convergência
Exemplos de Estruturas
É a forma como as os elementos do sistema se interligam
21
3 4
5
7
6
complexa
com bifurcação
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
extrato
águaágua
vapor
EVAPORADOR
EXTRATOR
CONDENSADORRESFRIADOR
MISTURADOR
alimentação
bomba DECANTADOR20 HP
rafinadoproduto
W11T11
W6T6
W4T4
f14f24x14
W7T7
T3
W1
T1x11
f11
f21
T2f12
Ar
Ae
Vltr
f32
f23
Ac
W8T8
W15
T15
W13T13
W14T14
W12
T12
W10T10
W9T9
W5T5
f13
No caso dos processos a estrutura é representada pelos fluxogramas
Essas sub-tarefas são executadas por 4 sub-sistemas formados por equipamentos especializados, a saber:
Um aspecto estrutural importante dos processos químicos, com reflexos no seu projeto, vem de que a tarefa do sistema processo químico é composta por 4 sub-tarefas típicas:
reação, separação, integração material e energética e controle.
Processo Químico
Matéria Prima Produto
(d) sub-sistema de controle: responsável pela manutenção dos processos em condições estáveis e seguras.
(a) sub-sistema de reação: formado por reatores, é o coração de um processo, responsável pela aparecimento do produto de interesse a partir das matérias primas
(b) sub-sistema de separação: formado por separadores, responsável pela purificação das matérias primas, pela separação dos componentes presentes no efluente dos reatores e pelos demais ajustes de composição no processo.
(c) sub-sistema de integração material e energética: responsável pela movimentação das espécies entre os equipamentos e pelos ajustes de temperatura das correntes do processo.
Reação Separação
Integração
Controle
PROCESSO: 4 SUB-SISTEMAS INTEGRADOS
(d) Controle: responsável pela operação segura e estável do processo.
(c ) Integração: responsável pela movimentação de matéria e ajustes de temperatura das correntes.
(b) Separação: responsável pelo ajuste de composição das correntes,separando o produto dos sub-produtos e do excesso de reagentes.
(a) Reação: responsável pela modificação do conjunto de espécies, fazendo aparecer o produto principal.
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.6.2 Projeto de Processos
Denominação genérica atribuída ao conjunto numeroso e diversificado de ações associadas à criação de um sistema.
À semelhança das demais Engenharias, esta é a tarefa mais desafiante da Engenharia Química.
É um problema complexo por envolver um número elevado de equipamentos que podem ser combinados de diferentes
maneiras, mesmo no âmbito dos sub-sistemas.
Investigar mercado
para o produto
Investigar disponibilidade de matéria prima
Estabelecer as condições da reação e sub-produtos
Estabelecer o número
e o tipo dos reatores
Definir o número e o tipo dos
separadores
Definir o número e o tipo de trocadores de
calor
Estabelecer malhas
de controle
Definir o fluxogramado processo
Calcular as dimensões
dos equipamentosCalcular o consumo
de matéria prima
Calcular o consumo de
utilidades
Calcular o consumo de
insumos
Calcular a vazão dascorrentes
intermediárias
Investigar reagentesplausíveis Avaliar a
lucratividadedo processo
(a) previsão do desempenho do sistema.(b) avaliação do desempenho do sistema.
(a) escolha de um elemento para cada tarefa.(b) definição da estrutura do sistema.
PROJETO = SÍNTESE ANÁLISE
O Projeto compreende dois sub-conjuntos de ações, que interagem:
SÍNTESE
ANÁLISE
À luz desses conceitos, as ações do Projeto ficam melhor organizadas
Investigar mercado
para o produto
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
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
Investigar mercado para o produto
Investigar reagentesplausíveis
Investigar disponibilidade
das matérias primas
Definir as condições das reações e identificar os sub-produtos gerados
SELEÇÃO DEROTAS QUÍMICAS
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
SÍNTESE
Calcular o consumo de utilidades
Calcular a vazão dascorrentes
intermediárias
Calcular as dimensões
dos equipamentos
Calcular o consumo dos insumos
Calcular o consumo de matéria prima
Avaliar a lucratividadedo processo
ANÁLISE
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.6.3 Síntese
Genericamente: síntese significa compor um todo a partir de suas partes
PROJETO = SÍNTESE ANÁLISE
(a) escolha de um elemento para cada tarefa.(b) definição da estrutura do sistema.
