ENGENHARIA DE PROCESSOS Anlise Simulao e Otimizao de

ENGENHARIA DE PROCESSOS Análise, Simulação e Otimização de Processos Químicos CAPÍTULO 4 AVALIAÇÃO ECONÔMICA PRELIMINAR 07 de julho de 2016

PROJETO SÍNTESE ANÁLISE

ANÁLISE SÍNTESE 2 6 INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS 3 4 ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA SÍNTESE DE PROCESSOS 5 OTIMIZAÇÃO 7 SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 8 SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

SÍNTESE Geração de todos os fluxogramas possíveis ANÁLISE Previsão e avaliação de cada fluxograma PROJETO: para um a dada Rota Química, encontrar a melhor solução no meio do conjunto numeroso e desordenado das soluções viáveis.

Otimizar todos os fluxogramas Determinando os valores ótimos das dimensões dos equipamentos e das vazões das correntes (otimização paramétrica)(Capítulo 5)

Identificar o fluxograma ótimo

UM DOS PROCEDIMENTOS MAIS UTILIZADOS ORGANIZAR AS ETAPAS NA FORMA DE UMA ÁRVORE DE ESTADOS (REPRESENTAÇÃO) E PERCORRE-LA SISTEMATICAMENTE

Decomposição, Representação e Resolução do Problema de Projeto por Busca Orientada por Árvore de Estados Raiz ? A, B A+B P ? ? P, C P+C Rota Química ? Fluxograma ? Dimensões ? D, E D+E P+F ? ? A B 1 T x D P C 2 T x P C A 6 M x D D E x M x P F E ? Nível Estrutural Síntese de um Fluxograma Dimensões ? Lucro? Nível Paramétrico L 10 x* x o = 4 4 P F L 8 x 3 ? L x* x o = 3 D E ? L Seleção de uma Rota Fluxograma ? Dimensões ? ? ? A B ? Nível Tecnológico P, F 7 x* x o = 6 x x* x o = 5 x Análise do Fluxograma Dimensionamento dos Equipamentos e das Correntes. Lucro. Solução Ótima: Reagentes = D, E; Fluxograma = 3; x = 4

UMA PEÇA-CHAVE NA ANÁLISE

Resumo da Análise de Processos Correspondência dos Capítulos com os Módulos Computacionais 2 INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS 3 ESTRATÉGIAS DE CÁLCULO 4 AVALIAÇÃO ECONÔMICA MODELO FÍSICO OTIMIZAÇÃO Variáveis Especificadas Parâmetros Físicos 5 Parâmetros Econômicos Dimensões Calculadas MODELO ECONÔMICO Variáveis de Projeto Lucro OTIMIZAÇÃO

Simular Extrator Dimensionar Extrator Simular Evaporador Dimensionar Condensador Simular Condensador Resolver Problema Dimensionar Resfriador Dimensionar Misturador Dimensionar Processo Calcular Lucro Simular Resfriador Simular Misturador Simular Processo Otimizar Processo

ORGANIZAÇÃO DA DISCIPLINA SÍNTESE ANÁLISE 2 6 INTRODUÇÃO À ANÁLISE DE PROCESSOS 3 4 ESTRATÉGIAS AVALIAÇÃO DE CÁLCULO ECONÔMICA SÍNTESE DE PROCESSOS 5 OTIMIZAÇÃO 7 SÍNTESE DE SISTEMAS DE SEPARAÇÃO 8 SÍNTESE DE SISTEMAS DE INTEGRAÇÃO ENERGÉTICA

FINALIDADE DO CAPÍTULO Apresentar um procedimento aproximado para a Avaliação Econômica de processos condizente com o estágio preliminar do projeto. (quando são examinadas muitas alternativas de fluxogramas).

4. AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE PROCESSOS 4. 1 Introdução 4. 2 Estimativas Econômicas 4. 2. 1 Estimativa de Custos 4. 2. 2 Estimativa de Investimento 4. 3 Dados para a Estimativa de Custos e de Investimento 4. 3. 1 Rudd & Watson 4. 3. 2 Douglas

4. 1 INTRODUÇÃO Objetivo da Análise Avaliação do desempenho econômico de um processo.

Um sistema pode exibir dois tipos de desempenho Real Previsto Desempenho Real o processo se encontra em operação Desempenho Físico Real: medições (instrumentação) e cálculos (modelos). Desempenho Econômico Real: contabilidade Desempenho Previsto o processo ainda se encontra em fase de projeto ou em fase de operação em novas condições. Desempenho Físico Previsto: modelos físicos Desempenho Econômico Previsto: modelos econômicos.

