capÍtulo 6 introduÇÃo À sÍntese de processos 20 de maio de 2013
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CAPÍTULO 6CAPÍTULO 6
INTRODUÇÃO À INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOSSÍNTESE DE PROCESSOS
20 de maio de 2013
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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
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REVISÃO
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Área da Engenharia Química dedicada aos
PROCESSOS QUÍMICOS
ENGENHARIA DE PROCESSOS
Do ponto de vista de
SISTEMAS
Process Systems Engineering
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Seqüência de etapas que transformam uma matéria prima num produto de interesse industrial.
Abrange todas as transformações químicas espontâneas, por ação de catalisadores ou de microrganismos.
PROCESSO
Aplicável aos 4 Cursos da Escola de Química
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atividade mais complexa da Engenharia Química, que é o
PROJETO do PROCESSO
A construção e a operação de uma Planta Industrial resultam da
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O Projeto consiste de um conjunto numerosos e diversificado de ações desenvolvidas
DesdeA decisão de se produzir um determinado produto
AtéConjunto de documentos com detalhes suficientes para a construção e a operação de uma planta industrial
PROJETO DE PROCESSOS
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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 equipamentos
Calcular o consumo de matéria prima
Calcular o consumo de
utilidades
Calcular o consumo de insumos
Calcular a vazão dascorrentes
intermediáriasInvestigar reagentesplausíveis Avaliar a
lucratividadedo processoAÇÕES TÍPICAS
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(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
À luz da Engenharia de Processos, essas ações são organizadas em 3 categorias
SÍNTESE
ANÁLISE
Para uma dada rota química:
ROTA QUÍMICASeleção da rota química: reagentes, intermediários, etc..
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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
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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
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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 primasDefinir 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
ORGANIZADAS QUANTO À SEQUÊNCIA NO PROJETO
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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 = 6
RaizRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Decomposição, Representação e Resolução do Problema de Projeto por 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*
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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 repetições
sem omitir a ótima
Desvantagem
Explosão Combinatória(outros métodos)
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W6
T6
W10 T10
W13 T13 W11
T11
W8
T8
W1
x11
T1
f11
f31
W7 T7
W5 T5
W3 x13
T3 f13 f23
W4 x14
T4 f14 f24
W12 T12
W12 T12
W14 T14
W2
x12
T2 f12 f32
EXTRATOR
Extrato
Rafinado
EVAPORADOR
CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR
BOMBA
1
2
3
4
5
67
8
9
10
11
12
13
14
15
Vd Ae
AcAr
Alimentação
Vapor
ÁguaÁgua
Benzeno
Benzeno
Produto
Condensado
W15 T15
RESULTADO DA SÍNTESE: UM FLUXOGRAMA
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W6 =8.615 kg/hT*
6 = 150 oC
W10 =36.345 kg/hT*
10 = 80 oCW13 = 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*11 = 0,002
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/hf31 = 99.800 kg/h
W7 = 8.615 kg/hT*
7 = 150 oC
W5 = 36.345 kg/hT*
5 = 80 oC
W3 = 37.544 kg/hx13 = 0,002
T3 = 25 oCf13 = 120 kg/hf23 = 37.424 kg/h
W4 = 1.200 kg/hx*
14 = 0,1
T4 = 80 oCf14 = 120 kg/hf24 = 1.080 kg/h
W12 = 59.969 kg/hT*
12 = 30 oCW12 = 228.101 kg/hT*
12 = 30 oC
W14 = 1.080 kg/hT*
14 = 25 oC
W2 = 99.880 kg/hx12 = 0,0008
T2 = 25 oCf12 = 80 kg/hf32 = 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
*= 0,0833 h
r* = 0,60
Ae = 124 m2
Ac = 119 m2
Ar = 361 m2
W15 = 37.425 kg/hT13 = 25 oC
RESULTADO DA ANÁLISE: O FLUXOGRAMA DIMENSIONADO
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ESTRATÉGIASDE CÁLCULO
3
AVALIAÇÃOECONÔMICA
4
INTRODUÇÃO À
ANÁLISE DE PROCESSOS
2
OTIMIZAÇÃO
5
Resumo da Análise de ProcessosCorrespondência dos Capítulos com os Módulos Computacionais
MODELOFÍSICO MODELO
ECONÔMICO OTIMIZAÇÃO
Variáveis Especificadas
Variáveis de Projeto
Parâmetros Econômicos
ParâmetrosFísicos Dimensões Calculadas Lucro
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Resolver Problema
Otimizar ProcessoCalcular Lucro
DimensionarExtrator
DimensionarEvaporador
DimensionarCondensador
DimensionarResfriador
DimensionarMisturador
SimularExtrator
SimularEvaporador
SimularCondensador
SimularResfriador
SimularMisturador
SimularProcesso
DimensionarProcesso
UM PROGRAMA EXECUTIVO PARA ANÁLISE DE PROCESSOS
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INÍCIO DA SEGUNDA PARTE
DA DISCIPLINA
SÍNTESE DE PROCESSOS
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COMENTÁRIOS PRELIMINARES
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DIVISORES DE ÁGUAS NA ENGENHARIA QUIMICA
Unificação dos diversos processos de separação sob
FENÔMENOS DE TRANSPORTE ("TRANSPORT PHENOMENA")Bird, Stewart & Lightfoot
Unificação de transferência de calor, massa e quantidade de movimento sob
OPERAÇÕES UNITÁRIAS ("UNIT OPERATIONS")Brown; Foust,...
Unificação de Análise, Síntese e Otimização de Processos sobENGENHARIA DE PROCESSOS ("PROCESS SYSTEMS ENGINEERING")Rudd, Powers & Siirola
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PRINCIPAL CARACTERÍSTICA DA ENGENHARIA DE PROCESSOS
Engloba toda a Engenharia Química: mecânica dos fluidos, transferência de calor, transferência de massa, termodinâmica, operações unitárias, cinética e reatores, bioprocessos.
O seu surgimento revolucionou:
A Prática da Engenharia Química com poderosas ferramentas baseadas em Inteligência Artificial e Computação Avançada no projeto de processos (concepção e análise de um maior número de alternativas com precisão e rapidez nunca antes imaginada e alcançada).
O Ensino da Engenharia Química com a criação de disciplinas que colocam essas ferramentas ao alcance dos futuros engenheiros químicos, ainda na Universidade.
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CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
A única novidade que a Engenharia de Processos proporciona no campo da Análise de Processos é o tratamento integrado dos equipamentos, que já são estudados em disciplinas anteriores.
A grande novidade é a Síntese de Processos, com conceitos e métodos totalmente inéditos.
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INTRODUÇÃO GERAL1
INTRODUÇÃO ÀSÍNTESE DE PROCESSOS
8
6
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
7
SÍNTESE
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE
INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
INTRODUÇÃO ÀANÁLISE DE PROCESSOS
2
ESTRATÉGIASDE CÁLCULO
3
OTIMIZAÇÃOAVALIAÇÃOECONÔMICA
4 5
ANÁLISE
Percebe-se uma descontinuidade conceitual.
Ao se transpor a divisória entre a Análise e a Síntese
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- Na Eng. de Equipamentos:os problemas são de natureza numérica (modelagem matemática, resolução dos modelos).
- Na Eng. de Equipamentos: equipamentos são tratados isoladamente
É a descontinuidade “conceitual”percebida na passagem da
Razões da Descontinuidade:
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
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).
Eng. de Equipamentos Eng. de Processos:
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CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
A Engenharia de Processos ajuda o Engenheiro Químico a superar essa descontinuidade colocando ao seu alcance ferramentas modernas para a melhor execução do projeto.
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6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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O Corpo Humano é um sistema complexo constituído por diversos sub-sistemas (circulatório, digestivo, respiratório, locomotor, etc..), por sua vez constituídos por diversos órgãos (coração, fígado, vesícula, cérebro, etc...).
6.1 Fluxograma Embrião
Esse sistema complexo é formado através de um processo evolutivo natural e espontâneo que começa com o embrião.
Logo que formado, as células do embrião começam a se multiplicar e a se especializar formando os órgãos que vão formando os sub-sistemas que vão se integrando formando o sistema completo.
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Respiratório Circulatório
Digestivo
Cérebro
CORPO HUMANO: APARELHOS INTEGRADOS(parcial)
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Processo Químico
Matéria Prima Produto
O Processo Químico é um sistema que tem como Tarefa a produção de um produto químico em escala industrial de forma econômica, segura e limpa.
Esta tarefa é complexa e sub-dividida em quatro sub-tarefas principais.
Executadas por quatro sub-sistemas
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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.
