síntese de processos químicos - pdf
TRANSCRIPT
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AnliseeO*mizaodeProcessosQumicos
SntesedeProcessosQumicos
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Product&ProcessDesignPrinciples:Sinthysis,AnalysisandEvalua*on/WarrenD.Sieder,J.D.Seader,DanielR.Lewin
Analysis,Synthesis,andDesignofChemicalProcesses/RichardTurton,RichardC.Bailie,WallaceB.Whi*ngeJosephA.Shaeiwitz
ConceptualDesignofChemicalProcesses/JamesDouglas
Bibliograa
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1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
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1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
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Processode
Manufatura
RecursosNaturais
ProdutosQumicosBsicos(Commodi*eseProdutos
QumicosEspeciais,biomateriais,polmeros)
Processode
Manufatura
ProdutosQumicosBsicos
ProdutosIndustriais(Filmes,bras,papis,etc)
Processode
Manufatura
ProdutosQumicosBsicoseIndustriais
ProdutosdeConsumo(Materiaisdeescritrio,cosm*cos,sacolase
vasilhamespls*cos,remdios,pneus,etc)
E*leno,propileno,butadieno,metanol,etanol,xidodee*leno,e*lenoglicol,amnia,cidoac*co,caprolactama,nylon,benzeno,tolueno,fenol,querozene,diesel,
gasolina
ClassicaodosProdutosQumicos
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Algunsprodutossodescobertosporacaso.Ex:Teon(polytetrauore*leno)DuPont
Quandomateriaisbaratosourejeitossoacumuladoseengenheirossochamadosadesenvolverumprocessodetransformaoparatornarestesmateriaisteiserentveis
Quandonovosmercadossodescobertosquedemandamnovosprodutos
Quandoumprocessomaiseconmicodesenvolvidoparaproduzirumprodutojexistentenomercado
Comonovosprodutos/processossodesenvolvidos?
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Oportunidade
Inves*garprodutooumisturasquedesenvolvam
aspropriedadesdesejadas
sim
no
ProdutoConhecido?
ProcessoConhecido?
CriaodoProcesso
no
ProcessoaindaVivel?
ProjetodaPlantaConstruo,StartUpe
Operao
sim
no
sim
ProjetoDetalhado,DimensionarEquipamentos,O*mizaoeRentabilidade
AvaliaodeControlabilidade
PassosdaCriaodeumProcesso/Produto
MargemBrutaVivel?
rejeitaralguns
no
ProcessoaindaVivel?
no
sim
DesenvolverCasoBase
DetalharaSntesedoProcessoAlgoritmosSistemasSep.eReao
AvaliaodeStartUp
sim
AnlisedeConabilidadee
Segurana
Floxogramaspreliminarescontendoapenasasoperaesdereao,separaoemudanasdetemperaturaepresso
Seleodeequipamentos(TaskIntegra*on)
MododeOperao:connnuooubatelada
CriaodeumPDF(correntesdetalhadas,balanomaterialedeenergia,listadeequipamentos)
Balanomaterialedeenergiacomauxliodesimuladores
Integraoenerg*caPossvelconstruodeplantapiloto(testesreais)
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1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
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ElaboraodeumBancodeDadoscominformaesdasdiversasmatriasprimas,produtosesubprodutossendoconsiderados:
PrimeiroPassonaCriaodeumNovoProcesso
pesomolecularpontodeebuliopontodefusopropriedadescr*casentalpiaeenergialivredeGibbsdeformaopressodevapordensidadescapacidadestrmicascaloreslatentesemfunodatemperaturacurvasdeequilbrioVLeLL,VLL,azeotropia
PropriedadesFsicaseTermodinmicas
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PrimeiroPassonaCriaodeumNovoProcesso
PropriedadesFsicaseTermodinmicas
Perrys Chemical Engineers Handbook (Perry, R.H. e Green, D.W. 7th Ed, MacGraw-Hill, New York, 1997)!
Properties of Gases and Liquids (Poling B.E., Prausnitz, J.M. e OConnell, J.P., 5th Ed, MacGraw-Hill, New York, 2001)!
Data for Process Design and Engineering Practice (Woods, D.R., Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1995)!
Vapor-Liquid Equilibrium Data Collection, 13 Parts, DECHEMA, Frankfurt, Germany, 1980!
Azeotropic Data (Gmehling, J., VCH Publishers, Deerfield Beach, Florida, 1994.!
CRC Handbook of Chemistry and Physics (CRC Press, Boca Raton, FL, annual) !
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PrimeiroPassonaCriaodeumNovoProcesso
PropriedadesFsicaseTermodinmicas
Aspen Plus! HYSYS! CHEMCAD! PROII ! BATCH PLUS! SUPERPRO DESIGNER! UniSim!