Critério adotado nesta disciplina (Rudd & Watson: Strategy of Process Engineering) Happel: Venture Profit Lucro do Empreendimento (LE) É o Lucro Relativo àquele proporcionado por um investimento “padrão” Sejam: L 1: Lucro previsto para o processo, com: - retorno estimado j ($/ano) / ($ investido) - com risco comercial. L 0: Lucro proporcionado por um investimento “padrão” com: - retorno garantido i ($/a) / ($ investido) - sem risco comercial. Lucro do Empreendimento: LE = L 1 - L 0

Lucro do Empreendimento LE = L 1 - L 0 LE > 0: empreendimento vantajoso LE = 0: empreendimento indiferente LE < 0: empreendimento desvantajoso

Objetivo do Capítulo (refinando. . . ) Desenvolver uma expressão simples para a estimativa aproximada em função de - Receita (R) - Custos de matérias primas (Cmatprim), e de utilidades (Cutil) - Custos de Investimento (I) Que são calculados facilmente a partir dos resultados do dimensionamento e da simulação LE = a R – b (Cmatprim + Cutil) - c I

Outros Critérios Uma vez escolhidos processos mais promissores visando a uma possível implantação § Valor presente líquido (VPL) § Taxa interna de retorno (TIR) § Tempo de retorno (payback period) EQE 486 PLANEJAMENTO E AVALIAÇÃO DE PROJETOS Flávia Chaves Alves Fábio Oroski

Fluxograma Ilustrativo do Lucro do Empreendimento: LE = LB - (D + IR ) - RIR $/a Receita R $/a Lucro Bruto Lucro do Empreendimento RIR Lucro Líquido antes do I. R. LB = R - Ctotal $/a Itotal $ Instalações Físicas Lucro Líquido Após o I. R. LA = LB - D $/a e Lucro Líquido Após o Risco LD = LA - IR $/a LL = LD - CR $/a h t i Depreciação D = e Idireto $/a Imposto de Renda Custo Total Retorno garantido IR = t (LB - D) $/a sobre o investimento Compensação pelo Risco Ctotal $/a Retorno sobre o Investimento + Risco RIR = (i + h) Itotal = im Itotal $/a h, i: subjetivos CR = h Itotal $/a RI = i Itotal $/a

Valores Típicos da Taxa de Retorno sobre o Investimento (Rudd & Watson) Provenientes do mercado

Valores Típicos para a Taxa de Risco (Rudd & Watson) Definidos pelo Investidor

4. AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE PROCESSOS 4. 1 Introdução 4. 2 Estimativas Econômicas 4. 2. 1 Estimativa de Custos 4. 2. 2 Estimativa de Investimento 4. 3 Dados para a Estimativa de Custos e de Investimento 4. 3. 1 Rudd & Watson 4. 3. 2 Douglas

4. 2 ESTIMATIVAS ECONÔMICAS Dois tipos extremos de estimativas de custos: Estimativa aproximada Utiliza correlações e fatores empíricos. Uso nos estágios preliminares do projeto (erros até 35%). Estimativa detalhada Baseada em desenhos e especificações detalhadas de equipamentos e tubulações. Inclui negociação com fabricantes de equipamentos.

Repetindo. . . Objetivo do Capítulo Desenvolver uma expressão simples para a estimativa aproximada em função de - Receita (R) - Custos de matérias primas (Cmatprim), e de utilidades (Cutil) - Custos de Investimento (I) Que são calculados facilmente a partir dos resultados do dimensionamento e da simulação LE = a R – b (Cmatprim + Cutil) - c I

