CAPÍTULO 6
INTRODUÇÃO À
SÍNTESE DE PROCESSOS
20 de maio de 2013
1
INTRODUÇÃO GERAL
ANÁLISE
2
6
INTRODUÇÃO À
INTRODUÇÃO À
ANÁLISE DE PROCESSOS
3
4
ESTRATÉGIAS
AVALIAÇÃO
DE CÁLCULO
ECONÔMICA
SÍNTESE
SÍNTESE DE PROCESSOS
5
OTIMIZAÇÃO
7
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
8
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE
INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
REVISÃO
ENGENHARIA DE PROCESSOS
Área da Engenharia Química dedicada aos
PROCESSOS QUÍMICOS
Do ponto de vista de
SISTEMAS
Process Systems Engineering
PROCESSO
Seqüência de etapas que transformam uma matéria prima num
produto de interesse industrial.
Abrange todas as transformações químicas espontâneas, por
ação de catalisadores ou de microrganismos.
Aplicável aos 4 Cursos da Escola de Química
A construção e a operação de uma Planta Industrial resultam da
atividade mais complexa da Engenharia Química, que é o
PROJETO do PROCESSO
PROJETO DE PROCESSOS
O Projeto consiste de um conjunto numerosos e diversificado
de ações desenvolvidas
Desde
A decisão de se produzir
um determinado produto

Até
Conjunto de documentos
com detalhes suficientes
para a construção e a
operação de uma planta
industrial
Investigar
disponibilidade
de matéria prima
Estabelecer o número
e o tipo dos reatores
Investigar mercado
Calcular o consumo
para o produto
de
utilidades
Definir o fluxograma
do processo
Calcular a vazão das
Investigar
correntes
reagentes
intermediárias
Estabelecer as
plausíveis Avaliar a
condições
lucratividade
AÇÕES
TÍPICAS
da reação e subdo processo
Definir
o
número
e
o
produtos
tipo de trocadores de
Definir o número e o
calor
Calcular as
tipo dos separadores
dimensões
Calcular o consumo de
dos equipamentos
insumos
Calcular o consumo de
matéria prima
Estabelecer malhas
de controle
À luz da Engenharia de Processos, essas ações são organizadas
em 3 categorias
ROTA QUÍMICA
Seleção da rota química: reagentes, intermediários, etc..
SÍNTESE
(a) escolha de um elemento para cada tarefa.
(b) definição da estrutura do sistema.
ANÁLISE
(a) previsão do desempenho do sistema.
(b) avaliação do desempenho do sistema.
Para uma dada rota química:
PROJETO = SÍNTESE  ANÁLISE
Investigar
disponibilidade
de matéria prima
Calcular o
consumo de
utilidades
Investigar
mercado
para o produto
Estabelecer o
Definir o fluxograma
número
do processo
e o tipo dos
reatores
Investigar
Calcular a vazão das
reagentes
Estabelecer as
correntes
plausíveis Avaliar a
condições
lucratividade
intermediárias
da reação e subdo processo
Definir o número e o
produtos
tipo de trocadores de
Definir o número e
calor Calcular as
o tipo dos
separadores
dimensões
Calcular o consumo
dos equipamentos
de
Calcular o consumo
Estabelecer
insumos
de
malhas
matéria prima
de controle
Investigar
disponibilidade
de matéria prima
Calcular o
consumo de
utilidades
Investigar
mercado
para o produto
Estabelecer o
Definir o fluxograma
número
do processo
e o tipo dos
Investigar
reatores
Calcular a vazão das reagentes
Avaliar a
Estabelecer as
plausíveis
correntes
lucratividade
condições
intermediárias
do processo
da reação e subDefinir o número e o
produtos
tipo de trocadores de
Definir o número e
calor
o tipo dos
Calcular as
separadores
dimensões
Calcular o consumo
dos equipamentos
de
Calcular o consumo
Estabelecer
insumos
de
malhas
matéria prima
de controle
Calcular o consumo
de utilidades
Estabelecer o número
e o tipo dos reatores
Investigar mercado
Calcular a vazão das
Definir
o
número
e
o
para o produto
correntes
tipo dos separadores
intermediárias
Calcular as dimensões
Investigar reagentes
dos equipamentos
Definir o número e o
plausíveis
tipo de trocadores de
calor
o consumo
ORGANIZADAS
QUANTO
À
SEQUÊNCIACalcular
NO PROJETO
Investigar
dos insumos
disponibilidade Estabelecer malhas
de controle
das matérias primas
Calcular o consumo
Definir as condições
de matéria prima
das reações e identificar
os sub-produtos gerados
Definir o fluxograma
Avaliar a lucratividade
do processo
do processo
SELEÇÃO DE
SÍNTESE
ANÁLISE
ROTAS QUÍMICAS
Decomposição, Representação e Resolução do Problema de
Projeto por Busca Orientada por Árvore de Estados
Raiz
?
P
??
A,B
A+B
P,C
P+C
Rota Química ?
Fluxograma ?
Dimensões ?
D,E
D+E
1
P
C
x
T
??
2
A
B
D
T
?
x
P
C
6
x
D
E
D
M
E
7
x* x o = 6
x
Nível Estrutural
Síntese de um
Fluxograma
Dimensões ? Lucro?
Nível Paramétrico
L
10
x
x
P
F
?
L
x* x o = 4
4
P
F
?
8
x
3
M
A
L
x* x o = 3
D
E
?
L
Seleção de uma Rota
Fluxograma ?
Dimensões ?
P+F
??
A
B
Nível Tecnológico
P,F
x* x o = 5
x
Análise do Fluxograma
Dimensionamento
dos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 6
Solução do Problema de Projeto por Busca Orientada
Raiz
?
Rota Química ?
Fluxograma ?
Dimensões ?
P
??
Vantagem
D,E
Varre todas as soluções
sem repetições
sem omitir a ótima
D+E
D
E
Desvantagem
P+F
??
3
x
P
F
?
Explosão Combinatória
(outros métodos) L
P,F
Nível Tecnológico
Seleção de uma Rota
Fluxograma ?
Dimensões ?
Nível Estrutural
Síntese de um
Fluxograma
Dimensões ? Lucro?
Nível Paramétrico
10
4
x
Análise do Fluxograma
Dimensionamento
dos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4  demais
dimensões.
