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 tomarRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Problema completamente em aberto...
Nível TecnológicoSeleção de uma Rota
Fluxograma ?Dimensões ?
Nível EstruturalSíntese de um
FluxogramaDimensões ? Lucro?
Nível ParamétricoAnálise do Fluxograma
Dimensionamentodos Equipamentos
e das Correntes. Lucro.
RaizRota Química ?Fluxograma ?Dimensões ?
Do Capítulo 1: Decisões a tomar: Árvore de Estados
P?? ?
D+E P+FD,E P,F
??A+B P+C
A,B P,C
??
1 PAB Cx
?T D
2 PAB Cx
?T A
P3DE Fx
?DM
PF
4DE x
?M E
L
x
6 8
x o = 3x*
L
x
L
10
x o = 4x* xx o = 6x*
L
x
7
x o = 5x*
R1: A + B C + DR2: C + E P + D
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.
Preços de Mercado ($/kmol)A (2) B (3) C(6) D(0) E(5) P(15)
RESOLUÇÃO
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados pelo intermediário C. No decorrer da montagem são executados quase todos os balanços materiais necessários.
4. Detalhar os Sistemas de Separação usando informações do enunciado e do embrião.
5. Estabelecer uma Rede de Trocadores de Calor com base nas capacidades caloríficas fornecidas, nas temperaturas especificadas no enunciado e naquelas resultantes de balanços de energia no reator e nos separadores. Para obter uma solução única, usar o critério PD para a seleção dos pares de correntes.
1. Montar a Matriz Estequiométrica e calcular a Margem Bruta para avaliar o potencial econômico da rota química sugerida.
2. Montar os Sistemas de Reação, a partir dos dados cinéticos.
AVALIAÇÃO ECONÔMICA PRELIMINAR
CÁLCULO DA MARGEM BRUTA
A B C D E P
R1 - 1 - 1 + 1 + 1 0 0
R2 0 0 - 1 + 1 - 1 1G -1 -1 0 2 -1 1
p ($/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.
R1: A + B C + DR2: C + E P + D
Matriz Estequiométrica
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados 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.
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.
Os dois reatores devem ser termicamente isolados.
SISTEMAS DE REAÇÃO
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.
Foram selecionados 2 reatores tipo tanque de mistura
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados 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.
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.
GERAÇÃO DO FLUXOGRAMA EMBRIÃO
A B C D E PR1 -1 -1 +1 +1 0 0R2 0 0 -1 +1 -1 1G - 1 - 1 0 + 2 - 1 1
S2 R2 M2
100 D 100 A100 B
100 P100 E
100 D25 C 25 E
125 E125 C
S1 R1 M1
100 C
250 B250 A
150 A 100 C 150 B 100 D
100 P 25 C100 D 25 E
150 A 100 B
100 C
S2 R2 M2
100 D 100 A100 B
100 P100 E
100 D25 C 25 E
125 E125 C
S1 R1 M1
100 C
250 B250 A
150 A 100 C 150 B 100 D
100 P 25 C100 D 25 E
150 A 100 B
100 C
As vazões foram obtidas por balanço material e serão observadas em todas as etapas posteriores do projeto
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados 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.
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.
DETALHAR OS SISTEMAS DE SEPARAÇÃO S1 e S2
CAPÍTULO 7
SISTEMAS DE SEPARAÇÃO
R1: A + B C + D O efluente deve ser resfriado a 70 oC
Volatilidades relativas adjacentes: A (1,5)C (2,0)B (1,2)D
R2: C + E P + D
O efluente deve ser resfriado a 80 oC
Volatilidades relativas adjacentes: C (2,0)E (1,7)P (1,3)D
Para os efluentes dos reatores R1 e R2 deve-se utilizar destilação simples
150 A
100 C150 B100 D
150 A
100 C
150 B
100 D
100 C
150 B100 D
100 D
150 B
D1
D3
D2
25 C25 E
100 P100 D
D4
100 P
100 D
D5
25 C 25 E
100 P
100 D
FLUXOGRAMA ATUALIZADO
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
O problema pode ser resolvido facilmente, seguindo a metodologia ensinada nos Capítulos 6, X, 7 e 8.
3. Montar o Fluxograma Embrião, constituído de dois módulosinterligados 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.
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.