SimuladoresComerciais(Bancodedados)
AcessoaobancodedadosdoDECHEMA(dadosdeequilbrio,regressodedadosparacoecientesdeinteraocoecientedea*vidade/NRTL,UNIQUAQ,Wilson,etc)Licenaespecialcomacessoviaintenet
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PrimeiroPassonaCriaodeumNovoProcesso
principaisreaestaxadereao/cin*cadareaoconversoesele*vidade(distribuiodosprodutos)emfunodotempoderesidncia,temperaturaepresso
desa*vaodecatalisador
ReaesQumicas
Ensaiosdelaboratriopodemsernecessriosparalevantamentodedados
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PrimeiroPassonaCriaodeumNovoProcesso
toxicidadeefeitoemanimaisesereshumanosamabilidadecomoartemperaturadeautoignio
InformaesdeImpactoAmbientaredeSegurana
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PrimeiroPassonaCriaodeumNovoProcesso
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PrimeiroPassonaCriaodeumNovoProcesso
preosparaavaliaoeconmicapreliminarpropriedadesdetransporte(condu*vidadetrmica,coecientesdetransportedemassa,viscosidade)
informaesadicionaisrelacionadaaodimensionamentodeequipamentos
corrosividadeparmetrosheurs*cos
Informaesadicionais
Informaesnonecessriasnoestgioinicialdedesenvolvimentodoprojeto.Sonecessriasantesdodetalhamentodoprojeto
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Especicaodamatriaprima,produtosesubprodutos(Estados)dopontodevistadoprocesso:
Vazomssica;Composio(fraomssicaoumolardecadaespciequmica);Fase(slido,lquidoougs);Forma,seslido(distribuiodetamanhodeparnculaeforma);Temperatura;Presso;
Suplementares
Viscosidade;Densidade;Pesomolecularmdio;Cor;Odoreetc.
ProcessoConnnuo
ouBatelada
PrimeiroPassonaCriaodeumNovoProcesso
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ProcessoBateladadenidocomoaqueleemqueumaquan*dadenitadeprodutoproduzidoaolongodevriashorasoudias.
Normalmente,consistedeumaquan*dadeconhecidadealimentaoemumvasoseguidoporumasriedeunidadesdeoperao(mistura,aquecimento,reao,des*lao,etc.)queocorrememintervalosdiscretosdetempo.
Estasetapassoseguidaspelare*radaearmazenagemdoproduto,subprodutoseresduos.
Oequipamentoentolavadoparaestardisponvelparaoprximoprocessamento.
Hregistrosdeumamesmaplantaproduzirat100produtosdiferentescomosmesmosequipamentos.
ProcessoBatelada
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Noprocessoconnnuoaalimentaocon*nuamentealimentadaumasriedeequipamentosemquecadaequipamentoperformaapenasumaoperao
Are*radaearmazenagemdeproduto,subprodutoseresduostambmfeitademaneiraconnnua.
ProcessoConnnuo
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Fator Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessobatelada
Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessocon?nuo
dimenso volumesdeprocessamentomenoresfavorecemoprocessobatelada.Amedidaqueovolumeaumentaotamanhodosequipamentostambmaumentam.Almdisso,asdiculdadestcnicasdemovergrandesvolumesdeumequipamentoparaoutrotambmaumentarapidamente
Economiadeescalafavoreceprocessosconnnuosamedidaquealtosvolumesdeprocessamentosonecessrios
Qualidadedoproduto
Operaesembateladasopreferidasquandoaqualidadedoprodutodecadabateladadeveservericadaecer*cada.Quantomaiorasexignciasdequalidade,menorotamanhodasbateladas.(Indstriadealimentosefarmacu*ca)
Testesdequalidadedoprodutosofeitoscon*nuamenteouperiodicamente.Grandesquan*dadesdeprodutoforadeespecicaopodemserproduzidas,armazenadosemtanquesereprocessadosquandopossvel
ProcessoConnnuoXBatelada
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Fator Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessobatelada
Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessocon?nuo
Flexibilidadeoperacional
Omesmoequipamentopodeserusadoparadesempenharml*plasoperaes.Ex.Umtanquecomagitadorpodeserusadocomoummisturador,umreator,etc.
Flexibilidadeemprocessosconnnuosnormalmenteconduzemaousoinecientedecapital.
Umequipamentousadoparaumprocessopodenoserusadoparaoutro.Assimsendo,aproduoatravsdacampanhadeumprocessoforaumoumaisequipamentosapermanecerinoperantepormeses.
Processosconnnuossoprojetadosparaproduzirumconjuntodeprodutosxosapar*rdematriasprimasespeccas.Sehouvernecessidadedeproduzirnovosprodutosaplantadevesofrerretrot
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Fator Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessobatelada
Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessocon?nuo
EquipamentospadronizadosMl*plosprodutos
Processosbateladapodemfacilmentesermodicadosparaacomodaraproduodediversosprodutos
Processosconnnuossoprojetadosparaumconjuntoxoepequenodeprodutos.Osequipamentostambmsoprojetadoseo*mizadosparaoperaremumaquan*dadepequenadecondiesoperacionais.
