CAPÍTULO 6 INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS

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

2 O Problema Central da Engenharia Química é o
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 fluxograma do processo Investigar reagentes plausíveis Calcular a vazão das correntes intermediárias Estabelecer as condições da reação e sub-produtos Avaliar a lucratividade do processo Definir o número e o tipo de trocadores de calor Definir o número e o tipo dos separadores Calcular as dimensões dos 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. Projeto mais eficiente Processos mais eficientes, mais seguros e mais limpos Principais efeitos Uma primeira providência Organizar essas ações, reconhecendo o seguinte:

5 Significa compor um todo a partir de suas partes.
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 todo decompondo-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 cogitadas o Projeto compreende dois sub-conjuntos de atividades que interagem: PROJETO = SÍNTESE  ANÁLISE

7 Calcular as dimensões dos equipamentos
Calcular o consumo de matéria prima Calcular o consumo de utilidades Calcular o consumo dos insumos Calcular a vazão das correntes intermediárias Avaliar a lucratividade do processo Estabelecer o número e o tipo dos reatores Definir o número e o tipo dos separadores Definir o número e o tipo de trocadores de calor Estabelecer malhas de controle Definir o fluxograma do processo Investigar mercado para o produto Investigar disponibilidade das matérias primas Definir as condições das reações e identificar os sub-produtos gerados Investigar reagentes plausíveis SELEÇÃO DE ROTAS QUÍMICAS SÍNTESE ANÁLISE

8 Correspondência dos Capítulos com os Módulos Computacionais
Resumo da Análise de Processos Correspondência dos Capítulos com os Módulos Computacionais ESTRATÉGIAS DE CÁLCULO 3 INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS 2 AVALIAÇÃO ECONÔMICA 4 OTIMIZAÇÃO 5    OTIMIZAÇÃO Variáveis Especificadas Variáveis de Projeto Parâmetros Econômicos Parâmetros Físicos MODELO MATEMÁTICO MODELO ECONÔMICO Dimensões Calculadas Lucro

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

10 INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS 2 ESTRATÉGIAS DE CÁLCULO 3 OTIMIZAÇÃO AVALIAÇÃO ECONÔMICA 4 5 ANÁLISE INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS 8 6 SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 7 SÍNTESE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA  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: - Na Eng. de Equipamentos:os problemas são de natureza numérica (modelagem matemática, resolução dos modelos). - Na Eng. de Processos: os problemas são de natureza lógica e combinatória (seleção e arranjo dos equipamentos). - Na Eng. de Equipamentos: equipamentos tratados individualmente. Na Eng. 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 PRINCIPAL DIFICULDADE
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 o melhor fluxograma. Cada fluxograma plausível é uma solução viável do Problema de Síntese PRINCIPAL DIFICULDADE A multiplicidade de soluções decorrente da natureza combinatória do problema.

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

15 Equipamentos Disponíveis para o Processo Ilustrativo
RM Reator de mistura RT Reator tubular DS Coluna de destilação simples DE Coluna de destilação extrativa A Aquecedor R Resfriador T Trocador de Integração 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 Para separar dois componentes (P e A), com dois processos plausíveis, só há duas alternativas:
RM R A A,B P,A (9) RM R A A,B P,A (7) DS P P DE Mas, para 3 componentes...

19 8 fluxogramas 3 componentes Diferenças: 2 processos
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= P= P=3

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

22 Com diversas variações  672 redes
F2 F1 Q2 Q1 9 10 12 11 1 2 4 3 5 6 8 7 13 14 16 15 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 possíveis que podem ser inúmeros (SÍNTESE)
Segundo Desafio Encontrar 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 Ferramenta importante  INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL
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 6.2 Inteligência Artificial na Síntese de Processos

29 6.2 INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL NA SÍNTESE DE PROCESSOS
Teoria e Engenharia de Sistemas: Tratamento de Conjuntos Complexos de Elementos Interdependentes Estratégias básicas: Decomposição e Representação 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 6.3 DECOMPOSIÇÃO DE PROBLEMAS
Problemas complexos devem ser decompostos em sub-problemas de resolução mais simples. Problema  SP 1 SP 2 SP 3 SP 4

