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2 Bibliografia • Turton, R., Bailie, R. C., Whiting, W. B. & Shaeiwitz, J. A. (2009). Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes (3rd Edition). Massachusetts: Prentice Hall. P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.1 Objetivo Desenvolver habilidades para o engenheiro químico seja capaz de formular diagramas de processo apropriados, seja capaz de analisar e interpretar diagramas preparados por outro profissionais. 3.2 Diagramas Usados para Representar Processos Químicos • A maneira mais eficiente de comunicar informações de um processo é através de diagramas • A informação visual é a forma mais clara de apresentar os fluxos materiais do processo • É também a forma menos provável de gerar desentendimentos do processo (importante para operadores) • Vale ressaltar que para todos os diagramas discutidos neste módulo não há nenhum padrão universalmente aceito. 3 1. Diagrama de Blocos – Block Flow Diagram (BFD); 2. PFD – Process Flow Diagram; 3. P&ID – Piping and Instrumentation Diagram; 4. Outros Diagramas 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.1 Diagrama de Blocos – Block Flow Diagram (BFD) i. Bastante utilizado nos cursos introdutórios do curso de Engenharia Química ii. Muito utilizado em problemas de balanço material e de energia para converter o enunciado de um problema em um diagrama de bloco iii. Consiste em uma série de blocos, os quais representam equipamentos ou operações unitárias conectados por correntes de entrada e saída iv. Informações tais como temperatura, pressão, vazão, composição e conversão são adicionadas ao diagrama. Detalhes dos equipamentos não são incluídos. 4 Produção de Benzeno Block Flow Process Diagram CH4 e H2 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.1 Diagrama de Blocos – Block Flow Diagram (BFD) 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 5 i. Operações representadas por blocos ii. Linhas de fluxo representadas por setas indicando a direção do fluxo iii. Setas devem ser orientadas da esquerda para a direita sempre que possível iv. Fases densas devem ser orientadas em regiões mais baixas e fases pouco densas em regiões mais altas v. Informações importantes devem ser apresentadas no diagrama vi. Em linhas de fluxo que se cruzam, as linhas horizontais devem ser contínuas e as verticais interrompidas vii. O balanço material simplificado deve ser apresentado 3.3.2 Convenções para construção de BFDs P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 6 menos informações para não congestionar o diagrama 3.3.3 Diagrama de Blocos – Block Flow Diagram (BFD) - Exemplo P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 7 i. Bastante útil na criação de novos processos ii. Ajudam a dar um ideia geral do processo iii. É usado como ponto inicial para o desenvolvimento de um PFD (Process Flow Diagram) iv. O primeiro contato de um engenheiro recém contratado para trabalhar em uma área de uma planta com o processo seria através de um Diagrama de Blocos da Planta e depois com o Diagrama de Blocos do processo específico designado a ele. 3.3.4 Diagrama de Blocos – Comentários Finais P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos i. Possui uma quantidade bem maior de informações em relação ao BFD ii. Contém os dados maciços de engenharia química para o projeto de um processo químico iii. PFDs produzidos por empresas de projeto diferentes apresentam padrões diferentes 3.3.5 Fluxograma de Processo (Process Flow Diagram – PFD) 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 8 OBS: PFD produzidos por empresas de projeto diferentes apresentam informações levemente diferentes i. Todos os equipamentos do processo identificados por um número juntamente com uma breve descrição do equipamento ii. Todas as correntes do processo identificadas por um número juntamente com uma breve descrição das condições de operação do processo e composição química iii. Todas as correntes de utilidades relacionadas ao processo iv. Loops/Malhas de controle básicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.6 Informações que devem ser apresentadas em um PFD: 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos As informações básicas fornecidas por um PFD podem ser categorizadas como: 1. Topologia do processo 2. Informação de correntes 3. Informações sobre o equipamento Vamos olhar para cada aspecto do PFD separadamente. Depois de abordaremos cada um dos três tópicos. Vamos reunir todas as informações e apresentar o PFD para o processo de produção do benzeno. 