Ecinciadeprocessamento
Requerprogramaoecontroleestritos,umavezquevriosprodutossoproduzidosnomesmoequipamentoemsequncia.Problemasnaproduodeumprodutopodeafetarasa*sfaodademandadealgumoutroproduto.Integraoenerg*canopossvel.Reciclodematriaprimapoucoprovvel.
Quantomaiorovolumeprocessado,maisecientesetornaoprocesso.
Integraoenerg*caereciclodematriaprimanoreagidasopr*cascomuns.
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Fator Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessobatelada
Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessocon?nuo
Manutenoemodeobra
Demandamaiorcustodemodeobradevidoaosprocessosdelimpezaepreparao.
Oscustoscommodeobrasocompara*vamentereduzidosparaomesmoprocessooperadocon*nuamente.
Disponibilidadedematriaprima
Operaesembateladasofavorecidasquandoadisponibilidadedematriaprimalimitada,talcomosazonal
Plantasconnnuastendemasergrandeseoperamaolongodetodooano.Anicamaneiradeacomodarvariaessazonaisatravsdousodefacilidadesmassivasdearmazenamento,asquaissomuitocaras.
Demandadoproduto
Demandavarivelousazonalpoderseracomodada.Ex:Fer*lizantes.Duranteoperododedemandabaixa(sazonal),outrosprodutospodemserproduzidos.
Diucildeproduziroutrosprodutosemperodosdebaixademanda.Noentanto,produtossimilaresmasdiferentespodemserproduzidos(campanhas).
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Fator Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessobatelada
Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessocon?nuo
Taxadeproduo
Processosbateladafavorecemprocessoscomreaeslentasequenecessitamdemaiorestemposderesidncia.Ex:fermentao.
Reaeslentasrequeremequipamentosgrandes.Avazoatravsdoequipamentopodeserbaixasealtasconversesforemalcanveis.
Incrustaodeequipamentos
Quandoumequipamentonecessitamanutenoparalimpezadevidoincrustao,processosembateladasofavorecidos,poisalimpezadeequipamentosumaoperaopadroepodemserfacilmenteacomodadanaprogramao.
Incrustaoemprocessosconnnuosumproblemasrio.Amaneiramaisfcildesolucionaresteproblemainstalandoequipamentosidn*cosemparalelo.Noentanto,aumentaseocustodeinves*mentoedemodeobra
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Fator Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessobatelada
Vantagensedesvantagenscomrelaoaoprocessocon?nuo
Segurana Normalmente,exposiodeoperadoresaprodutosqumicoseerrosdeoperaosomaiores.Treinamentodeoperadorescr*co,nessescasos.
Procedimentosdeseguranasobemestabelecidos.Noentanto,treinamentosdeseguranasoaindadegrandeimportncia.
Controlabilidade umpontoimportantepelofatodoequipamentosservirdiferentesfunescomooperaounitriaeproduzirdiferentesprodutos.Aprogramaou*lizadanoequipamentosetornabastanteimportante.
Geralmente,processosconnnuossomaisfceisdeseremcontrolados.Paraprocessoscomplicadosealtamenteintegrados,ocontrolesetornamaiscomplexoereduzidaexibilidadedoprocessotambm.
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OperaesUnitriasbsicassemexplicitaroequipamentoemdetalhe:
Reaoqumica; separaodemisturasqumicas;
Separaodefase; Mudanadetemperatura;
Mudanadepresso; Misturaedivisodecorrentesoubateladas; Operaesemslidostaiscomoreduoe
aumentodetamanho.
TaskIntegra,on:designaum*podeequipamentoparacadaoperao
OperaesBsicasDesenvolvidasporEquipamentos
Vistoscomo
blocosdeconstruo
doprocesso
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AsOperaestemafunodediminuiradiferenadeumaoumaispropriedadesentreosprodutosdesejadosematriasprimas.
MSUP (Mdulo 1 Introduo Simulao de Processos)
2. Produo de Cloreto de Etilo !
!
!
2.1. Enunciado do Problema "#$!%$&!'()#$&!%*!+)(%,-.)!/0()*1(!%*!*1.0(!23456307!8!$1)$98&!%$!)*$/:;(!*#!'$&*!7!/(#!?/.%(!/0()@%)./(!25307A!=$!+)*&*=:$!%*!,#!/$1$0.-$%()A!*#!!!D!!530!!!!!"!!!!345630!
"#$!/())*=1*!K!J!%*!345>!*!
