Cap6 Síntese de Processos

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CAPÍTULO 6
INTRODUÇÃO À 
SÍNTESE DE PROCESSOS
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6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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

*
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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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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	Reação: A  B.
	Reagente Puro.
	Conversão Completa.
	Sem necessidade de aquecimento ou resfriamento. 
Fluxograma Mínimo de um Processo
PRIMEIRO PASSO DA SÍNTESE
Definição do sistema de reação: número e tipo de reatores em função da reação selecionada.
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Reação: A  B + C
Reagente com Impureza
Conversão Parcial
Formação de Sub-Produtos
SITUAÇÃO MAIS COMUM
Tornam-se necessários Separadores
*
FLUXOGRAMA EMBRIÃO
Restrito a operações de cunho material
É o ponto de partida para a geração de um fluxograma de processo
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É um Diagrama de Blocos...
a serem detalhados no decorrer do Projeto.
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Processos complexos com produção de intermediários
Superestrutura!
Se houver necessidade de separação dos intermediários...
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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.

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 Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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
- 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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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.
*
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
*
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 + H2O etanol 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 que os reatores já estejam definidos)
*
R2: reação em solução em condições ambientes, com uma conversão de 60% por passe. O oxigênio é proibido, mas a água e o nitrogênio são permitidos na alimentação do reator.
Condições de Reação 
(implica que os reatores já estejam definidos)
R2: C2H5OH + CH3COOH  CH3COOOC2H5 + H2O etanol ác.acético acetato de etila
*
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]
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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O processo completo fica caracterizado pelos Coeficientes Globais (soma algébrica das colunas)
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]
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O processo completo fica caracterizado pelos Coeficientes Globais (soma algébrica das colunas)
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]
*
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 A 67 C
43 D
167 A 167 C
100 C
67 A 67 C
100 D
100 E
43 D
100 A
43 D
20 B
100 D
43 D
120 B 480 N
	A	B	C	D	E	N	
R1	-1	-1	+1	+1	0	0	
R2	-1	0	-1	+1	+1	0	
G	-2	-1	0	+2	+1	0	
120 B 480 N
Produto principal
Co-produtos
Reagentes
A : etanol
B: oxigênio
C: ácido acético
D: água
E: acetato de etila
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6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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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Através da Margem Bruta, se pode prever, antes mesmo da geração do fluxograma embrião,se o processo idealizado é economicamente promissor. 
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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 como: 
L = aR – b (Cmatprim + Cutil) – c ISBL L = aR – b Cmatprim – (b Cutil + c ISBL)
onde : L = Lucro Anual ($/a) 
	R = Receita Anual ($/a)
	Cm = Custo Anual das Matérias Primas ($/a)
	Cd = Custos Anuais Diversos ($/a).
*
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)
RESTRIÇÃO: NÃO EXISTE MERCADO PARA HCl E C2H4Cl2 E O SEGUNDO NÃO PODE SER DESCARTADO.
Desse modo, tudo que for gerado deve ser consumido no processo. 
*
Exemplo: Produção do Cloreto de Vinila (MVC)
*
O sistema compra cloro para produzir o C2H3Cl mas desperdiça o cloro que sai com o HCl não valorizado.
Exemplo: Produção do Cloreto de Vinila (MVC)
*
Tentativa de aproveitar esta concepção
Cogita-se aumentar a Margem Bruta acrescentando uma terceira reação para aproveitar, em R1, o cloro que sai com o HCl em R2.
*
MB = - 12,14 $/lbmol M
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)
*
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.
*
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
*
Balanceamento do Sistema de Reações
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)
*
Os Coeficientes Globais se tornam funções de xi
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
*
Basta procurar combinações de multiplicadores para as quais:
x2 - 2x3 ≥ 0
Como 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.
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
Para evitar MB negativa é preciso evitar a compra de HCl.
*
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.: 0 ≤ x3 ≤ 0,5
 0 ≤ x1 ≤ 1  Não existe mercado para D e ele não pode ser descartado.
A parcela referente ao HCl (C) é omitida porque, com a restrição x3 ≤ 0,5, o coeficiente global será sempre positivo ou zero, para os quais o custo é zero.
2,8
0,84
3,43*
3,1
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
0*
0
0
Preço
*
Na verdade, trata-se de um Problema de Programação Linear A Função Objetivo e as restrições são lineares.
Pode-se demonstrar que a solução ótima encontra-se sempre em um dos vértices da Região Viável. 
Métodos de Otimização: CAPÍTULO 5
*
Examinando os vértices da Região Viável
0
1
0
0,5
1
x1
x3
*
MB = - 0,33 $/lbmol de M
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)
*
0
1
0
0,5
1
x1
x3
Examinando os vértices da Região Viável
*
MB = - 0,54 $/lbmol de M
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)
*
0
1
0
0,5
1
x1
x3
Examinando os vértices da Região Viável
*
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)
*
0
1
0
0,5
1
x1
x3
Solução Ótima
Examinando os vértices da Região Viável
*
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)
*
Para qualquer produção P desejada, basta multiplicar todos os coeficientes por P. Por exemplo: P = 100
MB = 107 $/100lbmol M  1,07 $/lbmol M 
*
PROBLEMA ADICIONAL
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. Se houver demanda de mercado para F, ele poderia ser produzido em excesso.
R1 + R2 + R3 : G é produzido a partir de F que é produzido a partir de D que é produzido em R1. Se houver demanda de mercado para D e F, eles poderiam ser produzidos em excesso.
*
A legislação ambiental define:
C e H podem ser liberados, sem prejuízo.
O descarte de D e F no ambiente está terminantemente proibido.
PROBLEMA ADICIONAL
Uma análise prévia de mercado demonstrou:
Há demanda por G.
C e H não possuem valor de mercado.
Há demanda de mercado por D, mas essa demanda não é maior que a de G.
Não há mercado para F.
RESTRIÇÕES!
*
R1: A + 2B  C + D R2: D + E  F + 2C R3: A + F  G + H
Determinar o melhor esquema de produção em termos de Margem Bruta:
(R1), (R1 + R2), (R1 + R2 + R3)
MATRIZ ESTEQUIOMÉTRICA DO SISTEMA
 RESTRIÇÕES: 
0  x1  1
0  x2  1
Problema de PROGRAMAÇÃO LINEAR
MB = 1,9 + 0,5 x1 – 2,3 x2
*
MB = 1,9 + 0,5 x1 – 2,3 x2
RESTRIÇÕES: 0  x1  1 0  x2  1
Região Viável
R1: A + 2B  C + D R2: D + E  F + 2C R3: A + F  G + H
x1
1
1
0
0
x2
Solução ótima (com os preços praticados): Produzir G adquirindo F no mercado Atender ao mercado de D produzindo-o diretamente de A e B.