9 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.6 Informações que devem ser apresentadas em um PFD - Topologia do processo 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos A topologia é um diagrama que ilustra a localização dos principais equipamentos e as conexões que os fluxos de processo fazem entre equipamentos. 10 Algumas empresas de projeto usam seus próprios símbolos: • American Society of Mechanical Engineers (ASME) • Austin, D. G., Chemical Engineering Drawing Symbols (London: George Godwin, 1979) P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.6 Info. que devem ser apresentadas em um PFD - Topologia do processo – Símbolos de Equip. 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos11 Formato Geral = XX-YZZ A/B XX são as letras de identificação da classificação dos equipamentos C - Compressor ou Turbina (Compressor/Turbine) E - Trocador de Calor (Heat Exchanger) H - Forno (Fired Furnace) P - Bomba (Pump) R - Reator (Reactor) T - Torre (Tower) TK - Tanque de armazenagem (Storage Tank) V - Vaso (Vessel) Y designa uma área dentro da planta. Corresponde à centena ZZ é o número de cada item em uma classe de equipamento A/B identifica unidades paralelas ou reservas não mostradas no PFD Convenções para Identificar Equipamentos em PFDs P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.6 Info. que devem ser apresentadas em um PFD - Topologia do processo 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 12 Exemplo: P-101 A/B P-101 A/B identifica o equipamento como uma bomba P-101 A/B indica que a bomba está localizada na área 100 da planta que corresponde a área de produção de benzeno P-101 A/B indica que esta bomba é a unidade 1 entre as bombas da área 100 P-101 A/B indica que há uma bomba reserva instalada. Portanto, há duas bombas idênticas: P-101A e P-101B Convenções para Identificar Equipamentos em PFDs P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.6 Info. que devem ser apresentadas em um PFD - Topologia do processo 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 13 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.7 Informações que devem ser apresentadas em um PFD – Informações de Correntes 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos Correntes de processo são identificadas por um número, a direcção do fluxo é identificada por uma ou mais pontas de seta. Os números das correntes são usados para identificar as correntes no PFD. O tipo de informação que é tipicamente dado para cada corrente: Informações Obrigatórias i. Número da corrente ii. Temperatura (°C) iii. Pressão (bar) iv. Fração de vapor v. Vazão mássica total (kg/h) vi. Vazão molar total (kmol/h) vii. Vazão por componente (kmol/h) Informações Opcionais i. Fração molar por componente; ii. Fração mássica por componente; iii. Vazão por componente (kg/h); iv. Vazão volumétrica (m3/h); v. Propriedades físicas significativas: vi. Densidade; vii. Viscosidade; viii. Outras; ix. Dados termodinâmicos: x. Capacidade térmica; xi. Entalpia; xii. Constante de equilíbrio K. 14 lps vapor de baixa pressão: 3-5 bar (sat); mps vapor de média pressão: 10-15 bar (sat) hps vapor de alta pressão: 40-50 bar (sat) cw água de resfriamento: torre 30°C – retorno < 45°C wr água de rio: rio 25°C – retorno < 35°C rw água refrigerada: entrada 5°C – retorno < 15°C rb salmoura refrigerada: entrada -45°C – retorno < 0°C el aquecimento elétrico ng gás natural fg gás combustível fo óleo combustível P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.7 Informações que devem ser apresentadas em um PFD - Informações de Correntes 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos Convenções de Utilidades Usadas em PFDs Utilidades São serviços necessários que estão disponíveis na fábrica. As indústrias químicas são projetadas com uma série de utilidades centrais que incluem eletricidade, ar comprimido, água de resfriamento, água refrigerada, vapor, retorno de condensado, gás inerte para coberturas, esgoto químico, tratamento de águas residuais e chamas. 