No Projeto:
É a etapa criativa do Projeto
EXEMPLO
Geração de fluxogramas para a produção de P pela reação
A + B P
Numa análise preliminar, foram listadas as seguintes alternativas para os equipamentos:
Reatores plausíveis
RTRM
Exigências: os reagentes devem ser pré-aquecidos e o efluente do reator resfriado.
Para a reação em questão, os reatores plausíveis são: Reator de Mistura (RM) ou Reator Tubular (RT).
- Com Integração Energética (CI):O efluente quente é aproveitado para pré-aquecer a alimentação num trocador de calor,
- Sem Integração Energética (SI): A alimentação é aquecida com vapor num Aquecedor O efluente é resfriado com água num Resfriador
Aquecimento e resfriamento podem ser feitos das seguintes formas:
T
A R
DS DE
Os componentes do efluente podem ser separados por Destilação Simples (DS) ou por Destilação Extrativa (DE).
Para a montagem do processo ficam disponíveis os seguintes equipamentos para o projetista
RM
Reator demistura
RT
Reator tubular
DS
Coluna de destilaçãosimples
DE
Coluna de destilaçãoextrativa
A
Aquecedor
R
Resfriador
T
Trocador deIntegração
A Síntese consiste em combinar esses equipamentos formando todos os fluxogramas plausíveis em busca do melhor.
Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo
DS
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
(7)
RM
A,B
P,A
DS
P
A
T
(8)
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
DE
(9)
DSRT RAA,B A,P
P
A
(11)
Gerados ao Acaso
RM
A,B
P,A
P
A
T DE
(10)
DSRT A,P
P
A
T
A,B
(12)
RT RAA,B A,P
P
A
DE
(13)
RT A,P
P
A
T
A,B
DE
(14)
Neste exemplo, foram gerados os 8 fluxogramas possíveis que formam o
RM
A,B
P,A
P
A
T DE
(10)
DSRT A,P
P
A
T
A,B
(12)
RT RAA,B A,P
P
A
DE
(13)
RT A,P
P
A
T
A,B
DE
(14)
DS
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
(7)
RM
A,B
P,A
DS
P
A
T
(8)
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
DE
(9)
DSRT RAA,B A,P
P
A
(11)
Espaço das Soluções do Problema
Aumentando a complexidade do processo, aumenta o número de etapas e de equipamentos para cada etapa.
Por conseguinte, aumenta significativamente o número combinações
Ne Engenharia de Processos esse efeito é conhecido como
EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!
MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES
Cada círculo representa um fluxograma plausível.
Isso caracteriza a síntese como um problema com
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.6.4 Análise
Genericamente: análise significa
- decompor um todo em suas partes,
- depreender o comportamento do todo a partir do comportamento das partes.
PROJETO = SÍNTESE ANÁLISE
Um exemplo marcante é o estudo de organismos vivos, do corpo humano às células.
Dimensões dos principais Equipamentos.
Consumo de utilidadesmatérias primas e insumos
Especificaçõesde projeto
Modelo Matemático
previsão
Dimensões dos principais equipamentos
Consumo de utilidadesmatérias primas e insumos
Modelo Econômico
avaliaçãoLucro
No caso de processos químicos, a Análise consiste em prever e avaliar o desempenho de cada fluxograma gerado na Síntese, para fins de comparação
Na Análise também se verifica a
MULTIPLICIDADE DE SOLUÇÕES
O Lucro dependerá da receita, dos custos operacionais e das dimensões dos equipamentos (investimento).
Em princípio, diversas combinações de valores plausíveis dessas variáveis produzem um Lucro positivo.
1 2
Q = 10.000 kgA/h
x = 0,02 kgAB/kgAo
W1
kgB/hW2
kgB/h
y1
kgAB/kgBy2
kgAB/kgB
x1
x2
kgAB/kgAkgAB/kgA
Modelo Matemático1. Q(xo - x1) - W1 y1 = 02. y1 - k x1 = 03. Q(x1 -x2) - W2 y2 = 04. y2 - k x2 = 0
Avaliação EconômicaL = R - CR = pAB (W1 y1 + W2 y2 )C = pB (W1 + W2)pAB = 0,4 $/kgAB : pB = 0,01 $/kgB
Para cada par de valores x1,x2 resultam valores de W1, W2, y1, y2 e Lucro
Exemplo: dimensionamento de 2 extratores em sérieO Lucro depende das vazões de solvente W1 e W2, que
dependem das concentrações x1 e x2
0,005
0,010
0,015
0,020
0,025
0,030
0,035
02468
101214161820
0,002
0,004
0,006
0,008
0,010
0,012
0,014
0,016
0,018
0,020
MULTIPLICIDADE NA ANÁLISE
Variáveis contínuas: uma infinidade de soluções viáveis
Na Análise, as soluções são pares de valores x1,x2
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia..