MISTURADOR
14
RESFRIADOR
W14
T14
W12
T12
12
Benzeno
CONDENSADOR
13
W13
T13
W15
T15
W11
T11
W10
T10
Ar
11
Água
W8
T8
Ac
8
Benzeno
Água
W5
T5
DA SÍNTESE: UM FLUXOGRAMA
W3
x13
EXTRATOR
BOMBA
1
Vd
Alimentação
W12
T12
10
15 RESULTADO
W1
x11
T1
f11
f31
9
5
T3
f13
f23
3
EVAPORADOR
Ae
Extrato
W2
x12
T2
f12
f32
7
2
W7
T7
Condensado
Rafinado
6
4
Produto
W4
x14
T4
f14
f24
W6
T6
Vapor
MISTURADOR
14
RESFRIADOR
W14 = 1.080 kg/h
T*14 = 25 oC
12
CONDENSADOR
W12 = 59.969 kg/h
T*12 = 30 oC
13
W =36.345 kg/h
Ar = 361 m2 T* 10 = 80 oC
Ac = 119
m2
10
11
W11 = 59.969 kg/h
T*11 = 15 oC
W15 = 37.425 kg/hDA ANÁLISE:
RESULTADO
T13 = 25 oC
8
W8 = 228.101 kg/h
T*8 = 15 oC
15
BOMBA
1
Vd = 11.859 l
*= 0,0833 h
kg/h
r* = 0,60
W2 = 99.880
kg/h
x12 = 0,0008
W5 = 36.345 kg/h
T*5 = 80 oC
O FLUXOGRAMA
DIMENSIONADO
W = 37.544 kg/h
EXTRATOR
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/h
f31 = 99.800 kg/h
W12 = 228.101 kg/h
T*12 = 30 oC
10
W13 = 36.345 kg/h
T13 = 25 oC
W*1 = 100.000
x*11 = 0,002
9
2
T2 = 25 oC
f12 = 80 kg/h
Rafinado
f32 = 99.800 kg/h
3
x13 = 0,002
5
T3 = 25 oC
f13 = 120 kg/h
f23 = 37.424 kg/h
3
Ae =
124 m2
W6 =8.615 kg/h
T*6 = 150 oC
6
Extrato
7
W7 = 8.615 kg/h
T*7 = 150 oC
EVAPORADOR
4
W4 = 1.200 kg/h
x*14 = 0,1
T4 = 80 oC
f14 = 120 kg/h
f24 = 1.080 kg/h
Resumo da Análise de Processos
Correspondência dos Capítulos com os Módulos Computacionais
2
INTRODUÇÃO À
ANÁLISE DE PROCESSOS
3
4
ESTRATÉGIAS
AVALIAÇÃO
DE CÁLCULO
ECONÔMICA

Variáveis Especificadas
Parâmetros
Físicos
MODELO
FÍSICO
5
OTIMIZAÇÃO


Parâmetros Econômicos
Dimensões Calculadas
MODELO
ECONÔMICO
Variáveis de Projeto
Lucro
OTIMIZAÇÃO
Simular
Extrator
Dimensionar
Extrator
Simular
Evaporador
Dimensionar
Evaporador
Dimensionar
Condensador
Simular
Condensador
Resolver
Problema
Dimensionar
Simular
UM PROGRAMA
EXECUTIVO PARA ANÁLISE DE
PROCESSOS
Resfriador
Resfriador
Dimensionar
Misturador
Simular
Misturador
Dimensionar
Processo
Calcular Lucro
Simular
Processo
Otimizar
Processo
INÍCIO DA SEGUNDA PARTE
DA DISCIPLINA
SÍNTESE DE PROCESSOS
COMENTÁRIOS PRELIMINARES
DIVISORES DE ÁGUAS NA ENGENHARIA QUIMICA
Unificação dos diversos processos de separação sob
OPERAÇÕES UNITÁRIAS
("UNIT OPERATIONS")
Brown; Foust,...
Unificação de transferência de calor, massa e quantidade de
movimento sob
FENÔMENOS DE TRANSPORTE
("TRANSPORT PHENOMENA")
Bird, Stewart & Lightfoot
Unificação de Análise, Síntese e Otimização de Processos sob
ENGENHARIA DE PROCESSOS
("PROCESS SYSTEMS ENGINEERING")
Rudd, Powers & Siirola
PRINCIPAL CARACTERÍSTICA DA ENGENHARIA DE PROCESSOS
Engloba toda a Engenharia Química: mecânica dos fluidos,
transferência de calor, transferência de massa, termodinâmica,
operações unitárias, cinética e reatores, bioprocessos.
O seu surgimento revolucionou:
A Prática da Engenharia Química com poderosas ferramentas
baseadas em Inteligência Artificial e Computação Avançada no
projeto de processos (concepção e análise de um maior número
de alternativas com precisão e rapidez nunca antes imaginada e
alcançada).
O Ensino da Engenharia Química com a criação de disciplinas
que colocam essas ferramentas ao alcance dos futuros
engenheiros químicos, ainda na Universidade.
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
A única novidade que a Engenharia de Processos proporciona
no campo da Análise de Processos é o tratamento integrado
dos equipamentos, que já são estudados em disciplinas
anteriores.
A grande novidade é a Síntese de Processos, com conceitos e
métodos totalmente inéditos.
Ao se transpor a divisória entre a Análise e a Síntese
1
INTRODUÇÃO GERAL
ANÁLISE
2
ANÁLISE DE PROCESSOS
4
ESTRATÉGIAS
AVALIAÇÃO
DE CÁLCULO
ECONÔMICA
6

INTRODUÇÃO À
3
SÍNTESE
INTRODUÇÃO À
SÍNTESE DE PROCESSOS
5
OTIMIZAÇÃO
7
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
8
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE
INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
Percebe-se uma descontinuidade conceitual.
É a descontinuidade “conceitual”
percebida na passagem da
CIÊNCIAS BÁSICAS
Eng. de Equipamentos  Eng. de Processos:

FUNDAMENTOS
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 são tratados
isoladamente
- Na Eng. de Processos: equipamentos são elementos
interdependentes de um sistema integrado.
CIÊNCIAS BÁSICAS

FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
A Engenharia de Processos ajuda o Engenheiro Químico a
superar essa descontinuidade colocando ao seu alcance
ferramentas modernas para a melhor execução do projeto.
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.1 Fluxograma Embrião
O Corpo Humano é um sistema complexo constituído por diversos
sub-sistemas (circulatório, digestivo, respiratório, locomotor, 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 subsistemas que vão se integrando formando o sistema completo.
CORPO HUMANO: APARELHOS INTEGRADOS
(parcial)
Respiratório
Circulatório
Cérebro
Digestivo
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.
Matéria Prima
Processo
Químico
Produto
Esta tarefa é complexa e sub-dividida em quatro sub-tarefas
principais.
Executadas por quatro sub-sistemas
PROCESSO: 4 SUB-SISTEMAS INTEGRADOS
Separação
Reação
(a) Reação: responsável pela modificação do conjunto de espécies,
fazendo aparecer o produto principal.
Controle
(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.
Integração
(d) Controle: responsável pela operação segura e estável do
processo.
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 pode ser
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.
PRIMEIRO PASSO DA SÍNTESE
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.
PROCESSO
B
Destino de B
R
A
Fonte de A
SITUAÇÃO MAIS COMUM
Reação: A  B+ C
Reagente com Impureza
Conversão Parcial
Formação de SubProdutos
Tornam-se necessários Separadores
PROCESSO
sistema de separação
B
B
S2
BC
Destino de B
Produto Principal
S1
ABC
R
A
S
AI
A
reciclo
C
Destino de C
Sub-Produto
A,I
Fonte de A
Matéria Prima
I
Destino de I
Impureza
FLUXOGRAMA EMBRIÃO
É o ponto de partida para a geração de um fluxograma de processo
Restrito a operações de cunho material
Processo Químico
Reação
Separação
É um Diagrama de Blocos
S
R
M
R
Sistema de Reatores
S
Sistema de Separação
A serem detalhados no decorrer do Projeto
Processos complexos com produção de intermediários
Um módulo para cada reação independente
S1
R1
S2
R2
S3
R3
M1
Superestrutura !
M2
M3
SISTEMAS DE REATORES
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.
Porque: da natureza e das condições do seu efluente dependerá
a definição do sistema de separação e de todo o restante do
fluxograma.
S

R
M
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.1.1 Geração do Fluxograma
Dados
- as reações: reagentes, produtos e
condições de reação (conversão,
excesso, inertes...).
S1
R1
S2
R2
S3
R3
M1
M2
M3
- estado dos reagentes.
- especificações para o produto.
Procedimento
- montar a Matriz Estequiométrica do sistema de reações.
- 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).
- resolver o sistema linear resultante.
R1
R2
G
A
-1
-1
-2
B
-1
0
-1
480 N
20 B
143 D
C
+1
-1
0
20 B
100 D
D
+1
+1
+2
E
0
+1
+1
480 N
43 D
43 D
120 B
100 A
100 C
S1
F
0
0
0
EXEMPLO
120 B
480 N
480 N
R1
100 A
43 D
M1
100 C
67 A
67 C
43 D
100 E
43 D
167 A
167 C
100 D
100 E
S2
R2
M2
67 A
67 C
143 D
100 A
43 D
Porém, muitas equações são
supérfluas !!!
De antemão, já se sabe que
alguns componentes não se
encontram em certas correntes.
S1
R1
S2
R2
S3
R3
M1
M2
M3
Procedimento alternativo
(Observando a Matriz Estequiométrica, conversões, excessos, inertes, etc.)