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

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

35 Exemplo 2: decomposição do Problema Central (Projeto) em seus Sub-Problemas
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  Processo Exemplo 3: decomposição do Processo. Produto Matéria prima
Sub-tarefas: Reação Separação Integração Controle (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
Síntese do Fluxograma  Sistema de Separação Sistema de Integração Sistema de Controle Sistema de Reação

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

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

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

45 Representação com forma de árvore invertida: raiz, ramos, folhas
1 2 Estados Intermediários Soluções Parciais Incompletas 3 4 5 6 Estados Finais Soluções Finais Completas 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 Equipamentos Disponíveis para o Processo Ilustrativo
DE Coluna de destilação extrativa DS Coluna de destilação simples RM Reator de mistura T Trocador de Integração R Resfriador A Aquecedor RT Reator tubular

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 DS 3 P A 7 SI R A (7) Na raiz da árvore ainda não existe fluxograma Descer na árvore corresponde a agregar equipamentos 1 RM P,A 2 5 6 11 12 13 14 RT DS DE CI SI 4 8 9 10

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

51 Representação do Problema de Síntese de um Processo
por Árvore de Estados RM A,B P,A DS P A T (8) RM RT 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

52 Representação do Problema de Síntese de um Processo
por Árvore de Estados RM R A A,B P,A P DE (9) RM RT 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

53 Representação do Problema de Síntese de um Processo
por Árvore de Estados RM A,B P,A P A T DE (10) RM RT 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

54 Representação do Problema de Síntese de um Processo
por Árvore de Estados DS RT R A A,B A,P P (11) RM RT 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

55 Representação do Problema de Síntese de um Processo
por Árvore de Estados DS RT A,P P A T A,B (12) RM RT 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

56 Representação do Problema de Síntese de um Processo
por Árvore de Estados RT R A A,B A,P P DE (13) RM RT 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

57 Representação do Problema de Síntese de um Processo
por Árvore de Estados RT A,P P A T A,B DE (14) RM RT 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

58 Representação do Problema de Síntese de um Processo
por Árvore de Estados y = [?,?,?] y = [0,?,?] y = [1,?,?] y = [0,0,?] y = [0,1,?] y = [1,0,?] y = [1,1,?] y = [0,0,0] y = [0,0,1] y = [0,1,0] y = [0,1,1] y = [1,0,0] y = [1,0,1] y = [1,1,0] y = [1,1,1] 5 DS 3 6 DE 4 10 CI 14 12 9 SI 11 13 1 RM 2 RT 8 7 Pode ser representada por n = 3 variáveis binárias (0, 1): y1 RM RT 1 y2 DS DE 1 y3 SI CI 1

59 2n soluções completas: 23 = 8

60 Encontram-se presentes todas as soluções nos níveis tecnológico
Exemplo 2: Representação do Problema de Projeto com os seus Sub-Problemas Encontram-se presentes todas as soluções nos níveis tecnológico (rotas químicas), estrutural (fluxogramas) e paramétrico (dimensões dos equipamentos)

61 Decomposição e Representação do Problema de Projeto por Busca Orientada por Árvore de Estados
Raiz Rota Química ? Fluxograma ? Dimensões ? P ? ? ? A+B P+C A,B P,C ?? D+E P+F D,E P,F ?? Nível Tecnológico Seleção de uma Rota Fluxograma ? Dimensões ? 1 P A B C x ? T D 2 P A B C x ? T P 3 D E F x ? M P F 4 D E x ? M Nível Estrutural Síntese de um Fluxograma Dimensões ? Lucro? L x 6 x o = 3 x* 8 L x x o = 4 x* L 10 x x o = 6 x* L x 7 x o = 5 x* Nível Paramétrico Análise do Fluxograma Dimensionamento dos Equipamentos e das Correntes. Lucro. Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4  demais dimensões.

62 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 6.5 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 6.4.2 Representação por Super-estruturas

63 Exemplo Super-estrutura para algarismos
Uma estrutura que abriga qualquer uma das estruturas alternativas para um sistema. Exemplo Super-estrutura para algarismos

64 Super – estrutura para o exemplo ilustrativo
DE DS RT RM T R A Contém todos os equipamentos e todas as conexões lógicas. Abriga todos os fluxogramas possíveis do exemplo.

