Processos Químicos II UERJ - parte 2

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UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIRO 
 
Parte 2 : Design de Processos Químicos 
 
Ana Maria Furtado 
ANATOMIA DO PROCESSO QUÍMICO 
Recebimento 
e Estocagem 
de Matéria-
prima 
Preparo da 
 Matéria-
prima 
Reação 
ou 
Mistura 
Separação 
do 
Produto 
Embalagem e 
estocagem 
do Produto 
Produto 
Venda 
Reciclo de Matéria-
prima não reagida 
Subprodutos 
Rejeitos 
Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Estágio 4 Estágio 5 
MP 
Compra 
ANATOMIA DO PROCESSO QUÍMICO 
Recebimento 
e Estocagem 
de Matéria-
prima 
Preparo da 
 Matéria-
prima 
Reação 
ou 
Mistura 
Separação 
do 
Produto 
Embalagem e 
estocagem 
do Produto 
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. 
 Planta adjacente: estoque de horas ou dias. 
 Fornecimento local: estoque de dias ou semanas. 
 Importações: estoque de meses. 
 
• Garantir a qualidade da MP (isolamento térmico, refrigeração etc.) 
 
 
Equipamentos: Exemplos: Tanques, silos, armazéns 
MP 
Compra 
ANATOMIA DO PROCESSO QUÍMICO 
Recebimento 
e Estocagem 
de Matéria-
prima 
Preparo da 
 Matéria-
prima 
Reação 
ou 
Mistura 
Separação 
do 
Produto 
Embalagem e 
estocagem 
do Produto 
Produto 
Venda 
Reciclo de Matéria-
prima não reagida 
Subprodutos 
Rejeitos 
Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Estágio 4 Estágio 5 
Estágio 5: 
• Estoque: Quantidade = função da natureza do produto e do mercado. 
• Qualidade do produto. 
• Embalagem e transporte dependem da natureza do produto. 
 
Meios de transporte (exemplos): 
Líquido: Tambores e caminhões tanque 
Sólidos: Sacos, caixas,fardos, bigbag, Bulk Truck (carreta silo) 
Gas: cilindros/balas, caminhão tanque 
MP 
Compra 
Bigbag Bulk truck 
(carreta silo) 
ANATOMIA DO PROCESSO QUÍMICO 
Recebimento 
e Estocagem 
de Matéria-
prima 
Preparo da 
 Matéria-
prima 
Reação 
ou 
Mistura 
Separação 
do 
Produto 
Embalagem e 
estocagem 
do Produto 
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/misturador 
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: vaporizados para reação na fase gasosa. 
 Sólidos: moagem e classificação (granulometria). 
 Sólidos: Pesados, misturados em suspensões ou soluções. 
 Transporte: Líquidos (bombas); gases (compressores); sólidos (esteiras 
transportadoras). 
 
MP 
Compra 
Estágio 4: Fazer que o produto atenda a especificação 
Design de Processos Químicos 
SÍNTESE 
SIMULAÇÃO 
ou ANÁLISE 
OTIMIZAÇÃO 
Normalmente, as metodologias utilizadas no design de 
processos são compostas por três atividades : 
Criar/idealizar o processo. 
Prever o comportamento. 
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 
 
 
 
 
??? 
b) Conectar as equipamentos gerando opções de fluxogramas 
do processo 
 
Design de Processos Químicos - Síntese 
Definição: 
 
É uma metodologia que visa selecionar os elementos do 
processo e definir como estes serão interconectados de 
modo a obter estruturas completas candidatas ao 
atendimento dos objetivos do projeto. 
 
 Resultado da síntese: Fluxogramas. 
 
 
Design de Processos Químicos - Síntese 
Exemplos de atividades realizadas na síntese: 
 Estabelecer o número e o tipo dos reatores, separadores, 
trocadores de calor etc. 
 Estabelecer malhas de controle 
 
A síntese de processos engloba a seleção de opções 
considerando as diversas tecnologias, configurações e 
condições operacionais. 
Como resultado: Elevado número de possibilidades! 
 
Design de Processos Químicos – Síntese 
Exemplo 1 
Objetivo: 
• Separar o produto do subproduto. 
• Reciclar alimentação não convertida. 
 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
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 
Exemplo 1 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
Fluxograma – (Reator A) 
Opção2 : Com integração energética 
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). 
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. 
 
 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 de cada corrente. 
 Conversão, seletividade e produtividade. 
 Balanços de massa e de energia. 
 
 
 Avaliação econômica e de desempenho. 
Fixar as condições da Alimentação: 
composição, vazão, temperatura e 
pressão. 
 Alterações feitas no projeto visando melhorar o 
desempenho. 
 