1.6.5 Otimização
OTIMIZAÇÃO é a busca da solução ótima de um problema com múltipla soluções
Problema com Multiplicidade de Soluções
Exige a busca da sua
Otimização
Solução Ótima
através de
Nível Tecnológico: a rota química ótima depende dos fluxogramas que ainda serão gerados e das dimensões dos
equipamentos e correntes ainda não definidos .
Nível Paramétrico (Análise): as dimensões ótimas dos equipamentos e das correntes dependem da rota química e do
fluxograma que lhes deram origem.
Nível Estrutural (Síntese): o fluxograma ótimo depende da rota que lhe deu origem e das dimensões dos equipamentos e
correntes ainda não definidos.
Fonte da complexidade multiplicidade de soluções em três níveis interdependentes !!!!!!
Nesse sentido: o Projeto de Processos é um problema complexo de otimização.
Para encontrar a solução ótima, para uma dada rota química, é preciso gerar cada um dos fluxogramas possíveis
Fluxograma Gerado Fluxograma Otimizado
Em seguida, otimizar cada fluxograma
determinando o conjunto ótimo das dimensões dos equipamentos e correntes (otimização paramétrica)
RM
A,B
P,A
P
A
T DE
(10)
DSRT A,P
P
A
T
A,B
(12)
RT RAA,B A,P
P
A
DE
(13)
RT A,P
P
A
T
A,B
DE
(14)
DS
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
(7)
RM
A,B
P,A
DS
P
A
T
(8)
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
DE
(9)
DSRT RAA,B A,P
P
A
(11)
Neste caso, seria gerar cada fluxograma e calcular os valores ótimos de : volume do reator, número de estágios, altura e
diâmetro das torres, áreas dos trocadores, vazões de água e de vapor (Lucro Máximo).
O Espaço das Soluções é constituído de apenas 8 fluxogramas
Mas a busca não pode ser conduzida de maneira aleatória.(ineficiente, sem garantia de sucesso)
Como conduzi-la de uma maneira racional de modo a garantir a obtenção da solução ótima?
INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL !
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE 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.
Numa Árvores de Estados, os fluxogramas encontram-se “arrumados”
ao contrário de...
Desordenados, dificultando a busca da solução ótima
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia..
MÉTODOS DE PROJETO
(a) Busca Exaustiva
(b) Métodos Matemáticos- Super-estrutura- Busca Inteligente Orientada por Árvore de Estados
(c) Projeto por Decomposição
(d) Métodos Intuitivos - Método Heurístico - Método Evolutivo
Esses métodos serão estudados na Síntese de Processos
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Uma Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.6.7 Uma Sistemática para o Projeto
INTELIGÊNCIA ARTIFICIALDecomposição e Representação de problemas
A partir de elementos de
ENGENHARIA DE SISTEMASProjeto, Síntese, Análise e Otimização
É possível sistematizar o Projeto !
Investigar mercado
para o produto
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
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
Investigar mercado para o produto
Investigar reagentesplausíveis
Investigar disponibilidade
das matérias primas
Definir as condições das reações e identificar os sub-produtos gerados
SELEÇÃO DEROTAS QUÍMICAS
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
SÍNTESE
Calcular o consumo de utilidades
Calcular a vazão dascorrentes
intermediárias
Calcular as dimensões
dos equipamentos
Calcular o consumo dos insumos
Calcular o consumo de matéria prima
Avaliar a lucratividadedo processo
ANÁLISE
Problema: produzir P
ILUSTRAÇÃO
Segue um exemplo simplificado:
- duas rotas química viáveis.
- dois fluxogramas viáveis para cada rota.
O problema pode ser representado segundo uma Árvore de Estados na qual fica aparente, também, a sua decomposição
segundo as ações
Nível TecnológicoSeleção de uma Rota
Fluxograma ?Dimensões ?
Nível EstruturalSíntese de um
FluxogramaDimensões ? Lucro?