65 Super-estrutura do Problema evidenciando o Fluxograma 7
DS RT RM T R A

66 Super-estrutura do Problema evidenciando o Fluxograma 8
DS RT RM T R A

67 Super-estrutura do Problema evidenciando o Fluxograma 7
Usando as variáveis binárias DE DS RT RM T R A F(1- y1) F y1 F(1- y2) F y2 F(1- y3) F y3

68 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 6.5.1 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 6.5 Resolução de Problemas

69 Serão apresentados 4 métodos de resolução do problema de síntese
6. 5 RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS Serão apresentados 4 métodos de resolução do problema de síntese 6.5.1 Método Heurístico 6.5.2 Método Evolutivo 6.5.3 Busca Orientada por Árvores de Estado 6.5.4 Super-estruturas 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

70 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 6.5.2 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 6.5.1 Resolução pelo Método Heurístico

71 Método identificado e formalizado pela Inteligência Artificial
6.5 RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS 6.5.1 Resolução pelo Método Heurístico Trata-se de um dos métodos utilizados intuitivamente ao se defrontar com um problema complexo de modo a evitar a Explosão Combinatória Método identificado e formalizado pela Inteligência Artificial

72 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

73 ALGMAS REGRAS HEURÍSTICAS PARA SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
Regra 1: Se a dificuldade dos cortes não diferir muito, então remover primeiro o componente em maior quantidade. Se as quantidades forem iguais, separar em partes iguais. Regra 2: Se os componentes estiverem em quantidades equivalentes, então efetuar, por último, a separação mais difícil (ou a mais fácil primeiro). Regra 3: Ao usar destilação, remover um componente de cada vez como destilado. Regra 4: Evitar extrapolações de temperatura e de pressão, dando preferência a condições elevadas se tais extrapolações forem necessárias. Regra 5: Evitar separações que exigem espécies estranhas à mistura, removendo-as logo que possível no caso de se ter que usá-las. Regra 6: Remover logo os componentes corrosivos ou mais perigosos. Regra 7: Ao usar destilação, ou processo semelhante, remover como destilado a espécie de maior valor ou produto desejado.

74 ALGUMAS REGRAS HEURÍSTICAS PARA REDES DE TROCADORES DE CALOR
1. Tipo de Trocador: Iniciar a síntese com trocadores de tipo casco-e-tubo, de passo simples, com escoamento em contracorrente. 2. Pares de Correntes: RPS (Rudd-Powers-Siirola): QMTE x FMTE ou QmTE x FmTE PD (Ponton-Donaldson) : QMTE x FMTS 3. Extensão da Troca Térmica: Efetuar a troca máxima respeitando um DTmin de 10 oC ou 20 oF.

75 Método de decisões sucessivas
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

76 Resolução do Problema Ilustrativo pelo Método Heurístico
A,B Repetir Reconhecer as circunstâncias do problema Selecionar uma Regra Aplicar a Regra Obter uma solução parcial Até Chegar à Solução Final (12) DS A,P P A Regras para reatores T RT RT 1 3 4 7 8 9 10 RM DS DE CI SI Regras para separadores 2 6 13 14 DE CI SI DS Regras para Integração 5 11 SI CI 12 Fluxograma completo Um dos ramos da árvore de estados Evitada a Explosão Combinatória !!!

77 O Método Heurístico não conduz à solução ótima.
Almeja produzir uma solução economicamente próxima da ótima Solução Ótima Método Heurístico Vantagem: rapidez. Evita a Explosão Combinatória

78 Em função das circunstâncias do problema:
Repetir Reconhecer as circunstâncias do problema Selecionar uma Regra Aplicar a Regra Obter uma solução parcial Até Chegar à Solução Final Em função das circunstâncias do problema: Favoráveis  certeza na escolha das regras  solução única. Desfavoráveis  incerteza  podem resultar diversas soluções.

79 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 6.5.3 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 6.5.2 Resolução pelo Método Evolutivo

80 6.5 RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS
6.5.2 Resolução pelo Método Evolutivo Trata-se de um outro método utilizado intuitivamente ao se defrontar com um problema complexo de modo a evitar a Explosão Combinatória. Método identificado e formalizado pela Inteligência Artificial

81 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: (a) exploração: consiste na exploração de fluxogramas estruturalmente “vizinhos” do fluxograma base. (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. Versão estrutural dos métodos numéricos de otimização: Ao invés de se manipular números (Hooke&Jeeves) manipulam-se estruturas.