15 Sumário das Correntes do Processo de Produção de Benzeno P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.7 Informações que devem ser apresentadas em um PFD - Informações de Correntes 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 16 Corrente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Temperatura (°C) 25 59 25 225 41 600 41 38 654 90 Pressão (bar) 1,9 25,8 25,5 25,2 25,5 25,0 25,5 23,9 24,0 2,6 Fração de vapor 0,0 0,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 Vazão mássica (ton/h) 10,0 13,3 0,82 20,5 6,41 20,5 0,36 9,2 20,9 11,6 Vazão molar (kmol/h) 108,7 144,2 301,0 1204,4 758,8 1204,4 42,6 1100,8 1247,0 142,2 Vazão por componente (kmol/h) Hidrogênio 0,0 0,0 286,0 735,4 449,4 735,4 25,2 651,9 652,6 0,02 Metano 0,0 0,0 15,0 317,3 302,2 317,3 16,95 438,3 442,3 0,88 Benzeno 0,0 1,0 0,0 7,6 6,6 7,6 0,37 9,55 116,0 106,3 Tolueno 108,7 143,2 0,0 144,0 0,7 144,0 0,04 1,05 36,0 35,0 Sumário das Correntes do Processo de Produção de Benzeno P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.7 Informações que devem ser apresentadas em um PFD - Informações de Correntes 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 17 Corrente 11 12 13 14 15 16 17 18 19 Temperatura (°C) 147 112 112 112 38 38 38 38 112 Pressão (bar) 2,8 3,3 2,5 3,3 2,3 2,5 2,8 2,9 2,5 Fração de vapor 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,0 1,0 Vazão mássica (ton/h) 3,27 14,0 22,7 22,7 8,21 2,61 0,07 11,5 0,01 Vazão molar (kmol/h) 35,7 185,2 290,7 290,7 105,6 304,2 4,06 142,2 0,90 Vazão por componente (kmol/h) Hidrogênio 0,0 0,0 0,02 0,0 0,0 178,0 0,67 0,02 0,02 Metano 0,0 0,0 0,88 0,0 0,0 123,05 3,10 0,88 0,88 Benzeno 1,1 184,3 289,46 289,46 105,2 2,85 0,26 106,3 0,0 Tolueno 34,6 0,88 1,22 1,22 0,4 0,31 0,03 35,0 0,0 ContinuaçãoPro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.7 Informações que devem ser apresentadas em um PFD - Informações de Correntes 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 18 Exemplo 1: Checar o balanço material global do processo de produção de benzeno. Entrada = Saída ? Entrada: Saída: Corrente 1 = 0,82 Corrente 15 = 8,21 Corrente 3 = 10,00 Corrente 16 = 2,61 Total = 10,82 x 103 Kg/h Total = 10,82 x 103 Kg/h P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.8 Aplicação das Informações do Sumário das Correntes 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 19 Exemplo2: Determinar a conversão de tolueno em R-101 (Reator) Conversão = (ToluenoEntrada – ToluenoSaída) / ToluenoEntrada Tolueno na Entrada: Tolueno na Saída: Corrente 6 = 144 Corrente 9 = 36 Corrente 7 = 0,04 Total = 144,04 Conversão = (144,04 – 36) / 144,04 = 0,75 ou 75% P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.8 Aplicação das Informações do Sumário das Correntes 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 20 Descrição de Equipamentos para PFDs e P&IDs Tipo de Equipamento Descrição do equipamento Torres Altura e diâmetro, pressão, temperatura, número e tipo de bandejas, altura e tipo de recheio, material de construção Trocadores de Calor Tipo: gás-gás, gás-líquido, líquido-líquido, condensador, vaporizador Carga térmica, área, temperatura e pressão de ambas as correntes Número passes no casco e nos tubos e seus materiais de construção Tanques e Vasos Altura, diâmetro, orientação, pressão, temperatura, material de construção Bombas Vazão, descarga, pressão, temperatura, ΔP, tipo de condutor, potência, material de construção Compressores Vazão, temperatura, pressão, tipo de condutor, potência, material de construção Fornos Tipo, pressão e temperatura dos tubos, carga térmica, combustível e material de construção P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.9 Informações sobre o equipamento 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 21 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.2.9 Informações sobre o equipamento - Sumário de equipamentos do processo de produção de benzeno 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos 22 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.9 Informações sobre o equipamento - Sumário de equipamentos do processo de produção de benzeno 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos Continuação 23Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.9 Informações sobre o equipamento 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 24Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.10 Combinando topologia, dados de fluxo e estratégia de controle para dar um PFD mais Completo - Processo de Produção de Benzeno 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Até este ponto, mantivemos a quantidade de informações de processo exibida no PFD ao mínimo. Um exemplo mais representativo de um PFD para o processo benzeno é mostrado na Figura abaixo. Este diagrama inclui todos os elementos encontrados na Figura do slide 15, algumas das informações encontradas na Tabela do slide 16, além de informações adicionais sobre oas principais malhas de controle utilizados no processo. Símbolos