Análise e Otimização de Processos Profª Taisa S

Esta é uma pré-visualização de arquivo. Entre para ver o arquivo original

Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
1 
 
IV. FLUXOGRAMAS DE PROCESSOS QUÍMICOS 
 
Referência Bibliográfica: Turton, R., Bailie, R. C., Whiting, W. B., Shaeiwitz, J. A. Analysis, synthesis, and 
design of chemical processes, Prentice-Hall, 2003. 
 
4.1 Diagramas de blocos do processo e da planta 
 
 Em um diagrama de blocos, cada bloco pode representar uma única peça de equipamento ou 
uma etapa completa do processo. Este tipo de diagrama é útil para representar processo simples, 
sendo que no caso de processos complexos seu uso está limitado à apresentação do processo glo-
bal, dividido nas suas etapas principais. Podem-se representar as vazões e composições das corren-
tes, junto às linhas destas, quando as informações são reduzidas, ou em tabelas separadas quando 
houver muitas informações. Os blocos podem ter um formato qualquer. Possuem pouca utilização em 
documentos de engenharia, pois não apresentam detalhes importantes do processo. Possuem uma 
finalidade mais didática. 
 A Figura 1.1 mostra o diagrama de blocos do processo de fabricação do benzeno a partir 
da hidrodealquilação do tolueno. Como pode ser visto apenas algumas informações básicas são 
apresentadas, sem maiores detalhes do processo. Neste exemplo, tolueno e hidrogênio são converti-
dos em um reator para produzir benzeno e metano. A reação não atinge 100% de conversão e um 
excesso de tolueno é empregado. Os gases não condensáveis são separados e descartados. O ben-
zeno produzido e o tolueno não reagido são então separados por destilação. O tolueno é então reci-
clado de volta ao reator e o benzeno é removido como produto. 
 
Figura 1.1: Diagrama de blocos da produção de benzeno. 
 
 Outro fluxograma na forma de diagrama de blocos de uma planta é mostrado na Figura 1.2, 
que descreve a obtenção de alcoóis combustíveis leves a partir do carvão. Perceber que se trata de 
um processo complexo, com muitas etapas envolvidas. Neste caso, o diagrama de blocos é muito útil 
para se ter uma visão global do processo, que, dependendo do interesse, será detalhada em diagra-
mas subsequentes ou não. Percebe-se claramente que a diferença entre este diagrama e o anterior é 
o maior detalhamento neste caso, apresentando também a planta inteira e por isso chamado de dia-
grama de blocos da planta. 
 Lembrar que em uma planta química podem haver vários processos químicos. Mesmo as 
representações simples de um processo como os diagramas de blocos seguem certas convenções e 
formatos tais como: 
1. Operações são representadas por blocos; 
2. As principais linhas do processo são mostradas com setas dando a direção do processo; 
3. Correntes leves (gases) são colocadas em direção ao topo e correntes pesadas (líquidos e sóli-
dos) na direção oposta; 
4. Mostram-se as informações críticas ao processo; 
5. Se houver cruzamento de linhas, a linha horizontal é contínua e a linha vertical é quebrada; 
6. Informações simplificadas de balanço de material. 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
2 
 
 
Figura 1.2: Diagrama de blocos da obtenção de álcool. 
 