*
Problema Extra E se o descarte de D, ao invés de terminantemente proibido, fosse apenas sujeito a uma multa de 0,10 $/tmol?
Porque de antemão sabe-se que se x1 – x2 for maior que 1, não haverá mercado para D e só restará prejuízo. 
*
UMA ANTE-VISÃO DOS PASSOS SEGUINTES DA SÍNTESE A PARTIR DO EMBRIÃO
*
GERAÇÃO DO FLUXOGRAMA COMPLETO DE UM PROCESSO
*
ENUNCIADO
Propor um processo para a produção do composto P.
Decisões a tomar
Rota Química ?
Fluxograma ?
Dimensões ?
Problema completamente em aberto...
*
R1: A + B  C + D R2: C + E  P + D
SELECIONADA UMA ROTA QUÍMICA:
Propor um fluxograma conceitual para um processo de produção do composto P, a partir das matérias primas A, B e E, segundo as reações acima, caso o mesmo apresente um potencial econômico favorável.
Preços de Mercado ($/kmol)
A (2) B (3) C(6) D(0) E(5) P(15)
*
RESOLUÇÃO
*
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 módulos interligados pelo intermediário C. No decorrer da montagem são executados quase todos os balanços materiais necessários.
4. Detalhar os Sistemasde 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. 
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.
*
AVALIAÇÃO ECONÔMICA PRELIMINAR
CÁLCULO DA MARGEM BRUTA
*
MB = (-1)(2) + (-1)(3) + (2)(0) + (-1)(5) + (1)(15) = 5 $/kmol P
O processo é economicamente promissor.
R1: A + B  C + D R2: C + E  P + D
Matriz Estequiométrica
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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.
*
GERAÇÃO DO FLUXOGRAMA EMBRIÃO
*
	A	B	C	D	E	P	
R1	-1	-1	+1	+1	0	0	
R2	 0	 0	-1	+1	-1	1	
G	- 1	- 1	0	+ 2	- 1	1	
*
As vazões foram obtidas por balanço material e serão observadas em todas as etapas posteriores do projeto
*
DAQUI EM DIANTE SÃO APRESENTADOS CONCEITOS E MÉTODOS ASSOCIADOS AO DETALHAMENTO DO FLUXOGRAMA EMBRIÃO
*
6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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

