THE MASTER PROBLEM
24 de junho de 2013
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
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
Misturador M1 (To = T1*)
(150)(0,03)(T4 – T1*) + (150)(0,026)(T7 –
T1*) – [(250)(0,03) + (250)(0,026)] (To2 –
T1*) = 0
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
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
Reator R1 (To = Td2*)(e1 = 100)
- [(150)(0,03) + (100)(0,022) + (150)(0,026) +
(100)(0,02)] (To3 – Td2*) + (0,076)(100) = 0
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
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
Separador D1 (To = Td3*)
(150)(0,03) (Td3*- T4) - [(100)(0,022) + (150)(0,026) +
(100)(0,02)](T5 - Td3*) = 0
T5 – T4 = 20 [(1,5)(2,0)(1,2)] = 72 oC
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
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
Separador D2 (To = T5)
(100)(0,022) (T5 – T9) - [(150)(0,026) + (100)(0,02)](T6 –
T5) = 0
T6 – T9 = 20 [(2,0)(1,2)] = 48 oC
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
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
Separador D3 (To = T6)
(150)(1,3) (T7 – T6) – [(100)(1,0)](T8 – T6) = 0
T8 – T7 = 20 [(1,2)] = 24 oC
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
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
Misturador M2 (To = T10)
(100)(1,1) (T9 – T10) + 25 (1,1+1,2)(T13 – T10)
– 125 (1,1+1,2)(To11 – T10) = 0
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
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
Reator R2 (To = Td11*)(e2 = 100)
- [25 (1,1+1,2) + 100 (1,0 + 1,4)]
(To12 – Td11*) + (59,5)(100) = 0
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
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
Separador D4 (To = T12)
- (150)(1,3) (T7 – T6) – (100)(1,0)(T8 – T6) = 0
T14 – T13 = 20 [(2,0)(1,7)(1,3)] = 88,4 oC
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
04
150 A
T4
01
M1
To2
100 A
100 B
02
Td2
To3
R1
250 A
250 B
T1
03
Td3
D1
150 A
100 C
150 B
100 D 1O0 C
150 B
100 D
05
D2
T5
07
150 B
T7
Separador D5 (To = T14)
- (100)(1,4) (T15 – T14) – (100)(1,0)](T16 – T14) = 0
T16 – T15 = 20 [(1,3)] = 26 oC
D3
06
150 B
100 D
09
T6
100 C
T9
100 D
08
T8
13
25 C
25 E
T13
Td12
To12
25
C
D4
25
12E
100 P
100 D
15
100 P
T15
14
D5
100 P
100 D
16
100 D
T16
T14
Td11 11 To11
R2
125 C
125 E
10
M2
100 E
T10
04
150 A
T4
01
M1
To2
100 A
100 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
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
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
100 A
100 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
To3
R1
D1
03
02
T1
Td3
1O0 C
150 B
100 D
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
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