82 Exemplo: O Fluxograma 7 e os seus Vizinhos Estruturais
Fluxogramas Vizinhos: são aqueles que diferem do Fluxograma Base por um único elemento estrutural. Exemplo: O Fluxograma 7 e os seus Vizinhos Estruturais RM DS [T] 8 RM DS [A,R] 7 RM DE [A,R] 9 RT DS [A,R] 11

83 Evita a Explosão Combinatória !!!
Como opera o Método Evolutivo 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 Senão adotar o fluxograma Base como solução 80 90 100 60 90 60 50 75 70 40 80 70 80 60 95 10 100 50 300 90 200 20 40 30 100 Método Heurístico Evita a Explosão Combinatória !!!

84 Vizinhança Estrutural em Sistemas de Separação
2 A 5 A A B A B B 1 B 1 C B C B C 1 C 2 C C B A C 1 6 2 1 A 3 A 8 A A A A B B 1 B 2 B 2 A A B B B B C B C 1 C 1 C 2 C C C 4 A 7 A A A A B 1 2 A B B 2 B B B 2 C C C C

85 Vizinhança Estrutural em Integração Energética

86 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

87 Espaço de soluções desconexo
Circunstâncias em que o Método Evolutivo pode não encontrar a Solução Ótima Espaço de soluções desconexo Fluxogramas de um sub-espaço não são alcançado a partir do outro

88 Fluxograma-base “cercado” (equivalente a um máximo/mínimo local)
Circunstâncias em que o Método Evolutivo pode não encontrar a Solução Ótima Fluxograma-base “cercado” (equivalente a um máximo/mínimo local)

89 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 6.5.4 Resolução por Super-estruturas 6.6 Fluxograma Embrião 6.6.1 Geração do Fluxograma 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta 6.5.3 Resolução por Busca Orientada por Árvores de Estado

90 Decomposição, Representação e Resolução do Problema de Projeto por Busca Orientada por Árvore de Estados Nível Tecnológico Seleção de uma Rota Fluxograma ? Dimensões ? Nível Estrutural Síntese de um Fluxograma Dimensões ? Lucro? Nível Paramétrico Análise do Fluxograma Dimensionamento dos Equipamentos e das Correntes. Lucro. Raiz Rota Química ? P ? ? ? A+B P+C A,B P,C ?? D+E P+F D,E P,F ?? 1 P A B C x ? T D 2 P A B C x ? T P 3 D E F x ? M P F 4 D E x ? M L x 6 x o = 3 x* 8 L x x o = 4 x* L 10 x x o = 6 x* L x 7 x o = 5 x* Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4  demais dimensões.

91 Resolução do Problema de Síntese por Árvore de Estados
Busca Exaustiva 1 RM 2 RT 3 DS 4 DE 5 DS 6 DE 7 SI 8 CI 9 SI 10 CI 11 SI 12 CI 13 SI 14 CI C7 C8 C9 C10 C11 C12 C13 C14 Cada solução completa é analisada  8 estruturas completas

92 Resolução do Problema de Síntese por Árvore de Estados
Busca Inteligente com Limitação (“Branch-and-Bound”) Análise das estruturas intermediárias e cálculo do custo acumulado A ramificação é interrompida [X] quando o custo acumulado de um ramo ultrapassa o custo da melhor solução completa até então obtida []. Geração de uma solução inicial Progresso da solução RM 10 RT 15 130 1 10 2 15 DS 60 DE 110 110 DS 60 DE 95 105 3 70 4 120 X 5 75 6 110 X SI 65 SI 60 CI 40 CI 30 7 130  8 110  11 140 X 12 105  Foram geradas 12 estruturas Solução

93 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 6.6 Fluxograma Embrião 6.6.1 Geração do Fluxograma 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta 6.5.4 Resolução por Super-estruturas

94 6.5.4 Resolução por Super-estruturas
DE DS RT RM T R A F(1- y1) F y1 F(1- y2) F y2 F(1- y3) F y3 Escrevem-se os modelos dos equipamentos e conexões. Representa-se a super-estrutura com variáveis binárias. Resolve-se um problema de programação não-linear com inteiros.