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Então, de maneira análoga ao Corpo Humano, o Processo Químico é um sistema complexo constituído por sub-sistemas que, por sua vez, são constituídos por equipamentos.
Também de maneira análoga, esse sistema complexo pode ser formado através de um processo evolutivo (embora não natural e espontâneo) que começa com um embrião que vai sendo detalhado durante as diversas etapas do projeto até a formação do processo completo.
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Reação: A B.Reagente Puro.Conversão Completa.Sem necessidade de aquecimento ou resfriamento.
R
PROCESSO
A
Fonte de ADestino de B
B
Fluxograma Mínimo de um Processo
PRIMEIRO PASSO DA SÍNTESE
Definição do sistema de reação: número e tipo de reatores em função da reação selecionada.
![Page 35: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/35.jpg)
Reação: A B+ CReagente com ImpurezaConversão ParcialFormação de Sub-Produtos
PROCESSO
Fonte de A
R A
I
A IA B C
Destino de I
S
A
B
Destino de B
S1
C
Destino de C
B C S1S2B
Produto Principal
Impureza
Matéria Primareciclo
sistema de separação
Sub-Produto
A,I
SITUAÇÃO MAIS COMUM
Tornam-se necessários Separadores
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FLUXOGRAMA EMBRIÃO
Restrito a operações de cunho material
É o ponto de partida para a geração de um fluxograma de processo
Processo Químico
Reação Separação
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S R M
R
S
Sistema de Reatores
Sistema de Separação
É um Diagrama de Blocos
A serem detalhados no decorrer do Projeto
![Page 38: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/38.jpg)
Processos complexos com produção de intermediários
S1 R1
S2 R2
S3 R3 M3
M1
M2
Superestrutura !
Um módulo para cada reação independente
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São sistemas formados por dois ou mais reatores de um mesmo tipo ou de tipos diferentes.
Esses sistemas podem apresentar, para uma dada reação, um desempenho superior ao de um reator simples.
A definição do sistema de reatores é a primeira etapa da geração de um fluxograma de processo.
Porque: da natureza e das condições do seu efluente dependerá a definição do sistema de separação e de todo o restante do
fluxograma.
S R M
SISTEMAS DE REATORES
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6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma Embrião 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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- resolver o sistema linear resultante.
6.1.1 Geração do Fluxograma S1 R1
S2 R2
S3 R3 M3
M1
M2
- as reações: reagentes, produtos e condições de reação (conversão, excesso, inertes...).
- estado dos reagentes.
- especificações para o produto.
Procedimento
- escrever o balanço material de cada componente ao redor de cada bloco. Resulta um sistema de equações lineares com G = 1.- adotar uma “base” (ex.: 100 unidades molares para o produto principal).
- montar a Matriz Estequiométrica do sistema de reações.
Dados
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480 N 20 B143 D
480 N 480 N 100 A
43 D
100 E100 A 43 D
100 C
143 D
67 A67 C
43 D
167 A167 C
S1 R1 M1
100 C
S2 R2 M2
67 A67 C
100 D
100 E
43 D
120 B100 A
43 D20 B100 D 43 D
120 B480 N
A B C D E FR1 -1 -1 +1 +1 0 0R2 -1 0 -1 +1 +1 0G -2 -1 0 +2 +1 0
EXEMPLO
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S1 R1
S2 R2
S3 R3 M3
M1
M2
Porém, muitas equações são supérfluas !!!
De antemão, já se sabe que alguns componentes não se
encontram em certas correntes.
Procedimento alternativo (Observando a Matriz Estequiométrica, conversões, excessos, inertes, etc.)
Resolve-se o problema por módulos, partindo daquele que produz o Produto Principal.
É um procedimento lógico em que os balanços de massa são executados intuitivamente apenas onde são indispensáveis.
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Exemplo Ilustrativo
Produção de Acetato de Etila a Partir de Etanol
R2: C2H5OH + CH3COOH CH3COOOC2H5 + H2O etanol ác.acético acetato de etila
R1: C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O etanol ác.acético
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R1: reação catalítica, em fase vapor, a alta pressão, exigindo pelo menos 50% molar de nitrogênio como diluente na alimentação.
Condições de Reação
R1: C2H5OH + O2 CH3COOH + H2Oetanol ác.acético
O acetato de etila é proibido na alimentação do reator, mas a água é permitida.
O oxigênio deve estar presente com um excesso de 20% na entrada do reator para converter todo o etanol.
(implica em que os reatores já estejam definidos)
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R2: reação em solução em condições ambientes, com uma conversão de 60% por passo.
O oxigênio é proibido, mas a água e o nitrogênio são permitidos na alimentação do reator.
Condições de Reação(implica em que os reatores já estejam definidos)
R2: C2H5OH + CH3COOH CH3COOOC2H5 + H2O etanol ác.acético acetato de etila
![Page 47: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/47.jpg)
Condições do Produto
O acetato de etila deve sair puro. São proibidos despejos de ácido acético e de etanol.
Condições dos Reagentes
. Etanol: solução aquosa com 70% de etanol.
. Oxigênio e Nitrogênio: provenientes do ar ( 80% N2 e 20% O2).
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R1: C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O etanol [A] [B] ác.acético [C] [D]
R2: C2H5OH + CH3COOH CH3COOOC2H5 + H2O etanol [A] ác.acético [C] acetato de etila [E] [D]
A B C D E FR1 -1 -1 1 1 0 0
R2 -1 0 -1 1 1 0
Este sistema de reações pode ser representado matematicamente pela sua Matriz Estequiométrica
A cada linha corresponde uma reação e um módulo no Fluxograma Embrião
Convenção: coeficientes negativos para reagentes e positivos para produtos.
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R1: C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O [A] [B] [C] [D]
R2: C2H5OH + CH3COOH CH3COOOC2H5 + H2O [A] [C] [E] [D]
A B C D E FR1 -1 -1 1 1 0 0
R2 -1 0 -1 1 1 0
O processo completo fica caracterizado pelos Coeficientes Globais (soma algébrica das colunas)
![Page 50: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/50.jpg)
R1: C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O [A] [B] [C] [D]
R2: C2H5OH + CH3COOH CH3COOOC2H5 + H2O [A] [C] [E] [D]
D
C EMODULO2
MODULO1
A A
D
B
Processo completo
A B C D E FR1 -1 -1 1 1 0 0
R2 -1 0 -1 1 1 0
G -2 -1 0 2 1 0
O processo completo fica caracterizado pelos Coeficientes Globais (soma algébrica das colunas)
![Page 51: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/51.jpg)
Partindo do módulo que produz o Produto Principal
Procedimento Alternativo para a
Montagem do Fluxograma Embrião(Observando a Matriz Estequiométrica, conversões, excessos, inertes, etc.)
executar o balanço material de cada componente ao redor de cada bloco, na seguinte sequencia:
produto principal
coprodutos
reagentes
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480 N
100 A 43 D
100 E 100 A 43 D
100 C
143 D
67 A67 C
43 D
167 A167 C
S1 R1 M1
100 C
S2 R2 M2
67 A67 C 100 D
100 E
43 D
100 A43 D
20 B100 D43 D
120 B480 N
A B C D E FR1 -1 -1 +1 +1 0 0R2 -1 0 -1 +1 +1 0G -2 -1 0 +2 +1 0
20 B143 D
480 N 120 B480 N
Produto principal Co-produtos Reagentes
A : etanolB: oxigênioC: ácido acéticoD: águaE: acetato de etila
![Page 53: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/53.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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Prosseguindo com a analogia com o corpo humano, quando através de uma ultrassonografia pode-se acompanhar e avaliar o
desenvolvimento do feto
Aqui se pode prever, através da Margem Bruta, antes mesmo da geração do fluxograma embrião, se o processo idealizado é
economicamente promissor.
![Page 55: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/55.jpg)
Nessa fase inicial:L = R - Cm - Cd
6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
R : calculada a partir dos coeficientes globais = pp P ($/a)Cm: calculada a partir dos coeficientes globais = pm M ($/a)Cd : calculado apenas após a geração do fluxograma
O Lucro pode ser escrito:
L = aR – b (Cmatprim + Cutil) – c ISBLL = aR – b Cmatprim – (bCutil + c ISBL)
onde : L = Lucro Anual ($/a) R = Receita Anual ($/a)Cm = Custo Anual das Matérias Primas ($/a)Cd = Custos Anuais Diversos ($/a).
![Page 56: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/56.jpg)
6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
Definindo Margem Bruta MB = R - Cm ($/a)
L = MB - Cd
MB > 0 para processo potencialmente viável.