para a identificação de Correntes 25Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.10 Combinando topologia, dados de fluxo e estratégia de controle para dar um PFD mais Completo - Processo de Produção de Benzeno 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Símbolos para a identificação de Correntes 26 • PFD fornecem toda a informação necessária para se entender um processo químico • PFD fornecem informações suficientes a respeito do balanço material e de energia do processo para se estabelecer protocolos de controle • Também possuem informações suficientes para conduzir o cálculo de estimativas de custo e avaliação econômica do processo • PFD são importantes não apenas durante a fase de construção da planta. São usados também para treinar operadores e novos engenheiros, além de ser usado para diagnosticar problemas de operação, pois é o documento que melhor descreve o processo Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.11 Conclusões sobre PFD 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 27 i. Fornece informação aos engenheiros para iniciar o planejamento da execução da construção da planta ii. Possui todos os aspectos mecânicos da planta exceto: • Condições de operação, T e P; • Vazões das correntes; • Localização dos equipamentos; • Mapeamento da tubulação; • Suportes, estruturas e fundações iii. São necessários vários para cobrir a informação de toda uma planta Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.12 Diagrama de Tubulação e Instrumentação (Piping & Instrumentation Diagram – P&ID) 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 28 Convenções para construir P&IDs Equipamentos - mostrar detalhes incluindo unidades sobressalentes, unidades paralelas e detalhes resumidos de cada unidade. Tubulação – incluir todas as linhas, drenos e conexões de amostragem. Especificar também diâmetro, espessura, material de construção e isolamento térmico. Instrumentos – Identificar indicadores, registradores, controladores e mostrar linhas de instrumentos. Utilidades – Identificar entrada e saídas das utilidades, saída para tratamentos de efluentes e rejeitos. Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.12 Piping & Instrumentation Diagram – P&ID 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 29 dispositivo de alívio Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.13 P&ID da Destilação do Processo de Produção de Benzeno 3.3 Tipos de Diagramas Usados para RepresentarProcessos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 30Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.14 Convenções usadas para identificar instrumentação em P&Ids (ISA-S5-1) 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 31 A elaboração de P&IDs é um dos últimos estágios do projeto de processo. Baseado nos P&ID: • Engenheiros mecânicos e civis irão projetar e instalar os equipamentos. • Engenheiros de instrumentação irão especificar, instalar e checar os sistemas de controle. • Engenheiros de tubulações irão desenvolver o layout da planta e desenhos de elevação de equipamentos. • Engenheiros de projeto irão desenvolver a programação da construção da planta. Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.15 Utilização de P&IDs 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 32 P&ID também tem o propósito de treinar operadores no startup da planta quando o sistema de controle está desligado. Através dos P&ID os operadores são expostos a uma situação e estes devem ser capazes de: • indicar qual válvula deve ser mudada. • como a válvula deve ser mudada. • o que deve ser monitorado a fim de observar o efeito da mudança da válvula. O elemento final de controle de QUASE todos as malhas de controle de uma planta é uma válvula Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.3.15 Utilização de P&ID 3.3 Tipos de Diagramas Usados para Representar Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 33 • Estas últimas três seções seguiram a representação de um processo por um diagrama de blocos (BFD) simples até um fluxograma de processo (PFD), passando pelo diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID). • Cada etapa revelou informações adicionais. • Essas informações puderam ser vistas seguindo o desenvolvimento dos fluxograms representativos do processo de produção do benzeno à medida que se deslocou através dos três diagramas descritos. Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.4 Evolução dos Diagramas de Processos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 34 Produção de Benzeno CH4 e H2 Evolução dos Diagramas e Maturação do Projeto Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.4 Evolução dos Diagramas de Processos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 3.4.1 BFD 35Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.4 Evolução dos Diagramas de Processos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 3.4.2 PFD 36Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.4 Evolução dos Diagramas de Processos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 3.4.3 PD&I 37 Durante as fases de planejamento e construção de um novo projeto, muitos diagramas adicionais são necessários. Embora esses diagramas não possuam informações de processo adicionais, eles são essenciais para a conclusão bem-sucedida do projeto. Computadores estão sendo usados cada vez mais para fazer o trabalho tedioso associado com todos estes detalhes de desenho. O trabalho criativo vem no desenvolvimento dos conceitos fornecidos no BFD e o desenvolvimento do processo necessário para produzir o PFD. O computador pode ajudar com os desenhos mas não pode criar um novo processo. Os computadores são valiosos em muitos aspectos do processo de projeto, onde o tamanho do equipamento para fazer uma tarefa específica deve ser determinada. Os computadores também podem ser utilizados quando se consideram problemas de desempenho que lidam com o funcionamento do equipamento existente. No entanto, eles são severamente limitados em lidar com problemas de diagnóstico que são necessários ao longo da vida da planta. Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.5 Outros Diagramas P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 38Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.6 Representação tridimensional de um processo P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s As principais representações de processos industriais são registrados em diagramas bidimensionais (PFD, P&ID, etc.). No entanto, quando se trata da construção da planta, há muitas questões que exigem uma representação tridimensional do processo: • Localização dos trocadores de casco e tubos deve permitir a remoção do feixe de tubos para limpeza e reparação. • Locais das bombas devem permitir acesso para manutenção e substituição. Para compressores, este acesso pode também exigir a presença de um guindaste para remover e substituir uma unidade danificada. • Válvulas de controle devem estar localizados em elevações que permitam o acesso de operadores. • Portas de amostra e instrumentação também devem estar convenientemente localizadas. • Para uma planta química de moderada a grande a complexidade do sistema de tubulações e disposição dos equipamentos devem ser aparente. Mesmo para engenheiros experientes a topologia de equipamentos e tubulações é muito mais fácil de realizar em 3-D do que 2-D. Necessidade de um diagrama que dê noção espacial dos equipamentos 39Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Feixe de Tubos de um Trocador de Calor 3.6 Representação tridimensional de um processo 40Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P roc e s s o s Q u ím ic o s 3.7 Representação do Processo de Produção de Dimetil Éter (DME) • Devido ao aumento no poder da computação e a disponibilidade de softwares avançado de projetos, representações dos processos são agora feitas em computador. • A fim de "construir" uma representação eletrônica da planta em 3-D, todas as informações nos diagramas mencionados anteriormente devem ser usadas nesta construção. • A construção de uma representação completa de processos está fora do escopo deste curso. No entanto, para dar uma ideia ao leitor do que pode ser feito usando um software dessa natureza, uma breve revisão dos princípios do projeto de layout da planta será aqui apresentada. Uma explicação mais detalhada que envolve uma visita virtual a uma fábrica de dimetil éter (DME) (Apêndice B.1) é dada no CD que acompanha nosso livro texto. • Para uma análise completa e detalhada do layout da planta, todos os tamanhos de equipamentos, tamanhos de tubulações, PFDs, P&IDs e todas as demais informações devem ser conhecidas. • No entanto, para esta descrição, um layout preliminar da planta de produção do DME com base nas informações fornecidas no PFD, nos quadros de correntes e nas tabelas de resumo de equipamentos a seguir são considerados. 41Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 3.7 Representação do Processo de Produção de Dimetil Éter (DME) • Conceitual do processo de produção do DME: O diagrama conceitual começa com uma alimentação de metanol puro em condições padrão de 25 °C e 1 bar. Em seguida a corrente 2 é conduzida a uma bomba e a pressão vai a 14,7 bar. Ela passa através de um trocador de calor para aumentar a sua temperatura para 250°C, uma vez que estas são as condições recomendadas de entrada no reator. No reator ocorre a desidratação de metanol na presença de Al2O3 como catalisador. Com éter dimetílico, sai do reator água (corrente 5) em conjunto com o metanol que não reagiu. Essa corrente passa por um refrigerador e vai para a primeira torre de destilação, onde o éter dimetilico é retirado no topo (corrente 7). Em seguida, água e metanol srão ser separados em uma segunda coluna de destilação. Água sai no fundo da coluna e metanol do topo. Essa corrente de topo é reciclada na entrada do processo. 2CH3OH CH3-O-CH3 + H2O Al2O3 42Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 3.7 Representação do Processo de Produção de Dimetil Éter (DME) • PFD do processo de produção do DME: 43 Corrente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Temperatura (°C) 25 25 45 154 250 364 278 100 89 46 Pressão (bar) 1,0 15,5 15,2 15,1 14,7 13,9 13,8 13,4 10,4 11,4 Fração de vapor 0 0 0 1 1 1 1 0,0798 0,148 0 Vazão mássica(t/h) 8,37 8,37 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 10,49 5,97 Vazão molar (kmol/h) 262,2 262,2 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 328,3 129,7 Vazão por componente (kmol/h) Dimetil-Éter 0 0 1,5 1,5 1,5 130,5 130,5 130,5 130,5 129,1 Metanol 259,7 259,7 323,0 323,0 323,0 64,9 64,9 64,9 64,9 0,6 Água 2,5 2,5 3,8 3,8 3,8 132,9 132,9 132,9 132,9 0 Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 3.7 Representação do Processo de Produção de Dimetil Éter (DME) • Sumário das Correntes do processo de produção do DME: 44 Corrente 11 12 13 14 15 16 17 Temperatura (°C) 153 139 121 167 50 46 121 Pressão (bar) 10,5 7,4 15,5 7,6 1,2 11,4 7,3 Fração de vapor 0 0,04 0 0 0 0 0 Vazão mássica (t/h) 4,52 4,52 2,13 2,39 2,39 2,17 3,62 Vazão molar (kmol/h) 198,6 198,6 66,3 132,3 132,3 47,1 113,0 Vazão por componente (kmol/h) Dimetil-Éter 1,4 1,4 1,4 0 0 46,9 2,4 Metanol 64,3 64,3 63,6 0,7 0,7 0,2 108,4 Água 132,9 132,9 1,3 131,6 131,6 0 2,2 Continuação Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s 3.7 Representação do Processo de Produção de Dimetil Éter (DME) • Sumário das Correntes do processo de produção do DME: 45Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Com base nas informações fornecidas no PFD, nos quadros de correntes e nas tabelas de resumo de equipamentos, são seguidas as seguintes etapas. Na primeira, o PFD é dividido em subsistemas lógicos. Há três subsecções lógicas. Essas seções são mostradas como linhas pontilhadas na Figura a seguir. Elas são a seção de alimentação e reator, a seção de purificação do DME e a seção de separação e reciclagem de metanol. 3.7 Representação do Processo de Produção de Dimetil Éter (DME) 46 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Na segunda fase, um layout preliminar de cada subsistema é criado. O layout pode assumir uma de duas configurações básicas: o arranjo horizontal em linha e o o arranjo montado em estrutura vertical. No arranjo horizontal os equipamentos estão de alinhados em ambos os lados de um rack de tubos que percorre o meio da unidade de processo. O rack de tubos tem a finalidade de suportar e conduzir as tubulações de utilidades, produto e alimentação para e da unidade de processo. Os equipamentos situam-se em um ou outro lado do suporte de tubulação que permite o acesso fácil. Além disso, a montagem vertical dos equipamentos é normalmente limitada a um único nível. Este arranjo geralmente requer mais movimentação de terra do que o arranjo vertical montado em estrutura. A disposição geral para esses tipos de layout é mostrada na Figura a seguir. Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.7 Representação do Processo de Produção de Dimetil Éter (DME) Planta em um único nível (Térreo) 47 Planta em três níveis P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.7 Representação do Processo de Produção de Dimetil Éter (DME) Arranjo montado em estrutura vertical. 48 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.8 Espaçamento Entre Equipamentos O espaçamento mínimo entre os equipamentos deve ser definido no início do projeto. Estas distâncias são estabelecidas para fins de segurança e devem ser definidas baseadasem normas regionais e nacionais. Uma lista completa das distâncias mínimas recomendadas entre equipamentos de processos é dada em Bausbacher e Hunt (1998) . Os valores para alguns equipamentos de processo básicos estão listados na Tabela a seguir. Espaçamento Mínimo Recomendado (em Pés) entre Equipamentos de Processo para Refinaria, Química e Instalações Petroquímicas. 