SISTEMA DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICARede de Trocadores de Calor
Capacidade Calorífica (kWh / kmol oC)
A (0,030)B (0,026)C (0,022)D (0,020)E (0,024)P (0,028)
R1
- calor de reação: 0,073 kWh / kmol.- a alimentação do reator deve estar a 100oC.- o efluente deve ser resfriado a 70 oCR2 - calor de reação: 0,069 kWh / kmol.- a alimentação do reator deve estar a 100 oC.- o efluente deve ser resfriado a 80 oC
Reagentes A, B e E disponíveis a 25 oC
Para identificar as correntes quentes e frias, é necessário determinar as temperaturas To2 e To11
BALANÇOS DE ENERGIA
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M1
01 03
04
02A B A B
To2 Td2A B C D
A T4
To3 Td3
B C DT5
B DT6
BT7
DT8
CT9
ET10
To11Td11To12Td12
C E
P DT14
C ET13
PT15
DT16
05
06
07
08
T1
09
101112
13
14
15
16
C E P D
25 C25 E100 P100 D
Misturador M1 (To = T1*)(150)(0,03)(T4 – T1*) + (150)(0,026)(T7 – T1*) – [(250)(0,03) + (250)(0,026)] (To2 –
T1*) = 0
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
Reator R1 (To = Td2*)(1 = 100)- [(150)(0,03) + (100)(0,022) + (150)(0,026) + (100)(0,02)] (To3 – Td2*) + (0,076)(100) = 0
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
Separador D1 (To = Td3*)(150)(0,03) (Td3*- T4) - [(100)(0,022) + (150)(0,026) +
(100)(0,02)](T5 - Td3*) = 0T5 – T4 = 20 [(1,5)(2,0)(1,2)] = 72 oC
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
Separador D2 (To = T5)(100)(0,022) (T5 – T9) - [(150)(0,026) + (100)(0,02)](T6 – T5) = 0T6 – T9 = 20 [(2,0)(1,2)] = 48 oC
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
Separador D3 (To = T6)(150)(1,3) (T7 – T6) – [(100)(1,0)](T8 – T6) = 0T8 – T7 = 20 [(1,2)] = 24 oC
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
Misturador M2 (To = T10)(100)(1,1) (T9 – T10) + 25 (1,1+1,2)(T13 – T10) – 125 (1,1+1,2)(To11 – T10) = 0
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
Reator R2 (To = Td11*)(2 = 100)- [25 (1,1+1,2) + 100 (1,0 + 1,4)] (To12 – Td11*) + (59,5)(100) = 0
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
Separador D4 (To = T12)- (150)(1,3) (T7 – T6) – (100)(1,0)(T8 – T6) = 0T14 – T13 = 20 [(2,0)(1,7)(1,3)] = 88,4 oC
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
25 C25 E100 P100 D
Separador D5 (To = T14)- (100)(1,4) (T15 – T14) – (100)(1,0)](T16 – T14) = 0T16 – T15 = 20 [(1,3)] = 26 oC
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
Td12 80Td3 70Td11 100Td2 120T1 25T10 25T4 12T5 102T9 67T6 115T7 107T8 131T13 49T14 97T15 86T16 112To2 48To11 46To3 130To12 119
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M101 03
04
02100 A100 B
250 A250 B
To2 Td2150 A100 C150 B100 D
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
125 C125 E
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
1011
12
13
14
15
16
Td12 80Td3 70Td11 100Td2 120T1 25T10 25T4 12T5 102T9 67T6 115T7 107T8 131T13 49T14 97T15 86T16 112To2 48To11 46To3 130To12 119
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M10103
04
02
100 A100 B
To2 Td2
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
10
11
12
13
14
15
16
D3
D5
D4 M2R2
D1
D2
R1M10103
04
02
100 A100 B
To2 Td2
150 A T4
To3 Td3
1O0 C150 B100 DT5
150 B100 DT6
150 BT7
100 DT8
100 CT9
100 ET10
To11Td11To12Td12
100 P100 DT14
25 C25 ET13
100 P T15
100 DT16
05
06
07
08
T1
09
10
11
12
13
14
15
16
O fluxograma deve ser otimizado
W6 =8.615 kg/hT*
6 = 150 oC
W10 =36.345 kg/hT*
10 = 80 oCW13 = 36.345 kg/hT13 = 25 oC
W11 = 59.969 kg/hT*
11 = 15 oCW8 = 228.101 kg/hT*
8 = 15 oC
W*1 = 100.000 kg/h
x*11 = 0,002
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/hf31 = 99.800 kg/h
W7 = 8.615 kg/hT*
7 = 150 oC
W5 = 36.345 kg/hT*
5 = 80 oC
W3 = 37.544 kg/hx13 = 0,002
T3 = 25 oCf13 = 120 kg/hf23 = 37.424 kg/h
W4 = 1.200 kg/hx*
14 = 0,1
T4 = 80 oCf14 = 120 kg/hf24 = 1.080 kg/h
W12 = 59.969 kg/hT*
12 = 30 oCW12 = 228.101 kg/hT*
12 = 30 oC
W14 = 1.080 kg/hT*
14 = 25 oC
W2 = 99.880 kg/hx12 = 0,0008
T2 = 25 oCf12 = 80 kg/hf32 = 99.800 kg/h
EXTRATOR
Extrato
Rafinado
EVAPORADOR
CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR
BOMBA
1
2
3
4
5
67
8
910
11
12
13
14
15
Vd = 11.859 l
*= 0,0833 h
r* = 0,60
Ae = 124 m2
Ac = 119 m2
Ar = 361 m2
Dimensionamento
W15 = 37.425 kg/hT13 = 25 oC
W6 =5.857 kg/hT*
6 = 150 oC
W10 =24.670 kg/hT*
10 = 80 oCW13 = 24.670 kg/hT13 = 25 oC
W11 = 48.604 kg/hT*
11 = 15 oCW8 = 78.395 kg/hT*
8 = 15 oC
W*1 = 100.000 kg/h
x*11 = 0,002
T*1 = 25 oC
f11 = 200 kg/hf31 = 99.800 kg/h
W7 = 5.857 kg/hT*
7 = 150 oC
W5 = 24.670 kg/hT*
5 = 80 oC
W3 = 25.682 kg/hx13 = 0,004
T3 = 25 oCf13 = 101 kg/hf23 = 25.581 kg/h
W4 = 1.012 kg/hx*
14 = 0,1
T4 = 80 oCf14 = 101 kg/hf24 = 911 kg/h
W12 = 48.604 kg/hT*
12 = 27 oCW9 = 78.395 kg/hT*
9 = 44 oC
W14 = 911 kg/hT*
14 = 25 oC
W2 = 99.898 kg/hx12 = 0,001
T2 = 25 oCf12 = 98 kg/hf32 = 99.800 kg/h
EXTRATOR
Extrato
Rafinado
EVAPORADOR
CONDENSADORRESFRIADORMISTURADOR
BOMBA
1
2
3
4
5
67
8
910
11
12
13
14
15
Vd = 10.742 l
*= 0,0833 h
r = 0,506
Ae = 84 m2
Ac = 95 m2Ar = 238 m2
Otimização(r, T9, T12)
W15 = 25.581 kg/hT13 = 25 oC
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