É um procedimento lógico em que os balanços de massa são
executados intuitivamente apenas onde são indispensáveis.
Resolve-se o problema por módulos, partindo daquele que produz
o Produto Principal.
Exemplo Ilustrativo
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
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.
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.
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.
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
B
C
D
E
F
R1
-1
-1
1
1
0
0
R2
-1
0
-1
1
1
0
Convenção: coeficientes negativos para reagentes e positivos para
produtos.
A cada linha corresponde uma reação e um módulo no Fluxograma
Embrião
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
1
1
0
0
R2
-1
0
-1
1
1
0
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
1
1
0
0
R2
-1
0
-1
1
1
0
G
-2
-1
0
2
1
0
A
B
MODULO
1
D
A
C
MODULO
2
D
E
Processo completo
Procedimento Alternativo para a
Montagem do Fluxograma Embrião
(Observando a Matriz Estequiométrica, conversões, excessos, inertes, etc.)
Partindo do módulo que produz o Produto Principal
executar o balanço material de cada componente ao redor de
cada bloco, na seguinte sequencia:
produto principal
coprodutos
reagentes
A
-1
-1
-2
R1
R2
G
20 B
143 D
480 N
B
-1
0
-1
S1
C
+1
-1
0
D
+1
+1
+2
20 B 100 C
43 D 100 D
480 N
E
0
+1
+1
R1
F
0
0
0
100 A
43 D
A : etanol
B: oxigênio
C: ácido acético
D: água
E: acetato de etila
M1
120 B
480 N
100 A 120 B
43 D 480 N
100 C
Produto principal
100 E
S2
143 D
Co-produtos
67 A
67 C
Reagentes
43 D
43 D
100 D
100 E
R2
167 A
167 C
67 A
67 C
M2
100 A
43 D
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
Prosseguindo com a analogia com o corpo humano, quando
através de uma ultrassonografia pode-se acompanhar e avaliar o
desenvolvimento do feto
Aqui se pode prever, através da Margem Bruta, antes mesmo da
geração do fluxograma embrião, se o processo idealizado é
economicamente promissor.
6.1.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
O Lucro pode ser escrito:
L = aR – b (Cmatprim + Cutil) – c ISBL
L = aR – b Cmatprim – (bCutil + 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
6.6.2 Avaliação Econômica Preliminar: Margem Bruta
L = R - Cm - Cd
Definindo Margem Bruta MB = R - Cm ($/a)
L = MB - Cd
MB > 0 para processo potencialmente viável.
Exemplo: Produção do Cloreto de Vinila (MVC)
R1
C2H4 + Cl2  C2H4Cl2
(B)
(A)
(D)
C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl
R2
(D)
(C)
(M)
A
B
C
D
M
R1
-1
-1
0
1
0
R2
0
0
1
-1
1
G
-1
-1
1
0
1
p
2,8
0,84
14,4(c)
0 (v)
3,43
3,1
($/lbmol)
Exemplo: Produção do Cloreto de Vinila (MVC)
R1
C2H4 + Cl2  C2H4Cl2
(B)
(A)
(D)
C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl
R2
(D)
(C)
(M)
A
B
C
D
M
R1
-1
-1
0
1
0
R2
0
0
1
-1
1
G
-1
-1
1
0
1
p
2,8
0,84
14,4(c)
0 (v)
3,43
3,1
($/lbmol)
MB = (-1)(2,8) + (-1)(0,84)+(1)(0)+(0)(3,43)+(1)(3,1) = - 0,54 $/lbmol M
B
A
MODULO
1
M
D
MODULO
2
C
R1
C2H4 + Cl2  C2H4Cl2
(B)
R2
(A)
C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl
(D)
MODULO
1
(C)
(M)
B
A
(D)
M
D
MODULO
2
C
O sistema compra cloro para produzir o C2H3Cl mas desperdiça
o cloro que sai com o HCl não valorizado.
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.
R1
C2H4 + Cl2  C2H4Cl2
(B)
R2
(D)
C2H4Cl2  C2H3Cl + HCl
(D)
R3
(A)
(M)
(C)
2HCl + (1/2) O2  Cl2 + H2O
(C)
(E)
(A)
(F)
R1
C2H4 + Cl2  C2H4Cl2
(B) (A)
(D)
R2
C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl
(D)
(C)
2HCl + (1/2) O2  Cl2 + H2O
(C)
(E)
(A) (F)
R3
A
B
C
D
E
F
M
R1
-1
-1
0
1
0
0
0
R2
0
0
1
-1
0
0
1
R3
1
0
-2
0
-1/2
1
-
G
0
-1
-1
0
-1/2
1
1
p
2,8
0,84
14,4*
3,43
0
0
3,1
B
A
(M)
MODULO
1
M
D
MODULO
2
C
C
MB = - 12,14 $/lbmol M
2C
0,5E
MODULO
3
F
R1
C2H4 + Cl2  C2H4Cl2
(B) (A)
(D)
R2
C2H4Cl2 C2H3Cl + HCl
(D)
(C)
2HCl + (1/2) O2  Cl2 + H2O
(C)
(E)
(A) (F)
R3
A
B
C
D
E
F
M
R1
-1
-1
0
1
0
0
0
R2
0
0
1
-1
0
0
1
R3
1
0
-2
0
-1/2
1
-
G
0
-1
-1
0
-1/2
1
1
p
2,8
0,84
14,4*
3,43
0
0
3,1
B
A
(M)
MODULO
1
M
D
MODULO
2
C
C
2C
0,5E
MODULO
3
F
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
B
C
D
E
F
M
R1
-1
-1
0
1
0
0
0
R2
0
0
1
-1
0
0
1
R3
1
0
-2
0
-1/2
1
-
G
0
-1
-1
0
-1/2
1
1
p
2,8
0,84
14,4*
3,43
0
0
3,1
MB = - 12,14 $/lbmol M
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 recombinação das reações pode ser feita através do
balanceamento da matriz estequiométrica.
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
Balanceamento do Sistema de Reações
A
B
C
D
E
F
M
R1
-1
-1
0
1
0
0
0
R2
0
0
1
-1
0
0
1
R3
1
0
-2
0
- 1/2
1
-
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
0
x1
0
0
0
x1
R2
0
0
x2
-x2
0
0
x2
x2
R3
x3
0
- 2 x3
0
- 0,5 x3
x3
-
x3
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
Os Coeficientes Globais se tornam funções de xi
A
B
C
D
E
F
M
R1
-1
-1
0
1
0
0
0
R2
0
0
1
-1
0
0
1
R3
1
0
-2
0
- 1/2
1
-
G
0
-1
-1
0
- 1/2
1
1
A
B
C
D
E
F
M
x
R1
- x1
- x1
0
x1
0
0
0
x1
R2
0
0
x2
- x2
0
0
x2
x2
R3
x3
0
- 2 x3
0
- 0,5 x3
x3
-
x3
G
x3 - x1
- x1
x2 - 2x3
x1 - x2 - 0,5 x3
x3
x2
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
A
B
C
D
E
F
M
x
R1
- x1
- x1
0
x1
0
0
0
x1
R2
0
0
x2
- x2
0
0
x2
x2
R3
x3
0
- 2 x3
0
- 0,5 x3
x3
-
x3
G
x3 - x1
- x1
x2 - 2x3
x1 - x2
- 0,5 x3
x3
x2
H Cl
Para evitar MB negativa é preciso evitar a compra de HCl
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)
A
B
C
D
E
F
M
x
R1
- x1
- x1
0
x1
0
0
0
x1
R2
0
0
1
1
0
0
1
1
R3
x3
0
- 2 x3
0
- 0,5 x3
x3
-
x3
G
x3 - x1
- x1
1 - 2x3
x1 - 1
- 0,5 x3
x3
1
2,8
0,84
H Cl
3,43
3,1
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.: x3 ≤ 0,5
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.
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
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.