49 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.9 Exemplo Faça um esboço dimensional do trocador E-202 do processo DME usando um trocador de passo duplo no casco e 4 passos nos tubos com tubos de 12 ft de comprimento e 1” de diâmetro. Solução: Da Tabela B.1.3 temos as seguintes informações: • Trocador de Calor Casco-e-Tubo Cabeçote Flutuante • Área = 171 m2 • Temperaturas Lado Quente: 364°C e 281°C • Temperaturas Lado Frio: 154°C e 250°C Logo: Área por casco = 171/2 = 85,5 m2 293 tubo/m 2919,0 m 5,85 TubosN 2 2 Assumindo que os tubos são dispostos em um passo quadrado de 1¼“: Diâmetro do casco = 27” Processos de Transferência de Calor Donald Q. Kern 50 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.9 Exemplo Admitindo cabeçotes na frente a atrás (onde o fluido do tubo gira na extremidade do trocador) são de 30” de diâmetro e exigem 2 ft cada (incluindo flanges) de comprimento e que as duas conchas são empilhadas em cima uma da outra. O esboço dimensional do trocador E-202 do processo DME fica: Vista LateralVista Frontal Vista Superior 51 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.10 Localização de Equipamentos para Fácil Acesso, Manutenção e Instalação A próxima etapa a é a colocação de equipamentos no Layout da planta. Este posicionamento deve ser feito considerando o acesso necessário para instalação e manutenção dos equipamentos. A colocação incorreta dos equipamentos leva a custos adicionais e grandes problemas tanto durante a construção da planta como durante a operação de manutenção. Considere o exemplo mostrado na Figura ao lado onde dois vasos, uma torre e um trocador de calor são mostrados no Layout da planta. Claramente, o V-1 bloqueia o acesso ao feixe de tubos do trocador, que muitas vezes requer remoção para manutenção nos tubos. Com esta disposição, o trocador teria de ser levantado verticalmente e colocado em algum lugar onde houvesse folga suficiente para que o feixe de tubos pudesse ser removido. No entanto, o segundo vaso (V-2) e a torre (T-1) estão localizados de modo que o acesso da grua é severamente limitado e um guindaste muito alto (e caro) seria necessário. 52 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.10 Localização de Equipamentos para Fácil Acesso, Manutenção e Instalação O deslocamento desses mesmos equipamentos, como mostrado na Figura ao lado resolve ambos os problemas. Há muitas considerações deste tipo para se cobrir em detalhes neste curso. Sugere-se a leitura do texto de Bausbacher e Hunt (1998) para uma cobertura mais aprofundada desses tipos de problemas. Bausbacher, E. and R. Hunt (1998). Process Plant Layout and Piping Design. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall PTR. 53 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.11 Efeito da Elevação de Equipamentos • Equipamentos localizados no solo são mais fácil de acessar, fazer manutenção e é mais barato para instalar. Em alguns casos o equipamento precisa ser elevado para proporcionar uma operação aceitável. • Exemplo: produto de fundo de uma coluna de destilação é um líquido no seu ponto de bolha. Se este líquido é alimentado a uma bomba, então, à medida que a pressão cai na linha de sucção devido ao atrito, o líquido ferve e provoca a cavitação da bomba. • Para evitar este problema eleva-se o fundo da coluna em relação à entrada da bomba, de forma a aumentar o NPSH disponível. Isto pode ser instalando a bomba em fosso ou elevando a torre. • Fosso de bomba tende a acumular gases mais densos do que o ar e manutenção de equipamentos nesse fosso leva a ambiente confinado (possibilidade de asfixia e envenenamento se o gás for venenoso). • Assim, as torres são geralmente elevadas entre 3 a 5 m (10 e 15 pés) acima do nível do solo usando uma "saia". Isso é ilustrado na Figura do slide seguinte. 