the master problem 24 de junho de 2013. geraÇÃo do fluxograma completo de um processo

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

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

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

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

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

the master problem 24 de junho de 2013. geraÇÃo do fluxograma completo de um processo

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