A busca da solução ótima é normalmente efetuada pelo
Método Simplex.
CAPÍTULO 5
Examinando os vértices da Região Viável
1
x3
0,5
0
- 0,33
0
x1
1
A
B
C
D
E
F
M
x
R1
0
0
0
0
0
0
0
0
R2
0
0
1
-1
0
0
1
1
R3
0
0
0
0
0
0
-
0
G
0
0
1
-1
0
0
1
M
D
MODULO
2
C
O sistema compra dicloroetano para produzir o C2H3Cl mas
desperdiça o cloro que sai com o HCl não valorizado.
MB = - 0,33 $/lbmol de M
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
Examinando os vértices da Região Viável
1
x3
0,5
0
- 0,33
0
- 0,54
x1
1
A
B
C
D
E
F
M
x
R1
-1
-1
0
1
0
0
0
1
R2
0
0
1
-1
0
0
1
1
R3
0
0
0
0
0
0
-
0
G
-1
-1
1
0
0
0
1
B
A
MODULO
1
M
D
MODULO
2
C
Novamente, o sistema compra cloro para produzir o C2H3Cl
mas desperdiça o cloro que sai com o HCl não valorizado.
MB = - 0,54 $/lbmol de M
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
Examinando os vértices da Região Viável
1
x3
0,5
0
0,86
- 0,33
0
- 0,54
x1
1
A
B
C
D
E
F
M
x
R1
-1
-1
0
1
0
0
0
1
R2
0
0
1
-1
0
0
x1
1
R3
0,5
0
-1
0
- 0,25
0,5
-
0,5
G
- 0,5
-1
0
0
- 0,25
0,5
1
B
0,5A
A
MODULO
1
M
D
MODULO
2
0,25E
C
MODULO
3
0,5F
0,5A
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)
Examinando os vértices da Região Viável
1
x3
0,5
0,86
1,07
Solução Ótima
0
- 0,33
0
- 0,54
x1
1
A
B
C
D
E
F
M
x
R1
0
0
0
0
0
0
0
0
R2
0
0
1
-1
0
0
1
1
R3
0,5
0
-1
0
- 0,25
0,5
-
0,5
G
0,5
0
0
-1
- 0,25
0,5
1
0,5 A
0,25E
M
1D
MODULO
2
C
MODULO
3
0,5F
MB = 1,07 $/lbmol de M
Esta é a Solução Ótima
A fonte de Cloro é o Dicloroetano (D). Admite-se que exista
disponível no mercado. Do contrário teria que haver uma
Restrição neste sentido.
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
A
B
C
D
E
F
M
x
R1
-1
-1
0
1
0
0
0
1
R2
0
0
1
-1
0
0
1
1
R3
0,5
0
-1
0
- 0,25
0,5
-
0,5
G
- 0,5
-1
0
0
- 0,25
0,5
1
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
0
100
0
0
0
100
R2
0
0
100
- 100
0
0
100
100
R3
50
0
- 100
0
- 250
50
-
50
G
- 50
- 100
0
0
- 250
50
100
MB = 86 $/100lbmol M  0,86 $/lbmol M
B
0,5A
M
A
D
MODULO
1
MODULO
2
0,25E
C
MODULO
3
F
0,5A
MB = 0,86 $/lbmol M
100B
50A
100A
MODULO
1
100M
100D MODULO
2
50A
25E
MODULO
3
100C
MB = 86 $  0,86 $/lbmol M
A(Cl2) : B(C2H4) : C (HCl) : D (C2H4Cl2) : E (O2) : F (H2O)
100F
PROBLEMA ADICIONAL
Considere as 3 reações abaixo relacionadas com a produção de 1 tmol/a de G
R1: A + 2B  C + D
R2: D + E  F + 2C
R 3: A + F  G + H
Sabe-se que, além do mercado para G, existe mercado para os intermediários
D e F, que pode ser atendido pela produção de D e de F em excesso ao
necessário para produzir G.
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. Pode ser produzido em excesso de F para atender o seu mercado.
R1 + R2 + R3 : G é produzido a partir de F que é produzido a partir de D que é
produzido em R1. Podem ser produzidos excessos de D e F para atender os
seus mercados.
R1: A + 2B  C + D
R2: D + E  F + 2C
R 3: 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
R1
A
B
C
D
-x1
-2 x1
x1
x1
2 x2
- x2
R2
R3
-1
G
- (1+x1)
- 2x1
x1+2x2
x1 - x2
P
0,6
0,7
0
2,5
E
F
G
H
x1
- x2
x2
x2
-1
1
1
- x2
x2 - 1
1
1
0,8
1
3,5
0
MB = 1,9 + 0,5 x1 – 2,3 x2
x3 = 1
R1: A + 2B  C + D
R2: D + E  F + 2C
R 3: 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
R1
A
B
C
D
-x1
-2x1
x1
x1
2x2
-x2
R2
R3
-1
G
-(1+x1)
-2x1
x1+2x2
x1-x2
P
0,6
0,7
0
2,5
E
F
G
H
x1
-x2
x2
x2
-1
1
1
-x2
x2-1
1
1
0,8
1
3,5
0
MB = 1,9 + 0,5 x1 – 2,3 x2
RESTRIÇÕES:
0  x1  1
0  x2  1
Problema de PROGRAMAÇÃO LINEAR
x3 = 1
MB = 1,9 + 0,5 x1 – 2,3 x2
RESTRIÇÕES:
0  x1  1
0  x2  1
1
-0,4
x2
0
1,9
0
- 0,1
R1: A + 2B  C + D
R2: D + E  F + 2C
R3: A + F  G + H
Região Viável
x1
2,4
1

Solução ótima (com os preços praticados):
Produzir G adquirindo F no mercado
Atender o mercado de D produzindo-o diretamente de A e B.
RESOLVER OS PROBLEMAS DO LIVRO
UMA ANTE-VISÃO DOS PASSOS SEGUINTES DA SÍNTESE
A PARTIR DO EMBRIÃO
THE MASTER PROBLEM
05 de março de 2012
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...
Do Capítulo 1: Decisões a tomar: Árvore de Estados
Raiz
?
P
??
A,B
A+B
P,C
P+C
Rota Química ?
Fluxograma ?
Dimensões ?
D,E
D+E
1
P
C
x
T
??
2
A
B
D
T
?
x
P
C
6
x
D
E
D
M
E
7
x* x o = 6
x
Nível Estrutural
Síntese de um
Fluxograma
Dimensões ? Lucro?
Nível Paramétrico
L
10
x
x
P
F
?
L
x* x o = 4
4
P
F
?
8
x
3
M
A
L
x* x o = 3
D
E
?
L
Seleção de uma Rota
Fluxograma ?
Dimensões ?
P+F
??
A
B
Nível Tecnológico
P,F
x* x o = 5
x
Análise do Fluxograma
Dimensionamento
dos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
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 abaixo, caso o mesmo apresente um potencial
econômico favorável.
R1: A + B  C + D
R2: C + E  P + D
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.
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.
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 Sistemas de 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.
Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de
correntes.
AVALIAÇÃO ECONÔMICA PRELIMINAR
CÁLCULO DA MARGEM BRUTA
R1: A + B  C + D
R2: C + E  P + D
Matriz Estequiométrica
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
p ($/kmol)
2
3
4
0
5
15
MB = (-1)(2) + (-1)(3) + (2)(0) + (-1)(5) + (1)(15) = 5 $/kmol P
O processo é economicamente promissor.
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada
nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
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.
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 Sistemas de 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.
Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de
correntes.
SISTEMAS DE REAÇÃO
Foram selecionados 2 reatores tipo tanque de mistura
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.
Os dois reatores devem ser termicamente isolados.
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada
nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
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.
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 Sistemas de 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.
Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de
correntes.