Nível ParamétricoAnálise do Fluxograma
Dimensionamentodos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
Problema Complexo de Otimização em 3 Níveis : Solução?
RaizRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Decomposição e Representação do Problema de Projeto por Árvore de Estados
P?? ?
D+E P+FD,E P,F
??A+B P+C
A,B P,C
??
1 PAB Cx
?T D
2 PAB Cx
?T A
P3DE Fx
?DM
PF
4DE x
?M E
L
x
6 8
x o = 3x*
L
x
L
10
x o = 4x* xx o = 6x*
L
x
7
x o = 5x*
Não se monta toda a árvore para depois encontrar a solução.
A busca da solução se dá à medida em que se vai montando a árvore
O método é o de
Busca Orientada pela Árvore de Estados
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)
Há ocasiões em que a complexidade do problema é tal que a busca da solução ótima é proibitiva.
Há que se contentar, então, com a melhor solução possível de se obter com razoável esforço computacional.
Métodos, com esta finalidade, serão apresentados nesta disciplina.
Estima-se que a solução encontrada seja próxima da ótima
Desafio: percorrer eficientemente o espaço numerosos e desordenado das soluções em busca da melhor solução
possível
SÍNTESEGeração de todos os fluxogramas possíveis
Formar o espaço das soluções
ANÁLISEPrevisão e avaliação de cada
fluxograma
Há problemas em que um conjunto de soluções equivalentes se destacam das demais, tornando-se irrelevante adotar a melhor
delas, que pode não ser a ótima.
Conjunto de soluções equivalentes
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 é quem dá a palavra final.
Resumindo
O Projeto como um problema de otimização em 3 níveis
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia
1.7 ORGANIZAÇÃO DO TEXTO/DISCIPLINA
Seqüência no Projeto : Síntese Análise
Seqüência Pedagógica : Análise Síntese
INTRODUÇÃO ÀSÍNTESE DE PROCESSOS
8
6
SÍNTESE DESISTEMAS DE SEPARAÇÃO
7
SÍNTESE
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE
INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
INTRODUÇÃO ÀANÁLISE DE PROCESSOS
2
ESTRATÉGIASDE CÁLCULO
3
OTIMIZAÇÃOAVALIAÇÃOECONÔMICA
4 5
ANÁLISE INTRODUÇÃO GERAL1
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.8 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA ENGENHARIA DE PROCESSOSNA ENGENHARIA QUÍMICASituação até o final da década de 60:
Nos 3 níveis mais internos: - conhecimento organizado em disciplinas consagradas constituindo o conteúdo básico dos cursos de Engenharia Química.
- vasta literatura de apoio (coleções, editoras especializadas).
- ensino compartimentado dos equipamentos com ausência de uma visão integrada dos processos.
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
1.8 ORIGEM E EVOLUÇÃO DA ENGENHARIA DE PROCESSOSNA ENGENHARIA QUÍMICASituação até o final da década de 60:
No nível externo: - projeto praticado de forma semi-artesanal e ensinado informalmente (exercício de final de curso).
Contraste!
- ausência de literatura específica de apoio (restrita a temas correlatos).
- ensino de processos praticado de forma descritiva e individual: processo por processo, como se nada existisse em comum
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
- Na Eng. de Equipamentos:os problemas são de natureza numérica (modelagem matemática, resolução dos modelos).
- Na Eng. de Equipamentos: equipamentos tratados individualmente.
A descontinuidade “conceitual” existentena passagemEng. de Equipamentos Eng. de Processos:
Natureza da Descontinuidade:
- Na Eng. de Processos: equipamentos são elementos interdependentes de um sistema integrado.
- Na Eng. de Processos: os problemas são de natureza lógica e combinatória (seleção e arranjo dos equipamentos).
Explicação para o contraste :
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
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
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
Conseqüência Principal da Fertilização:
Questões, até então abordadas de forma intuitiva, passaram a ser tratadas de forma sistemática:
-a interdependência dos equipamentos.
- a seleção de equipamentos alternativos para uma mesma operação.
- a seleção dos arranjos (fluxogramas) alternativos para uma mesma rota química.
A Engenharia de Processos foi sistematizada: praticada de forma mais eficiente e “ensinável”.