54 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.11 Efeito da Elevação de Equipamentos 55 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.11 Efeito da Elevação de Equipamentos • Outra razão para elevar uma coluna de destilação é também ilustrada na Figura a seguir . Muitas vezes um reboiler “termosifonado” é usado. • Estes reboilers usam a diferença na densidade entre o líquido alimentado ao reboiler e a mistura de duas fases (líquido-vapor saturado) que sai do reboiler para "dirigir" a circulação do líquido do fundo através do reboiler. • De modo a obter uma força motriz aceitável para esta circulação ( ), um diferencial de 3 a 5 m de altura entre o nível de líquido na coluna e a entrada de líquido no reboiler é tipicamente suficiente. • Exemplos mostrando quando a elevação do equipamento é necessária são dados na Tabela a seguir. 56 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.11 Efeito da Elevação de Equipamentos 57 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.11 Efeito da Elevação de Equipamentos 58 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas deProcessos Químicos 3.11 Efeito da Elevação de Equipamentos – Condensador Barométrico 59 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.13 Outros diagramas - Diagramas 3D (Processo DME) Vista Isométrica do Layout da Planta 3-D do Processo DME 60 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.13 Outros diagramas - Diagramas 3D (Processo DME) Representação tridimensional do layout de equipamento para o processo DME. 61 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.13 Outros diagramas - Diagramas 3D (Processo DME) Representação tridimensional do layout de equipamento para o processo DME- Detalhes da T-201. 62 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.13 Outros diagramas - Diagramas 3D (Processo DME) Representação tridimensional do layout de equipamento para o processo DME- Detalhes da T-201 Vista Superior. 63 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.13 Outros diagramas - Diagramas 3D (Processo DME) Representação tridimensional para o processo DME- Detalhes das P-202 A/B e Válvulas de Controle e Globo. 64 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.13 Outros diagramas - Diagramas 3D (Processo DME) Representação tridimensional do layout de equipamento para o processo DME- Detalhes do Fundo da T-201. 65 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.14 Lista de Exercícios Lista de Exercícios: Exercícios 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 10, 12, 16, 17 do Capítulo 1 do livro texto. Turton, R., Bailie, R. C., Whiting, W. B. & Shaeiwitz, J. A. (2009). Analysis, Synthesis and Design of Chemical Processes (3rd Edition). Massachusetts: Prentice Hall. Trabalho em Sala de Aula (entregar em papel A4 na próxima aula) Desenhe um diagrama de P&ID para um tanque que recebe um líquido de processo através de um tubo isolado 4“ sch 40. A finalidade do tanque é armazenar aproximadamente 5 minutos de volume de líquido e fornecer "capacidade" para uma bomba de alimentação conectada no fundo do tanque usando um tubo de 6“ sch 40. O diagrama deve incluir os seguintes informações: a). O tanque é numerado V-1402 e a(s) bomba(s) são P-1407 A/B. b). O lado da descarga da bomba é feito de tubos de aço carbono de 4 “ sch 40 e todos os tubos são isolados. c). Uma válvula de controle está localizada na linha de descarga da bomba. d). Bombas e vasos têm válvulas de isolamento. e). As bombas devem ser equipadas com linhas de drenagem que descarregam para um esgoto químico. f). O vaso está equipado com indicadores locais de pressão e temperatura. g). O vaso tem uma válvula de alívio de pressão ajustada para 50 psig que descarrega para uma chaminé de queima (flare system). h). O tanque tem uma válvula de drenagem e uma válvula de amostragem, ambas ligadas ao tanque por linhas de 2“ sch 40. i). O nível do tanque é controlado com a vazão de líquido que sai do tanque, ajustando a válvula de controle no lado de descarga da bomba. 66 P ro f. H u m b e rt o M o li n a r H e n ri q u e (h u m b e rt o @ u fu .b r) D ia g ra m a s d e P ro c e s s o s Q u ím ic o s Capítulo 3: Diagramas de Processos Químicos 3.15 Tubo Schedule Schedule é o termo que designa a espessura de parede de um tubo. É representado por um número que é obtido do arredondamento da seguinte relação: SCH = 1000 x P/S Em que : P: Pressão de serviço (psi) S: Pressão admissível (psi) Quanto maior o Schedule, maior a espessura de parede do tubo. Portanto, para um mesmo diâmetro externo de um tubo, quanto maior o SCH maior a espessura de parede em relação ao seu diâmetro. O Schedule define, portanto, a espessura de parede do tubo. Por exemplo, os tubos das normas americanas (carbono - ASTM) seguem o padrão definido na norma ANSI B 36.10. A norma brasileira NBR 5590 também segue este padrão. Tabela de Tubos Condutores
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