 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
3 
 
4.2 Diagrama de Fluxo do Processo (PFD) 
 
 O Diagrama de Fluxo do Processo ou PFD (Process Flow Diagram) é fundamental no proje-
to de processos, sendo que apresenta as seguintes informações: 
1. Todos os equipamentos principais do processo serão representados no diagrama junto com uma 
descrição do equipamento. Cada peça de equipamento terá um número exclusivo e um nome descri-
tivo; 
2. Todas as correntes do processo serão mostradas e identificadas por um número. Uma descrição 
das condições do processo e da composição química de cada corrente será incluída. Estes dados 
podem ser mostrados diretamente no PFD ou incluídos em uma tabela resumida acompanhando as 
correntes; 
3. Todas as utilidades fornecidas aos equipamentos principais e que desempenham uma função no 
processo serão mostradas; 
4. Malhas (ou laços) de controle básico, ilustrando a estratégia de controle usada para operar o pro-
cesso em condições normais de operação, também serão mostradas. 
 É evidente que o PFD é um diagrama complexo e requer um esforço considerável na sua 
preparação. Seu preparo deve ser esmerado a fim de evitar erros de apresentação ou de interpreta-
ção e geralmente é feito em grandes folhas de papel (tamanho D: 24"× 36"), sendo que para um pro-
cesso complexo, muitas folhas conectadas podem ser necessárias. Seria impossível representar aqui 
um PFD real por limitação de espaço. 
 As informações básicas constantes em um PFD podem ser categorizadas em: 
 
4.2.1 Topologia do processo 
 
 A Figura 1.3 que mostra o esqueleto do PFD do processo de produção de benzeno anterior-
mente apresentado na forma de diagrama de blocos. Cada equipamento possui um ícone específico 
(Figura 1.4), sendo que estes podem sofrer pequenas variações dependendo da companhia que foi 
responsável pela confecção do PFD. Os equipamentos são identificados por números, cuja descrição 
aparece no topo do diagrama; tais números obedecem a uma convenção, que é mostrada na Tabela 
1.1. 
 
 
Figura 1.4: Ícones comuns na representação de equipamentos em PFDs. 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
4 
 
 
Figura 1.3: Esqueleto do PFD do processo de obtenção do benzeno a partir da hidrodealquilação do 
tolueno. 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
5 
 
Tabela 1.1: Convenções usadas na identificação de equipamentos de processo. 
Equipamento do processo: formato geral XX-YZZ A/B 
XX são as letras identificadoras para a classificação do equipamento 
C – compressos ou turbina 
E – trocador de calor 
H – aquecedor a chama direta 
P – bomba 
R – reator 
T – torre 
TK – tanque de armazanagem 
V – vaso 
Y designa a área dentro da planta 
ZZ é o numero de designação de cada item de uma classe de equipa-
mento 
A/B identifica unidades paralelas ou unidades reserva não mostradas 
no PFD 
Informações suplementares: descrição adicional dos equipamentos 
dados no topo do PFD 
 
 Assim: 
 P-101A/B identifica o equipamento como sendo uma bomba; 
 P-101A/B indica que esta bomba específica é número 01 na unidade 100; a área 100 
neste caso é o processo de fabricação do benzeno; 
 P-101A/B indica que há uma bomba reserva (backup) instalada. Portanto, há duas bom-
bas idênticas P-101A e P-101B. Uma bomba estará em operação enquanto a outra estará 
ociosa. 
 
Perceber que as correntes do processo são identificadas com números em losangos e que 
a direção do fluxo é mostrada através de setas. As correntes de utilidades também são identificadas. 
As principais utilidades presentes em um processo são: eletricidade, ar comprimido, água de resfria-
mento, água refrigerada, vapor, retorno de condensado, gás inerte, produtos químicos de limpeza, 
tratamento de água residuária, etc. A Tabela 1.2 mostra uma lista das utilidades mais comuns, assim 
como sua identificação em termos de corrente de processo. 
 
Tabela 1.2: Convenções utilizadas na identificação de utilidades. 
Correntes de utilidades 
lps Vapor a baixa pressão: 3–5 barg (sat)# 
mps Vapor a média pressão: 10–15 barg (sat) 
hps Vapor a alta pressão: 40–50 barg (sat) 
htm Meio de transferência de calor (orgânico): até 400°C 
cw Água de resfriamento: da torre de resfriamento a 30°C e retorna a no mínimo a 45°C+ 
wr Água de rio: do rio a 25°C e retorna a no mínimo a 35°C 
rw Água refrigerada: a 5°C e retorna a no mínimo 15°C 
rb Brine* refrigerado: a -45°C e retorna a no mínimo a 0°C 
cs Água residuária química com alta DQO 
ss Água residuária sanitária com alta DBO, etc 
el Aquecimento elétrico (especificar o serviço: 220, 440, 660V)
ng Gás natural 
fg Gás combustível 
fo Óleo combustível 
fw Água de incêndio 
#Estas pressões são definidas durante a etapa de projeto preliminar e os valores mostrados são faixas típicas. 
+Acima de 45°C, ocorrem sérios problemas de incrustações. 
* Água saturada de sal, em geral, cloreto de sódio (salmora). 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
6 
 