GERAÇÃO DO FLUXOGRAMA EMBRIÃO
R1
R2
G
100 D
S1
A
-1
0
-1
B
-1
0
-1
C
+1
-1
0
150 A 100 C
150 B 100 D
R1
150 A
D
+1
+1
+2
250 B
250 A
E
0
-1
-1
M1
P
0
1
1
100 A
100 B
100 B
100 C
100 C
100 P
S2
100 D
100 P
100 D
25 C
25 E
R2
125 E
125 C
25 C 25 E
M2
100 E
As vazões foram obtidas por balanço material e serão observadas
em todas as etapas posteriores do projeto
100 D
S1
150 A 100 C
150 B 100 D
R1
150 A
250 B
250 A
M1
100 A
100 B
100 B
100 C
100 C
100 P
S2
100 D
100 P
100 D
25 C
25 E
R2
125 E
125 C
25 C 25 E
M2
100 E
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada
nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
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.
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 Sistemas de 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.
Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de
correntes.
DETALHAR OS SISTEMAS DE SEPARAÇÃO S1 e S2
CAPÍTULO 7
SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
Para os efluentes dos reatores R1 e R2 deve-se utilizar
destilação simples
R 1: A + B  C + D
R 2: C + E  P + D
O efluente deve ser resfriado a 70 oC
O efluente deve ser resfriado a 80 oC
Volatilidades relativas adjacentes:
A (1,5)
C (2,0)
B (1,2)
D
Volatilidades relativas adjacentes:
C (2,0)
E (1,7)
P (1,3)
D
150 A
150 A
100 C
D1
100 C
150 B
100 D
100 C
150 B
D2
150 B
100 D
150 B
D3
100 D
100 D
25 C 25 E
25 C
25 E
D4
100 P
100 D
100 P
100 P
D5
100 D
100 D
FLUXOGRAMA ATUALIZADO
04
150 A
T4
01
M1
To2
100 A
100 B
02
Td2
To3
R1
250 A
250 B
03
Td3
D1
150 A
100 C
150 B
100 D 1O0 C
150 B
100 D
T1
05
D2
T5
07
150 B
T7
D3
06
150 B
100 D
09
T6
100 C
T9
100 D
08
T8
13
25 C
25 E
T13
Td12
15
D4
T15
14
D5
100 P
100 D
16
100 D
T16
R2
12
100 P
T14
Td11 11 To11
To12
25 C
25 E
100 P
100 D
125 C
125 E
10
M2
100 E
T10
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada
nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
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.
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 Sistemas de 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.
Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de
correntes.
SISTEMA DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
Rede de Trocadores de Calor
Capacidade Calorífica
(kWh / kmol oC)
Reagentes A, B e E disponíveis a 25 oC
R1
- calor de reação: 0,073 kWh / kmol.
- a alimentação do reator deve estar a 100oC.
- o efluente deve ser resfriado a 70 oC
R2
- calor de reação: 0,069 kWh / kmol.
- a alimentação do reator deve estar a 100 oC.
- o efluente deve ser resfriado a 80 oC
A (0,030)
B (0,026)
C (0,022)
D (0,020)
E (0,024)
P (0,028)
04
A
T4
01
AB
M
1
To2 02
Td2
To3 03 Td3
R1
A B
D1
A B C D
T1
BCD
T5
07
05
D2
B
T7
BD
06
D3
09
T6
C
T9
T13 13
15
D4
Td12 To12
12
P
T15
C E P D
T8
Td11
R2
To11
M2
10
11
E
CE
T10
14
D5
16
D
08
C E
P
D
T14
D
T16
Para identificar as correntes quentes e frias, é necessário
determinar as temperaturas To2 e To11
BALANÇOS DE ENERGIA
04
150 A
T4
01
M1
To2
100 A
100 B
02
Td2
To3
R1
250 A
250 B
Td12
Td3
Td11
Td2
T1
T10
T4
T5
T9
T6
T7
T8
T13
T14
T15
T16
To2
To11
To3
To12
80
70
100
120
25
25
12
102
67
115
107
131
49
97
86
112
48
46
130
119
Td3
D1
150 A
100 C
150 B
100 D 1O0 C
150 B
100 D
T1
Resultam as
temperaturas das
correntes
03
05
D2
T5
07
150 B
T7
D3
06
150 B
100 D
09
T6
100 C
T9
100 D
08
T8
13
25 C
25 E
T13
Td12
15
12
T15
14
D5
100 P
100 D
16
100 D
T16
R2
D4
100 P
T14
Td11 11 To11
To12
125 C
125 E
10
M2
100 E
T10
04
150 A
T4
01
M1
To2
Td2
To3
R1
100 A
100 B
D1
03
02
T1
Td3
1O0 C
150 B
100 D
05
D2
T5
07
150 B
T7
Td12
Td3
Td11
Td2
T1
T10
T4
T5
T9
T6
T7
T8
T13
T14
T15
T16
To2
To11
To3
To12
80
70
100
120
25
25
12
102
67
115
107
131
49
97
86
112
48
46
130
119
D3
E, delas, a rede de trocadores
de calor
06
150 B
100 D
09
T6
100 C
T9
100 D
08
T8
13
25 C
25 E
T13
Td12
15
D5
100 P
100 D
T16
T14
10
M2
T10
11
14
To11
100 E
12
T15
100 D
Td11
R2
D4
100 P
16
To12
04
150 A
T4
01
M1
To2
Td2
To3
R1
100 A
100 B
D1
03
02
T1
Td3
1O0 C
150 B
100 D
05
D2
T5
07
150 B
T7
D3
06
O fluxograma deve ser otimizado
150 B
100 D
09
T6
100 C
T9
100 D
08
T8
13
25 C
25 E
T13
Td12
15
D5
100 P
100 D
T16
T14
10
M2
T10
11
14
To11
100 E
12
T15
100 D
Td11
R2
D4
100 P
16
To12
MISTURADOR
14
RESFRIADOR
W14 = 1.080 kg/h
T*14 = 25 oC
12
CONDENSADOR
W12 = 59.969 kg/h
T*12 = 30 oC
13
W =36.345 kg/h
Ar = 361 m2 T* 10 = 80 oC
W11 = 59.969 kg/h
T*11 = 15 oC
W15 = 37.425 kg/h
T13 = 25 oC
15
EXTRATOR
BOMBA
Vd = 11.859 l
kg/h
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/h
f31 = 99.800 kg/h
Ac = 119
m2
10
11
W*1 = 100.000
x*11 = 0,002
W12 = 228.101 kg/h
T*12 = 30 oC
10
W13 = 36.345 kg/h
T13 = 25 oC
1
9
*= 0,0833 h
r* = 0,60
W2 = 99.880 kg/h
x12 = 0,0008
2
T2 = 25 oC
f12 = 80 kg/h
f32 = 99.800 kg/h
Rafinado
8
W8 = 228.101 kg/h
T*8 = 15 oC
W5 = 36.345 kg/h
T*5 = 80 oC
W3 = 37.544 kg/h
x13 = 0,002
5
T3 = 25 oC
f13 = 120 kg/h
f23 = 37.424 kg/h
3
Ae =
124 m2
W6 =8.615 kg/h
T*6 = 150 oC
6
Extrato
7
W7 = 8.615 kg/h
T*7 = 150 oC
Dimensionamento
EVAPORADOR
4
W4 = 1.200 kg/h
x*14 = 0,1
T4 = 80 oC
f14 = 120 kg/h
f24 = 1.080 kg/h
MISTURADOR
14
RESFRIADOR
W14 = 911 kg/h
T*14 = 25 oC
12
W12 = 48.604 kg/h
T*12 = 27 oC
13
W10 =24.670 kg/h
Ar = 238 m2 T*10 = 80 oC
11
W11 = 48.604 kg/h
T*11 = 15 oC
W15 = 25.581 kg/h
T13 = 25 oC
BOMBA
1
Vd = 10.742 l
*= 0,0833 h
kg/h
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/h
f31 = 99.800 kg/h
W9 = 78.395 kg/h
T*9 = 44 oC
Ac = 95 m2
8
W8 = 78.395 kg/h
T*8 = 15 oC
W5 = 24.670 kg/h
T*5 = 80 oC
W3 = 25.682 kg/h
x13 = 0,004
EXTRATOR
W*1 = 100.000
x*11 = 0,002
9
10
W13 = 24.670 kg/h
T13 = 25 oC
15
CONDENSADOR
r = 0,506
W2 = 99.898
kg/h
x12 = 0,001
T2 = 25 oC
f12 = 98 kg/h
f32 = 99.800 kg/h
2
Rafinado
5
T3 = 25 oC
f13 = 101 kg/h
f23 = 25.581 kg/h
3
Ae =
84 m2
W6 =5.857 kg/h
T*6 = 150 oC
6
Extrato
7
W7 = 5.857 kg/h
T*7 = 150 oC
Otimização
(r, T9, T12)
EVAPORADOR
4
W4 = 1.012 kg/h
x*14 = 0,1
T4 = 80 oC
f14 = 101 kg/h
f24 = 911 kg/h
DAQUI EM DIANTE SÃO APRESENTADOS CONCEITOS E
MÉTODOS ASSOCIADOS AO DETALHAMENTO DO
FLUXOGRAMA EMBRIÃO
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.2 NATUREZA COMBINATÓRIA DO PROBLEMA DE SÍNTESE
Em que consiste o PROBLEMA DE SÍNTESE ?
