5 - Projeto de processos químicos

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Engenharia de Processos Químicos
ENGP038
Professor: Rodrigo Vergne
Feira de Santana – Bahia 
Referências
Russell, J. B. Química Geral, 2ª Edição Vol.1;
Introdução a engenharia química – Nilo Indio do Brasil – 2ª Edição
Engenharia de Processos – Análise, Simulação, Otimização e Síntese de Processos Químicos – Carlos Antônio Perlingeiro
Processo Químico
Projeto de Processos Químicos
Queremos produzir um produto P 
Matéria prima
Produto final
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Polipropileno
Tomemos como exemplo o polipropileno
Autopeças
Tecido Não-tecido;
Embalagens flexíveis;
Cadeiras Plásticas;
Copos Plásticos;
Seringas de injeção;
Catalizadores
Outras utilidades
???
Processo Químico
Projeto de Processos Químicos
Queremos produzir polipropileno
Matéria prima
Produto final
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Polipropileno
Catalizadores
Outras utilidades
???
?
?
Equipamentos, arranjos e dimensão
Quantidade de produto, matéria prima e utilidades
?
Reações químicas empregadas
Processo Químico
Projeto de Processos Químicos
Queremos produzir polipropileno
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
?
?
Equipamentos, arranjos e dimensão
Quantidade de produto, matéria prima e utilidades
?
Reações químicas empregadas
Tanque
Bomba
Fornalha
Torre de
destilação
Condensador
Reator
Reator
5
Introdução a Engenharia de Processos
Arranjo de equipamentos
Tanque
Bomba
Fornalha
Torre de
destilação
Condensador
Reator
Reator
Polipropileno
C1 a C2
H2
C1 a C3
C4 a C17
C18 a C38
C39 a C50
C3
Propeno
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Processo Químico
Introdução a Engenharia de Processos
Projeto integrado dos equipamentos
C1 a C3
C4 a C17
C18 a C38
C39 a C50
C1 a C2
C3H8
H2
C3H6
Polípropileno
Fornalha
Torre de destilação
Condensador
Reator
Reator
Barril de petróleo
Bomba
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Introdução a Engenharia de Processos
Projeto integrado dos equipamentos
Mistura de hidrocarbonetos
Moléculas de C1 a C50
C1 a C3
C4 a C17
C18 a C38
C39 a C50
C1 a C2
C3H8
H2
C3H6
Polipropileno
Fornalha
Torre de destilação
Condensador
Reator
Reator
Barril de petróleo
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Processo Químico
Projeto de Processos Químicos
Queremos produzir polipropileno
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
?
?
Equipamentos, arranjos e dimensão
Quantidade de produto, matéria prima e utilidades
?
Reações químicas empregadas
Tanque
Bomba
Fornalha
Torre de
destilação
Condensador
Reator
Reator
100 m³
Centrífuga
20 HP
Altura 10m
Altura 25m
30 pratos
Área de troca
120 m²
CSTR
2 m³
CSTR
2 m³
9
Processo Químico
Projeto de Processos Químicos
Queremos produzir polipropileno
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
?
Equipamentos, arranjos e dimensão
Quantidade de produto, matéria prima e utilidades
?
Reações químicas empregadas
10 toneladas/ano
Catalizadores
100.000 kg/ano
60 toneladas/ano
C3H8(g)  C3H6(g) + H2(g)
Polimerização do C3H6
10
Projeto de Processos Químicos
Será que vai funcionar???
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Provavelmente não!!!
Provavelmente teremos prejuízo!
Provavelmente teremos acidentes!
Através de “achismos” somos muito amadores
11
Projeto de Processos Químicos
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Inteligente
Atitude
Sem
Atitude
Burro
Muito cuidado com
o burro com atitude!!!
12
Projeto de Processos Químicos
Nos primórdios da produção química os processos eram adotadas de forma empírica e artesanal
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Causando diversas mortes e prejuízos!