L = R - Cm - Cd
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Exemplo: Produção do Cloreto de Vinila (MVC)
(C)(M)
R1 C2H4 + Cl2 C2H4Cl2
R2 C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl
(A)(B) (D)
(D)A B C D M
R1 -1 -1 0 1 0
R2 0 0 1 -1 1
G -1 -1 1 0 1p
($/lbmol)2,8 0,84 14,4(c)
0 (v)3,43 3,1
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Exemplo: Produção do Cloreto de Vinila (MVC)
(C)(M)
R1 C2H4 + Cl2 C2H4Cl2
R2 C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl
(A)(B) (D)
(D)A B C D M
R1 -1 -1 0 1 0
R2 0 0 1 -1 1
G -1 -1 1 0 1p
($/lbmol)2,8 0,84 14,4(c)
0 (v)3,43 3,1
MB = (-1)(2,8) + (-1)(0,84)+(1)(0)+(0)(3,43)+(1)(3,1) = - 0,54 $/lbmol M
AB
DM
CMODULO2
MODULO1
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(C)(M)
R1 C2H4 + Cl2 C2H4Cl2
R2 C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl
(A)(B) (D)
(D)
AB
DM
CMODULO2
MODULO1
O sistema compra cloro para produzir o C2H3Cl mas desperdiça o cloro que sai com o HCl não valorizado.
![Page 60: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/60.jpg)
Tentativa de aproveitar esta concepção
R3 2HCl + (1/2) O2 Cl2 + H2O(A)(C) (F)(E)
(C)(M)
R1 C2H4 + Cl2 C2H4Cl2
R2 C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl
(A)(B) (D)
(D)
Cogita-se aumentar a Margem Bruta acrescentando uma terceira reação para aproveitar, em R1, o cloro que sai com o HCl em R2.
![Page 61: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/61.jpg)
MB = - 12,14 $/lbmol M
A
B
D
M
F2C
0,5EC
MODULO MODULO1
MODULO32
C
A B C D E F MR1 -1 -1 0 1 0 0 0
R2 0 0 1 -1 0 0 1
R3 1 0 -2 0 -1/2 1 -
G 0 -1 -1 0 -1/2 1 1p 2,8 0,84 14,4* 3,43 0 0 3,1
R3 2HCl + (1/2) O2 Cl2 + H2O(A)(C) (F)(E)
(C)(M)
R1 C2H4 + Cl2 C2H4Cl2
R2 C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl(A)(B) (D)
(D)
![Page 62: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/62.jpg)
A
B
D
M
F2C
0,5EC
MODULO MODULO1
MODULO32
C
A B C D E F MR1 -1 -1 0 1 0 0 0
R2 0 0 1 -1 0 0 1
R3 1 0 -2 0 -1/2 1 -
G 0 -1 -1 0 -1/2 1 1p 2,8 0,84 14,4* 3,43 0 0 3,1
R3 2HCl + (1/2) O2 Cl2 + H2O(A)(C) (F)(E)
(C)(M)
R1 C2H4 + Cl2 C2H4Cl2
R2 C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl(A)(B) (D)
(D)
De acordo com R3, são necessários 2HCl para produzir o 1Cl2 aproveitado em R1. Mas R2 só produz 1HCl. A compra de mais 1HCl onera o processo.
![Page 63: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/63.jpg)
A B C D E F MR1 -1 -1 0 1 0 0 0
R2 0 0 1 -1 0 0 1
R3 1 0 -2 0 -1/2 1 -
G 0 -1 -1 0 -1/2 1 1p 2,8 0,84 14,4* 3,43 0 0 3,1
A recombinação das reações pode ser feita através do balanceamento da matriz estequiométrica.
Esta foi uma forma infeliz de combinar as 3 reações para aproveitar o HCl produzido em R2.
Pode-se buscar uma outra combinação dessas mesmas reações que elimine a necessidade de comprar HCl.
Basta tornar o seu coeficiente global não negativo.
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
MB = - 12,14 $/lbmol M
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Balanceamento do Sistema de Reações
A B C D E F MR1 - 1 - 1 0 1 0 0 0
R2 0 0 1 -1 0 0 1
R3 1 0 - 2 0 - 1/2 1 -
A B C D E F M xR1 - x1 - x1 0 x1 0 0 0 x1
R2 0 0 x2 -x2 0 0 x2 x2
R3 x3 0 - 2 x3 0 - 0,5 x3 x3 - x3
Base: a multiplicação de todos os coeficientes de uma mesma reação i por um fator xi, não afeta a proporção em que as
substâncias reagem.
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
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Os Coeficientes Globais se tornam funções de xi
A B C D E F MR1 - 1 - 1 0 1 0 0 0
R2 0 0 1 -1 0 0 1
R3 1 0 - 2 0 - 1/2 1 -
G 0 - 1 - 1 0 - 1/2 1 1
A B C D E F M xR1 - x1 - x1 0 x1 0 0 0 x1
R2 0 0 x2 - x2 0 0 x2 x2
R3 x3 0 - 2 x3 0 - 0,5 x3 x3 - x3
G x3 - x1 - x1 x2 - 2x3 x1 - x2 - 0,5 x3 x3 x2
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
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A B C D E F M xR1 - x1 - x1 0 x1 0 0 0 x1
R2 0 0 x2 - x2 0 0 x2 x2
R3 x3 0 - 2 x3 0 - 0,5 x3 x3 - x3
G x3 - x1 - x1 x2 - 2x3 x1 - x2 - 0,5 x3 x3 x2
Basta procurar combinações de multiplicadores para as quais
x2 - 2x3 ≥ 0Como a presença de R2 é compulsória x2 > 0
Para que a Margem Bruta resulte diretamente em $/lbmol M x2 = 1.Logo, qualquer par (x1,x3), com x3 ≤ 0,5, atende ao desejado.
A cada par corresponde uma Margem Bruta.
H Cl
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
Para evitar MB negativa é preciso evitar a compra de HCl
![Page 67: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/67.jpg)
A B C D E F M xR1 - x1 - x1 0 x1 0 0 0 x1
R2 0 0 1 1 0 0 1 1
R3 x3 0 - 2 x3 0 - 0,5 x3 x3 - x3
G x3 - x1 - x1 1 - 2x3 x1 - 1 - 0,5 x3 x3 1
O problema exibe múltiplas soluções.Logo, é um problema de otimização.
Max MB = 2,8 (x3 – x1) - 0,84 x1 + 3,43 (x1 – 1) + 3,1(1) {x1, x3} s.a.: x3 ≤ 0,5
A parcela referente ao HCl (C) é omitida porque, com a restrição x3 ≤ 0,5, o coeficiente global será sempre positivo ou zero, para o qual o preço é zero.
2,8 0,84 3,43 3,1
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
H Cl
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Na verdade, trata-se de um Problema de Programação LinearA Função Objetivo e as restrições são lineares.
Pode-se demonstrar que a solução ótima encontra-se sempre em um dos vértices da Região Viável.
A busca da solução ótima é normalmente efetuada pelo Método Simplex.
CAPÍTULO 5
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Examinando os vértices da Região Viável
0 1
0
0,5
- 0,33
1
x1
x3
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A B C D E F M xR1 0 0 0 0 0 0 0 0
R2 0 0 1 -1 0 0 1 1
R3 0 0 0 0 0 0 - 0
G 0 0 1 -1 0 0 1
MB = - 0,33 $/lbmol de M
DM
CMODULO2
O sistema compra dicloroetano para produzir o C2H3Cl mas desperdiça o cloro que sai com o HCl não valorizado.
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
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0 1
0
0,5
- 0,33 - 0,54
1
x1
x3
Examinando os vértices da Região Viável
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A B C D E F M xR1 -1 - 1 0 1 0 0 0 1
R2 0 0 1 -1 0 0 1 1
R3 0 0 0 0 0 0 - 0
G - 1 - 1 1 0 0 0 1
MB = - 0,54 $/lbmol de M
AB
DM
CMODULO2
MODULO1
Novamente, o sistema compra cloro para produzir o C2H3Cl mas desperdiça o cloro que sai com o HCl não valorizado.
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
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0 1
0
0,5
- 0,33 - 0,54
0,86
1
x1
x3
Examinando os vértices da Região Viável
![Page 74: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/74.jpg)
A B C D E F M xR1 -1 - 1 0 1 0 0 0 1
R2 0 0 1 -1 0 0 x1 1
R3 0,5 0 - 1 0 - 0,25 0,5 - 0,5
G - 0,5 - 1 0 0 - 0,25 0,5 1
BD
MC
0,25E0,5A A
0,5A
0,5FMODULO MODULO MODULO1 2 3
Neste esquema, a compra de HCl (C) é substituída pela compra de mais cloro (D), menos onerosa.