MISTURADOR 14 RESFRIADOR W 14 = 1. 080 kg/h T*14 = 25 o. C CONDENSADOR W 12 = 59. 969 kg/h T*12 = 30 o. C 12 13 W 10 =36. 345 kg/h Ar = 361 m 2 T* = 80 o. C 10 Ac = 119 m 2 11 8 W 11 = 59. 969 kg/h T*11 = 15 o. C 15 W 15 = 37. 425 kg/h T 13 = 25 o. C W 8 = 228. 101 kg/h T*8 = 15 o. C W 5 = 36. 345 kg/h T*5 = 80 o. C W 3 = 37. 544 kg/h x 13 = 0, 002 EXTRATOR BOMBA 1 T*1 = 25 o. C f 11 = 200 kg/h f 31 = 99. 800 kg/h W 12 = 228. 101 kg/h T*12 = 30 o. C 10 W 13 = 36. 345 kg/h T 13 = 25 o. C W*1 = 100. 000 kg/h x*11 = 0, 002 9 5 T 3 = 25 o. C f 13 = 120 kg/h f 23 = 37. 424 kg/h 3 Vd = 11. 859 l *= 0, 0833 h r* = 0, 60 W 2 = 99. 880 kg/h x 12 = 0, 0008 2 T = 25 o. C 2 f 12 = 80 kg/h f 32 = 99. 800 kg/h Ae = 124 m 2 W 6 =8. 615 kg/h T*6 = 150 o. C Extrato 7 W 7 = 8. 615 kg/h T*7 = 150 o. C Rafinado LE = a R – b (Cmatprim + Cutil) - c I EVAPORADOR 6 W 4 = 1. 200 kg/h x*14 = 0, 1 4 T 4 = 80 o. C f 14 = 120 kg/h f 24 = 1. 080 kg/h

PROCESSO ILUSTRATIVO W 1 x 11, x 14 T 1, T 2, T 5, T 6, T 7, T 8, T 10, T 11, T 14, VARIÁVEIS ESPECIFICADAS MODELO FÍSICO W 4, W 6, W 8, W 11, W 14 Vd, Ae, Ac, Ar r, T 9, T 12 VARIÁVEIS DE PROJETO INCÓGNITAS AVALIAÇÃO ECONÔMICA L OTIMIZAÇÃO

4. AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE PROCESSOS 4. 1 Introdução 4. 2 Estimativas Econômicas 4. 2. 1 Estimativa de Custos 4. 2. 2 Estimativa de Investimento 4. 3 Dados para a Estimativa de Custos e de Investimento 4. 3. 1 Rudd & Watson 4. 3. 2 Douglas

4. 2. 1 ESTIMATIVA DOS CUSTOS Em azul, as variáveis que figuram na expressão final. LE = LB - D - IR – RIR $/a LB = R – Ctotal D = e Idireto IR = t (LB - D) RIR = RI + CR = (i + h) Itotal = im Itotal LE = (1 - t) (R – Ctotal – e Idireto) – im Itotal $/a O que são Ctotal ? ? ? Idireto? ? ? Itotal ? ? ?

Na estimativa aproximada, diversos custos são, agilmente, correlacionados a outros, com base na experiência acumulada em avaliação econômica de processos. Em Peters & Timmerhaus, são apresentadas faixas de valores para diversas correlações. 09. PLANT DESIGN AND ECONOMICS FOR CHEMICAL ENGINEERS Timmerhaus, K. D. e Peters, M. S. - Mc. Graw-Hill, 1980 (3 a. Ed. ). Segue-se um resumo com os valores médios das faixas apresentadas por Peters & Timmerhaus. Detalhes: Tabela 4. 3 do Livro.

Ctotal = Cprod + Cgerais $/a Cprod = Cdiretos + Cfixos Cdiretos = (Cmatprim + Cutil) + Cmanut + Csupr + (Cmobra + C adm + Clab) + Croy Cdiretos = (Cmatprim + Cutil) + 0, 046 Ifixo + 0, 27 Ctotal Cfixos = Cimpost + Csegur + Calug + Cjur Cfixos = 0, 03 Ifixo Cprod = (Cmatprim + Cutil) + 0, 076 Ifixo + 0, 27 Ctotal Cgerais = 0, 025 R Ctotal = (Cmatprim + Cutil) + 0, 076 Ifixo + 0, 27 Ctotal + 0, 025 R $/a Ctotal = 1, 37 (Cmatprim + Cutil) + 0, 104 Ifixo + 0, 034 R $/a

Retornando a LE LE = (1 - t) (R – Ctotal – e Idireto) – im Itotal $/a Aplicando: e = 0, 10 t = 0, 5 im = 0, 15 LE = 0, 5 (R – Ctotal – 0, 1 Idireto) – 0, 15 Itotal $/a em que: Ctotal = 1, 37 (Cmatprim + Cutil) + 0, 104 Ifixo + 0, 034 R LE = 0, 5 (R – 1, 37 (Cmatprim + Cutil) - 0, 104 Ifixo - 0, 034 R – 0, 1 Idireto) – 0, 15 Itotal $/a LE = 0, 48 R - 0, 68 (Cmatprim + Cutil) - 0, 05 Ifixo – 0, 05 Idireto- 0, 15 Itotal $/a O que são I fixo ? ? ? I direto ? ? ? I total ? ? ?

4. AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE PROCESSOS 4. 1 Introdução 4. 2 Estimativas Econômicas 4. 2. 1 Estimativa de Custos 4. 2. 2 Estimativa de Investimento 4. 3 Dados para a Estimativa de Custos e de Investimento 4. 3. 1 Rudd & Watson 4. 3. 2 Douglas

4. 2. 2 ESTIMATIVA DO INVESTIMENTO ISBL: Equipamentos que participam diretamente do processamento matéria prima produto Inside Battery Limits OSBL: Equipamentos e instalações periféricas Outside Battery Limits

4. 2. 2 ESTIMATIVA DO INVESTIMENTO Itotal = Ifixo + Igiro + Ipartida $ Ifixo = Idireto + Iindireto Idireto = ISBL + OSBL ISBL: custo instalado dos equipamentos diretamente envolvidos na produção ("Inside Battery Limits") OSBL = 0, 45 ISBL (custo de investimento "Outside Battery Limits") Idireto = 1, 45 ISBL Iindireto = 0, 25 Idireto Ifixo = 1, 81 ISBL Igiro = 0, 15 Itotal Ipartida = 0, 10 Ifixo Itotal = 2, 34 ISBL $

Retornando. . . LE = 0, 48 R - 0, 68 (Cmatprim + Cutil) - 0, 05 Ifixo – 0, 05 Idireto- 0, 15 Itotal $/a Acrescentando. . . Ifixo = 1, 81 ISBL Idireto = 1, 45 ISBL Itotal = 2, 34 ISBL LE = 0, 48 R - 0, 68 (Cmatprim + Cutil) - 0, 46 ISBL $/a

LE = 0, 48 R - 0, 68 (Cmatprim + Cutil) - 0, 46 ISBL $/a Os coeficientes não são universais. Eles dependem (a) dos custos pertinentes a cada projeto (b) das correlações utilizadas intermediariamente que variam com a experiência do avaliador e com a região em que se desenvolve o projeto. Aproximação prática para a discriminação de muitos fluxogramas alternativos gerados na Síntese, com um mesmo nível de erro: LE = 0, 5 R - 0, 7 (Cmatprim + Cutil) - 0, 5 ISBL $/a Esticando. . . LE = 0, 5 (R - Cmatprim - Cutil – ISBL) $/a Como se estima ISBL ? ? ?

ISBL = f. T f. D f. L IEi Q i: dimensão característica do equipamento i, calculada ou especificada (volume , área, pressão. . . ). Qb i: valor-base da dimensão característica do equipamento i cujo custo de investimento IEbi é conhecido. Mi : fator de escala para o equipamento i, válido para uma faixa de valores de Qi IEi : preço de compra do equipamento i para a dimensão Qi. IEbi, Qbi, Mi: gráficos (Guthrie) e tabelas. São função de local e data.

Exemplo Trocador de Calor casco-e-tubo I = 1. 350 (A / 50)0, 48 $ (50 < A < 300 ft 2)

ISBL = f. T f. D f. L IEi f. T, f. D, f. L : fatores empíricos. f. T: transforma o preço de compra na região em que foi levantado no preço de compra na região em que será construída a planta. (considera frete, armazenamento, alfândega, etc. ) f. D : transforma preço de compra levantado no ano A no preço de compra no ano em que está sendo executado o projeto. (utiliza Índices de Preços IC. Ex. : Ch. Eng. Cost Index) f D = IC a / IC b (a: ano da avaliação; b: ano da tabela) Exemplo: preço tabelado em 1960: 1. 350 $ preço estimado em 2000: 1. 350 x (IC 2000 / IC 1960) = 1. 350 (394/102) = 5. 215 $ f. L (fator de Lang): transforma preço de compra em custo instalado. (inclui estrutura, pintura, instalação elétrica, instrumentação, . . . )

4. AVALIAÇÃO ECONÔMICA DE PROCESSOS 4. 1 Introdução 4. 2 Estimativas Econômicas 4. 2. 1 Estimativa de Custos 4. 2. 2 Estimativa de Investimento 4. 3 Dados para a Estimativa de Custos e de Investimento 4. 3. 1 Rudd & Watson 4. 3. 2 Douglas

4. 3 DADOS PARA A ESTIMATIVA DE CUSTOS DE INVESTIMENTO Correlações de Custo para Alguns Equipamentos Típicos (Rudd & Watson)

Exemplo Trocador de Calor casco-e-tubo I = 1. 350 (A / 50)0, 48 $ (50 < A < 300 ft 2)

