parte 2.2

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO 
Parte 2.2 : Design de Processos Químicos 
 
 
Ana Maria Furtado 
 Tipos de processos químicos 
 Fluxogramas ou Diagramas de Processos 
 Design de um processo químico 
 Planejamento básico do projeto de um processo 
químico: modelo irredutível e superestrutura 
 Hierarquia de um processo químico 
 Reator 
 Sistemas de Separação 
O objetivo principal do projeto? 
Fabricar o Produto com qualidade e lucro. 
 ESTRATÉGIA ABORDADA NO PROJETO 
 DE UM PROCESSO QUÍMICO 
Processo 
ANATOMIA DE PROCESSO QUIMICO 
Recebimento 
e Estocagem 
de Matéria-
prima 
Preparo da 
 Matéria-
prima 
 
Reação 
 
Separação 
do 
Produto 
Embalagem e 
estocagem 
do Produto 
Venda 
Reciclo de Matéria-
prima não reagida 
Subprodutos 
Rejeitos 
Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Estágio 4 Estágio 5 
Estágio 1: 
Estoque para garantir a fabricação em caso de flutuações ou interrupções 
de fornecimento. Garantir a qualidade da MP (isolamento térmico, 
refrigeração etc.) 
 
 Planta adjacente: estoque de horas ou dias 
 Fornecimento local: estoque de dias ou semanas 
 Importações: estoque de meses 
 
 Tipos: Tanques, silos, armazéns 
ANATOMIA DE PROCESSO QUIMICO 
Recebimento 
e Estocagem 
de Matéria-
prima 
Preparo da 
 Matéria-
prima 
 
Reação 
 
Separação 
do 
Produto 
Embalagem e 
estocagem 
do Produto 
Venda 
Reciclo de Matéria-
prima não reagida 
Subprodutos 
Rejeitos 
Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Estágio 4 Estágio 5 
Estágio 2: Retirar a MP do estoque e colocá-las no reator atendendo as condições 
de operação (T, P, fase, quantidades etc). Exemplos: 
 
 Garantir o grau de pureza especificado. 
 Eliminar contaminantes que possam envenenar o catalisador. 
 Líquidos devem ser vaporizados se a reação é na fase gasosa 
 Sólidos: pode ser necessário ser moídos e classificados (granulometria) 
 Sólidos: pode ser necessário ser pesados ​​e misturados em suspensões ou 
soluções: 
 Transporte: Líquidos (bombas); gases (compressores); sólidos (esteiras 
transportadoras) 
 
ANATOMIA DE PROCESSO QUIMICO 
Recebimento 
e Estocagem 
de Matéria-
prima 
Preparo da 
 Matéria-
prima 
 
Reação 
 
Separação 
do 
Produto 
Embalagem e 
estocagem 
do Produto 
Venda 
Reciclo de Matéria-
prima não reagida 
Subprodutos 
Rejeitos 
Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Estágio 4 Estágio 5 
Estágio 5: 
Quantidade de produto em estoque = função da natureza do produto e do 
mercado 
 
Embalagem e transporte dependem da natureza do produto. 
 
Líquido: Tambores e caminhões tanque 
Sólidos: Sacos, caixas,fardos, bigbag, Bulk Truck (carreta silo) 
Gas: balas, caminhão tanque 
Bigbag 
Bulk truck 
(carreta silo) 
Introdução 
 Projetos podem ser divididos em três tipos: 
 
1. Modificação/adições em plantas já existentes ( ~50%) 
(manutenção, gargalos, aumento de produtividade etc.). 
 
2. Aumento da capacidade de produção para atender a um 
aumento na demanda de mercado (~45%). 
 
3. Processo completamente novo (~5%), na maioria dos 
casos atrelado a um novo produto. 
 
 
MODIFICAÇÃO E MELHORIA DE PROCESSOS ESTABELECIDOS 
 
Motivos (exemplos): 
 Redução no investimento (capital) e/ou reduzir custos de 
fabricação/MP. 
 Modernização de uma planta (Retrofit) 
 Adequação aos padrões de Segurança (Leis). 
 Aumento da Confiabilidade da Planta (redução da probabilidade de 
falhas): bombas, compressores, trocador de calor (equipamento em 
paralelo), redução de incrustações, corrosão etc. 
 Redução do Impacto ambiental 
 
Análise do PFD já existente. 
Nota: Qualidade do produto deve ser garantida! 
 