Se puderem assistam o filme
“Sangue negro”
 (There will be blood)
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Projeto de Processos Químicos
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Evolução tecnológica
14
Projeto de Processos Químicos
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
1 - Rota tecnológica para obtenção do produto
Queremos produzir polipropileno
2 – Fluxograma do processo (equipamentos, arranjo, correntes)
3 – Dimensões dos equipamentos, condições de corrente e operacional
(Sem amadorismo!)
Segundo critérios econômicos, 
ambientais e de segurança
Processo Químico
Matéria prima
Produto final
15
Projeto de Processos Químicos
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Queremos produzir polipropileno
(Sem amadorismo)
Reatores
Problemas 
Processos de separação
Mecânica dos fluidos
Transferência calor e massa
Termodinâmica
Cinética
Controle
Avaliação econômica
Segurança
Engenheiro 
de processos
Projeto
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Projeto de Processos Químicos
Engenharia de Processos
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Ciências básicas
Operações Unitárias
Químicas
Biológicas
Fundamentos
Fenômenos 
de transporte
Termodinâmica
Modelagem matemática
Fenômenos físico-químicos
Eng. equipamentos
Cálculo de Reatores
Mecânica dos Fluidos
Transferência de Calor
Transferência de Massa
Controle
Projetos de equipamentos
Física
Eng. processos
Conjunto de equipamentos integrados
Engenharia de Sistema
Inteligência Artificial
Avaliação Econômica
Segurança
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Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Conceito
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
1 – Conjuntos de Elementos Interdependentes
2 – Cada elemento é capaz de executar uma Ação Específica
3 – Finalidade de executar uma ação complexa, que requer a conexão de seus elementos
Um processo químico 
é um sistema
O aparelho digestivo
é um sistema
A natureza
é um sistema
A economia
é um sistema
18
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Conceito
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Sistemas
Concretos
Abstratos
Processos Químicos
Natureza
CorpoHumano
Economia
Todo sistema tem elementos e finalidades
Sistemas
Elementos
Finalidade
Processos Químicos
Reatores, colunas,trocadores de calor
Produção
Corpo Humano
Estomago, intestino,fígado, pâncreas
Digestão
Natureza
Atmosfera, oceano, rios, animais e vegetais
Vida no planeta
Economia
Governo, população, bancos e comércios
Circulação de moeda
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Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Estrutura
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Arranjo dos elementos
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
3
1
2
3
5
4
6
7
Acíclica
Bifurcação
Convergência
Reciclo
Reciclo
Combinação de estruturas
20
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Estrutura
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
O arranjo da estrutura em um processo químico é conhecido como fluxograma
Tanque
Bomba
Fornalha
Torre de
destilação
Condensador
Reator
Reator
Polipropileno
C1 a C2
H2
C1 a C3
C4 a C17
C18 a C38
C39 a C50
C3
Propeno
21
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Projeto
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
A combinação das operações de cada elemento recebe o nome de Projeto
Tanque
Bomba
Fornalha
Torre de
destilação
Condensador
Reator
Reator
Polipropileno
C1 a C2
H2
C1 a C3
C4 a C17
C18 a C38
C39 a C50
C3
Propeno
Armazenamento
Transporte
Aquecimento
Separação
Condensação
Reação
Reação
22
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Projeto
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
A combinação das operações de cada elemento recebe o nome de Projeto
Armazenamento
Transporte
Aquecimento
Separação
Condensação
Reação
Reação
Projeto
Gerar conjunto de estruturar viáveis (fluxogramas)
Prever e avaliar cada estrutura
Síntese
Análise
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Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Síntese
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Etapa criativa do projeto
Geração de estruturas viáveis
Se precisarmos produzir um produto (P)?
Quais são as formas possíveis para produzi-lo
24
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Síntese
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Etapa criativa do projeto
Geração de estruturas viáveis
Para produzir P é necessário uma 
etapa de reação e de separação
Reação
Reator CSTR
Reator PFR
Separação
Torre de absorção
Torre de destilação
É possível também incluir um reciclo a estrutura
Quantas fluxogramas é possível criar a
partir daí???
