CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS

1. CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 01 DE NOVEMBRO DE 2008

2. Projeto de Processos Químicos Conjunto numeroso e diversificado de ações O Problema Central da Engenharia Química é o Decisão de produzir um determinado produto químico Plano bem definido para a construção e a operação da instalação industrial.  Ações ???

3. Investigar disponibilidade de matéria prima Investigar mercado para o produto Calcular o consumo de utilidades Estabelecer o número e o tipo dos reatores Definir o fluxogramado processo Investigar reagentesplausíveis Calcular a vazão dascorrentes intermediárias Estabelecer as condições da reação e sub-produtos Avaliar a lucratividadedo processo Definir o número e o tipo de trocadores de calor Definir o número e o tipo dos separadores Calcular as dimensõesdos equipamentos Calcular o consumo de insumos Calcular o consumo de matéria prima Estabelecer malhas de controle

4. ENGENHARIA DE PROCESSOS Permite conduzir o projeto preliminar de um processo de forma sistemática. Principais efeitos Projeto mais eficiente Processos mais eficientes, mais seguros e mais limpos Uma primeira providênciaOrganizar essas ações, reconhecendo o seguinte:

5. Síntese Significa compor um todo a partir de suas partes. (a) escolha do equipamento apropriado para cada tarefa. (b) definição do fluxograma do processo. Análise Significa entender o comportamento de um tododecompondo-o e estudando as suas partes. (a)previsão do desempenho do processo. (b)avaliação do desempenho do processo.

6. Assim, para cada uma das Rotas Químicas cogitadaso Projeto compreende dois sub-conjuntos de atividades que interagem: PROJETO = SÍNTESE  ANÁLISE

7. Calcular o consumo de utilidades Estabelecer o número e o tipo dos reatores Investigar mercado para o produto Calcular a vazão dascorrentes intermediárias Definir o número e o tipo dos separadores Calcular as dimensõesdos equipamentos Investigar reagentesplausíveis Definir o número e o tipo de trocadores de calor Calcular o consumo dos insumos Investigar disponibilidade das matérias primas Estabelecer malhas de controle Calcular o consumo de matéria prima Definir as condições das reações e identificar os sub-produtos gerados Definir o fluxogramado processo Avaliar a lucratividadedo processo SELEÇÃO DEROTAS QUÍMICAS SÍNTESE ANÁLISE

8. 2 INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS 3 4 5 ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO OTIMIZAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA Variáveis Especificadas Parâmetros Econômicos ParâmetrosFísicos MODELOMATEMÁTICO Dimensões Calculadas Lucro MODELOECONÔMICO OTIMIZAÇÃO Variáveis de Projeto Resumoda Análise de Processos Correspondência dos Capítulos com os Módulos Computacionais 

9. Simular Extrator Dimensionar Extrator Simular Evaporador Dimensionar Evaporador Dimensionar Condensador Simular Condensador Resolver Problema Dimensionar Resfriador Simular Resfriador Dimensionar Misturador Simular Misturador Dimensionar Processo Simular Processo Otimizar Processo Calcular Lucro

10. ANÁLISE SÍNTESE 2 6 INTRODUÇÃO À INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS SÍNTESE DE PROCESSOS 8 7 3 4 5 SÍNTESE DE SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO OTIMIZAÇÃO SISTEMAS DE SEPARAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA  Será percebida uma descontinuidade conceitual ao se passar da Análise para a Síntese

11. É a mesma descontinuidade “conceitual” percebida na passagem Eng. de Equipamentos Eng. de Processos: Razões da Descontinuidade: -NaEng. de Equipamentos:osproblemas são de natureza numérica (modelagem matemática, resolução dos modelos). - NaEng. de Processos: os problemas são de natureza lógica e combinatória (seleção e arranjo dos equipamentos). - Na Eng. de Equipamentos: equipamentos tratados individualmente. • NaEng. de Processos: equipamentos são elementos interdependentes de um sistema integrado.

12. 6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 6.1 Natureza Combinatória do Problema de Síntese 6.2 Inteligência Artificial na Síntese de Processos 6.3 Decomposição de Problemas 6.4 Representação de Problemas 6.4.1 Representação por Árvores de Estado 6.4.2 Representação por Super-estruturas 6.5 Resolução de Problemas 6.5.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.5.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.5.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.5.4 Resolução por Super-estruturas 6.6 Fluxograma Embrião 6.6.1 Geração do Fluxograma 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta.