4.2.2 Informações acerca das correntes 
 
 Além dos números que identificam as correntes, outras informações dever ser fornecidas tais 
como: temperatura, pressão, composição e vazão. Para um PFD contendo poucas operações tais 
informações podem ser dadas diretamente na figura, adjacente às correntes. Entretanto, isto não é 
prático para diagramas muito complexos e neste caso apenas identifica-se a corrente com um núme-
ro e em uma tabela separada são então fornecidas as informações (às vezes em baixo do próprio 
PFD e às vezes em anexo). As informações são classificadas em dois grupos, mostrados na Tabela 
1.3. A Figura 1.5 mostra as informações detalhadas das correntes da Figura 1.3. 
 
Tabela 1.3: Informações fornecidas na tabela de correntes. 
Informações essenciais 
Número da corrente 
Temperatura (°C) 
Pressão (bar) 
Fração da fase vapor 
Vazão mássica total (kg/h) 
Vazão molar total (kmol/h) 
Vazões individuais dos componentes (kmol/h) 
Informações opcionais 
Fração molar dos componentes 
Fração mássica dos componentes 
Vazões individuais dos componentes (kg/h) 
Vazões volumétricas (m3/h) 
Propriedades físicas significativas 
Densidade 
Viscosidade 
Outros 
Dados termodinâmicos 
Capacidade calorífica 
Entalpia da corrente 
Valores de k 
Nome da corrente 
 
 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
7 
 
 
Figura 1.5: Informações das correntes do processo de produção de benzeno. 
 
4.2.3 Informações acerca dos equipamentos 
 
O elemento final em um PFD é o sumário dos equipamentos. Este sumário contém as infor-
mações necessárias para estimar o custo do equipamento e fornece a base para o projeto detalhado 
do equipamento. A Tabela 1.4 mostra as informações requeridas no sumário dos equipamentos para 
a maioria dos equipamentos encontrados numa indústria de processos. A Figura 1.6 mostra os deta-
lhes dos equipamentos para o processo de obtenção do benzeno mostrado na Figura 1.3. 
O PFD de um processo reúne assim as informações da topologia, dados das correntes e es-
tratégias de controle. Um exemplo mais realístico do PFD do processo de produção de benzeno é 
mostrado na Figura 1.7 cuja legenda de representação das informações relativas às correntes está na 
Figura 1.8. 
A fim de evitar que o PFD se torne muito carregado, dificultando sua leitura e interpretação, as infor-
mações são mantidas no mínimo necessárias. Entretanto, informações críticas à segurança e opera-
ção da planta NÃO PODEM SER OMITIDAS. Isto inclui temperaturas e pressões associadas ao rea-
tor, vazões da(s) alimentação(ões) e produto(s) e pressão e temperatura que sejam muito superiores 
ao restante do processo. Outras informações muito específicas (e críticas) também devem constar. 
Lembrar que para bombas, compressores e trocadores de calor a vazão de entrada e de saída é 
igual. 
O valor do PFD não termina com a construção da planta. Ele permanece como sendo o do-
cumento que melhor descreve o processo e é usado no treinamento de operadores e novos enge-
nheiros. Ele deve ser consultado regularmente para diagnosticar problemas operacionais e para pre-
dizer os efeitos de mudanças no processo. 
 