*
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 possíveis.
Em que consiste o PROBLEMA DE SÍNTESE?
PRINCIPAL DIFICULDADE:
Cada fluxograma plausível é uma solução viável do Problema de Síntese.
*
Problema Ilustrativo para Síntese
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.
*
Equipamentos Disponíveis para o Processo Ilustrativo
A Síntese consiste em combinar esses equipamentos formando todos os fluxogramas plausíveis, disponibilizando-os para a Análise.
*
Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo Gerados ao Acaso 
*
Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo Gerados ao Acaso
*
 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 tipo de equipamentos necessários.
Com o auxílio da Análise, os 8 fluxogramas são avaliados na busca do melhor (problema simples: apenas 8 fluxogramas!)
*
Para separar dois componentes (P e A), com dois processos plausíveis, só há duas alternativas:
Mas, para 3 componentes...
*
3 componentes
2 processos
Diferenças:
Seqüência dos Cortes
Tipo de Separadores
8 fluxogramas
*
 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	 9.382.230
10	4.862	2.489.344	95.698.746
C: Nº de componentes
P: Nº de processos plausíveis
N: Nº de fluxogramas possíveis
*
Para integrar duas correntes de processo só há uma alternativa 
Mas, para 4 correntes ...
*
Q2 Q1
1
F2
F1
Q2 Q1
2
Q2 Q1
3
Q2 Q1
4
Q2 Q1
5
Q2 Q1
F2
F1
6
Q2 Q1
7
Q2 Q1
8
Q2 Q1
9
Q2 Q1
10
Q2 Q1
11
Q2 Q1
12
Q2 Q1
13
Q2 Q1
14
Q2 Q1
15
Q2 Q1
16
Com diversas variações  672 redes
*
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 !!!
*
Primeiro Desafio Conseguir gerar todos os fluxogramas possíveis, que podem ser inúmeros!
Segundo Desafio Encontrar a melhor solução no meio deste conjunto numeroso e desordenado das soluções viáveis (ANÁLISE).
*
Muitas vezes abre-se mão da solução ótima em favor da melhor solução possível supostamente próxima da ótima.
*
A busca da solução ótima é muitas vezes impraticável, e até mesmo irrelevante, pois pode existir um conjunto de soluções igualmente boas, equivalentes.
*
(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
*
6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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

*
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-os em máquinas.
Inteligência: faculdade abstrata de perceber relações entre objetos
Raciocínio: faculdade ou processo de tirar conclusões lógicas
*
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.
*
6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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

*
6.4 DECOMPOSIÇÃO DE PROBLEMAS
Problemas complexosdevem ser decompostos em sub-problemas de resolução mais simples.

*
O conjunto das soluções dos sub-problemas forma a solução do 
Problema original.
Os subproblemas são resolvidos de forma coordenada:
*
Exemplo: 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
*

Reflexo na síntese dos fluxogramas do processo
*
Projeto
Rotas
Síntese	
Análise
Decomposição do Problema de Projeto
*
6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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

*
6.5 REPRESENTAÇÃO DE PROBLEMAS
Uma 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.
*
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:
*
6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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

*
6.5 REPRESENTAÇÃO DE PROBLEMAS
6.5.1 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.
*
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.
*
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.
*
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).
*
Representação do Problema de Síntese por Árvore de Estados 
Estados 7 a 14 são os fluxogramas completos.
Estados 1 a 6 são intermediários: existem durante a agregação dos sucessivos equipamentos.
*
*
6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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