 MODIFICAÇÃO E MELHORIA DE PROCESSOS ESTABELECIDOS 
Processo 
 
Meta: Aumentar a produção em 35%, mas a coluna de destilação está na 
sua capacidade máxima. 
 
 
 
 
 
 
 
Alternativas possíveis: 
1. Construir outra torre de destilação em paralelo à existente; 
2. Substituir os pratos por recheio na coluna existente; 
3. Aumentar o número de pratos na coluna existente; 
4. Contratar a produção extra de outra empresa/companhia; 
Qual será a melhor escolha? 
Fatores considerados na seleção do Processo 
 
 Patente 
 Segurança e Meio ambiente 
 Restrições impostas por Lei 
 Experiência e Confiabilidade: 
 “Se um processo é amplamente adotado por muitas empresas, 
então é provável que seja fácil de aplicar numa nova planta.” 
“Uma tecnologia que só foi construída uma ou duas vezes ainda 
pode ter problemas e portanto, ser de difícil implementação”. 
 Desenvolvimento de Novos Processos 
Frequência: baixa, devido aos riscos financeiros elevados 
inerentes ao uso de tecnologia não comprovada. 
 
Apesar da frequência baixa, este tema é objeto de estudo no meio 
academico e industrial 
 
 
Criar e aplicar Metodologias para realização deste trabalho 
Design de Processos Químicos 
SÍNTESE 
SIMULAÇÃO 
ou ANÁLISE 
OTIMIZAÇÃO 
Normalmente, as metodologias utilizadas no design de 
processos são compostas por três atividades : 
Criar o processo. 
Prever o comportamento processo. 
Selecionar a opção/condição 
ótima a partir de um conjunto 
de soluções possíveis. 
Design de Processos Químicos - Síntese 
A Síntese de um processo químico envolve duas 
atividades: 
 
a) Seleção os equipamentos necessários para a execução 
do processo 
 
 
 
 
Design de Processos Químicos - Síntese 
b) Conectar as equipamentos formando plausíveis 
fluxogramas do processo 
 
Design de Processos Químicos - Síntese 
Exemplos de atividades realizadas na síntese: 
 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 
 
A síntese de processos engloba a geração e escolha entre 
diversas tecnologias, configurações e condições 
operacionais (número de alternativas elevado) 
 
Design de Processos Químicos - Síntese 
Definição: 
 
É um processo que visa selecionar os elementos do 
processo e definir como estes serão interconectados de 
modo a obter estruturas completas candidatas ao 
atendimento aos objetivos do projeto. 
 
 Resultado da síntese: Fluxogramas. 
 
 
Design de Processos Químicos – Síntese 
Exemplo 1 
Objetivo: 
• Separar o produto do subproduto. 
• Reciclar Alimentação não convertida. 
 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
Exemplo 1 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
Fluxograma – ( Reator A) 
Opção 1 
Alimentação não convertida é reciclada 
Troca térmica: Fluidos oriundas das utilidades 
(ineficiente no uso da energia). 
Exemplo 1 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
Fluxograma – ( Reator A) 
Opção2 : Com integração energética 
Exemplo 1 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
Fluxograma –( Reator B) 
 A alteração do Reator  Alteração nos efluentes  modificação na separação 
Opção 3: Alimentação não convertida é reciclada 
Troca térmica: Fluidos oriundas das utilidades (ineficiente no uso da energia). 
Resumo: 
A etapa de síntese produz diversas configurações 
de processos. 
 