4!J!%*!L4!2B$&*!#(0$)7A!$!4IM3!*!E6!$1#A!8!,1.0.-$%$!/(#(!$0.#*=1$:;(!')*&/$!=,#$!.=&1$0$:;(!
%*!+)(%,:;(!%*!/0()*1(!%*!*1.0(!23456307C!N!#.&1,)$!
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Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperao
PassosdaSntesedeProcessos
Passo0Escolherentreprocessoconnnuoediscreto
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1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
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FluxogramadoProcesso
?
MatriaPrima
?
ProdutoDesejado
C2H3Cl
Txico
Levantamentodeumbancodedadosdeinformaes:propriedadesusicas,cin*cadereao,toxicidade,questesambientaisedesegurana
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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PassosdaSntesedeProcessos
ProcessoCon?nuo
VolumedeproduoDisponibilidadedematriaprima(Nosazonal)
Demandadoproduto(nosazonal)
Passo0: Escolherformadeoperao ConnnuoXBatelada
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Passo Operao
1 EliminardiferenasentreosEposmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperao
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Custoda(s)matria(s)prima(s);Valordossubprodutos;
Complexidadedoprocesso;Segurana;
Impactoambiental.
AspectosImportantesnaSeleodeRotasdeProduo
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Passo1: Eliminardiferenasentre*posmoleculares ReaoQumica
baixorendimentoebaixasele*vidade
Alterna.va1:Rota1
ocorreapoucascentenasdeCbaixorendimentovriossubprodutoscomodicloroetanoumtomodecloro(caro)geraumsubprodutodebaixovalor
C2H4+Cl2C2H3Cl+HCl
C2H4=E*nelo,C2H3Cl=CloretodeVinilaAlterna.va2:Rota2
C2H2+HClC2H3Cl reaoexotrmicaconversode98%a150CcomocatalisadorHgCl2impregnadoemcarbonoa*vadoa1atmC2H2=Ace*nelo,C2H3Cl=CloretodeVinila
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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Alterna.va3:Rota3
conversoda1reao=98%a90C,1atmeFeCl3(catalisador)2reaoumcraqueamentotrmicoespontneoa500Ce60%conversodicloroetanonoreagidopodeserreciclado
C2H4+Cl2 C2H3Cl+HCl
C2H4+Cl2 C2H4Cl2
C2H4Cl2 C2H3Cl+HCl+
Alterna.va4:Rota4
1reaoaoxicloraodoe*lenocomconversode95%.Reaoexotrmicaa250CeCuCl2(catalisador)2reaoumcraqueamentotrmicoespontneoa500Ce60%deconverso(pirlise)
C2H4+HCl+1/2O2 C2H3Cl+H2O
C2H4+2HCl+1/2O2C2H4Cl2+H2O
C2H4Cl2C2H3Cl+HCl+
C2H4Cl2=DicloroEtano
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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Alterna.va5:Rota5
combinaasrotas3e4converteambosostomosdecloroemcloretodevinilatodooHClproduzidonapirliseconsumidonaoxicloraodoe*leno
C2H4+Cl2 C2H4Cl2
2C2H4Cl2 2C2H3Cl+2HCl+
2C2H4+Cl2+1/2O22C2H3Cl+H2O
C2H4+2HCl+1/2O2C2H4Cl2+H2O
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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ClculodaMargemBrutaparadiferenciarasrotasremanestences:
MargemBruta = Vendadosprodutosesubprodutos Custosdematriaprima
Custoscommatriaprimanormalmentecorrespondemde33a88%docustototaldosprodutos
EstruturadeEntradaeSadaajudanaes*ma*vadoPotencialEconmico
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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Custosdecompraouvendaconsideradosagranel:
Componente PesoMolecular CustoCents/lb
E*leno(C2H4) 28,05 18
Ace*leno(C2H2) 26,04 50
Cloro(Cl2) 70,91 11
CloretodeVinila(C2H3Cl) 62,5 22
cidoClordrico(HCl) 36,46 18
gua(H2O) 0
Oxignio(O2) 0
Dicloroetano(C2H4Cl2) 98,93
ChemicalMarketReporterJornalquinzenalquetrazpreos
atualizadosdospreosdecomrciodeprodutosqumicos
(disponvelnabibliotecadealgumasuniversidades)
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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ClculodaMargemBrutaparaaRota3
Reao C2H4 + Cl2 C2H3Cl + HCl
lbmol 1 1 1 1
PesoMolecular 28,05 70,91 62,50 36,46
lb 28,05 70,91 62,50 36,46
lb/lbdeC2H3Cl 0,449 1,134 1 0,583
Cents/lb 18 11 22 18
Total 8,082 12,474 22 10,494
MargemBruta/lbC2H3Cl 22+10,4948,08212,474=11,938/lbdeC2H3Cl
OBS:Assumesereaoemproporesestequiomtricas,conversocompleta(100%)enenhumareaoemparalelo(siderea*on)
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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MargemBrutadecadarotaparaproduzir1lbdeCloretodeVinila:
Rota ReaoGlobal MargemBruta(Cents/lbdeCloretodeVinila)
2 C2H2+HClC2H3Cl 9,33
3 C2H4+Cl2C2H3Cl+HCl 11,94
4 C2H4+HCl+1/2O2C2H3Cl+H2O 3,42
5 2C2H4+Cl2+1/2O2 2C2H3Cl+H2O 7,68
Rotamaislucra*va
Altocustodosreagentes,especialmenteoace*lenoMercadodeHClutuamuitoemdecorrnciadesuadisponibilidade,svezesob*docomosubprodutodeoutrosprocessos(necessitaanlisedemercadoparaconsiderlo)
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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PrimeirospassosnaintenodeconstruirumuxogramaparaaRota3
CapacidadedaPlanta(Requerimento)~800.000.000lb/ano
(330dias/anofator0,904)
Valoresconsiderandoconversoiguala100%
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 DistribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedesEnos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperao
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Passo2: Distribuiroscomponentesqumicos Mistura
Nestascondies,aconversoreal98%,
sendo2%aconversoem
subprodutos.Desconsideradoporhora.