MB = 0,86 $/lbmol de M
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
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0 1
0
0,5
- 0,33 - 0,54
1,07 0,86
1
x1
x3
Solução Ótima
Examinando os vértices da Região Viável
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A B C D E F M xR1 0 0 0 0 0 0 0 0R2 0 0 1 - 1 0 0 1 1R3 0,5 0 - 1 0 - 0,25 0,5 - 0,5G 0,5 0 0 - 1 - 0,25 0,5 1
1DM
C
0,5 A0,25E
0,5FMODULO MODULO2 3
A fonte de Cloro é o Dicloroetano (D). Admite-se que exista disponível no mercado. Do contrário teria que haver uma
Restrição neste sentido.
MB = 1,07 $/lbmol de M Esta é a Solução Ótima
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
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A B C D E F M xR1 - 1 - 1 0 1 0 0 0 1
R2 0 0 1 -1 0 0 1 1
R3 0,5 0 - 1 0 - 0,25 0,5 - 0,5
G - 0,5 - 1 0 0 - 0,25 0,5 1
Para qualquer produção P desejada, basta multiplicar todos os coeficientes por P. Por exemplo: P = 100
A B C D E F M xR1 - 100 - 100 0 100 0 0 0 100
R2 0 0 100 - 100 0 0 100 100
R3 50 0 - 100 0 - 250 50 - 50
G - 50 - 100 0 0 - 250 50 100
MB = 86 $/100lbmol M 0,86 $/lbmol M
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B
D
M
C
0,25E0,5A A
0,5A
FMODULO MODULO MODULO1 2 3
100B100D
100M
100C
25E50A 100A
50A
100FMODULO MODULO MODULO1 2 3
MB = 0,86 $/lbmol M
MB = 86 $ 0,86 $/lbmol M
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
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PROBLEMA ADICIONALConsidere as 3 reações abaixo relacionadas com a produção de 1 tmol/a de G
R1: A + 2B C + DR2: D + E F + 2CR3: A + F G + H
Sabe-se que, além do mercado para G, existe mercado para os intermediários D e F, que pode ser atendido pela produção de D e de F em excesso ao
necessário para produzir G.
Estão sendo cogitados 3 planos para a produção de G:
R3: G é produzido a partir de F adquirido no mercado.
R2 + R3 : G é produzido a partir de F que é produzido a partir de D adquirido no mercado. Pode ser produzido em excesso de F para atender o seu mercado.
R1 + R2 + R3 : G é produzido a partir de F que é produzido a partir de D que é produzido em R1. Podem ser produzidos excessos de D e F para atender os seus mercados.
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R1: A + 2B C + DR2: D + E F + 2CR3: A + F G + H
Determinar o melhor esquema de produção em termos de Margem Bruta:(R1), (R1 + R2), (R1 + R2 + R3)
A B C D E F G H
R1 -x1 -2 x1 x1 x1 x1
R2 2 x2 - x2 - x2 x2 x2
R3 -1 -1 1 1 x3 = 1
G - (1+x1) - 2x1 x1+2x2 x1 - x2 - x2 x2 - 1 1 1
P 0,6 0,7 0 2,5 0,8 1 3,5 0
MATRIZ ESTEQUIOMÉTRICA DO SISTEMA
MB = 1,9 + 0,5 x1 – 2,3 x2
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R1: A + 2B C + DR2: D + E F + 2CR3: A + F G + H
Determinar o melhor esquema de produção em termos de Margem Bruta:(R1), (R1 + R2), (R1 + R2 + R3)
A B C D E F G H
R1 -x1 -2x1 x1 x1 x1
R2 2x2 -x2 -x2 x2 x2
R3 -1 -1 1 1 x3 = 1
G -(1+x1) -2x1 x1+2x2 x1-x2 -x2 x2-1 1 1
P 0,6 0,7 0 2,5 0,8 1 3,5 0
MATRIZ ESTEQUIOMÉTRICA DO SISTEMA
MB = 1,9 + 0,5 x1 – 2,3 x2
RESTRIÇÕES:0 x1 1 0 x2 1
Problema de PROGRAMAÇÃO LINEAR
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MB = 1,9 + 0,5 x1 – 2,3 x2
RESTRIÇÕES:0 x1 1 0 x2 1
Região Viável R1: A + 2B C + DR2: D + E F + 2CR3: A + F G + H
x1
2,41,9
-0,4 - 0,1
1
1
00
x2
Solução ótima (com os preços praticados):Produzir G adquirindo F no mercadoAtender o mercado de D produzindo-o diretamente de A e B.
![Page 83: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/83.jpg)
RESOLVER OS PROBLEMAS DO LIVRO
![Page 84: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/84.jpg)
UMA ANTE-VISÃO DOS PASSOS SEGUINTES DA SÍNTESE A PARTIR DO EMBRIÃO
![Page 85: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/85.jpg)
THE MASTER PROBLEM
05 de março de 2012
![Page 86: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/86.jpg)
GERAÇÃO DO FLUXOGRAMA COMPLETO DE UM PROCESSO
![Page 87: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/87.jpg)
ENUNCIADO
Propor um processo para a produção do composto P.
Decisões a tomarRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Problema completamente em aberto...
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Nível TecnológicoSeleção de uma Rota
Fluxograma ?Dimensões ?
Nível EstruturalSíntese de um
FluxogramaDimensões ? Lucro?
Nível ParamétricoAnálise do Fluxograma
Dimensionamentodos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
RaizRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Do Capítulo 1: Decisões a tomar: 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*
![Page 89: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/89.jpg)
R1: A + B C + DR2: C + E P + D
SELECIONADA UMA ROTA QUÍMICA...
Propor um fluxograma conceitual para um processo de produção do composto P, a partir das matérias primas A, B e E, segundo as reações abaixo, caso o mesmo apresente um potencial econômico favorável.
Preços de Mercado ($/kmol)A (2) B (3) C(6) D(0) E(5) P(15)
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RESOLUÇÃO
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O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados pelo intermediário C. No decorrer da montagem são executados quase todos os balanços materiais necessários.
4. Detalhar os Sistemas de Separação usando informações do enunciado e do embrião.
5. Estabelecer uma Rede de Trocadores de Calor com base nas capacidades caloríficas fornecidas, nas temperaturas especificadas no enunciado e naquelas resultantes de balanços de energia no reator e nos separadores. Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de correntes.
1. Montar a Matriz Estequiométrica e calcular a Margem Bruta para avaliar o potencial econômico da rota química sugerida.
2. Montar os Sistemas de Reação, a partir dos dados cinéticos.
![Page 92: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/92.jpg)
AVALIAÇÃO ECONÔMICA PRELIMINAR
CÁLCULO DA MARGEM BRUTA
![Page 93: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/93.jpg)
A B C D E P
R1 - 1 - 1 + 1 + 1 0 0
R2 0 0 - 1 + 1 - 1 1G -1 -1 0 2 -1 1
p ($/kmol) 2 3 4 0 5 15
MB = (-1)(2) + (-1)(3) + (2)(0) + (-1)(5) + (1)(15) = 5 $/kmol P
O processo é economicamente promissor.
R1: A + B C + DR2: C + E P + D
Matriz Estequiométrica
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O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados pelo intermediário C. No decorrer da montagem são executados quase todos os balanços materiais necessários.
4. Detalhar os Sistemas de Separação usando informações do enunciado e do embrião.
5. Estabelecer uma Rede de Trocadores de Calor com base nas capacidades caloríficas fornecidas, nas temperaturas especificadas no enunciado e naquelas resultantes de balanços de energia no reator e nos separadores. Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de correntes.
1. Montar a Matriz Estequiométrica e calcular a Margem Bruta para avaliar o potencial econômico da rota química sugerida.
2. Montar os Sistemas de Reação, a partir dos dados cinéticos.
![Page 95: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/95.jpg)
Os dois reatores devem ser termicamente isolados.
SISTEMAS DE REAÇÃO
R1: A + B C + D - conversão por passo: 40%.- calor de reação: 0,073 kWh/kmol- a alimentação do reator deve estar a 120oC.
R2: C + E P + D - conversão por passo: 80%.- calor de reação: 0,069 kWh/kmol- a alimentação do reator deve estar a 100 oC.
Foram selecionados 2 reatores tipo tanque de mistura
![Page 96: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/96.jpg)
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados pelo intermediário C. No decorrer da montagem são executados quase todos os balanços materiais necessários.
4. Detalhar os Sistemas de Separação usando informações do enunciado e do embrião.
5. Estabelecer uma Rede de Trocadores de Calor com base nas capacidades caloríficas fornecidas, nas temperaturas especificadas no enunciado e naquelas resultantes de balanços de energia no reator e nos separadores. Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de correntes.