 Na maioria das aplicações, o número de alternativas 
pode ser muito elevado 
(em alguns casos, infinito). 
Enquanto a síntese é a combinação dos 
elementos do processo (fluxograma), a análise 
envolve a decomposição de todos os elementos 
para um estudo individual do desempenho.Consiste em prever e avaliar o desempenho de cada 
equipamento do processo gerado na Síntese, permitindo 
obter no final a avaliação do todo (fluxograma) 
 
Técnicas de análises: 
Modelos matemáticos, correlações empíricas, 
ferramentas computacionais usadas para simular 
processos. 
 
Avaliação e validação do desempenho através de 
experimentos de laboratório, em escalas de planta piloto 
ou outras facilidades. 
 
 
 
 Prever a composição, vazão, temperatura e pressão 
do produtos. 
 Conversão, seletividade e produtividade. 
 Dimensionamento dos equipamentos. 
 Balanços de massa e de energia. 
 
 
 Avaliação econômica e de desempenho. 
Fixar as condições da Alimentação: 
composição, vazão, temperatura e 
pressão. 
 Processo iterativo de síntese e análise visando 
obter soluções que atendam ao objetivo do 
projeto. 
 
 A otimização envolve a seleção da melhor 
solução a partir do conjunto de soluções 
possíveis 
 
OTIMIZAÇÃO 
 é a busca da 
solução ótima de 
um problema com 
múltipla soluções 
Desempenho caracterizado 
(Análise) 
FIM 
Criação do Processo 
(Síntese) 
Objetivos 
(Especificação) 
atendidos? 
NÃO 
SIM 
Design de Processos Químicos 
SÍNTESE 
SIMULAÇÃO 
ou ANÁLISE 
OTIMIZAÇÃO 
Metodologia aplicada na 
Síntese???? 
Duas Metodologias podem ser 
empregadas na projeto: 
Estrutura 
Irredutível 
Estrutura 
redutível ou 
Superestrutura 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
Estrutura Irredutível: 
 Esta técnica é baseada no projeto hierárquico 
que seque a sequência sugerida pelo 
diagrama cebola (Smith, 1995). 
 
 Objetivo é desenvolver um modelo base, que 
não possa ser mais simplificado, ou seja, 
irredutível. 
Sequência: 
1) O projeto começa pelo REATOR 
2) O reator determina o SISTEMA DE SEPARAÇÃO E 
RECICLO. 
3) O reator e o sistema de separação e reciclo juntos 
determinam como será a REDE DE TROCA DE CALOR 
(integração energética) 
4) O que não puder ser incluído no sistema é chamado de 
UTILIDADES EXTERNAS. 
5) O último estágio envolve as considerações AMBIENTAIS, 
DE SEGURANÇA/SAÚDE. 
 
Estrutura Irredutível: 
 A cada camada do diagrama, as decisões devem ser 
tomadas com base nas informações disponíveis na 
respectiva etapa (visão local). 
 
 Assim, o equipamento somente é adicionado se for 
economicamente viável, ou seja, equipamentos 
tecnicamente ou economicamente redundantes não 
são incluídos (estrutura irredutível). 
 
REATOR 
SISTEMA DE SEPARAÇÃO E 
RECICLO 
SISTEMA DE TROCA DE CALOR 
UTILIDADES 
TRATAMENTO DE EFLUENTES/H2O 
Hierarquia no desenvolvimento de um processo 
químico 
Douglas, J.M., Conceptual Design of Chemical 
Processes, McGraw-Hill, NY, 1988 
 
Hierarquia: Sequência de etapas e decisões. 
 