Conversodeapenas60%.(158.300+x)0,6/98,93=100.000/62,5
x=105.300
Ob*dospordadosdecaloresdeformaoe
capacidadestrmicasemfunodatemperatura(AspenPlus/Hysys/
UniSim)
Apressofoiescolhidaacimadaatmosfricaamdeevitarvazamentosdoaratmosfricoparadentrodoreator,oquepoderiaa*ngirolimitedeamabilidadedoe*leno
Estecalornopodeserusadonareaodepirliseporestaraumatemperatura
maisbaixa
Apressode26atmfoiselecionadacombaseemumapatente,aqualnodeixaclaraarazodetalpresso.Noentanto,devehaverumarelaocomaecincia
dapirlise.
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperao
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Passo3: Eliminardiferenasemcomposio Separao
Pressesrecomendadasporumapatente.(Partedobandodedadosdeinformaes
preliminaresob*das)
UmaTmaisadequadapoderiaser35C,ou
maior,parausarguaderesfriamentonoeuentedapirlise,oquefariacomqueaalimentaoentrassenacoluna
parcialmentevaporizada.Noentanto,necessitariamaisrefrigeraono
condensadordacoluna
Outrasopesdesistemadeseparaopoderiam
serpropostos:separarodicloroetanona
primeiracoluna,separaodostrs
componentesemumamesmacolunacomsadalateralnacoluna,absoropararecuperarHCl(1atm)
comH2O,
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
Des*laosugeridacomooperaounitriade
separaopelofatodoscomponentes
apresentarempontosdeebuliodis*ntos
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Composto PontodeEbulioNormal(1atm,C)
PontodeEbulio(C) ConstantesCrEcas
4,8atm 12atm 26atm Tc(C) Pc(atm)
HCl 84,8 51,7 26,2 0 51,4 82,1
C2H3Cl 13,8 33,1 70,5 110 159 56
C2H4Cl2 83,7 146 193 242 250 50
50atm
26atm
242C 250C
PontoCr*co
C2H4Cl2
P
T
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperao
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Passo4: Eliminardiferenasemtemperatura,presso,fase Processodemudanadetemperatura,presso,fase
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
-
Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra,on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperao
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Passo5: Selecionarosequipamentos TaskIntegra.on
CriaodoProcessodeProduodeCloretodeVinila
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Oportunidade
Inves*garprodutooumisturasquedesenvolvam
aspropriedadesdesejadas
sim
no
ProdutoConhecido?
ProcessoConhecido?
CriaodoProcesso
no
ProcessoaindaVivel?
ProjetodaPlantaConstruo,StartUpe
Operao
sim
no
sim
ProjetoDetalhado,DimensionarEquipamentos,O*mizaoeRentabilidade
AvaliaodeControlabilidade
PassosdaCriaodeumProcesso/Produto
MargemBrutaVivel?
rejeitaralguns
no
ProcessoaindaVivel?