1. Montar a Matriz Estequiométrica e calcular a Margem Bruta para avaliar o potencial econômico da rota química sugerida.
2. Montar os Sistemas de Reação, a partir dos dados cinéticos.
![Page 97: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/97.jpg)
GERAÇÃO DO FLUXOGRAMA EMBRIÃO
![Page 98: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/98.jpg)
A B C D E PR1 -1 -1 +1 +1 0 0R2 0 0 -1 +1 -1 1G - 1 - 1 0 + 2 - 1 1
S2 R2 M2
100 D 100 A100 B
100 P100 E
100 D25 C 25 E
125 E125 C
S1 R1 M1
100 C
250 B250 A
150 A 100 C 150 B 100 D
100 P 25 C100 D 25 E
150 A 100 B
100 C
![Page 99: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/99.jpg)
S2 R2 M2
100 D 100 A100 B
100 P100 E
100 D25 C 25 E
125 E125 C
S1 R1 M1
100 C
250 B250 A
150 A 100 C 150 B 100 D
100 P 25 C100 D 25 E
150 A 100 B
100 C
As vazões foram obtidas por balanço material e serão observadas em todas as etapas posteriores do projeto
![Page 100: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/100.jpg)
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados pelo intermediário C. No decorrer da montagem são executados quase todos os balanços materiais necessários.
4. Detalhar os Sistemas de Separação usando informações do enunciado e do embrião.
5. Estabelecer uma Rede de Trocadores de Calor com base nas capacidades caloríficas fornecidas, nas temperaturas especificadas no enunciado e naquelas resultantes de balanços de energia no reator e nos separadores. Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de correntes.
1. Montar a Matriz Estequiométrica e calcular a Margem Bruta para avaliar o potencial econômico da rota química sugerida.
2. Montar os Sistemas de Reação, a partir dos dados cinéticos.
![Page 101: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/101.jpg)
DETALHAR OS SISTEMAS DE SEPARAÇÃO S1 e S2
CAPÍTULO 7
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SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
R1: A + B C + D O efluente deve ser resfriado a 70 oC
Volatilidades relativas adjacentes: A (1,5)C (2,0)B (1,2)D
R2: C + E P + D
O efluente deve ser resfriado a 80 oC
Volatilidades relativas adjacentes: C (2,0)E (1,7)P (1,3)D
Para os efluentes dos reatores R1 e R2 deve-se utilizar destilação simples
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150 A
100 C150 B100 D
150 A
100 C
150 B
100 D
100 C
150 B100 D
100 D
150 B
D1
D3
D2
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25 C25 E
100 P100 D
D4
100 P
100 D
D5
25 C 25 E
100 P
100 D
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FLUXOGRAMA ATUALIZADO
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D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
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O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados pelo intermediário C. No decorrer da montagem são executados quase todos os balanços materiais necessários.
4. Detalhar os Sistemas de Separação usando informações do enunciado e do embrião.
5. Estabelecer uma Rede de Trocadores de Calor com base nas capacidades caloríficas fornecidas, nas temperaturas especificadas no enunciado e naquelas resultantes de balanços de energia no reator e nos separadores. Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de correntes.
1. Montar a Matriz Estequiométrica e calcular a Margem Bruta para avaliar o potencial econômico da rota química sugerida.
2. Montar os Sistemas de Reação, a partir dos dados cinéticos.
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SISTEMA DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICARede de Trocadores de Calor
Capacidade Calorífica (kWh / kmol oC)
A (0,030)B (0,026)C (0,022)D (0,020)E (0,024)P (0,028)
R1
- calor de reação: 0,073 kWh / kmol.- a alimentação do reator deve estar a 100oC.- o efluente deve ser resfriado a 70 oCR2 - calor de reação: 0,069 kWh / kmol.- a alimentação do reator deve estar a 100 oC.- o efluente deve ser resfriado a 80 oC
Reagentes A, B e E disponíveis a 25 oC
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Para identificar as correntes quentes e frias, é necessário determinar as temperaturas To2 e To11
BALANÇOS DE ENERGIA
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M1
01 03
04
02A B A B
To2 Td2A B C D
A T4
To3 Td3
B C DT5
B DT6
BT7
DT8
CT9
ET10
To11Td11To12Td12
C E
P DT14
C ET13
PT15
DT16
05
06
07
08
T1
09
101112
13
14
15
16
C E P D
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Td12 80Td3 70Td11 100Td2 120T1 25T10 25T4 12T5 102T9 67T6 115T7 107T8 131T13 49T14 97T15 86T16 112To2 48To11 46To3 130To12 119
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
Resultam as temperaturas das
correntes
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Td12 80Td3 70Td11 100Td2 120T1 25T10 25T4 12T5 102T9 67T6 115T7 107T8 131T13 49T14 97T15 86T16 112To2 48To11 46To3 130To12 119
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M10103
04
02
100 A100 B
To2 Td2
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
10
11
12
13
14
15
16
E, delas, a rede de trocadores de calor
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D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M10103
04
02
100 A100 B
To2 Td2
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
10
11
12
13
14
15
16
O fluxograma deve ser otimizado
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W6 =8.615 kg/hT*
6 = 150 oC
W10 =36.345 kg/hT*
10 = 80 oCW13 = 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*11 = 0,002
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/hf31 = 99.800 kg/h
W7 = 8.615 kg/hT*
7 = 150 oC
W5 = 36.345 kg/hT*
5 = 80 oC
W3 = 37.544 kg/hx13 = 0,002
T3 = 25 oCf13 = 120 kg/hf23 = 37.424 kg/h
W4 = 1.200 kg/hx*
14 = 0,1
T4 = 80 oCf14 = 120 kg/hf24 = 1.080 kg/h
W12 = 59.969 kg/hT*
12 = 30 oCW12 = 228.101 kg/hT*
12 = 30 oC
W14 = 1.080 kg/hT*
14 = 25 oC
W2 = 99.880 kg/hx12 = 0,0008
T2 = 25 oCf12 = 80 kg/hf32 = 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
*= 0,0833 h
r* = 0,60
Ae = 124 m2
Ac = 119 m2
Ar = 361 m2
Dimensionamento
W15 = 37.425 kg/hT13 = 25 oC
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W6 =5.857 kg/hT*
6 = 150 oC
W10 =24.670 kg/hT*
10 = 80 oCW13 = 24.670 kg/hT13 = 25 oC
W11 = 48.604 kg/hT*
11 = 15 oCW8 = 78.395 kg/hT*
8 = 15 oC
W*1 = 100.000 kg/h
x*11 = 0,002
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/hf31 = 99.800 kg/h
W7 = 5.857 kg/hT*
7 = 150 oC
W5 = 24.670 kg/hT*
5 = 80 oC
W3 = 25.682 kg/hx13 = 0,004
T3 = 25 oCf13 = 101 kg/hf23 = 25.581 kg/h
W4 = 1.012 kg/hx*
14 = 0,1
T4 = 80 oCf14 = 101 kg/hf24 = 911 kg/h
W12 = 48.604 kg/hT*
12 = 27 oCW9 = 78.395 kg/hT*
9 = 44 oC
W14 = 911 kg/hT*
14 = 25 oC
W2 = 99.898 kg/hx12 = 0,001
T2 = 25 oCf12 = 98 kg/hf32 = 99.800 kg/h
EXTRATOR
Extrato
Rafinado
EVAPORADOR
CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR
BOMBA
1
2
3
4
5
67
8
910
11
12
13
14
15
Vd = 10.742 l
*= 0,0833 h
r = 0,506
Ae = 84 m2
Ac = 95 m2Ar = 238 m2
Otimização(r, T9, T12)
W15 = 25.581 kg/hT13 = 25 oC
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DAQUI EM DIANTE SÃO APRESENTADOS CONCEITOS E MÉTODOS ASSOCIADOS AO DETALHAMENTO DO
FLUXOGRAMA EMBRIÃO
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6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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6.2 NATUREZA COMBINATÓRIA DO PROBLEMA DE SÍNTESE
A multiplicidade de soluções decorrente da natureza combinatória do problema.
Gerar os fluxogramas plausíveis para um processo a partir do conjunto de equipamentos plausíveis.
Em que consiste o PROBLEMA DE SÍNTESE ?
PRINCIPAL DIFICULDADE
Cada fluxograma plausível é uma solução viável doProblema de Síntese
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Problema Ilustrativo para Síntese (Capítulo 1)
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:
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.
RT
RM
DS DE
T
A R
![Page 119: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/119.jpg)
Equipamentos Disponíveis para o 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 disponibilizando-os para a
Análise.