95 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 6.6.1 Geração do Fluxograma 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta 6.6 Fluxograma Embrião

96 6.6 Fluxograma Embrião O Corpo Humano é um sistema complexo constituído por diversos sub-sistemas (circulatório, digestório, respiratório, etc..), por sua vez constituídos por diversos órgãos (coração, fígado, vesícula, cérebro, etc...). Esse sistema complexo é formado através de um processo evolutivo natural e espontâneo que começa com o embrião. Logo que formado, as células do embrião começam a se multiplicar e a se especializar formando os órgãos que vão formando os sub-sistemas que vão se integrando formando o sistema completo. Corpo Humano

97 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. Processo Químico Matéria Prima Produto Esta tarefa é complexa e sub-dividida em quatro sub-tarefas principais.

98 Processo Químico Matéria Prima Produto Reação Separação Integração Controle (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. Essas quatro sub-tarefas são desempenhadas pelos quatro sub-sistemas correspondentes.

99 Então, de maneira análoga ao Corpo Humano, o Processo Químico é um sistema complexo constituído por sub-sistemas que, por sua vez, são constituídos por equipamentos. Também de maneira análoga, esse sistema complexo é formado através de um processo evolutivo (embora não natural e espontâneo) que começa com um embrião que vai sendo detalhado durante as diversas etapas do projeto até a formação do processo completo.

100 PRIMEIRO PASSO DA SÍNTESE Fluxograma Mínimo de um Processo
Definição do sistema de reação: número e tipo de reatores em função da reação selecionada Fluxograma Mínimo de um Processo Reação: A  B. Reagente Puro. Conversão Completa. Sem necessidade de aquecimento ou resfriamento. R PROCESSO A Fonte de A Destino de B B

101 Tornam-se necessários Separadores
SITUAÇÃO MAIS COMUM Reação: A  B+ C Reagente com Impureza Conversão Parcial Formação de Sub-Produtos Tornam-se necessários Separadores PROCESSO Fonte de A R A I A I A B C Destino de I S B Destino de B S1 C Destino de C B C S2 Produto Principal Impureza Matéria Prima reciclo sistema de separação Sub-Produto A,I

102 Restrito a operações de cunho material
FLUXOGRAMA EMBRIÃO Ponto de partida para a geração de um fluxograma de processo Restrito a operações de cunho material Processo Químico Reação Separação S R M Mistura Reação Separação

103 Processos complexos com produção de intermediários
Um módulo para cada reação independente (quando realizadas em reatores diferentes) Superestrutura ! S1 R1 S2 R2 S3 R3 M3 M1 M2

104 Muitas equações supérfluas !!!
6.6.1 Geração do Fluxograma S1 R1 S2 R2 S3 R3 M3 M1 M2 Procedimento: - escrever o balanço material de cada componente ao redor de cada bloco o problema se apresenta com G = 1: adotar uma “base” (ex.: 100 unidades molares para o produto principal). - resolver o sistema linear resultante. Muitas equações supérfluas !!!

105 6.6.1 Geração do Fluxograma S1 R1 S2 R2 S3 R3 M3 M1 M2 Procedimento alternativo: - adotar uma “base” (ex.: 100 unidades molares para o produto principal). - para cada módulo: executar balanço material de cada componente ao redor de cada bloco. Seqüência sugerida: produto principal, co-produto, reagentes. Observar a Matriz Estequiométrica, conversões, excessos, inertes, etc.

106 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes; Alocar à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes.

107 Exemplo Ilustrativo (Fluxograma Embrião)
Produção de Acetato de Etila a partir de Etanol R1: C2H5OH + O2  CH3COOH + H2O etanol ác.acético R2: C2H5OH + CH3COOH  CH3COOOC2H5 + H2O etanol ác.acético acetato de etila

108 Condições de Reação (implica em que os reatores já estejam definidos)
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. 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.

109 Condições de Reação (implica em que os reatores já estejam definidos)
R2: C2H5OH + CH3COOH  CH3COOOC2H5 + H2O etanol ác.acético acetato de etila R2: reação em solução em condições ambientes, com uma conversão de 60% por passo. O oxigênio é proibido, mas a água e o nitrogênio são permitidos na alimentação do reator.

110 Condições dos Reagentes
Etanol: solução aquosa com 70% de etanol. Oxigênio e Nitrogênio: provenientes do ar (80% N2 e 20% O2). Condições do Produto O acetato de etila deve sair puro. São proibidos despejos de ácido acético e de etanol.