13. 6.1 NATUREZA COMBINATÓRIA DO PROBLEMA DE SÍNTESE PROBLEMA DE SÍNTESE ? Gerar os fluxogramas plausíveis para um processo a partir do conjunto de equipamentos plausíveis e encontrar omelhor fluxograma. Cada fluxograma plausível é uma solução viável doProblema de Síntese PRINCIPAL DIFICULDADE A multiplicidade de soluções decorrente da natureza combinatória do problema.

14. Problema Ilustrativo Produzir um produto P a partir dos reagentes A e B RM RT DS DE A R T Reatores plausíveis: Reator de Mistura (RM) ou Reator Tubular (RT) Os reagentes devem ser pré-aquecidos e o efluente do reator resfriado. Separadores plausíveis: Destilação Simples (DS) ou Destilação Extrativa (DE). Esquemas plausíveis de troca térmica: - Sem Integração Energética (SI): - aquecedor (A) com vapor; - resfriador (R) com água; - Com Integração Energética (CI): - trocador de integração (T).

15. RM RT DS DE Aquecedor Resfriador Trocador deIntegração Reator demistura Reator tubular Coluna de destilaçãosimples Coluna de destilaçãoextrativa T R A Equipamentos Disponíveis para o Processo Ilustrativo A Síntese consiste em combinar esses equipamentos formando todos os fluxogramas plausíveis em busca do melhor. SÍNTESE: responsável por disponibilizar todas as soluções.

16. Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo Gerados ao Acaso Um problema com multiplicidade de soluções

17. Com o auxílio da Análise, os 8 fluxogramas são avaliados na busca do melhor (problema simples: apenas 8 fluxogramas !) Porém, o número de fluxogramas plausíveis cresce em escala proibitiva com o número e o tipo de equipamentos necessários. Basta observar o que ocorre isoladamente nos sistemas de - Separação - Integração Energética

18. A,B A,B A A A A (7) (9) RM RM P,A P,A R R DE DS P P Para separar dois componentes (P e A), com dois processos plausíveis, só há duas alternativas: Mas, para 3 componentes...

19. 8 fluxogramas 3 componentes 2 processos Diferenças: Seqüência dos Cortes Tipo de Separadores

20. C: No. de componentes P: No. de processos plausíveis N: No. de fluxogramas possíveis 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

21. A,B A T DS P RM (8) P,A Para integrar duas correntes de processo só há uma alternativa Mas, para 4 correntes ...

22. Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 F2 1 2 3 4 F1 F2 F2 F2 F1 F1 F1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 F2 6 7 5 8 F1 F2 F2 F2 F1 F1 F1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 12 11 9 10 F2 F2 F2 F2 F1 F1 F1 F1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 Q2 Q1 15 13 16 14 F2 F2 F2 F2 F1 F1 F1 F1 Com diversas variações  672 redes

23. Combinando-se as alternativas dos dois sub-sistemas, imagina-se a complexidade que pode assumir o problema de Síntese de um processo completo

24. EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!

25. Primeiro Desafio Conseguir gerar de todos os fluxogramas possíveisque podem ser inúmeros (SÍNTESE) Segundo DesafioEncontrar a melhor solução no meio deste conjunto numeroso e desordenado das soluções viáveis (ANÁLISE).

26. 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.

27. O sucesso nesse empreendimento é função da: (a)complexidade do problema (b)metodologia empregada: métodos científicos de busca são mais bem sucedidos do que a busca ao acaso Ferramenta importante  INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL

28. 6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 6.1 Natureza Combinatória do Problema de Síntese 6.3 Decomposição de Problemas 6.4 Representação de Problemas 6.4.1 Representação por Árvores de Estado 6.4.2 Representação por Super-estruturas 6.5 Resolução de Problemas 6.5.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.5.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.5.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.5.4 Resolução por Super-estruturas 6.6 Fluxograma Embrião 6.6.1 Geração do Fluxograma 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta 6.2Inteligência Artificial na Síntese de Processos

29. 6.2 INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL NA SÍNTESE DE PROCESSOS Estratégias básicas: Decomposição e Representação Teoria e Engenharia de Sistemas: Tratamento de Conjuntos Complexos de Elementos Interdependentes Inteligência Artificial: Resolução de Problemas Combinatórios

30. 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.

31. 6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 6.1 Natureza Combinatória do Problema de Síntese 6.2 Inteligência Artificial na Síntese de Processos 6.4 Representação de Problemas 6.4.1 Representação por Árvores de Estado 6.4.2 Representação por Super-estruturas 6.5 Resolução de Problemas 6.5.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.5.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.5.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.5.4 Resolução por Super-estruturas 6.6 Fluxograma Embrião 6.6.1 Geração do Fluxograma 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta 6.3 Decomposição de Problemas

32. Problema SP 1 SP 2 SP 4 SP 3 6.3 DECOMPOSIÇÃO DE PROBLEMAS Problemas complexos devem ser decompostos em sub-problemas de resolução mais simples. 