Gerar os fluxogramas plausíveis para um processo a partir do
conjunto de equipamentos plausíveis.
Cada fluxograma plausível é uma solução viável do
Problema de Síntese
PRINCIPAL DIFICULDADE
A multiplicidade de soluções decorrente da
natureza combinatória do problema.
Problema Ilustrativo para Síntese (Capítulo 1)
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).
Esquemas plausíveis de troca térmica:
- Sem Integração Energética (SI):
- aquecedor (A) com vapor;
A
R
- resfriador (R) com água;
- Com Integração Energética (CI):
- trocador de integração (T).
DS
T
DE
Equipamentos Disponíveis para o Processo Ilustrativo
RM
Reator de
mistura
RT
Reator
tubular
DS
DE
A
R
Aquecedor
Resfriador
Coluna de destilação Coluna de destilação
extrativa
simples
T
Trocador
de
Integração
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
A,B
A,B
A,B
A
A
A
A
A
(7)
T
(9)
DS
RM
RM
P
P,A
R
P,A
RM
DS
R
DE
(8)
P,A
P
P
A
A,B
A
RT
(11)
R
A,P
DS
P
Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo
Gerados ao Acaso
A,B
A,B
A
(12)
A
T
DE
RT
T
A,P
DS
P
RM
P
(10)
P ,A
A,B
(14)
A
A
A,B
A
RT
R
RT
A,P
T
A,P
DE
DE
(13)
P
P
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 do tipo de equipamentos necessários.
Basta observar o que ocorre isoladamente nos sistemas de
- Separação
- Integração Energética
Para separar dois componentes (P e A), com dois processos
plausíveis, só há duas alternativas:
A,B
A,B
A
A
A
A
(7)
RM
RM
P,A
(9)
P,A
R
DS
P
Mas, para 3 componentes...
R
DE
P
2
A
5
A
8 fluxogramas
A
3 componentes
2 processos
B
C
B
A
1
B
C
B
C
B
1
B
1
C
2
C
1
A
3
A
A
B
A
B
C
C
6
A
1
B
A
B
B
1
C
A
B
C
B
B
2
C
1
C
A
7
A
A
A
B
B
A
1
B
2
C
C
C
B
A
B
A
2
B
2
C
B
2
B
C
C
4
A
B
C
B
1
C
8
A
2
Diferenças:
Seqüência dos Cortes
Tipo de Separadores
2
C
C: No. de componentes
P: No. de processos plausíveis
N: No.de fluxogramas possíveis
Número de Fluxogramas Possíveis
C
2
3
4
5
6
7
8
9
10
P=1
P=2
1
2
2
8
5
40
14
224
42
1.344
132
8.448
429
54.912
1.430 366.080
4.862 2.489.344
P=3
3
18
135
1.134
10.206
96.228
938.223
9.382.230
95.698.746
Para integrar duas correntes de processo só há uma
alternativa
A,B
A
T
DS
P
RM
(8)
P,A
Mas, para 4 correntes ...
Q2 Q1
F2
F1
Q2 Q1
F2
1
F1
F2
F1
F2
2
F1
Q2 Q1
Q2 Q1
F2
5
F1
Q2 Q1
6
Q2 Q1
Q2 Q1
F2
4
F1
Q2 Q1
Q2 Q1
F2
8
F1
F2
F1
Q2 Q1
Q2 Q1
3
7
Q2 Q1
F2
F2
F1
F2
F2
13
F1
14
F1
16
F1
15
Com diversas variações  672 redes
F2
F2
9
F1
F1
Q2 Q1
Q2 Q1
Q2 Q1
Q2 Q1
F2
F2
12
10
F1
F1
11
Combinando-se as alternativas dos dois sub-sistemas, imaginase a complexidade que pode assumir o problema de Síntese de
um processo completo:
EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!
EXPLOSÃO COMBINATÓRIA !!!
O projetista até que pode imaginar diversos fluxogramas,
mas não todos.
Primeiro Desafio
Conseguir gerar de 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.
O sucesso nesse empreendimento é função de:
(a) complexidade do problema: a busca é mais demorada e
mais onerosa em problemas complexos do que em problemas
mais simples.
(b) metodologia empregada: métodos científicos de busca são
mais bem sucedidos do que a busca ao acaso
Ferramenta importante  INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.3 INTELIGÊNCIA ARTIFICIAL NA SÍNTESE DE PROCESSOS
“Fertilização” da Eng. Química
tradicional com elementos de:
- Teoria e Eng. de Sistemas
- Inteligência Artificial
Teoria e Engenharia de Sistemas:
Tratamento de Conjuntos Complexos
de Elementos Interdependentes
CIÊNCIAS BÁSICAS
FUNDAMENTOS
ENG. DE EQUIPAMENTOS
ENG. DE PROCESSOS
Inteligência Artificial:
Resolução de Problemas Combinatórios
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-as em
máquinas.
Inteligência: faculdade abstrata de perceber relações entre
objetos
Raciocínio : faculdade ou processo de tirar conclusões lógicas
Aplicações de Inteligência Artificial
- processamento de linguagem natural
- percepção e reconhecimento de padrões
- armazenamento e recuperação de informação
- robótica
- jogos
- programação automática
- lógica computacional
- sistemas com aprendizado
- sistemas especialistas
- nesta disciplina: resolução de problemas
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. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.4 DECOMPOSIÇÃO DE PROBLEMAS
Problemas complexos devem ser decompostos em sub-problemas
de resolução mais simples.
Problema

SP 1
SP 2
SP 3
SP 4
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.
Exemplo 1: Travessia Perigosa  3 travessias menos perigosas
travessia perigosa
destino
Exemplo 2: decomposição do Problema Central (Projeto) em
seus Sub-Problemas
Projeto
Rotas
Síntese
Análise
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
Exemplo 3: decomposição do Processo.
Matéria
prima
Sub-tarefas:
Produto
Processo

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.
Reflexo na síntese dos fluxogramas do processo
Síntese do Fluxograma

Sistema
de Reação
Sistema
de Controle
Sistema
de Separação
Sistema
de Integração
Decomposição do Problema de Projeto
Projeto
Rotas
Síntese
Sistema
de Reação
Análise
Sistema
de Controle
Sistema
de Separação
Sistema
de Integração
DECOMPOSIÇÃO NA ORGANIZAÇÃO DO TEXTO/DISCIPLINA
1
INTRODUÇÃO GERAL
ANÁLISE
SÍNTESE
2
6
INTRODUÇÃO À
INTRODUÇÃO À
ANÁLISE DE PROCESSOS
SÍNTESE DE PROCESSOS
3
4
ESTRATÉGIAS
AVALIAÇÃO
DE CÁLCULO
ECONÔMICA
5
OTIMIZAÇÃO
7
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
8
SÍNTESE DE
SISTEMAS DE
INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.5 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
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.