111 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes.

112 A cada linha corresponde uma reação e um módulo no Fluxograma Embrião
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] Inerte: N2 [F] Este sistema de reações pode ser representado matematicamente pela sua Matriz Estequiométrica A B C D E F R1 -1 1 R2 Convenção: coeficientes negativos para reagentes e positivos para produtos. A cada linha corresponde uma reação e um módulo no Fluxograma Embrião

113 R1: C2H5OH + O2  CH3COOH + H2O [A] [B] [C] [D] R2: C2H5OH + CH3COOH  CH3COOOC2H5 + H2O [A] [C] [E] [D] O processo completo fica caracterizado pelos Coeficientes Globais (soma algébrica das colunas) A B C D E F R1 -1 1 R2 G -2 2 D C E MODULO 2 1 A B Processo completo

114 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 2. Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção

115 E Base: 100 kmol/h de E 100% conversão
A B C D E F R R G Base: 100 kmol/h de E 100% conversão S1 R1 M1 E 60% conversão e sem efluente de reagente  reciclo S2 R2 M2

116 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 3. Para cada módulo, começando pelo do produto principal: a. Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base;

117 A B C D E F R R G S1 R1 M1 100 E S2 R2 M2

118 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 3. Para cada módulo, começando pelo do produto principal: b. Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor;

119 A B C D E F R R G S1 R1 M1 100 E S2 R2 M2 100 E

120 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 3. Para cada módulo, começando pelo do produto principal: c. Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria;

121 A B C D E F R R G S1 R1 M1 100 D 100 E S2 R2 M2 100 E

122 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 3. Para cada módulo, começando pelo do produto principal: d. Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes;

123 R2: 60% conversão 100 E = 0,6 A  A = 167 A = C A B C D E F
G R2: 60% conversão 100 E = 0,6 A  A = 167 A = C S1 R1 M1 100 D 167 A 167 C 100 E S2 R2 M2 100 E

124 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 3. Para cada módulo, começando pelo do produto principal: e. Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes;

125 A B C D E F R R G S1 R1 M1 67 A 67 C 100 D 167 A 167 C 100 E S2 R2 M2 100 E

126 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 3. Para cada módulo, começando pelo do produto principal: f. Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa;

127 A B C D E F R R G S1 R1 M1 67 A 67 C 100 D 167 A 167 C 100 E S2 R2 M2 100 E 67 A 67 C 100 D

128 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 3. Para cada módulo, começando pelo do produto principal: g. Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso;

129 Etanol: solução aquosa [D] com 70% de etanol [A]:
A B C D E F R R G Etanol: solução aquosa [D] com 70% de etanol [A]: 0,3 (100 A + x D) = x D  x = 30 / (1 – 0,3)  43 S1 R1 M1 100 C 67 A 67 C 43 D 100 A 100 D 167 A 167 C 43 D 100 E S2 R2 M2 100 E 67 A 67 C 100 D

130 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes e à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes. 3. Para cada módulo, começando pelo do produto principal: h. Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes.

131 A B C D E F R R G S1 R1 M1 100 C 67 A 67 C 43 D 100 A 43 D 100 D 167 A 167 C 43 D 100 E S2 R2 M2 100 E 67 A 67 C 100 D 43 D

132 Repetir o algoritmo para o próximo módulo

133 Lembrar que: R1: reação catalítica, em fase vapor, a alta pressão, exigindo pelo menos 50% molar de nitrogênio como diluente na alimentação. 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. Condições dos Reagentes Etanol: solução aquosa com 70% de etanol. Oxigênio e Nitrogênio: provenientes do ar (80% N2 e 20% O2).

134 Algoritmo de Alocação de Substâncias (procedimento alternativo)
Montar a Matriz Estequiométrica do processo e os coeficientes globais Selecionar o módulo do produto principal e estabelecer a base de produção Para cada módulo, começando pelo do produto principal: Alocar o produto principal à saída do separador no valor da base; Alocar o produto principal à saída do reator no mesmo valor; Alocar os subprodutos à saída do reator conforme estequiometria; Alocar os reagentes à entrada do reator, levando em conta a conversão, excessos, diluentes e inertes; Alocar à saída do reator a sobra de reagentes, diluentes e inertes; Alocar ao reciclo a sobra de reagentes; Alocar à purga as quantidades dada pelo balanço de massa; Efetuar balanço de massa no misturador e alocar os reagentes à corrente intermediária ou de entrada, conforme o caso; Alocar à saída do separador os intermediários dirigidos a outros blocos, as purgas, e os subprodutos e inertes.