33. Problema Resolvido SP 1 SP 1 SP 2 SP 2 SP 4 SP 4 SP 3 SP 3 Os subproblemas são resolvidos de forma coordenada O conjunto das soluções dos sub-problemas forma a solução do Problema original.

34. Exemplo 1: Travessia Perigosa  3 travessias menos perigosas travessia perigosa destino

35. Exemplo 2: decomposição do Problema Central (Projeto) em seus Sub-Problemas Projeto Rotas Análise Síntese 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

36. Exemplo 3: decomposição do Processo. Produto Matériaprima Processo Separação Integração Controle Reação  Sub-tarefas: (a) Reação: responsável pela modificação do conjunto de espécies, fazendo aparecer o produto principal. (b) Separação: responsável pelo ajuste de composição das correntes, separando o produto dos sub-produtos e do excesso de reagentes. (c ) Integração: responsável pela movimentação de matéria e ajustes de temperatura das correntes. (d) Controle:responsável pela operação segura e estável do processo.

37. Reflexo na síntese dos fluxogramas do processo Sistemade Integração Síntese do Fluxograma Sistemade Separação Sistemade Reação Sistemade Controle 

38. Sistemade Integração Sistemade Separação Sistemade Reação Sistemade Controle Decomposição do Problema de Projeto Projeto Rotas Análise Síntese

39. DECOMPOSIÇÃO NA ORGANIZAÇÃO DO TEXTO/DISCIPLINA ANÁLISE SÍNTESE 2 6 INTRODUÇÃO À INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS SÍNTESE DE PROCESSOS 8 7 3 4 5 SÍNTESE DE SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO SISTEMAS DE SEPARAÇÃO OTIMIZAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA

40. 6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 6.1 Natureza Combinatória do Problema de Síntese 6.2 Inteligência Artificial na Síntese de Processos 6.3 Decomposição de Problemas 6.4.1 Representação por Árvores de Estado 6.4.2 Representação por Super-estruturas 6.5 Resolução de Problemas 6.5.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.5.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.5.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.5.4 Resolução por Super-estruturas 6.6 Fluxograma Embrião 6.6.1 Geração do Fluxograma 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta 6.4 Representação de Problemas

41. 6.4 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.

42. Uma das maiores contribuições da Inteligência Artificial: Representação de Problemas: adotar uma representação que - inclua todas as soluções possíveis- oriente a busca da solução ótima.

43. 6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 6.1 Natureza Combinatória do Problema de Síntese 6.2 Inteligência Artificial na Síntese de Processos 6.3 Decomposição de Problemas 6.4 Representação de Problemas 6.4.2 Representação por Super-estruturas 6.5 Resolução de Problemas 6.5.1 Resolução pelo Método Heurístico 6.5.2 Resolução pelo Método Evolutivo 6.5.3 Resolução por Busca em Árvores de Estado 6.5.4 Resolução por Super-estruturas 6.6 Fluxograma Embrião 6.6.1 Geração do Fluxograma 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta 6.4.1 Representação por Árvores de Estado

44. 6.4 REPRESENTAÇÃO DE PROBLEMAS 6.4.1 Representação por Árvores de Estado Estado uma solução viável do problema Estado Final: uma solução completaEstado Intermediário : uma etapa na busca da solução completa

45. Raiz Estados Intermediários Soluções Parciais Incompletas 1 2 3 5 6 4 Estados FinaisSoluções Finais Completas Árvore Representação com forma de árvore invertida: raiz, ramos, folhas A figura permite visualizar todas as 6 soluções do problema:4 completas e 2 incompletas

46. 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).

47. RM RT DS DE Aquecedor Resfriador Trocador deIntegração Reator demistura Reator tubular Coluna de destilaçãosimples Coluna de destilaçãoextrativa T R A Equipamentos Disponíveis para o Processo Ilustrativo

48. Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo Gerados ao Acaso

49. Representação do Problema de Síntese de um Processo por Árvore de Estados A,B A Na raiz da árvore ainda não existe fluxograma A (7) RM P,A 0 0 R DS RM RT P 1 2 DS DE DS DE 3 4 5 6 SI CI SI CI SI CI SI CI 7 8 9 10 11 12 13 14 Descer na árvore corresponde a agregar equipamentos

50. Geração dos demais fluxogramas Não mais ao acaso Mas orientada pela Árvore de Estados