*
SUPER - ESTRUTURA
Uma estrutura que abriga qualquer uma das estruturas alternativas para um sistema.
Exemplo Super-estrutura para algarismos:
*
Super – estrutura para o exemplo ilustrativo:
Contém todos os equipamentos e todas as conexões lógicas.
Abriga todos os fluxogramas possíveis do exemplo.
*
Super-estrutura do Problema evidenciando o Fluxograma 7
*
Super-estrutura do Problema evidenciando o Fluxograma 8
*
6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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:
Métodos de Busca Exaustiva.
Métodos 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 Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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 homem
ao se defrontar com um problema complexo.
Método identificado e formalizado pela InteligênciaArtificial
Uma forma de evitar a Explosão Combinatória
*
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
*
Método Heurístico
Método de decisões sucessivas.
Repetir Reconhecer as circunstâncias do problema Selecionar uma Regra Aplicar a Regra Obter uma solução parcial Até Chegar à Solução Final
*
Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico
RT
DS
CI
(12)
Regras para reatores
Regras para separadores
Regras para Integração
Fluxograma completo Um dos ramos da árvore de estados
Repetir Reconhecer as circunstâncias do problema Selecionar uma Regra Aplicar a Regra Obter uma solução parcial Até Chegar à Solução Final
Evitada a Explosão Combinatória !!!
*
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 pode não 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.
*
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
*
6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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 homem
ao se defrontar com um problema complexo.
Uma forma de evitar a Explosão Combinatória
Método identificado e formalizado pela Inteligência Artificial
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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.
*
O Método Evolutivo é uma versão estrutural do Método de Hooke & Jeeves: ao invés de se manipular números, manipulam-se estruturas.
O Método é de fácil aplicação: basta saber identificar fluxogramas vizinhos.
*
Exemplo: O Fluxograma 7 e os seus três Vizinhos Estruturais
Fluxograma Vizinho: é aquele que difere da Base por um único elemento estrutural.
*
Como opera o Método Evolutivo
Evita a Explosão Combinatória !!!
Método Heurístico
 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. 
*
Vizinhança Estrutural em Sistemas de Separação
Os fluxogramas diferem de seus vizinhos (setas) por um corte ou por um processo de separação.
Neste caso, partindo de qualquer fluxograma é possível percorrer todo o espaço de soluções e encontrar a solução ótima.
*
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
Neste caso, partindo de qualquer fluxograma é possível percorrer todo o espaço de soluções e encontrar a solução ótima.
*
Circunstâncias em que o Método Evolutivo encontra a Solução Ótima
Espaço de soluções fortemente conexo:
Qualquer fluxograma pode ser alcançado a partir de qualquer outro, como nos exemplos anteriores.
*
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.
*
Circunstâncias em que o Método Evolutivo pode não encontrar a Solução Ótima
Fluxograma-base “cercado”. Apela-se para métodos alternativos (Simulated Annealing, por exemplo).
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6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese
6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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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Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma 
por Árvore de Estados
Descer na árvore corresponde a agregar equipamentos
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Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma 
por Árvore de Estados
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Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma 
por Árvore de Estados
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por Árvore de Estados
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por Árvore de Estados
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Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma 
por Árvore de Estados
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Resolução do Problema de Síntese por Árvore de Estados 
Busca Inteligente com Limitação (“Branch-and-Bound”)
A ramificação é interrompida [X] quando o custo acumulado de um ramo
ultrapassa o custo da melhor solução completa até então obtida [].
Solução
Análise das estruturas intermediárias e cálculo do custo acumulado.
Geração de uma solução inicial
Progresso da solução
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6.1 Fluxograma Embrião
 6.1.1 Geração do Fluxograma
 6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
6.2 Natureza Combinatória do Problema de Síntese6.3 Inteligência Artificial na Síntese de Processos
6.4 Decomposição de Problemas
6.5 Representação de Problemas
 6.5.1 Representação por Árvores de Estado
 6.5.2 Representação por Super-Estruturas
6.6 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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6.5.4 Resolução por Super-estruturas
Resolve-se um problema de programação não-linear com inteiros (MINLP): 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.
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Outras Aplicações dos Métodos Descritos:
Definição de Rotas Tecnológicas
Daniela R. G. de Faria, 2014, Uso de Programação Matemática na Síntese de uma Bioindústria de Mamona
Orientadores: Fernando L. P. Pessoa, Carlos A. G. Perlingeiro
“Supply-Chain”
Flávio L. L. Jr., 2016, Avaliação da Indústria Petroquímica no Brasil: Desenvolvimento de Modelo via Programação Matemática
Orientadores: Heloísa L. Sanches, Fernando L. P. Pessoa
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Material Complementar (Notas de aula da profa. Kese Alberton)
Tipos de Representação de Processos
Diagrama de blocos (BFD – Block Flow Diagrams)
A representação gráfica dos equipamentos envolvidos é dada por blocos conectados por setas que representam as correntes de processo.
Fluxograma de Processo (PFD – Process Flow Diagram)
A representação gráfica dos equipamentos envolvidos é dada por desenhos típicos conectados por setas que representam as correntes de processo. Usualmente apresenta tabela de dados e especificações das condições operacionais dos equipamentos e correntes.
Fluxograma de Engenharia (P&ID – Piping and Instrumentation Diagram)
Incorpora ao PFD os dispositivos de instrumentação e de controle do processo, por meio de setas diferenciadas que indicam a estratégia adotada. Usualmente detalhado.
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Material Complementar (Notas de aula da profa. Kese Alberton)
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Material Complementar (Notas de aula da profa. Kese Alberton)
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Material Complementar (Notas de aula da profa. Kese Alberton)
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Material Complementar (Apostila de “Desenho Técnico Aplica a Engenharia Química”, prof. André Luis Alberton)
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Material Complementar (Apostila de “Desenho Técnico Aplica a Engenharia Química”, prof. André Luis Alberton)
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Material Complementar (Apostila de “Desenho Técnico Aplica a Engenharia Química”, prof. André Luis Alberton)
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