135 A B C D E F R R G 480 N 120 B 480 N 480 N 20 B 480 N 20 B 143 D 43 D 43 D 100 D 120 B 100 A 100 A 43 D S1 R1 M1 100 C 100 C 67 A 67 C 43 D 100 A 43 D 100 D 167 A 167 C 43 D 100 E S2 R2 M2 100 E 67 A 67 C 100 D 43 D

136 Evolução de um Fluxograma a partir do Embrião

137 Fluxograma Embrião Sistema de Separação ? 100 C 100 A 11 B S R M
0,35 nC4H10  iC4H [A] [C] [B] C5H12 (inerte) Sistema de Separação ? 100 C 11 B 186 A 100 C 100 A 11 B R M 286 A 11 B 186 A 100 C 186 A 11 B 0,35

138 Integração Energética ?
100 A 11 B R M 286 A 11 B 186 A 100 C 186 A 11 B 0,35 27 oC 82 oC 104 oC 32 oC 11 B 186 A 100 C Integração Energética ? 27 oC 100 A 11 B M 186 A R 0,35 100 C 186 A 11 B 11 B 186 A 100 C 32 oC 104 oC 286 A 11 B 82 oC 74 oC 104 oC 37 oC

139 6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
O Lucro pode ser escrito: L = aR – b (Cmatprim + Cutil) – c ISBL L = aR – b Cmatprim – b(Cutil + c ISBL) Nessa fase inicial: L = R - Cm - Cd onde : L = Lucro Anual ($/a) R = Receita Anual ($/a) Cm = Custo Anual das Matérias Primas ($/a) Cd = Custos Anuais Diversos ($/a). 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

140 MB > 0: processo potencialmente viável
6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta L = R - Cm - Cd Definindo Margem Bruta MB = R - Cm ($/a) L = MB - Cd MB > 0: processo potencialmente viável

141 Exemplo: Produção do Mono-Cloreto de Vinila (MVC)
R C2H4 + Cl2  C2H4Cl2 R C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl (A) (B) (D) A B C D M R1 -1 1 R2 G p ($/kmol) 2,8 0,84 14,4 3,43 3,1 MB = 3,1 – 2,8 – 0,84 = - 0,54 $/kmol M A B D M C MODULO 2 1

142 MB = - 0,54 $/lbmol M < 0  inviável !
(C) (M) R C2H4 + Cl2  C2H4Cl2 R C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl (A) (B) (D) O sistema compra cloro para produzir o C2H3Cl mas desperdiça o cloro que sai com o HCl não valorizado. A B D M C MODULO 2 1 MB = - 0,54 $/lbmol M < 0  inviável !

143 Sistema Modificado para a Produção de MVC
Uma terceira reação para aproveitar o cloro que sai com o HCl. R HCl + (1/2) O2  Cl2 + H2O (A) (C) (F) (E) (M) R C2H4 + Cl2  C2H4Cl2 R C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl (B) (D)

144 (a compra de HCl onera o processo)
R C2H4 + Cl2  C2H4Cl2 (B) (A) (D) R C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl (D) (M) (C) R HCl + (1/2) O2  Cl2 + H2O (C) (E) (A) (F) A B C D E F M R1 -1 1 R2 R3 -2 -1/2 G p 2,8 0,84 14,4 3,43 3,1 A B D M F 2C 0,5E C MODULO 1 3 2 MB = 3,1 – 0,84 – 14,4 = - 12,14 $/kmol M < 0 (a compra de HCl onera o processo)

145 A B C D E F M R1 -1 1 R2 R3 -2 -1/2 G p 2,8 0,84 14,4 3,43 3,1 A idéia da terceira reação pode ser viabilizada recombinando as reações de modo a eliminar a compra de HCl, ou seja, que o seu coeficiente global não seja negativo. Esse procedimento é chamado de balanceamento do sistema de reações ou da matriz estequiométrica.