no
sim
DesenvolverCasoBase
DetalharaSntesedoProcessoAlgoritmosSistemasSep.eReao
AvaliaodeStartUp
sim
AnlisedeConabilidadee
SeguranaCriaodeumPDF(correntesdetalhadas,balanomaterialedeenergia,listadeequipamentos)
Balanomaterialedeenergiacomauxliodesimuladores
Integraoenerg*caPossvelconstruodeplantapiloto(testesreais)
Floxogramaspreliminarescontendoapenasasoperaesdereao,separaoemudanasdetemperaturaepresso
Seleodeequipamentos(TaskIntegra*on)
MododeOperao:connnuooubatelada
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PDFdoProcessodeCloretodeVinila
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SumriodeCorrentes(CloretodeVinila)
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SumriodeCorrentes(CloretodeVinila)
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U*lidades(CloretodeVinila)
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SumriodeEquipamentos(CloretodeVinila)
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1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
-
tPAproduzidoatravsdeumaclularecombinante,aqualresultadarecombinaodeDNA.tPAevitaaformaodecogulosnosangue.U*lizadosempacientesinfartados.
tPA=.ssueplasminogenac.vator
PreodeVenda:$200/100mg
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
i. ApsextensivapesquisaemlaboratriobioqumicootPAfoiisoladodeclulashumanasdemelanoma.
ii. PatenteamericanaapresentadapelaGenentech(Informaesqualita*vasequan*ta*vas
Bioreaoaerbica
Crescimentodasclulasnomeiodenutrientes
contaminantequecausarespostasinamatriasemanimais
controlaopH
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
Passo Operao
1 EliminardiferenasentreosEposmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperaoeescolherentreprocessoconnnuoediscreto
-
Passo1: Eliminardiferenasentre*posmoleculares ReaoQumica
Alterna.va1:Rota1
clulasmamriascomotPA_DNAinseridoasclulassecretamaltosnveisdetPArecombinado
0,39x106clulas/mL/diataxadeconsumodeO2de0,2x1012mol/clula/htaxadeproduodetPAde50picogramas/clula/diatPAgradualmentesecretadonomeiolquido
sequnciadetPA_DNA+ClulasCHO"ClulasselecionadastPACHO
ClulasselecionadastPACHO+meiodenutrientes+O2"Mul*plicaodonmerodeclulas
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
Passo1: Eliminardiferenasentre*posmoleculares ReaoQumica
Alterna.va2:Rota2
clulasbacteriaiscomotPA_DNAinseridoasclulassecretamaltosnveisdetPArecombinado
taxadeproduodetPAde550miligramas/LdemeioAEscherichiaColideveserrompidaparaextrairotPAE.ColinoadicionagruposdeaucaraotPAcomonaRota1
sequnciadetPA_DNA+EscherichiaColi"ClulasselecionadastPAE.Coli
ClulasselecionadastPAE.Coli+meiodenutrientes+O2"Mul*plicaodonmerodeclulas
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
Rota1
70C
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
Custosdecompraouvendaconsiderados:
Componente Kg/KgtPA $/Kg
tPA 1 2.000.000
meiodenutrientes 287,2 233
H2O 2.228 0,12
Ar 46,8 1.742
CO2 3,7 1.447
clulastPACHO *
*noincludonaanlisedepotencialeconmicoumcustoassociadocomocustodepesquisa.adicionadocomocustooperacional
MargemBruta
2.000.000
287,2x233
2.228x0,12
46,8x1.742
3,7x1.447
$1.846.000/KgtPA
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 DistribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedesEnos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperaoeescolherentreprocessoconnnuoediscreto
-
Passo2: Distribuiroscomponentesqumicos Mistura
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperaoeescolherentreprocessoconnnuoediscreto
-
Passo3: Eliminardiferenasemcomposio Separao
Vistoqueprotenasperdemsuasa*vidadescomatemperatura,osprocessosdeseparaosoman*dosa4C,umpoucoacimadaTdesolidicaodagua
AargininaevitaaagregaodotPA
OtPAadsorvidosobreumaresinaearesinalavadacomumaminocido(Glicina).Uma
soluodePBSeNaCladicionadaparaestabilidade
deequilbrio
CriaodoProcessodeProduodetPA Aendotoxina
separadaatravsdeadsorosobreuma
resina,aquallavadacoma
soluodeNaOH
-
Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra.on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperaoeescolherentreprocessoconnnuoediscreto
-
Passo4: Eliminardiferenasemtemperatura,presso,fase Processodemudanadetemperatura,presso,fase
OsnutrientessodissolvidosnaH2Oa4Cantesdereceber
asclulas.
CriaodoProcessodeProduodetPA Nohvariaodepressoaprecivelnesteprocesso.
Tambmnohmudanadefase.