 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 
múltiplas soluções 
Desempenho 
(Análise) 
FIM 
Criação do Processo 
(Síntese) 
Objetivos 
(Especificação) 
atendidos? 
NÃO 
SIM 
Design de Processos Químicos 
Como fazer a Síntese???? 
Que metodologia utilizar??? 
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”. 
Duas Metodologias podem ser 
empregadas no projeto: 
Estrutura 
Irredutível 
Estrutura 
redutível ou 
Superestrutura 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
Metodologias apresentadas no livro de Robin Smith 
1) Estrutura Irredutível: 
 Esta técnica é baseada no projeto hierárquico, os seja, 
segue a sequência do diagrama cebola (Smith, 1995). 
Ao final será criado um fluxograma 
 que não pode mais ser simplificado (irredutível). 
ANATOMIA DO PROCESSO QUÍMICO 
Recebimento 
e Estocagem 
de Matéria-
prima 
Preparo da 
 Matéria-
prima 
Reação 
ou 
Mistura 
Separação 
do 
Produto 
Embalagem e 
estocagem 
do Produto 
Produto 
Venda 
Reciclo de Matéria-
prima não reagida 
Subprodutos 
Rejeitos 
Estágio 1 Estágio 2 Estágio 3 Estágio 4 Estágio 5 
MP 
Compra 
 
Sequência: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. 
 
REATOR 
SISTEMA DE SEPARAÇÃO E 
RECICLO 
SISTEMA DE TROCA DE CALOR 
(integração energética) 
UTILIDADES 
TRATAMENTO DE EFLUENTES/H2O 
1) Estrutura Irredutível: 
 À 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 
tecnicamente e economicamente viável. 
 
 
REATOR 
 
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 podem ser elaborados, analisados e 
otimizados, com o intuito de se encontrar a melhor opção. 
 
 Apesar disso, o processo descrito acima não garante que a 
melhor decisão será tomada, já que podem existir complexas 
interações entre diferentes equipamentos do processo. 
??? 
SISTEMA DE SEPARAÇÃO E 
RECICLO 
SISTEMA DE TROCA DE CALOR 
(integração energética) 
UTILIDADES 
TRATAMENTO DE EFLUENTES/H2O 
Outro Exemplo de Hierarquia utilizada 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 projetar a REDE DE TROCA 
TÉRMICA E DE RECUPERAÇÃO DE ENERGIA. 
< 500 ton/ano  1.4 ton/dia 
> 5000 ton/ano  14 ton/dia 
IDENTIFICAR AS ESTRUTURAS DE ENTRADAS E SAÍDAS DO 
DIAGRAMA CONCEITUAL DO PROCESSO 
EXEMPLO: OBTENÇÃO DO BENZENO 
DIAGRAMAS GENÉRICOS 
DIAGRAMA CONCEITUAL GENÉRICO - Exemplo 
Preparo da 
Alimentação 
(separação) 
Separação do 
produto 
Matéria-
prima 
Produto 
 
Subproduto 
Reciclo 
Rejeito 
Tratamento 
de efluentes 
Descarte 
REATOR/ 
MISTURADOR 
DIAGRAMA CONCEITUAL GENÉRICO - Exemplo 
REATOR/ 
MISTURADOR 
Preparo da 
Alimentação 
(separação) 
Separação do 
produto 
Matéria-
prima 
Produto 
 
Subproduto 
Reciclo 
Rejeito 
Tratamento 
de efluentes 
Descarte 
DIAGRAMA CONCEITUAL GENÉRICO - Exemplo 
Duas Metodologias podem ser 
empregadas no projeto: 
Estrutura 
Irredutível 
Estrutura 
redutível ou 
Superestrutura 
CHEMICAL PROCESS DESIGN – ROBIN SMITH 
Metodologias apresentadas no livro de Robin Smith 
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 um fluxograma contendo equipamentos/configurações 
redundantes, ou seja, FLUXOGRAMA DA SUPERESTRUTURA. 
 
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 
H2 contendo 
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: 
Exemplos: 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 incluída na estrutura inicial, ou seja, quanto 
maior for o número de opção incluídas maior será 
a probabilidade de ter a condição ótima. 
Vantagens: Multiplicidades de opções. 
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. 
 
 
 
Renovação/modificação (Revamp) e 
Modernização (Retrofit) de plantas existentes 
• Requer acesso a uma planta operacional, aos respectivos 
dados de processo e as metas que deverão ser atingidas. 
 
• Motivos para fazer o Revamp/Retrofit: 
 Eliminar gargalos. 
 Mudança de matéria-prima 
 Implantação de novos produtos 
 Aumento de capacidade, rendimento etc. 
 Redução de custo operacional 
 Atendimento a legislações de segurança e ambiental