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Fluxogramas Plausíveis para a Processo IlustrativoGerados ao Acaso
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)
![Page 121: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/121.jpg)
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)
![Page 122: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/122.jpg)
Basta observar o que ocorre isoladamente nos sistemas de
- Separação
- Integração Energética
Porém, o número de fluxogramas plausíveis cresce em escala proibitiva com o número e do tipo de equipamentos necessários.
Com o auxílio da Análise, os 8 fluxogramas são avaliados na busca do melhor (problema simples: apenas 8 fluxogramas !)
![Page 123: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/123.jpg)
Para separar dois componentes (P e A), com dois processos plausíveis, só há duas alternativas:
DS
P
RM
R
A
A,B
P,A
A
(7)
P
DE
RM
R
A
A,B
P,A
A
(9)
Mas, para 3 componentes...
![Page 124: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/124.jpg)
BA
C 1
1A
A
B
C
1
B
B
A
C
1
1
B
A
B
C
2
C
BA
C 1
A
A
B
C
3
2B
BA
C
1A
A
B
C
2
B
4
B
A
C
1
B
A
B
C
2C
5
B
A
C
1B
A
B
C
C
6
2
BA
C
A
A
B
C
2
2
7
B
B
A
C B
A
B
C
C
2
8
2
3 componentes2 processos
Diferenças:Seqüência dos CortesTipo de Separadores
8 fluxogramas
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Número de Fluxogramas Possíveis C P = 1 P = 2 P = 3 2 1 2 3 3 2 8 18 4 5 40 135 5 14 224 1.134 6 42 1.344 10.206 7 132 8.448 96.228 8 429 54.912 938.223 9 1.430 366.080 9.382.23010 4.862 2.489.344 95.698.746
C: No. de componentesP: No. de processos plausíveisN: No.de fluxogramas possíveis
![Page 126: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/126.jpg)
Para integrar duas correntes de processo só há uma alternativa
T
RM
A,B
P,A
DS
P
A
(8)
Mas, para 4 correntes ...
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F2
F1
Q2 Q1
1F2
F1
Q2 Q1
2
Q2 Q1
F2
F1 3F2
F1
Q2 Q1
4
F2
F1
Q2 Q1
5
Q2 Q1
F2
F1 6F2
F1
Q2 Q1
7
Q2 Q1
F2
F18
F2
F1
Q2 Q1
9F2
F1
Q2 Q1
10F2
F1
Q2 Q1
11F2
F1
Q2 Q1
12
Q2 Q1
F2
F1 13
Q2 Q1
F2
F1 14
Q2 Q1
F2
F1 15
Q2 Q1
F2
F1 16
Com diversas variações 672 redes
![Page 128: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/128.jpg)
Combinando-se as alternativas dos dois sub-sistemas, imagina-se a complexidade que pode assumir o problema de Síntese de um
processo completo:
EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!
![Page 129: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/129.jpg)
EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!
O projetista até que pode imaginar diversos fluxogramas, mas não todos.
![Page 130: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/130.jpg)
Segundo DesafioEncontrar a melhor solução no meio deste conjunto
numeroso e desordenado das soluções viáveis (ANÁLISE).
Primeiro Desafio Conseguir gerar de todos os fluxogramas possíveis
que podem ser inúmeros
![Page 131: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/131.jpg)
Muitas vezes abre-se mão da solução ótima em favor da melhor solução possível supostamente próxima da ótima
![Page 132: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/132.jpg)
A busca da solução ótima é muitas vezes impraticável, e até mesmo irrelevante, pois pode existir um conjunto de
soluções igualmente boas, equivalentes.
![Page 133: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/133.jpg)
(a) complexidade do problema: a busca é mais demorada e mais onerosa em problemas complexos do que em problemas mais simples.
O sucesso nesse empreendimento é função de:
(b) metodologia empregada: métodos científicos de busca são mais bem sucedidos do que a busca ao acaso
Ferramenta importante INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL
![Page 134: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/134.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
![Page 135: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/135.jpg)
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
Teoria e Engenharia de Sistemas:Tratamento de Conjuntos Complexos de Elementos Interdependentes
Inteligência Artificial:Resolução de Problemas Combinatórios
“Fertilização” da Eng. Química tradicional com elementos de:- Teoria e Eng. de Sistemas - Inteligência Artificial
6.3 INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL NA SÍNTESE DE PROCESSOS
![Page 136: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/136.jpg)
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 : faculdade ou processo de tirar conclusões lógicas
![Page 137: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/137.jpg)
- processamento de linguagem natural- percepção e reconhecimento de padrões- armazenamento e recuperação de informação- robótica- jogos- programação automática- lógica computacional- sistemas com aprendizado- sistemas especialistas- nesta disciplina: resolução de problemas
Aplicações de Inteligência Artificial
![Page 138: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/138.jpg)
Estratégias básicas preconizadas pela Inteligência Artificial na Resolução de Problemas Complexos
(a) decomposição do problema em sub-problemas de resolução mais simples, resolvendo-os de forma coordenada.
(b) representação prévia do problema como forma de visualizar todas as soluções e orientar a resolução.
![Page 139: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/139.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
![Page 140: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/140.jpg)
6.4 DECOMPOSIÇÃO DE PROBLEMAS
Problemas complexos devem ser decompostos em sub-problemas de resolução mais simples.
Problema
SP 1 SP 2 SP 3 SP 4
![Page 141: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/141.jpg)
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
![Page 142: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/142.jpg)
Exemplo 1: Travessia Perigosa 3 travessias menos perigosas
destino
travessia perigosa
![Page 143: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/143.jpg)
Projeto
Rotas Síntese Análise
Exemplo 2: decomposição do Problema Central (Projeto) em seus Sub-Problemas
Rotas: enumerar as rotas que conduzem ao produto de interesse
Síntese: gerar os fluxogramas compatíveis com cada uma das rotas
Análise: avaliar cada um dos fluxogramas gerados na Síntese
![Page 144: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/144.jpg)
Sub-tarefas:
(d) Controle: responsável pela operação segura e estável do processo.
(c ) Integração: responsável pela movimentação de matéria e ajustes detemperatura 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.
Exemplo 3: decomposição do Processo.
Reação Separação Integração Controle
ProcessoProdutoMatéria
prima
![Page 145: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/145.jpg)
Síntese do Fluxograma
Reflexo na síntese dos fluxogramas do processo
Sistemade Separação
Sistemade Integração
Sistemade Controle
Sistemade Reação
![Page 146: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/146.jpg)
Projeto
Rotas Síntese Análise
Decomposição do Problema de Projeto
Sistemade Separação
Sistemade Integração
Sistemade Controle
Sistemade Reação
![Page 147: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/147.jpg)
DECOMPOSIÇÃO NA ORGANIZAÇÃO DO TEXTO/DISCIPLINA
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
![Page 148: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/148.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
![Page 149: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/149.jpg)
6.5 REPRESENTAÇÃO DE PROBLEMASUma das maiores limitações na solução do problema de Projeto
antes do advento da Engenharia de Processos:
enumerar todas as soluções possíveis para não omitir a solução ótima.
O projetista pode imaginar diversas soluções, mas não todas
![Page 150: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/150.jpg)
Representação de Problemas: adotar uma representação que
- inclua todas as soluções possíveis
- oriente a busca da solução ótima.
Uma das maiores contribuições da Inteligência Artificial:
![Page 151: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/151.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
![Page 152: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/152.jpg)
6.5 REPRESENTAÇÃO DE PROBLEMAS6.5.1 Representação por Árvores de Estado
Estado Final : um fluxograma completo
Estado
Um fluxograma viável do problema
Estado Intermediário: um fluxograma incompleto obtido durante a construção do fluxograma completo.
![Page 153: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/153.jpg)
Exemplo: Árvore de Estados.
A Árvore de Estados é uma figura com o aspecto de uma árvore invertida em que são colocados todos os estados relativos a um
sistema
![Page 154: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/154.jpg)
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.
![Page 155: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/155.jpg)
Exemplo 1: Representação do Sub-Problema de Síntese por Árvore de Estados
Problema Ilustrativo:
Um produto P obtido a partir dos reagentes A e B.
Reatores plausíveis: Reator de Mistura (RM) ou Reator Tubular (RT)
Separadores plausíveis: Destilação Simples (DS) ou Destilação Extrativa (DE).
Os reagentes devem ser pré-aquecidos e o efluente do reator resfriado.Podem ser usados esquema sem Integração Energética (SI) - aquecedor (A) com vapor;- resfriador (R) com água;ou com Integração Energética (CI):- trocador de integração (T).