R
S
R
S
25
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Síntese
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Reator CSTR
Torre de 
destilação
Reator CSTR
Torre de 
destilação
Reator PFR
Torre de 
destilação
Reator PFR
Torre de 
destilação
Reator CSTR
Torre de 
absorção
Reator CSTR
Torre de 
absorção
Reator PFR
Torre de 
absorção
Reator PFR
Torre de 
absorção
8 Fluxogramas
26
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Síntese
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Para produzir P’ é necessário uma etapa de reação, 
de aquecimento e separação
Reação
Reator CSTR
Reator PFR
Separação
Torre de absorção
Torre de destilação
Aquecimento
Trocador de calor
Fornalha
Etapa criativa do projeto
Geração de estruturas viáveis
É possível também incluir um reciclo a estrutura
Quantas fluxogramas é possível criar a partir daí???
R
S
R
A
S
A
27
Projeto de Processos Químicos
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Reator
 CSTR
Trocador 
de calor
Torre de 
destilação
Reator 
CSTR
Trocador 
de calor
Torre de 
destilação
Reator 
CSTR
Trocador 
de calor
Torre de 
absorção
Reator 
CSTR
Trocador 
de calor
Torre de 
absorção
Reator
 CSTR
Torre de 
destilação
Fornalha
Reator
 CSTR
Torre de 
destilação
Fornalha
Reator
 CSTR
Fornalha
Torre de 
absorção
Reator
 PFR
Trocador 
de calor
Torre de 
destilação
Reator
 PFR
Trocador 
de calor
Torre de 
destilação
Reator
 PFR
Trocador 
de calor
Torre de 
absorção
Reator
 PFR
Trocador 
de calor
Torre de 
absorção
Reator
 PFR
Torre de 
destilação
Fornalha
Reator
 PFR
Torre de 
destilação
Fornalha
Sistemas - Síntese
Reator
 CSTR
Fornalha
Torre de 
absorção
Reator
 PFR
Fornalha
Torre de 
absorção
Reator
 PFR
Fornalha
Torre de 
absorção
16 Fluxogramas!
28
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Síntese
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
A etapa de síntese trata-se, por tanto, de uma análise combinatória
Podendo haver diversas soluções!
Um projeto com mais elementos terá ainda mais soluções!!!
Um projeto de separação de 9 componentes utilizando 
5 processos admite mais de 500 milhões de fluxogramas!
Este processo é conhecido como Explosão Combinatória
Uma destilação de 11 componentes admite 16.796 fluxogramas!
29
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Análise
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Reator CSTR
Torre de 
destilação
Reator CSTR
Torre de 
destilação
Reator PFR
Torre de 
destilação
Reator PFR
Torre de 
destilação
Reator CSTR
Torre de 
absorção
Reator CSTR
Torre de 
absorção
Reator PFR
Torre de 
absorção
Reator PFR
Torre de 
absorção
Qual dos oito fluxogramas é o melhor?!
Todos devem passar para uma etapa de análise!
Deve se identificar qual exige o melhor comportamento!
Previsão e avaliação de desempenho dos equipamentos
30
Projeto de Processos Químicos
Sistemas - Otimização
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
x1
x2
L
x10
x20
L0
Muitos problemas admitem inúmeras soluções viáveis
Um problema de otimização se torna necessário
Espaço fisicamente viável
Espaço economicamente viável
Solução ótima
Lucro máximo
x1máx
x2máx
31
Projeto de Processos Químicos
Inteligência artificial (IA)
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Como encontrar a condição ótima de um problema 
Entre 500 milhões de fluxogramas???
Precisamos da ajuda da inteligência artificial 
para resolver problemas complexos!
Loading...