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.5 REPRESENTAÇÃO DE PROBLEMAS
6.5.1 Representação por Árvores de Estado
Estado
Um fluxograma viável do problema
Estado Final
: um fluxograma completo
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
Ao longo dos ramos estão os
estados intermediários
percorridos durante a resolução
do problema.
raiz
De cada estado sai uma
bifurcação para os estados que
dele se originam: há uma
decisão associada.
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).
Equipamentos Disponíveis para o Processo Ilustrativo
RM
Reator de
mistura
RT
Reator
tubular
DS
DE
A
R
Aquecedor
Resfriador
Coluna de destilação Coluna de destilação
extrativa
simples
T
Trocador
de
Integração
Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo
Gerados ao Acaso
A,B
A,B
A,B
A
A
A
A
A
(7)
T
(9)
DS
RM
RM
P
P,A
R
P,A
RM
DS
R
DE
(8)
P,A
P
P
A
A,B
A
RT
(11)
R
A,P
DS
P
Fluxogramas Plausíveis para a Processo Ilustrativo
Gerados ao Acaso
A,B
A,B
A
(12)
A
T
DE
RT
T
A,P
DS
P
RM
P
(10)
P ,A
A,B
(14)
A
A
A,B
A
RT
R
RT
A,P
T
A,P
DE
DE
(13)
P
P
Representação do Problema de Síntese por
Árvore de Estados
0
RM
RT
1
DS
2
DE
3
SI
7
C7
DS
4
CI
8
C8
SI
9
C9
DE
5
CI
10
C10
SI
11
C11
6
CI
12
C12
SI
13
CI
14
C13
C14
Estados 1 a 6 são intermediários: existem durante a agregação
dos sucessivos equipamentos
Estados 7 a 14 são os fluxogramas completos
A,B
A,B
A,B
A
A,B
A
A
(12)
A
A
(7)
A
T
0
(9)
DE
RM
RT
RT
T
A,P
DS
RM
1
P,A
R
RM
P
2
RM
DS
P,A
(10)
P ,A
DS
A,B
R
P
DE
DE
DS
A
DE
P
P
3
SI
A,B
7
C7
4
CI
A
8
C8
SI
R
9
RT
(11)
5
A
CI
DS
10
SI
11
A,P
C9
P
C10
A
T
CI
12
6
DS
P
RM
C11
C12
(14)
(8)
A
RT
R
CI
14
13
C13
A,B
C14
A
P,A
RT
A,B
SI
T
A,P
DE
A,P
DE
P
(13)
P
Representação do Problema de Projeto
por Árvore de Estados
Raiz
?
Rota Química ?
Fluxograma ?
Dimensões ?
P
??
A,B
P,C
A+B
D,E
P+C
D+E
1
P
C
x
T
2
T
?
x
D
E
P
C
L
6
8
x
3
D
E
D
M
?
E
7
x* x o = 6
x
Nível Estrutural
Síntese de um
Fluxograma
Dimensões ? Lucro?
Nível Paramétrico
L
10
x
x
P
F
?
L
x* x o = 4
4
P
F
x
M
A
?
L
x* x o = 3
??
A
B
D
Seleção de uma Rota
Fluxograma ?
Dimensões ?
P+F
??
A
B
Nível Tecnológico
P,F
x* x o = 5
x
Análise do Fluxograma
Dimensionamento
dos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4  demais dimensões.
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
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
T
DS
RM
R
A
RT
DE
Contém todos os equipamentos e todas as conexões lógicas.
Abriga todos os fluxogramas possíveis do exemplo.
A,B
A
A
(7)
Super-estrutura do Problema
evidenciando o Fluxograma 7
RM
P,A
R
DS
P
T
DS
RM
R
A
RT
DE
A,B
A
T
Super-estrutura do Problema evidenciando
o Fluxograma 8
DS
P
RM
(8)
P,A
T
DS
RM
R
A
RT
DE
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.6 RESOLUÇÃO DE PROBLEMAS
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:
Método da Busca Exaustiva
Métodos Matemáticos
Métodos Intuitivos.
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.
Serão apresentados 4 métodos de resolução do
problema de síntese
6.6.1 Método Heurístico
6.6.2 Método Evolutivo
6.6.3 Busca Orientada por Árvores de Estado
6.6.4 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.
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.5 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 Inteligência Artificial
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
Antecipando algumas Regras Heurísticas
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.
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: QMTO x FMTO ou QmTO x FmTO
PD : QMTO x FMTD
3. Extensão da Troca Térmica:
Efetuar a troca máxima respeitando um DTmin de 10 oC ou 20 oF.
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
A,B
Repetir
Reconhecer as circunstâncias do problema
Selecionar uma Regra
Aplicar a Regra
Regras para reatores
Obter uma solução parcial
0
Até Chegar à Solução Final
RT
RM
(12)
A
RT
T
A,P
DS
P
Regras para
separadores
1
DS
DS
Regras para Integração
DE
3
CI
7
8
SI
9
DE
5
4
SI
2
SI
CI
10
Evitada a Explosão Combinatória !!!
11
6
CI
SI
12
13
Fluxograma completo
Um dos ramos da árvore de
estados
CI
14
O Método Heurístico é um Método de decisões seqüenciais.
O sistema é montado progressivamente como fruto de uma
sequencia de decisões.
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.
Por este motivo, embora as Regras Heurísticas procurem
contribuir para uma solução de custo o mais baixo possível, esta
solução não pode ser a ótima.
O Método Heurístico não conduz à solução ótima.
Almeja produzir uma solução economicamente próxima da
ótima
Método Heurístico
Ignora as demais soluções
Contorna a Explosão Combinatória
Vantagem: rapidez.
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
6.5 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
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.
O Método Evolutivo é uma versão estrutural dos métodos numéricos
de otimização: ao invés de se manipular números (Hooke&Jeeves)
manipulam-se estruturas.
O Método é de fácil aplicação: basta saber identificar
fluxogramas vizinhos.
Fluxograma Vizinho: é aquele que difere do Base por um
único elemento estrutural .
A,B
A
Exemplo: O Fluxograma 7 e os seus três Vizinhos Estruturais
A,B
T
A
DS
8
RM DS [T]
A
P
(7)
RM
7
9
RM DS [A,R]
RM DE [A,R]
RM
P,A
(8)
P,A
A,B
A
R
DS
11
P
A
(9)
RT DS [A,R]
RM
A
P,A
A,B
A
RT
(11)
R
A,P
R
DE
DS
P
P
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
90
75
60
40
70
80
80
95
100
90
70
10
50
300
60
50
200
60
20
40
30
100
Método Heurístico
Ignora as demais soluções
Evita a Explosão Combinatória !!!
Vizinhança Estrutural em Sistemas de Separação
2
A
5
A
B
C
B
A
1
B
C
B
C
A
B
1
B
1
C
2
C
1
A
3
A
A
B
A
B
C
C
6
A
1
1
C
B
C
B
B
2
C
1
C
A
7
B
B
A
B
C
C
B
2
C
A
1
B
2
C
B
2
A
A
A
B
A
C
C
4
A
B
C
B
1
C
8
A
2
B
A
B
B
A
2
B
2
C
Os fluxogramas diferem de seus vizinhos (setas) por um corte ou por um
processo de separação
Partindo de qualquer fluxograma é possível percorrer todo o espaço de
soluções e encontrar a solução ótima.
Vizinhança Estrutural em Redes de Trocadores de Calor
Q2 Q1
F2
F1
Q2 Q1
F2
1
F1
F1
F2
2
F2
5
F1
Q2 Q1
Q2 Q1
F2
Q2 Q1
F1
Q2 Q1
F2
4
F1
Q2 Q1
F2
6
8
F1
3
Q2 Q1
F2
F1
7
Os fluxogramas diferem de seus vizinhos (setas) pela inversão de uma das
quatro correntes (sequência de trocas térmicas).