![Page 156: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/156.jpg)
Equipamentos Disponíveis para o Processo Ilustrativo
RM
Reator demistura
RT
Reator tubular
DS
Coluna de destilaçãosimples
DE
Coluna de destilaçãoextrativa
A
Aquecedor
R
Resfriador
T
Trocador deIntegração
![Page 157: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/157.jpg)
Fluxogramas Plausíveis para a Processo IlustrativoGerados ao Acaso
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)
![Page 158: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/158.jpg)
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)
![Page 159: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/159.jpg)
Representação do Problema de Síntese por Árvore de Estados
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 durante a agregação dos sucessivos equipamentos
![Page 160: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/160.jpg)
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
![Page 161: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/161.jpg)
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 ?
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
x o = 3x*
8
L
xx o = 4x*
L
10
xx o = 6x*
L
x
7
x o = 5x*
![Page 162: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/162.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
![Page 163: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/163.jpg)
SUPER - ESTRUTURA
Uma estrutura que abriga qualquer uma das estruturas alternativas para um sistema.
ExemploSuper-estrutura para algarismos
![Page 164: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/164.jpg)
DE
DS
RT
RM
T
R
A
Super – estrutura para o exemplo ilustrativo
Contém todos os equipamentos e todas as conexões lógicas.
Abriga todos os fluxogramas possíveis do exemplo.
![Page 165: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/165.jpg)
Super-estrutura do Problema evidenciando o Fluxograma 7
DE
DS
RT
RM
T
R
A
DS
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
(7)
![Page 166: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/166.jpg)
DE
DS
RT
RM
T
R
A
RM
A,B
P,A
DS
P
A
T
(8)
Super-estrutura do Problema evidenciando o Fluxograma 8
![Page 167: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/167.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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6.6 RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS
Qualquer um desses métodos só conduz à solução ótima se contemplar a interdependência dos equipamentos em cada
uma das suas etapas. Não se pode incluir ou excluir um equipamento de um processo sem levar em conta o efeito desta
inclusão ou exclusão sobre todos os demais.
A Engenharia de Processos coloca diversos métodos de projeto à disposição do engenheiro químico, dos mais simples
aos mais complexos, dos mais aproximados aos mais rigorosos. Esses métodos podem ser classificados como:
Método da Busca ExaustivaMétodos Matemáticos Métodos Intuitivos.
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6.6.1 Método Heurístico 6.6.2 Método Evolutivo 6.6.3 Busca Orientada por Árvores de Estado 6.6.4 Super-estruturas
Serão apresentados 4 métodos de resolução do problema de síntese
Os dois primeiros são intuitivos e não são orientados pelas representações. Procuram evitar a explosão combinatória e não
conduzem necessariamente à solução ótima.
Os dois últimos se orientam pelas representações e conduzem à solução ótima. Mas, por não evitarem a explosão
combinatória, podem se tornar inviáveis.
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6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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6.5 RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS 6.5.1 Resolução pelo Método Heurístico
Trata-se de um dos métodos utilizados intuitivamente pelo homemao se defrontar com um problema complexo.
Método identificado e formalizado pela Inteligência Artificial
Uma forma de evitar a Explosão Combinatória
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Heurística: Termo de origem grega que significa auxílio à invenção.
Regra Heurística:
- Regra empírica resultante da experiência acumulada na resolução de problemas.
- Existem regras específicas para cada área do conhecimento.
- Não são deduzidas matematicamente.
Exemplos: - provérbios - escolha do caminho para casa ou para o trabalho - receitas culinárias
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Antecipando algumas Regras Heurísticas
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REGRAS HEURÍSTICAS PARA SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
Regra 7: Ao usar destilação, ou processo semelhante, remover como destilado a espécie de maior valor ou produto desejado.
Regra 6: Remover logo os componentes corrosivos ou mais perigosos.
Regra 5: Evitar separações que exigem espécies estranhas à mistura, removendo-as logo que possível no caso de se ter que usá-las.
Regra 4: Evitar extrapolações de temperatura e de pressão, dando preferência a condições elevadas se tais extrapolações forem necessárias.
Regra 3: Ao usar destilação, remover um componente de cada vez como destilado.
Regra 2: Se os componentes estiverem em quantidades equivalentes, então efetuar, por último, a separação mais difícil (ou a mais fácil primeiro).
Regra 1: Se a dificuldade dos cortes não diferir muito, então remover primeiro o componente em maior quantidade. Se as quantidades forem iguais, separar em partes iguais.
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3. Extensão da Troca Térmica: Efetuar a troca máxima respeitando um DTmin de 10 oC ou 20 oF.
REGRAS HEURÍSTICAS PARA REDES DE TROCADORES DE CALOR
1. Tipo de Trocador:Iniciar a síntese com trocadores de tipo casco-e-tubo, de passo simples, com escoamento em contracorrente.
2. Pares de Correntes: RPS: QMTO x FMTO ou QmTO x FmTO PD : QMTO x FMTD
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Método HeurísticoMétodo de decisões sucessivas.
Repetir Reconhecer as circunstâncias do problema Selecionar uma Regra Aplicar a Regra Obter uma solução parcialAté Chegar à Solução Final
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Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico
0
2
5
12
RT
DS
CI
11SI
6
13 14
DE
CISI
1
3 4
7 8 9 10
RM
DS DE
CICI SISI
RT DSA,P
P
A
T
A,B
(12)
Regras para reatores
Regras para separadores
Regras para Integração
Fluxograma completoUm dos ramos da árvore de
estados
Repetir Reconhecer as circunstâncias do problema Selecionar uma Regra Aplicar a Regra Obter uma solução parcialAté Chegar à Solução Final
Evitada a Explosão Combinatória !!!
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O Método Heurístico é um Método de decisões seqüenciais.
Por este motivo, embora as Regras Heurísticas procurem contribuir para uma solução de custo o mais baixo possível, esta
solução não pode ser a ótima.
Cada decisão é influenciada pelas decisões anteriores e influencia as decisões posteriores.
A interdependência dos elementos é ignorada pelo Método simplesmente porque cada decisão é tomada sem o
conhecimento do restante do sistema, que ainda não existe.
O sistema é montado progressivamente como fruto de uma sequencia de decisões.
![Page 179: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/179.jpg)
Método Heurístico
O Método Heurístico não conduz à solução ótima.Almeja produzir uma solução economicamente próxima da
ótima
Vantagem: rapidez.
Contorna a Explosão Combinatória
Ignora as demais soluções
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6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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6.5 RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS 6.5.2 Resolução pelo Método Evolutivo
Trata-se de um outro método utilizado intuitivamente pelo homemao se defrontar com um problema complexo.
Uma forma de evitar a Explosão Combinatória
Método identificado e formalizado pela Inteligência Artificial
![Page 182: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/182.jpg)
O Método Evolutivo consiste na evolução sucessiva de uma solução inicial (base) em direção a uma solução final,
possivelmente ótima.
A evolução se dá pela aplicação sucessiva de duas etapas:
(b) progressão: consiste na adoção do melhor fluxograma “vizinho” como fluxograma base.
O Método se encerra quando nenhum fluxograma “vizinho” se mostrar Superior ao fluxograma base que é, então, adotado como solução final.
(a) exploração: consiste na exploração de fluxogramas estruturalmente “vizinhos” do fluxograma base.
![Page 183: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/183.jpg)
O Método Evolutivo é uma versão estrutural dos métodos numéricos de otimização: ao invés de se manipular números (Hooke&Jeeves)
manipulam-se estruturas.
O Método é de fácil aplicação: basta saber identificar fluxogramas vizinhos.
![Page 184: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/184.jpg)
RM DS [A,R]
7
RM DS [T]8
RM DE [A,R]
9
RT DS [A,R]
11
Exemplo: O Fluxograma 7 e os seus três Vizinhos Estruturais
Fluxograma Vizinho: é aquele que difere do Base por um único elemento estrutural .
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)
![Page 185: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/185.jpg)
Como opera o Método Evolutivo
Evita a Explosão Combinatória !!!
Método Heurístico
100
80
6090
75
100
90 300200
95
80
100
90
70
60
80 70
50
40
5060
10
40 3020
Senão adotar o fluxograma Base como solução
Gerar um fluxograma Base
Repetir Identificar e otimizar os fluxogramas vizinhos Identificar o fluxograma vizinho de menor custo
Se Custo do fluxograma vizinho < Custo do fluxograma Base Então tomar como fluxograma Base o fluxograma vizinho de menor custo
Ignora as demais soluções
![Page 186: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/186.jpg)
Vizinhança Estrutural em Sistemas de Separação
BA
C 1
A
A
B
C
BA
C 1
1A
A
B
C
1
BA
C
1A
A
B
C
3
2
B
A
C
1
B
A
B
C
2C
BA
C
A
A
B
C
5
2
B
A
C
1
1
B
A
B
C
2
C
2
2
7
B
A
C B
A
B
C
C
2B
A
C
1B
A
B
C
C
6
2
8
2
B B
B B
4
Os fluxogramas diferem de seus vizinhos (setas) por um corte ou por um processo de separação
Partindo de qualquer fluxograma é possível percorrer todo o espaço de soluções e encontrar a solução ótima.