1. Decidir se o processo será BATELADA OU 
CONTÍNUO. 
2. Identificar a estrutura de ENTRADA E DE SAÍDAS 
do processo (diagrama conceitual do processo). 
3. Identificar e definir a estrutura do RECICLO. 
4. Identificar e projetar a estrutura do SISTEMA DE 
SEPARAÇÃO. 
5. Identificar e projetara REDE DE TROCA TÉRMICA 
E DE RECUPERAÇÃO DE ENERGIA. 
IDENTIFICAR AS ESTRUTURAS DE ENTRADAS E SAÍDAS DO 
DIAGRAMA CONCEITUAL DO PROCESSO 
OBTENÇÃO DO BENZENO 
DIAGRAMAS GENERÍCOS 
DIAGRAMA CONCEITUAL GENÉRICO - Exemplo 
REATOR 
Separação da 
Alimentação 
Separação do 
produto 
Matéria-
prima 
Produto 
 
Subproduto 
Reciclo 
Rejeito 
Tratamento 
de efluentes 
Descarte 
DIAGRAMA CONCEITUAL GENÉRICO - Exemplo 
 
A principal vantagem desta técnica é que a 
equipe pode manter o controle das decisões 
(tangíveis e intangíveis) e interagir com o projeto 
a medida que este se desenvolve. 
 
Principais Desvantagens: 
 
 Como diferentes opções são possíveis em cada estágio do 
projeto, diversos fluxogramas devem ser elaborados, analisados 
e otimizados, com o intuito de se encontrar a melhor opção 
(simultaneamente). 
 
 Apesar disso, o processo descrito acima não garante que a 
melhor decisão será tomada, já que complexas interações podem 
existir entre diferentes equipamentos do processo. 
Definição: 
É uma técnica que envolve o desenvolvimento de 
uma sistemática que inclui TODAS as 
configurações de interesse. 
 
FLUXOGRAMA  
 
 
 
Deve conter todas opções 
possíveis de equipamentos e 
suas respectivas interconexões 
(candidatas ao projeto ótimo) 
X 
Consequência: 
Obtém-se o FLUXOGRAMA DA SUPERESTRUTURA, ou 
seja, um fluxograma contendo equipamentos/ configurações 
redundantes. 
 
Objetivo é para garantir que as configurações que possam fazer 
parte da solução ótima não sejam perdidas. 
Opção 2: 
Separar o metano 
através de membrana 
Alimentação 
contém metano 
como impureza 
Opção 1: 
Não separar o 
metano 
H2 e tolueno (+ CH4) são 
misturados e pré-aquecido no 
forno a temperatura de reação. 
Duas 
opções de 
reatores: 
adiabático e 
isotérmico 
O Projeto da superestrutura é formulado como um 
problema de programação matemática. 
 
Equações de projeto 
São modelos que descrevem as unidades e suas 
especificações incluídas como restrições do problema. 
 
Variáveis de projeto: contínuas e descontínuas 
Variáveis Contínuas: são aquelas que descrevem 
cada uma das unidades, o tamanho, custo e lucro: 
 vazão, 
 composição, 
 temperatura, 
 pressão, 
 volume, 
 área de troca térmica, 
 custo, 
 lucros etc. 
 
 
Variáveis Discretas: 
São aquelas que definem a estrutura do fluxograma do 
processo, descrevendo a existência ou não de uma 
unidade em particular ou de uma conexão. 
A solução do problema é obtida através da utilização de um 
algoritmo de otimização, normalmente para o custo/lucro da 
estrutura. 
Função Objetivo z = f (x , y) (maximizar/minimizar) 
 
Restrições de igualdade e desigualdade 
x representa as variáveis contínuas 
y representa as variáveis discretas 
Quando uma variável discreta assume valor nulo, como 
resultado da otimização, a característica correspondente 
a esta variável é removida da superestrutura, reduzindo a 
complexidade da mesma. Assim, a superestrutura inicial 
é otimizada até reduzi-la a seu projeto final. 
Desvantagens: 
A condição de processo ótimo somente será obtida 
se for esta opção for incluída na estrutura inicial, 
ou seja, quanto maior for o número de opção 
incluídas maior será a probabilidade de ter a 
condição ótima. 
 
 
Desvantagens: 
Complexidade na análise e otimização, isto é, se as 
operações unitárias são representadas com grande 
acurácia, os modelos matemáticos serão extensos e 
a função objetivo a ser otimizada poderá ser 
irregular. 
As tomadas de decisão por parte do projetista é 
limitada. 
 
Vantagens: Multiplicidades de opções.