Como fazer o design de processo químico?

O design de processo químico é uma ferramenta importante para os engenheiros químicos, pois, estes processos devem integrar a atividade sustentável da indústria. 

Sendo assim, entende-se por atividade sustentável o uso eficiente de matéria prima, redução na produção de efluentes, uso adequado de água e utilização de uma menor quantidade de energia. Por sua vez, tem ligação direta com a emissão de gases estufa.

Continue lendo para compreender as premissas, etapas e características de um  desenvolvimento de processos químicos.

Estruturação de um processo químico

De forma geral, os processos químicos são divididos em etapas, que posteriormente são interligadas de tal sorte a formar um processo por completo. Ainda, cada uma dessas etapas possui um propósito específico. Podem ser citadas as seguintes etapas: reacionais, separação, aquecimento e resfriamento, mistura, mudança de pressão, redução ou aumento do tamanho das partículas.

Vamos conhecer um pouco melhor essas etapas?

Primeiramente, temos o estoque da matéria prima. Devida atenção deve ser tomada nessa etapa pois precisamos garantir a qualidade da matéria prima e garantir o fornecimento contínuo. Do que adianta parar um processo no meio do caminho por falta de material?

A segunda etapa visa a preparação da matéria prima antes da alimentação na etapa reacional. Nesta, ocorrem as devidas transformações para que possamos conseguir um máximo de transformação das matérias primas em produtos. Como assim?

Simples,! Temos que verificar se algum composto presente pode causar envenenamento do catalisador, sendo necessário passar por um pré tratamento.

E se sua reação ocorrer em fase gasosa e sua matéria prima estiver na fase líquida?

Qual a pressão e a quantidade de matéria prima?

Por fim, o quinto estágio trata-se da embalagem, estocagem e transporte da matéria prima até o comprador. Como devem ser feitas, depende da natureza do produto, isso quer dizer, se é sólido, líquido ou gasoso.

Sendo assim, podemos denominar essas etapas de operações unitárias.

Faz parte dessa formulação, a forma como os equipamentos estão interligados. Qual a ordem? Por onde a matéria prima sai?

Para isso, faz-se necessário uma representação gráfica deste processo durante o design de processo químico. Tema para outro artigo.

Etapas de um design de processos

Primeiramente, ao pensarmos em um desenvolvimento temos que ter como base três pilares que irão reger o todo.

Esses pilares são:

Ter um objetivo claramente definido, ter um projeto base e realizar o design propriamente dito.

Vamos destrinchar essas etapas?

Definindo objetivos

O mercado onde é pretendido comercializar um determinado produto influencia diretamente no design de processo. Um aspecto a se considerar é que os produtos químicos são divididos em classes, por exemplo: commodities, química fina e químicos funcionais.

Para tal, os projetos podem ser: para realizar um Revamp que se trata da modificação ou um Retrofit, uma modernização.

Este projeto visa tornar a planta apta para uma determinada modificação de matéria prima, reduzir custos, aumento da capacidade, estar em conformidade com as leis de segurança e ambientais.

Por outro lado, temos o projeto de novas plantas.

Definindo a base do projeto.

Neste ramo, não se faz nada do zero. Nesse ínterim, definido o produto que desejamos obter, fazemos uma coleta de dados do estado da arte, rotas de produção, custo, utilidades utilizadas, produtos e subprodutos gerados dentre outros.

Antes de mais nada, alguns fatores devem ser observados para poder estreitar o espaço amostral durante o design dos projetos, por exemplo: temos que observar seja existe alguma tecnologia registrada.  Ou seja, tem alguma patente?

Respeita os critérios de segurança? Respeita os critérios ambientais? Esse processo é amplamente difundido? Apresenta alguma dificuldade de implantação? Fácil de se implementar? Apresenta problemas operacionais? Bora responder tudo isso!

Design do processo 

O design do processo químico, propriamente dito pode ser dividido em três etapas, a saber:

A primeira etapa é a síntese do processo, isso quer dizer, a etapa de criação. Nesta etapa é definida como as operações unitárias serão interconectadas, a estratégia de controle a ser adotada e as condições operacionais do processo.

Essa etapa é documentada através de um fluxograma de processo, por exemplo: BFD, PFD e P&ID.

Atualmente, fazemos a representação gráfica de um processo químico através de recursos computacionais. O mais utilizado, tanto pela indústria quanto pela academia, é o AutoCad 2D.

A segunda etapa trata-se da análise do processo, se este, por sua vez, é exequível ou não. 

Através de modelos matemáticos, métodos computacionais é possível prever e avaliar o desempenho dos equipamentos e por fim de todo equipamento. Essa etapa, é validada através da aplicação em plantas piloto.

Em conclusão, temos a terceira etapa, que se trata da otimização. Sendo assim, dado um conjunto de possibilidades, qual a melhor solução? Ou seja, qual a melhor solução ótima?

Nessa abordagem, definimos uma função objetivo, que pode ser maximizada ou minimizada e podem ser problemas mono ou multi objetivos.

Como assim?

Problemas mono e multi objetivos

Em mono objetivos, tentamos maximizar o lucro ou reduzir os custos.

Em contrapartida, em problemas multi objetivos, quais são as condições ótimas para aumentar o lucro e reduzir a emissão de dióxido de carbono?

Esta etapa não é trivial, e possui duas metodologias:

1. Criação de uma estrutura irredutível: essa metodologia segue a lógica do anel de cebola, na qual as decisões são baseadas localmente, isso quer dizer, escolhe-se o reator, otimizando-o. Qual obteve o melhor rendimento? E assim sucessivamente. Como ponto positivo temos o controle de decisões, já a desvantagem é não ter a garantia que será a melhor decisão;
2. Criação de uma superestrutura: nesse ínterim são impostas várias possibilidades de alocação das operações unitárias, e, através de modelos matemáticos e técnicas de otimização de processos são justificados a existência ou não de um equipamento, por exemplo. Como vantagem temos o grande número de opções, já como desvantagem temos que a solução ótima só será obtida se for incluída na análise, tornando esta bastante complexa.

Em suma, 

A tarefa não é fácil!  Design de processos requer prática e muito conhecimento teórico. 

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Já temos um artigo sobre classificação de processos químicos.
Muitos outros assuntos relacionados ao tema de processos químicos serão abordados, por exemplo: Representação gráfica, análise econômica, escolha do reator, classificação de área, estratégia de controle, etc…

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