![Page 187: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/187.jpg)
F2
F1
Q2 Q1
1F2
F1
Q2 Q1
2
Q2 Q1
F2
F1 3F2
F1
Q2 Q1
4
F2
F1
Q2 Q1
5
Q2 Q1
F2
F1 6F2
F1
Q2 Q1
7
Q2 Q1
F2
F18
F2
F1
Q2 Q1
9F2
F1
Q2 Q1
10F2
F1
Q2 Q1
11F2
F1
Q2 Q1
12
Q2 Q1
F2
F1 13
Q2 Q1
F2
F1 14
Q2 Q1
F2
F1 15
Q2 Q1
F2
F1 16
.
Os fluxogramas diferem de seus vizinhos (setas) pela inversão de uma das quatro correntes (sequência de trocas térmicas).
Vizinhança Estrutural em Redes de Trocadores de Calor
Partindo de qualquer fluxograma é possível percorrer todo o espaço de soluções e encontrar a solução ótima.
![Page 188: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/188.jpg)
Circunstâncias em que o Método Evolutivo encontra aSolução Ótima
Espaço de soluções fortemente conexo
Qualquer fluxograma pode ser alcançado a partir de qualquer outro, como nos exemplos anteriores.
![Page 189: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/189.jpg)
Circunstâncias em que o Método Evolutivo pode não encontrar a Solução Ótima
Espaço de soluções desconexo
Fluxogramas de um sub-espaço não podem ser alcançados a partir do outro.
![Page 190: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/190.jpg)
Circunstâncias em que o Método Evolutivo pode não encontrar a Solução Ótima
Fluxograma-base “cercado”. Apela-se para métodos alternativos ("Simulated Annealing)
![Page 191: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/191.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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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.
![Page 193: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/193.jpg)
desordenadas
![Page 194: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/194.jpg)
APLICANDO LOCALIZADAMENTE À GERAÇÃO DE UM FLUXOGRAMA
![Page 195: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/195.jpg)
Equipamentos disponíveis para a geração do fluxograma do Processo
RM
Reator demistura
RT
Reator tubular
DS
Coluna de destilaçãosimples
DE
Coluna de destilaçãoextrativa
A
Aquecedor
R
Resfriador
T
Trocador deIntegração
![Page 196: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/196.jpg)
Fluxogramas Plausíveis para o Processo
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)
![Page 197: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/197.jpg)
Fluxogramas Plausíveis para o Processo
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)
![Page 198: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/198.jpg)
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma por Árvore de Estados
0
1 2
3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
RM RT
DSDS DEDE
CI CICI CISI SI SISI
R
A,B
RM
P,A DS
P
A
A (7)Na raiz da árvore ainda não existe fluxograma0
7Veja o fluxograma completo
Descer na árvore corresponde a agregar equipamentos
![Page 199: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/199.jpg)
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma por Árvore de Estados
0
1 2
3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
RM RT
DSDS DEDE
CI CICI CISI SI SISI
RM
A,B
P,A
DS
P
A
T
(8)
![Page 200: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/200.jpg)
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma por Árvore de Estados
0
1 2
3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
RM RT
DSDS DEDE
CI CICI CISI SI SISI
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
DE
(9)
![Page 201: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/201.jpg)
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma por Árvore de Estados
0
1 2
3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
RM RT
DSDS DEDE
CI CICI CISI SI SISI
RM
A,B
P,A
P
A
T DE
(10)
![Page 202: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/202.jpg)
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma por Árvore de Estados
0
1 2
3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
RM RT
DSDS DEDE
CI CICI CISI SI SISI
DSRT RAA,B A,P
P
A
(11)
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Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma por Árvore de Estados
0
1 2
3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
RM RT
DSDS DEDE
CI CICI CISI SI SISI
DSRT A,P
P
A
T
A,B
(12)
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Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma por Árvore de Estados
0
1 2
3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
RM RT
DSDS DEDE
CI CICI CISI SI SISI
RT RAA,B A,P
P
A
DE
(13)
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Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma por Árvore de Estados
0
1 2
3 4 5 6
7 8 9 10 11 12 13 14
RM RT
DSDS DEDE
CI CICI CISI SI SISI
RT A,P
P
A
T
A,B
DE
(14)
![Page 206: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/206.jpg)
Resolução do Problema de Síntese por Árvore de Estados Busca Inteligente com Limitação (“Branch-and-Bound”)
RM10
110
RT15
215DS
60
SI60
3
70
DE110
DS60
5
75SI
65
DE95
CI40
4
120X
6
110X7
130
8
110
12
105
CI30
11
140X
0
0
A ramificação é interrompida [X] quando o custo acumulado de um ramoultrapassa o custo da melhor solução completa até então obtida [].
SoluçãoForam geradas 12 estruturas
Análise das estruturas intermediárias e cálculo do custo acumulado
Geração de umasolução inicial
Progresso da solução
130
110105
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APLICANDO AO PROJETO DE UM PROCESSO (CAPÍTULO 1)
Duas rotas químicas
Dois fluxogramas viáveis para cada rota química
Infinidade de soluções numéricas (conjunto de valores para as variáveis do processo). Uma variável de projeto
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Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4 demais dimensões.
Nível TecnológicoSeleção de uma Rota
Fluxograma ?Dimensões ?
Nível EstruturalSíntese de um
FluxogramaDimensões ? Lucro?
Nível ParamétricoAnálise do Fluxograma
Dimensionamentodos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
RaizRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Resolução do Problema de Projeto por 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*
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6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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DE
DS
RT
RM
T
R
A
6.5.4 Resolução por Super-estruturas
DS
RM
R
A
A,B
P,A
P
A
(7)
Resolve-se um problema de programação não-linear com inteiros: geradas e analisadas diversas estruturas..
Escrevem-se os modelos dos equipamentos e conexões.
A cada equipamento é associada uma variável binária. Na solução: (1) equip. presente; (0) equip. ausente.
![Page 211: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/211.jpg)
Processo Químico
Reação Separação Integração Controle
ReaçãoSeparação
SeparaçãoIntegração
Algumas sub-tarefas já podem ser projetadas conjuntamente
![Page 212: CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 20 de maio de 2013](https://reader030.vdocuments.net/reader030/viewer/2022012919/570638461a28abb8238f2f85/html5/thumbnails/212.jpg)
6.1 Fluxograma Embrião 6.1.1 Geração do Fluxograma 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos6.4 Decomposição de Problemas6.5 Representação de Problemas 6.5.1 Representação por Árvores de Estado 6.5.2 Representação por Super-estruturas6.6 Resolução de Problemas 6.6.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.6.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.6.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.6.4 Resolução por Super-estruturas
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOSEm retrospectiva:
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Esta é a planilha do programa Margem Bruta.xls encontrado no “site” em Material Didático
A B C D E F MR1 -1 -1 0 1 0 0 0R2 0 0 1 -1 0 0 1R3 1 0 -2 0 -0,5 1 0G 0 -1 -1 0 -0,5 1 1
A B C D E F M xR1 0 0 0 0 0 0 0 0R2 0 0 1 -1 0 0 1 1R3 0,5 0 -1 0 -0,25 0,5 0 0,5G 0,5 0 0 -1 -0,25 0,5 1p 2,8 0,84 0 3,43 0 0 3,1
MB 1,40 0,00 0,00 -3,43 0,00 0,00 3,10 1,07 $/lbmol M
BALANCEAMENTO DE SISTEMAS DE REAÇÕES
MATRIZ BALANCEADA
MATRIZ ORIGINAL: Exemplo do Livro
Para obter soluções avulsas execute a sequência:
(b) altere o preço do HCl (C) segundo o seu coeficiente global: positivo (0) ou negativo (14,4).(c) observe a Margem Bruta resultante.
(a) atribua valores a x1 e x3 mantendo x2 = 1 (presença compulsória de R2 e MB $/lbmol de M).
Para obter a solução ótima:
(b) clique em Otimizar e ignore a mensagem de erro que aparece.(a) coloque o preço do HCl (C) igual a zero (não é admitida compra de HCl).
Otimizar