-
Passo Operao
1 Eliminardiferenasentreos*posmoleculares
ReaoQumica
2 Distribuiroscompostosqumicosaocombinarfontesedes*nos
Mistura
3 Eliminardiferenasemcomposio Separao
4 Eliminardiferenasemtemperatura,pressoefase
Processodemudanadetemperatura,pressoefase
5 ProcederoTaskIntegra,on,ouseja,selecionarunidadesdeprocessoparacadaoperaoeescolherentreprocessocon?nuoediscreto
-
Passo5: Selecionarosequipamentos TaskIntegra.on
readeReao
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
Passo5: Selecionarosequipamentos TaskIntegra.on
readeSeparao
CriaodoProcessodeProduodetPA
-
1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
-
12 3 4
5Rotadereao
Distribuiodecomponentes
Separao
Mudanadetemperatura,pressoefase
TaskIntegra.on
rvoredeSntese
-
Alterna*vaparaosegundopasso(Mistura)nasntesedoprocessodeproduodoCloretodeVinilaLinhaamareladarvoredesnteseanterior
rvoredeSntese
-
Exemplodeumaalterna*vaparaosegundopasso(Mistura)nasntesedoprocessodeproduodoCloretodeVinilaLinhaazuldarvoredesnteseanterior
rvoredeSntese
-
Alterna*vapropostaparaasntesedoprocessodeproduodoCloretodeVinila
rvoredeSntese
-
1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
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Ametodologiaempregadapelaengenhariaparaodesenvolvimentodeumnovoprocessorecomendainiciarpelasoluodeproblemassimplesepaula*namenteadicionarcamadasqueincorporammaisdetalhes
Paravericaresteprocedimento,ilustraremosoestudopar*ndodeumprocessodoseuestadonaleconduziremosospassosemcaminhoinversoatchegarsconsideradosiniciaisdeumprojeto
i. Oprocessoadotadoparaesteestudodeproduodebenzenoapar*rdotolueno(HidroDealquilaodeTolueno)
Metodologia
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1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
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RotadeReao
ReaoPrincipal
C7H8 + H2 > C6H6 + CH4Tolueno Hidrognio Benzeno Metano(gsnatural)
ReaoParalela(noconsideraremosemnossoestudo)
2C6H6 (C6H5)2 + H2Benzeno Difenil Hidrognio
-
ProcessoHDA(HidroDealquilaodoTolueno)
1
Toluene2
4 6
7
3
Hydrogen P-101A/B
V-101
H-101
E-101
R-101air fuelgas
combustionproducts
9
5 E-102
V-102
C-101A/B
hps
cw
817
18
11
16
19
13
V-103
E-103
E-106
E-104
E-105
P-102A/B
T-101
V-10414
15
1210
fuel gas
benzenemps
lps
cw
cw
V-101TolueneStorageDrum
P-101A/BTolueneFeed Pumps
E-101FeedPreheater
H-101FeedHeater
R-101Reactor
C-101A/BRecycleGasCompressor
E-102ReactorEffluentCooler
V-102HighPres.Phase Sep.
V-103Low Pres.Phase Sep.
E-103TowerFeedHeater
E-106BenzeneReboiler
T-101BenzeneColumn
E-104BenzeneCondenser
V-104RefluxDrum
P-102A/BRefluxPumps
E-105ProductCooler
Figure 1.3 Skeleton Process Flow Diagram (PFD) for the Production of Benzene via the Hydrodealkylation of Toluene
19
ch01.qxd 9/11/2002
11:40 AM Page 19
-
Corrente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Temperatura(C) 25 59 25 225 41 600 41 38 654 90
Presso(bar) 1,9 25,8 25,5 25,2 25,5 25,0 25,5 23,9 24,0 2,6
Fraodevapor 0,0 0,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0
Vazomssica(ton/h)
10,0 13,3 0,82 20,5 6,41 20,5 0,36 9,2 20,9 11,6
Vazomolar(kmol/h)
108,7 144,2 301,0 1204,4 758,8 1204,4 42,6 1100,8 1247,0 142,2
Vazoporcomponente(kmol/h)
Hidrognio 0,0 0,0 286,0 735,4 449,4 735,4 25,2 651,9 652,6 0,02
Metano 0,0 0,0 15,0 317,3 302,2 317,3 16,95 438,3 442,3 0,88
Benzeno 0,0 1,0 0,0 7,6 6,6 7,6 0,37 9,55 116,0 106,3
Tolueno 108,7 143,2 0,0 144,0 0,7 144,0 0,04 1,05 36,0 35,0
SumriodeCorrentesdoProcessoHDA
-
Corrente 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Temperatura(C) 147 112 112 112 38 38 38 38 112
Presso(bar) 2,8 3,3 2,5 3,3 2,3 2,5 2,8 2,9 2,5
Fraodevapor 0,0 0,0 1,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,0 1,0
Vazomssica(ton/h)
3,27 14,0 22,7 22,7 8,21 2,61 0,07 11,5 0,01
Vazomolar(kmol/h)
35,7 185,2 290,7 290,7 105,6 304,2 4,06 142,2 0,90
Vazoporcomponente(kmol/h)
Hidrognio 0,0 0,0 0,02 0,0 0,0 178,0 0,67 0,02 0,02
Metano 0,0 0,0 0,88 0,0 0,0 123,05 3,10 0,88 0,88
Benzeno 1,1 184,3 289,46 289,46 105,2 2,85 0,26 106,3 0,0
Tolueno 34,6 0,88 1,22 1,22 0,4 0,31 0,03 35,0 0,0
Con*nuao
SumriodeCorrentesdoProcessoHDA
-
ProcessoHDA(HidroDealquilaodoTolueno)
1
Toluene2
4 6
7
3
Hydrogen P-101A/B
V-101
H-101
E-101
R-101air fuelgas
combustionproducts
9
5 E-102
V-102
C-101A/B
hps
cw
817
18
11
16
19
13
V-103
E-103
E-106
E-104
E-105
P-102A/B
T-101
V-10414
15
1210
fuel gas
benzenemps
lps
cw
cw
V-101TolueneStorageDrum
P-101A/BTolueneFeed Pumps
E-101FeedPreheater
H-101FeedHeater
R-101Reactor
C-101A/BRecycleGasCompressor
E-102ReactorEffluentCooler
V-102HighPres.Phase Sep.