100%
32
Projeto de Processos Químicos
Inteligência artificial (IA)
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Estratégia da IA
Representação
Resolução
Árvore de Estados
Varrimento da solução
33
Projeto de Processos Químicos
Sistematização do projeto de processo
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Estratégia da IA
Representação
Resolução
Árvore de Estados
Varredura da solução
Decomposição 
do problema
Nível tecnológico 
Estrutural (síntese)
Parâmetro (análise)
Árvore 
de Estados
34
Projeto de Processos Químicos
Sistematização do projeto de processo
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Representação
Árvore de Estados
Produção de P
Reação 1
Reação 2
Fluxograma 1
Fluxograma 2
Fluxograma 3
Fluxograma 4
Parâmetro 1
Parâmetro 2
Parâmetro 3
Parâmetro 4
Nível tecnológico 
Estrutural (síntese)
Parâmetro (análise)
35
Projeto de Processos Químicos
Sistematização do projeto de processo
P
P
C
A
B
P
F
D
E
+
+
+
+
Reação 1
Reação 2
Reator
P + C
A + B
C
P
Torre de 
destilação
Rota 
Química 1
Rota 
Química 2
A + B
C
P
Torre de 
destilação
Reator Tubular
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Projeto de Processos Químicos
Sistematização do projeto de processo
P
P
C
A
B
P
F
D
E
+
+
+
+
Reação 1
Reação 2
Rota 
Química 3
Rota 
Química 4
Reator
P + F
D + E
F
P
Torre de 
absorção
Líquido 
absorvedor
D + E
F
P
Torre de 
absorção
Reator Tubular
Líquido 
absorvedor
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
P
Reação 2
D + E  P + F
Reação 1
A + B  P + C
Rota 
química 1
Rota 
química 2
Rota 
química 3
Rota 
química 4
Torre de 
destilação
Reator
Reator Tubular
Torre de 
destilação
Reator
Torre de 
absorção
Reator Tubular
Torre de 
absorção
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
Projeto de Processos Químicos
Sistematização do projeto de processo
L
x
L
x
L
x
L
x
P
Reação 2
D + E  P + F
Reação 1
A + B  P + C
Rota 
química 1
Rota 
química 2
Rota 
química 3
Rota 
química 4
Torre de 
destilação
Reator
Reator Tubular
Torre de 
destilação
Reator
Torre de 
absorção
Reator Tubular
Torre de 
absorção
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
L
x
L
x
L
x
L
x
Projeto de Processos Químicos
Sistematização do projeto de processo
Projeto de Processos Químicos
Sistematização do projeto de processo – Árvore de Estados
Resolução
Varredura da solução
Rodrigo Vergne de Abreu Santos
L = 7,5
L = 8,0
L = 9,0
L = 10
Loading...
100%
Nível tecnológico 
Estrutural 
(síntese)
Parâmetro 
(análise)
Projeto de Processos Químicos
Sistematização do projeto de processo
Resolução
Varredura da solução
Em um problema com somente 4 fluxogramas pode se encontrar facilmente a solução
Porém, um problema com diversos fluxogramas gerados o auxílio da IA é indispensável!
Quanto maior for o problema, maior é o esforço computacional.
Atualmente as máquinas conseguem cada vez mais resolver um
maior quantidade de problema.
O supercomputador mais potente existente atualmente é capaz de 
resolver 33,86 quadrilhões de equações por segundo. o Tianhe-2 possui 32 mil processadores 
Intel Xeon E5-2692 de 12 núcleos, que funcionam a 2,2 GHz. Ele ainda traz 48 mil 
coprocessadores Xeon Phi, os chips de altíssimo desempenho da Intel que são ligados a uma 
porta PCI Express, cada um com mais de 50 núcleos de processamento.
Tianhe-2
Para se diminuir o esforço computacional, costuma-se inserir
algoritmo: módulos físicos, de avaliação econômica e de otimização. 
Porém, você não possui um supercomputador, 
então melhor reduzir o esforço computacional! 
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