Q2 Q1
Q2 Q1
Q2 Q1
Q2 Q1
F2
F2
F1
F2
F2
13
F1
14
F1
16
F1
15
Partindo de qualquer fluxograma é possível percorrer todo o espaço de
soluções e encontrar a solução ótima.
F2
F2
9
F1
F1
F2
10
Q2 Q1
Q2 Q1
Q2 Q1
Q2 Q1
F1
F2
12
F1
11
.
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)
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
Ao longo dos ramos estão os
estados intermediários
percorridos durante a resolução
do problema.
raiz
De cada estado sai uma
bifurcação para os estados que
dele se originam: há uma
decisão associada.
Nas extremidades dos ramos encontram-se os estados finais, configurações
completas, que são as soluções alternativas do problema.
desordenadas
APLICANDO LOCALIZADAMENTE À GERAÇÃO DE UM
FLUXOGRAMA
Equipamentos disponíveis para a geração do fluxograma do
Processo
RM
Reator de
mistura
RT
Reator
tubular
DS
A
R
Aquecedor
Resfriador
DE
Coluna de destilação Coluna de destilação
extrativa
simples
T
Trocador
de
Integração
Fluxogramas Plausíveis para o Processo
A,B
A,B
A,B
A
A
A
A
A
(7)
T
(9)
DS
RM
RM
P
P,A
R
P,A
RM
DS
R
DE
(8)
P,A
P
P
A
A,B
A
RT
(11)
R
A,P
DS
P
Fluxogramas Plausíveis para o Processo
A,B
A,B
A
(12)
A
T
DE
RT
T
A,P
DS
P
RM
P
(10)
P ,A
A,B
(14)
A
A
A,B
A
RT
R
RT
A,P
T
A,P
DE
DE
(13)
P
P
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma
por Árvore de Estados
A,B
A
Na raiz da árvore
A
(7)
0 ainda não existe fluxograma
Descer na árvore corresponde a agregar equipamentos
Veja o fluxograma completo
7
RM
P,A
R
0
DS
RM
RT
P
1
DS
2
DE
3
DS
4
SI
CI
7
8
SI
9
DE
5
CI
10
SI
11
6
CI
12
SI
13
CI
14
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma
A,B
por Árvore de Estados
A
T
DS
P
RM
0
(8)
RM
P,A
RT
1
DS
2
DE
3
SI
7
DS
4
CI
8
SI
9
DE
5
CI
10
SI
11
6
CI
12
SI
13
CI
14
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma
por Árvore de Estados
A
A,B
A
(9)
RM
P,A
R
0
DE
RM
RT
P
1
DS
2
DE
3
SI
7
DS
4
CI
8
SI
9
DE
5
CI
10
SI
11
6
CI
12
SI
13
CI
14
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma
A,B
por Árvore de Estados
A
T
DE
P
RM
0
(10)
P,A
RM
RT
1
DS
2
DE
3
SI
7
DS
4
CI
8
SI
9
DE
5
CI
10
SI
11
6
CI
12
SI
13
CI
14
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma
por Árvore de Estados
A
A,B
A
RT
R
A,P
DS
(11)
P
0
RM
RT
1
DS
2
DE
3
SI
7
DS
4
CI
8
SI
9
DE
5
CI
10
SI
11
6
CI
12
SI
13
CI
14
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma
por Árvore de Estados
A,B
(12)
A
RT
T
A,P
DS
P
0
RM
RT
1
DS
2
DE
3
SI
7
DS
4
CI
8
SI
9
DE
5
CI
10
SI
11
6
CI
12
SI
13
CI
14
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma
por Árvore de Estados
A
A,B
A
RT
R
A,P
DE
(13)
P
0
RM
RT
1
DS
2
DE
3
SI
7
DS
4
CI
8
SI
9
DE
5
CI
10
SI
11
6
CI
12
SI
13
CI
14
Resolução do Problema de Síntese de um Fluxograma
por Árvore de Estados
A,B
(14)
A
RT
T
A,P DE
P
0
RM
RT
1
DS
2
DE
3
SI
7
DS
4
CI
8
SI
9
DE
5
CI
10
SI
11
6
CI
12
SI
13
CI
14
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
RM
10
1
DS
60
3
SI
CI
60 70
40
7
8
130

110

10
0
RT
0
Progresso da solução
15
130
2
110
DE
105
110
4
120
X
Foram geradas
12 estruturas
DS
60
15
DE
95
5
SI
CI
65 75 30
11
12
140
105
X

6
110
X
Solução
APLICANDO AO PROJETO DE UM PROCESSO (CAPÍTULO 1)
Duas rotas químicas
Dois fluxogramas viáveis para cada rota química
Infinidade de soluções numéricas (conjunto de valores para as
variáveis do processo). Uma variável de projeto
Resolução do Problema de Projeto por Busca Orientada por Árvore de Estados
?
A,B
A+B
??
A
B
1
x
T
D
P+C
P
C
A
B
?
??
P,C
T
2
x
?
P
D,E
A
D
P E
C
L
L
6
8
10
x* x o = 4 x
D+E
3
x
M
D
??
P
F
P+F
D
E
?
L
x* x o = 3 x
Raiz
Rota Química ?
Fluxograma ?
Dimensões ?
Nível Tecnológico
Seleção de uma Rota
Fluxograma ?
Dimensões ?
P,F
4
M
x
E
?
L
7
x*x o = 6 x
x* x o = 5 x
P
F
Nível Estrutural
Síntese de um
Fluxograma
Dimensões ? Lucro?
Nível Paramétrico
Análise do Fluxograma
Dimensionamento
dos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
Solução Ótima: Reagentes = D,E; Fluxograma = 3; x = 4  demais dimensões.
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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 
6.5.4 Resolução por Super-estruturas
T
DS
RM
R
A,B
A
A
A
RT
DE
(7)
Escrevem-se os modelos dos equipamentos e conexões.
A cada equipamento é associada uma variável binária. Na
solução: (1) equip. presente; (0) equip. ausente.
RM
P,A
R
DS
P
Resolve-se um problema de programação não-linear com
inteiros: geradas e analisadas diversas estruturas..
Algumas sub-tarefas já podem ser projetadas conjuntamente
Processo Químico
Reação
Separação
Reação
Separação
Integração
Separação
Integração
Controle
Em retrospectiva:
6. INTRODUÇÃO À SÍNTESE DE PROCESSOS
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
Esta é a planilha do programa Margem Bruta.xls encontrado no
“site” em Material Didático
BALANCEAMENTO DE SISTEMAS DE REAÇÕES
MATRIZ ORIGINAL: Exemplo do Livro
R1
R2
R3
G
A
-1
0
1
0
B
-1
0
0
-1
C
0
1
-2
-1
D
1
-1
0
0
E
0
0
-0,5
-0,5
F
0
0
1
1
M
0
1
0
1
Para obter soluções avulsas execute a sequência:
(a) atribua valores a x1 e x3 mantendo x2 = 1 (presença compulsória de R2 e MB $/lbmol de M).
(b) altere o preço do HCl (C) segundo o seu coeficiente global: positivo (0) ou negativo (14,4).
(c) observe a Margem Bruta resultante.
Para obter a solução ótima:
(a) coloque o preço do HCl (C) igual a zero (não é admitida compra de HCl).
(b) clique em Otimizar e ignore a mensagem de erro que aparece.
MATRIZ BALANCEADA
R1
R2
R3
G
p
A
0
0
0,5
0,5
2,8
B
0
0
0
0
0,84
C
0
1
-1
0
0
D
0
-1
0
-1
3,43
E
0
0
-0,25
-0,25
0
F
0
0
0,5
0,5
0
M
0
1
0
1
3,1
x
0
1
0,5
MB
1,40
0,00
0,00
-3,43
0,00
0,00
3,10
1,07
Otimizar
$/lbm ol M