V-103Low Pres.Phase Sep.
E-103TowerFeedHeater
E-106BenzeneReboiler
T-101BenzeneColumn
E-104BenzeneCondenser
V-104RefluxDrum
P-102A/BRefluxPumps
E-105ProductCooler
Figure 1.3 Skeleton Process Flow Diagram (PFD) for the Production of Benzene via the Hydrodealkylation of Toluene
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ch01.qxd 9/11/2002
11:40 AM Page 19
Vapor
Vapor
LquidoLquido
LquidoSeparaodeFases
SistemadeSeparaodeLquidoSistemadeReao
Purga
-
1. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
2. PassosdoprojetodeprocessosRevisitado(Sieder)
ProgramadoMdulo
-
SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDA
SistemadeReao
SeparaodeFases
SistemadeRecuperaodoVapor
SistemadeSeparaodoLquido
H2,CH4
Benzeno
H2
Tolueno
H2,CH4
Tolueno
-
SistemadeRecuperaodoVapor
TraosdeBenzenoeToluenosocarregadosparaacorrentedevaporricaemH2eCH4
Epartedestecontedodescarregadodoprocessoatravsdapurga
Casofosseeconomicamentevivel,umdosprocessoabaixopoderiamserconsideradospararecuperaodeBenzenoeTolueno(oumesmoohidrognio)dacorrentedevaporantesdapurga:
i. Absoroii. Adsoroiii.Separaopormembrana
Nosedeveesquecerque,tantonoprocessode
absoroquantonoprocessodeadsoro,devesepensar
nocustodeprocessoadicionalpararecuperaro
benzenoeotoluenoabsorvido/adsorvido
-
SistemadeSeparaodoLquido
OToluenoseparadodacorrentelquidaerecicladoparaoprocessoatravsdedes*lao
TraosdeH2eCH4soacumuladosnovasodecondensadoeaoa*ngirdeterminadapresso,osistemadecontroledepressodescarregaosgasesparaalinhadevapor
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1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
-
SistemadeSeparao
SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDA
SistemadeReao
SeparaodeFases
SistemadeRecuperaodoVapor
SistemadeSeparaodoLquido
H2,CH4
Benzeno
H2
Tolueno
H2,CH4
-
Processo
EstruturadeReciclodoProcessoHDA
SistemadeReao
SistemadeSeparao
PurgaH2,CH4
BenzenoH2
Tolueno
ReciclodeTolueno
ReciclodeGs
-
1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
-
EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDA
Processo
PurgaH2,CH4
Benzeno
H2
Tolueno
Custoscommatriaprimanormalmentecorrespondemde33a88%docustototaldosprodutos
EstruturadeEntradaeSadaajudanaes*ma*vadoPotencialEconmico
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1. OProcessodeCriaodeumProcessoQumico Introduo; Passosnacriaodeumnovoprocesso; Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodeCloretodeVinila Exemplodeaplicao:ProcessodeproduodetPA ArvoredeSntesedeprocessos.
2. Hierarquiadedecisodoprojetodeprocessosi. OprocessodeHidroDealquilaodeToluenoii. SistemasdeReaoeSeparaodoProcessoHDAiii. EstruturadeReciclodoProcessoHDAiv. EstruturadeEntradaeSadadoProcessoHDAv. Hierarquiadedecisesdeprojetodeprocessos
ProgramadoMdulo
-
HierarquiadeDecisesdeProjetodeProcessos
HierarquiadeDecises
ProcessoconnnuoXBateladaEstruturadeentradaesadadoprocessoEstruturadereciclodoprocessoEstruturageraldosistemadeseparao:
a)Sistemaderecuperaodevaporb)Sistemaderecuperaodelquido
Rededetrocadoresdecalor(IntegraoEnerg*ca)