Figura 1.8: Símbolos para identificação de correntes. 
 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
8 
 
Tabela 1.4: Descrição dos equipamentos em PFD e PIDs. 
Tipo do equipamento 
Descrição do equipamento 
Torres 
Tamanho (altura e diâmetro), Pressão, Temperatura 
Número e tipo de pratos 
Altura e tipo de empacotamento (recheio) 
Material de construção 
Trocadores de calor 
Tipo: gás-gás, gás-líquido,líquido-líquido, condensador, vaporizador 
Processo: carga térmica, área, temperatura e pressão para ambas as correntes 
Número de passos em casco-tubos 
Material de construção: tubos e carcaça 
Tanques 
Ver vasos 
Vasos 
Altura, diâmetro, orientação (H/V), pressão, temperatura e material de construção 
Bombas 
Vazão, pressão na descarga, temperatura, ∆P, tipo de rotor, potência de eixo, material de construção 
Compressores 
Vazão real de entrada, temperatura, pressão, tipo de rotor, potência de eixo, material de construção 
Aquecedores a chama direta 
Tipo, pressão no tubo, temperatura do tubo, carga térmica, combustível, material de construção 
Outros 
Fornecer informações críticas 
 
 
 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
9 
 
 
 
Figura 1.6: Sumário dos equipamentos do PFD de produção do benzeno. 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
10 
 
 
 
Figura 1.7: PFD do processo HDA para produzir benzeno. 
 
 
Comentário 1.1: No processo HDA, a temperatura da alimentação do reator é significativamente 
maior que o resto do processo e é crucial à operação deste. Adicionalmente, a reação é exotérmica e 
a temperatura do efluente do reator necessita ser monitorada com cuidado. Por esta razão, as Cor-
rentes 6 (entra) e 9 (sai) necessitam de bandeiras com a temperatura. 
 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
11 
 
Comentário 1.2: A pressão das correntes que entram e saem do R-101 no processo HDA são tam-
bém importantes. A diferença em pressão entre as duas correntes dá a queda de pressão ao longo 
do reator. Esta, por sua vez, fornece uma indicação de qualquer má distribuição do gás através do 
leito catalítico. Por esta razão, bandeira de pressão deve ser conectada às Correntes 6 e 9. 
Comentário 1.3: Seguir a Corrente 13 que deixa o topo da coluna de benzeno no PFD do processo 
HDA mostrado na Figura 1.5 e na Figura 1.8. Esta corrente passa através do condensador de benze-
no, E-104, dentro do balão de refluxo, V-104. A maior parte da corrente segue então para a bomba de 
refluxo, P-102, e a deixa como Corrente 14, enquanto o remanescente de não-condensáveis deixa o 
balão de refluxo na Corrente 19. As vazões mássicas de cada componente de todas estas correntes 
são mostradas na Figura 1.6. A corrente que deixa o E-104 não possui informações fornecidas na 
tabela das correntes. Ao invés disto, uma bandeira fornece a temperatura (112°C) no próprio diagra-
ma (indicando condensação sem subresfriamento). Uma bandeira adicional, mostrando a pressão 
após a bomba, também é mostrada. Neste caso, as informações para a Corrente 14 podem ser omiti-
das da tabela de informações já que ela é simplesmente a soma das Correntes 12 e 15, e nenhuma 
informação é perdida. 
 