Exemplo: Processo Ilustrativo

MISTURADOR 14 RESFRIADOR W 14 = 1. 080 kg/h T*14 = 25 o. C 12 W 12 = 59. 969 kg/h T*12 = 30 o. C 13 W =36. 345 kg/h Ar = 361 m 2 T*10 = 80 o. C 10 11 W 11 = 59. 969 kg/h T*11 = 15 o. C W 15 = 37. 425 kg/h T 13 = 25 o. C 15 EXTRATOR BOMBA Vd = 11. 859 l W* x* = 100. 000 kg/h 11 = 0, 002 1 T*1 = 25 o. C f 11 = 200 kg/h f 31 = 99. 800 kg/h 9 W 12 = 228. 101 kg/h T*12 = 30 o. C 10 W 13 = 36. 345 kg/h T 13 = 25 o. C 1 CONDENSADOR *= 0, 0833 h r* = 0, 60 W 2 = 99. 880 kg/h x 12 = 0, 0008 2 T 2 = 25 o. C f 12 = 80 kg/h f 32 = 99. 800 kg/h Rafinado Ac = 119 m 2 8 W 8 = 228. 101 kg/h T*8 = 15 o. C W 5 = 36. 345 kg/h T*5 = 80 o. C W 3 = 37. 544 kg/h x 13 = 0, 002 5 T 3 = 25 o. C f 13 = 120 kg/h f 23 = 37. 424 kg/h 3 Ae = 124 m 2 Extrato 7 W 7 = 8. 615 kg/h T*7 = 150 o. C LE = a. R - b(Cmatprim + Cutil) - c I 4 EVAPORADOR W 6 =8. 615 kg/h T*6 = 150 o. C 6 W 4 = 1. 200 kg/h x*14 = 0, 1 T 4 = 80 o. C f 14 = 120 kg/h f 24 = 1. 080 kg/h

PROCESSO ILUSTRATIVO R = p. AB f 14 Fop $/a Investimento: Ib = Ibb (20/Pbb) Mb $ Id = Idb (Vd/Vdb) Md $ Ie = Ieb (Ae/Aeb) Me $ Ic = Icb (Ac/Acb) Mc $ Ir = Irb (Ar/Arb) Mr $ ISBL = f. T f. D f. L (Ib + Id + Ie + Ic + Ir) $ Custos: Cagua = pa (W 8 + W 11) $/h Cvapor = pv W 6 $/h Csolvente = ps W 14 $/h Cbomba = 0, 15 $/h C = Fop (Cagua + Cvapor + Csolvente + Cbomba) $/a Expressão adaptada para o Processo Ilustrativo LE = 0, 7 R – 0, 8 C – 0, 4 ISBL $/a

Relembrando: Happel: Venture Profit Lucro do Empreendimento (LE) É o Lucro Relativo ao proporcionado por um investimento “padrão”: Sejam: L 1: Lucro previsto para o processo, com: - retorno estimado j ($/ano) / ($ investido) - com risco comercial. L 0: Lucro proporcionado por um investimento com: - retorno garantido i ($/a) /($ investido) - sem risco comercial. Lucro do Empreendimento: LE = L 1 - L 0 O projeto é economicamente vantajoso se LE 0

Fluxograma Ilustrativo do Lucro do Empreendimento LE = LL – im Itotal = j Itotal – im Itotal j = im + LE / Itotal Lucro do Empreendimento: LE = LB - (D + IR ) - RIR $/a Receita R $/a Lucro Bruto Lucro do Empreendimento RIR Lucro Líquido antes do I. R. LB = R - Ctotal $/a Itotal $ Instalações Físicas Lucro Líquido Após o I. R. LA = LB - D $/a e Lucro Líquido Após o Risco LD = LA - IR $/a LL = LD - CR $/a h t i Depreciação D = e Idireto $/a Custo Total Ctotal $/a Imposto de Renda Retorno garantido IR = t (LB - D) $/a sobre o investimento Compensação pelo Risco Retorno sobre o Investimento + Risco RIR = (i + h) Itotal = im Itotal $/a CR = h Itotal $/a RI = i Itotal $/a

FIM

LE = L 1 (j, h >0) - L 0 (i, h = 0) = LD (j, h > 0) – RIR [(i + h)] LE = j Itotal – (i + h) Itotal ( j = ? ) LE = [j – (i + h)] Itotal j = (i + h) + LE / Itotal PROJETO LEANDRO OXITENO