146 Balanceamento do Sistema de Reações
F M R1 - 1 1 R2 -1 R3 - 2 - 1/2 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 B C D E F M x R1 - x1 x1 R2 x2 -x2 R3 x3 - 2 x3 - 0,5 x3

147 Mas afeta os Coeficientes Globais
D E F M R1 - 1 1 R2 -1 R3 - 2 - 1/2 G A B C D E F M x R1 - x1 x1 R2 x2 - x2 R3 x3 - 2 x3 - 0,5 x3 G x3 - x1 x2 - 2x3 x1 - x2

148 A B C D E F M x R1 - x1 x1 R2 x2 - x2 R3 x3 - 2 x3 - 0,5 x3 G x3 - x1 x2 - 2x3 x1 - x2 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 $/kmol M  x2 = 1. Logo, qualquer par (x1,x3), com x3 ≤ 0,5, atende ao desejado. A cada par corresponde uma Margem Bruta.

149 Para x3 = 0,5 e x1 = 1: A B C D E F M x R1 -1 1 R2 R3 0,5 - 0,25 G - 0,5 - 1 p 2,8 0,84 14,4 3,43 3,1 B D M C 0,25E 0,5A A 0,5F MODULO 1 2 3 Neste esquema, a compra de HCl (C) é substituída pela de cloro (A), menos onerosa. O cálculo da Margem Bruta resulta em: MB = 3,1 – 0,5*2,8 – 0,84 = 0,86 $/kmol de M > 0  viável !

150 A B C D E F M x R1 - x1 x1 1 R2 x2 -x2 R3 x3 - 2 x3 - 0,5 x3 0,5 G - 0,5 - 1 - 0,25 Para qualquer produção P desejada, basta multiplicar todos os coeficientes por P. Por exemplo: P = 100 A B C D E F M x R1 -100 100 R2 R3 50 -250 G -50 MB = 86 $/100kmol M  0,86 $/kmol M

151 MB = 0,86 $/kmol M MB = 86 $ / 100 kmol M  0,86 $/kmol M 100B 100D
C 0,25E 0,5A A F MODULO 1 2 3 MB = 0,86 $/kmol M 100B 100D 100M 100C 25E 50A 100A 100F MODULO 1 2 3 MB = 86 $ / 100 kmol M  0,86 $/kmol M

152 MB = 3,1 – 0,5*0,84 – 0,5*3,45 = 0,97 $/kmol de M > 0
A B C D E F M x R1 -0,5 0,5 R2 1 -1 R3 -0,25 G p 2,8 0,84 14,4 3,43 3,1 0,5B 2D M C 0,25E A 0,5F MODULO 2 3 0,5D Neste outro esquema, a compra de HCl (C) é substituída pela de dicloroetano (D), também menos onerosa. MB = 3,1 – 0,5*0,84 – 0,5*3,45 = 0,97 $/kmol de M > 0 MB > 0,86 $/kmol de M

153 A B C D E F M x R1 - x1 x1 R2 1 R3 x3 - 2 x3 - 0,5 x3 - G x3 - x1 1 - 2x3 x1 - 1 p 2,8 0,84 14,4 3,43 3,1 O problema exibe múltiplas soluções. Logo, é um problema de otimização. max {MB = 2,8 min[0, x3 – x1] - 0,84 x1 + 3,43 min[0, x1 – 1] + 3,1} {x1, x3} s.a.: 0 ≤ x3 ≤ 0,5 e 0 ≤ x1 A parcela referente ao HCl (C) é omitida porque, com a restrição x3 ≤ 0,5, o coeficiente global será sempre positivo ou zero, para o qual o preço é zero.

154 Trata-se de um problema de Programação Não-Linear
Resolvendo no MATLAB com x1=x(1) e x3=x(2) MB = ‘-(2.8*min(0,x(2)-x(1))-0.84*x(1)+3.43*min(0,x(1)-1)+3.1)’; [x,f]=fmincon(MB,[0;0],[],[],[],[],[0;0],[inf,0.5]) x = [0.5000 0.5000] f =  MB = 0,9650  0,97 $/kmol M Ou seja, a solução ótima é a última alternativa usada !

155 Algumas sub-tarefas já podem ser projetadas conjuntamente
Processo Químico Reação Separação Integração Controle Reação Separação Separação Integração

156 Em retrospectiva: 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.