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
a prática do projeto com as diversas ferramentas importadas da Engenharia de Sistemas e da Inteligência Artificial.
o ensino da Engenharia Química com a criação de disciplinas estruturadas que proporcionam uma visão integrada dos processos acrescentando a dimensão de sistema, até então ausente..
A Engenharia de Processos veio revolucionar:
1981: 200 trabalhos publicados (Revisão: Nishida, Stephanopoulos e Westerberg; AIChEJournal).
Revista: Computers & Chemical Engineering
Congressos: ESCAPE (European Symposium on Computer Aided Process Engineering); ENPROMER (Encontro sobre Processos Químicos do Mercosul)
Instituições: Institute for Complex Engineered Systems Carnegie Mellon University (Pittsburgh, USA)
As primeiras disciplinas:
1970: Análise e Simulação de Processos (PEQ/COPPE)
1976: Desenvolvimento e Projeto de Processos (EQ/UFRJ) Síntese de Processos (PEQ/COPPE)
No Brasil:
As primeiras teses:1. Taqueda,E.R.,"Análise de Processos Complexos por Computador Digital", Tese de Mestrado, COPPE/UFRJ (1973)
2. Lacerda, A. I., "Síntese de Sistemas de Separação", Tese de Mestrado,COPPE/UFRJ (1980)
3. Santos, M. C., "Síntese Heurística de Sistemas de Reatores", Tese de Mestrado, COPPE/UFRJ (1980)
4. Araujo, M. A. S., "Eficiência do Uso de Energia em Processos e a Otimização de Redes de Trocadores de Calor", Tese de Mestrado, COPPE/UFRJ (1980).
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia.
1.9 COMPUTAÇÃO
Alunos devem saber programar FORTRAN, VISUAL BASIC, MATLAB, EXCEL, C++ (mercado procura !)
Problemas reais de projeto são de grande complexidade e demandam grande esforço computacional. O apoio da Informática é indispensável.
Existem diversos softwares comerciais: ASPEN, HYSYS, CHEMCAD, PRO/II, mas demandam licenças e treinamento. EXCEL + VBA.
Software nacional:- PSPE (1985): Rajagopal, Castier, Gil PETROX (Petrobrás)- ALSOC (2003)(Ambiente Livre p/ Simulação, Otimização e Controle de Processos) – COPPE/UFRJ – USP – UFRGS – CT-PETRO/FINEP – Empresas Petroquímicas EMSO.- DWSIM: Daniel Wagner (RN) : VB.NET
1.9 COMPUTAÇÃO
Alunos devem saber programar FORTRAN, VISUAL BASIC, MATLAB, EXCEL, C++ (mercado procura !)
Demonstrações e aulas práticas programadas.
Todos os procedimentos ensinados na disciplina são descritos sob a forma de algoritmos programáveis.
1. INTRODUÇÃO GERAL1. INTRODUÇÃO GERAL1.1 Engenharia1.2 Engenharia Química1.3 Sistema1.4 Engenharia de Sistemas1.5 Inteligência Artificial1.6 Engenharia de Processos 1.6.1 Estrutura dos Processos 1.6.2 Projeto de Processos 1.6.3 Síntese 1.6.4 Análise 1.6.5 Otimização 1.6.6 Métodos de Projeto 1.6.7 Nova Sistemática para o Projeto1.7 Organização do Texto/Disciplina1.8 Origem e Evolução da Engenharia de Processos1.9 Computação1.10 Bibliografia
Em ordem cronológica de publicaçãoEm vermelho, os livros que inspiraram a disciplina
01. STRATEGY OF PROCESS ENGINEERING Rudd,D.F. e Watson,C.C. - J.Wiley, 1968.
02. THE ART OF CHEMICAL PROCESS DESIGN Wells,G.L. e Rose,L.M. - Elsevier, 1968.
03. CHEMICAL PROCESS SIMULATION Husain,A. - Wiley-Eastern, 1968.
04. MATERIAL AND ENERGY BALANCE COMPUTATIONS Henley,E.J. e Rosen,E.M. - J.Wiley, 1969.
05. PROCESS SYNTHESIS Rudd,D.F., Powers,G.J. e Siirola,J.J. - Prentice-Hall, 1973.
1.10 Bibliografia
06. CHEMICAL PROCESS ECONOMICS Happel,J., Jordan,D.G. - Marcel Dekker, 1975.
07. INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING AND COMPUTER CALCULATIONS Myers,A.L. - Prentice-Hall, 1976.