4.3 Diagrama de Tubulação e Instrumentação (P&ID) 
 
 O Diagrama de Tubulação e Instrumentação - P&ID (Piping and Instrumentation Diagram), 
também chamado de diagrama de fluxo mecânico (MFD) provê as informações necessárias pelos 
engenheiros a fim de iniciar o planejamento para a construção da planta. 
 O P&ID inclui todos os aspectos mecânicos da planta, exceto: 
1. Condições Operacionais T, P; 
2. Vazões das correntes; 
3. Localização dos equipamentos; 
4. Rota dos tubos: (a) Comprimento dos tubos e (b) cotas dos tubos; 
5. Suportes, estruturas e fundações. 
 As convenções gerais usadas no desenho dos P&IDs são dadas na Tabela 1.5. Cada PFD 
requer muitos P&IDs a fim de prover os dados necessários. A Figura 1.9 mostra um P&ID representa-
tivo para a secção de destilação do processo de fabricação de benzeno HDA. Dados complementares
a este P&ID tais como informações relativas às tubulações, podem ser fornecidos em anexo. Todas 
as informações do processo que podem ser medidas na planta são mostradas no P&ID em bandeiras 
circulares. Isto inclui informações que serão gravadas e usadas em laços de controle. Tais bandeiras 
indicam onde a informação é obtida no processo e identifica as medidas tomadas e como a informa-
ção é utilizada. 
 As convenções relativas à parte de instrumentação e controle foram estudadas nas discipli-
nas Instrumentação e Controle de Processos, sendo que a Figura 1.10 mostra os símbolos e conven-
ções básicas. 
 O P&ID é muito importante no treinamento de operadores, novos engenheiros, no procedi-
mento de partida ou de parada de uma planta. Mantenha-o sempre atualizado e à mão e aprenda que 
utilizar as ferramentas corretamente é a melhor maneira de evitar soluções precipitadas, quase sem-
pre desastrosas. 
 
 
 
 
 
 
 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
12 
 
Tabela 1.5: Convenções na construção de P&IDs. 
Para os equipamentos - mostre todas as peças, incluindo 
Unidades reservas 
Unidades em paralelo 
Sumário com detalhes de cada unidade 
Para as tubulações – incluir todas as linhas (drenos, conexões de amostragem) e especificar 
Tamanho (use tamanho-padrão) 
Schedule (espessura) 
Material de construção 
Isolamento (espessura e tipo) 
Para instrumentação – identificar 
Indicadores 
Registradores 
Controladores 
Mostrar linhas de instrumentos 
Para utilidades – identificar 
Entrada de utilidades 
Saída de utilidades 
Saída para facilidades de tratamento de efluentes 
 
Comentário 1.4: Considere a linha de produto de benzeno mostrada no lado direito do P&ID da Figura 
10. A vazão desta corrente é controlada por uma válvula de controle que recebe sinal de um medidor 
de nível localizado em V-104. A seqüência de instrumentação é: um elemento sensor de nível (LE) é 
localizado no balão de refluxo V-104. Um transmissor de nível (LT) também localizado em V-104 man-
da um sinal elétrico (designado por uma linha pontilhada) para o indicador e controlador de nível (LIC). 
Este LIC está localizado na sala de controle no painel de controle ou console (indicado por uma linha 
horizontal abaixo do LIC) e pode ser observado pelos operadores. Do LIC, um sinal elétrico é mandado 
para um instrumento (LY) que calcula a posição correta da válvula e por sua vez manda um sinal 
pneumático (designado pela linha sólida com cruzamentos) para ativar a válvula de controle (LCV). A 
fim de alertar os operadores de problemas em potencial, dois alarmes são localizados na sala de 
controle. Estes são um alarme de nível alto (LAH) e de nível baixo (LAL), e recebem o mesmo sinal do 
transmissor de nível, assim como o controlador. Este laço de controle é indicado no P&ID. Entretanto, 
os detalhes de todos os instrumentos são condensados em simples símbolos (LIC), os quais descre-
vem adequadamente as funções essenciais de controle do processo sendo executadas. A ação de 
controle que está acontecendo não é descrita explicitamente em nenhum dos desenhos. Entretanto, é 
fácil inferir que se houver um aumento no nível de líquido em V-104, a válvula de controle irá abrir 
levemente e a vazão de benzeno como produto irá aumentar, tendendo a reduzir o nível em V-104. 
Para um decréscimo no nível de líquido, a válvula irá fechar levemente. 
 
 
 
 
 
 
 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
13 
 
Figura 1.9: P&ID da coluna de destilação do processo HDA. 
 
Projeto de Processos - Profª Taisa S. de Lira 2016/2 
 
14 
 
 
Figura 1.10: Simbologia básica de instrumentação e controle.