08. PROCESS FLOWSHEETING Westerberg,A.W., Hutchinson,H.P., Motard,R.L. e Winter, P. –
Cambridge, 1979.
09. PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL ENGINEERS Timmerhaus,K.D. e Peters,M.S. - McGraw-Hill, 1980 (3a. Ed.).
10. STEADY-STATE FLOWSHEETING OF CHEMICAL PLANTS Benedek,P. - Elsevier, 1980.
11. PROCESS ANALYSIS AND DESIGN FOR CHEMICAL ENGINEERS Resnick,W. - McGraw-Hill, 1981.
12. CHEMICAL PROCESS SYNTHESIS AND ENGINEERING DESIGN Kumar,A. - Tata McGraw-Hill, 1981.
13. AN INTRODUCTION TO CHEMICAL ENGINEERING DESIGN Sinnott,R.R. - Pergamon Press, 1983.
14. A GUIDE TO CHEMICAL ENGINEERING PROCESS DESIGN AND ECONOMICS, Ulrich,G.D. - J.Wiley, 1984.
15. CONCEPTUAL DESIGN OF CHEMICAL PROCESSES Douglas, J.M. - McGraw-Hill, 1988.
16. OPTIMIZATION OF CHEMICAL PROCESSES Edgar,T.F. e Himmelblau,D.M. - McGraw-Hill, 1988.
17. CHEMICAL PROCESS STRUCTURES AND INFORMATION FLOWS Mah, R.S.H. - Buterworths, 1990.
18. FOUNDATIONS OF COMPUTER-AIDED PROCESS DESIGN Siirola,J.J., Grossmann,I.E. e Stephanopoulos,G. (editores) - Cache-Elsevier, 1990.
19. ANALYSIS AND SYNTHESIS OF CHEMICAL PROCESS SYSTEMS Hartmann,K e Kaplick,K. - Elsevier, 1990.
20. CHEMICAL PROCESS DESIGN Smith,R. – McGraw-Hill, 1995.
21. SYSTEMATIC METHODS OF CHEMICAL PROCESS DESIGN Biegler,L.T., Grossmann,I.E. e Westerberg, A. W. - Prentice-Hall, 1997.
22. GREEN ENGINEERING Allen, D. T. e Shonnard, D. R. - Prentice Hall, 2002
23. ANALYSIS, SYNTHESIS AND DESIGN OF CHEMICAL PROCESSES Turton,R., Bailie,R.C, Whiting,W.B e Shaeiwitz,J.A. – Prentice Hall, 2003
24. PRODUCT AND PROCESS DESIGN PRINCIPLES Seider,W., Seader,J.D. e Lewin,D.R. – Wiley, 2004
25. ENGENHARIA DE PROCESSOS Perlingeiro, C. A. G. – Edgard Blucher, 2005
Se o Processo Químico é o alvo principal do Engenheiro Químico, a Engenharia de Processos pode ser considerada a
essência da Engenharia Química, porque é onde se faz a construção do Processo.
As demais áreas são suas coadjuvantes indispensáveis, porém coadjuvantes.
UMA AFIRMAÇÃO POLÊMICA
PROJETOROTAS QUÍMICASFLUXOGRAMAS
DIMENSÕES
Processos de Separação
Controle de Processos
Processos Tecnológicos
Termodinâmica
Avaliação Econômica
Transferência de Massa
Mecânica dos Fluidos
Reatores
Transferência de Calor
O PROJETO é o problema central da Engenharia Química
Dele decorrem todos os demais, encontrados
Durante a execução de um
projeto
Cursando alguma
disciplina
Os problemas específicos não têm existência própria.
Só existem:
(a) na definição de um processo em fase de projeto
(b) no aprimoramento de um processo já em operação
Ao final do Capítulo 1, os seguintes conceitos devem ter sido absorvidos:
Projeto de processos químicos: definição sintética.
Estrutura da disciplina: sua justificativa.
Inteligência Artificial: definição, estratégias básicas e a representação do projeto de processos por árvore de estados.
Otimização: conceito e aplicação no projeto.
Síntese e Análise: em que consistem, em que diferem e como se combinam no projeto.
Sistema: conceito e exemplos. A conveniência em se tratar um processo como um sistema.
Engenharia de Processos: seu papel como área da Engenharia Química.
ESTRUTURA DA 2ª. EDIÇÃO DO LIVRO
FIM