Minicurso de UniSim R Design

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Minicurso de UniSim

R

Design

Prof. Rodolfo Rodrigues

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Instrutor do Minicurso

Rodolfo Rodrigues, Prof.

Graduação (UFSM), Mestrado e Doutorado (UFRGS) em EQ; Período de intercâmbio no ORNL/DOE nos EUA durante doutorado;

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Conteúdo Programático

1 Módulo I: Introdução e Recursos Básicos

Engenharia de Processos UniSim Design

Espécies & Reações Químicas Equipamentos Básicos

Exercício: Planta de Amônia

2 Módulo II: Recursos Intermediários

Exercício: Planta de Amônia (Continuação) Criação de Relatórios

Operadores Lógicos Estudos de Caso

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XI SAEQ: “Explorando ramos da EQ”

Engenharia de Processos

Figura 1:Representação de um processo industrial simples em Engenharia Química: reação e separação. Esta representação é chamada de fluxograma de processo.

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Indústria Carboquímica

Figura 2:Previsão de construção de fábrica de fertilizantes (ureia) a partir do carvão mineral de Candiota. Investimento de US$ 2,7 bi da TransGas Development Brazil em Candiota com previsão de operação em 2019

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Síntese de Ureia a partir de Carvão Mineral

1 Gaseificação de carvão mineral:

Carvão + Ar −→ CO + H₂ + outros(syngas) 2 Enriquecimento de syngas em H₂:

CO + H₂O ←→ CO₂ + H₂(hidrogênio) 3 Síntese de amônia:

N₂ + 3H₂ ←→ 2NH₃ (amônia)

4 Síntese de ureia:

2NH₃ + CO₂ ←→ NH₂COONH₄(carbamato de amônia)

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Síntese de Ureia a partir de Carvão Mineral

Figura 3:Fluxograma de processo de síntese de ureia a partir de carvão mineral. Fonte: Broadleaf Capital Int. Pty. Ltd. (2018).

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Figura 4:Fluxograma de processo comercial Stamicarbon de produção de ureia. Fonte: de Haan (2015).

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Figura 5:Projeto de US$ 2,7 bi de uma planta de ureia a partir de carvão mineral na Austrália. Produção de 2 M t/ano de ureia a partir de 2,7 M t/ano de carvão mineral.

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XI SAEQ: “Explorando ramos da EQ”

Engenharia de Processos O que é?

Sistematização do projeto de processos industriais efici-entes, seguros, limpos e econômicos.

Conteúdos Envolvidos:

1 Síntese e Análise de Processos; 2 Modelagem e Simulação de Processos; 3 Controle de Processos;

4 Otimização de Processos;

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Ciências Básicas Fundamentos Engenharia de Equipamentos

Engenharia de Processos

Figura 6:Esquema dos conhecimento considerados na Engenharia de Processos. Fonte: adaptado de Perlingeiro (2005).

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A aplicação de ferramentas computacionais em Engenharia

de Processos é chamada de CAPE (Computer-Aided

Process Engineering);

Destacam-se os flowsheeting softwares que são chamados de simuladores de processos;

Tais softwares permitem a elaboração e a simulação de PFD’s (Process Flow Diagrams). Em outras palavras, um flowsheet é um PFD ou fluxograma de processo;

Um flowsheet é constituído por equipamentos (operações unitárias) conectados por correntes.

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Simuladores de Processos: Problemas Típicos

Tipos de Problemas

Segundo Gani & Hostrup (1999):

1 Problema de Fluxograma de Processo (Flowsheet); 2 Problema de Especificação (Projeto ou Design); 3 Problema de Otimização;

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1. Problema de Fluxograma de Processo (Flowsheet)

FLOWSHEET

INPUT OUTPUT

OPERATING

CONDITIONS EQUIPMENTPARAMETERS

resolver as equações do modelo dadas todas as informações de entrada, condições de operação e parâmetros dos

equipamentos;

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2. Problema de Especificação (Projeto ou Design)

FLOWSHEET

INPUT OUTPUT

OPERATING

CONDITIONS EQUIPMENTPARAMETERS

resolver as equações do modelo quando nem todas as informações estão disponíveis;

ou seja, determinar as informações de entrada e saída

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Simuladores de Processos: Breve Histórico

1960-70 Grande companhias (Shell, Chevron, Monsanto) desenvolvem seus próprios programas para simulação de processos.

1976 Departamento de Energia dos EUA e MIT lançam o projeto ASPEN (Advanced System for Process Engineering).

1980s Novas aplicações são lançadas dentre elas Aspen Plus da AspenTech, PRO/II da SimSci, CHEMCAD da ChemStations e

HYSIM da HyproTech.

1981 É fundada a AspenTech a partir do projeto ASPEN.

1989 PETROBRAS inicia o desenvolvimento do PETROX.

1990s HYSIM torna-se HYSYS (HyproTech).

2001 Surge a proposta de um padrão de comunicação entre simuladores de processos: CAPE-OPEN.

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Simuladores de Processos: Breve Histórico

2002 AspenTech adquire HyproTech por US$ 106,1 mi.

2004 Honeywell adquire os direitos sobre a tecnologia do HYSYS e outros produtos da HyproTech.

2005 Honeywell lança o simulador UniSim Design.

Início do Projeto ALSOC para aperfeiçoamento do EMSO.

2007 Daniel W. Medeiros inicia o desenvolvimento do simulador DWSIM.

2010 VRTech lança o simulador iiSE (Industrial Integraded Simulation Environment).

2016 Daniel W. Medeiros anuncia DWSIM mobile URL _{. Primeiro} simulador de processos funcional para dispositivos móveis. LVPP/UFRGS disponibiliza iiSE-web URL _{. Primeiro simulador de} processos funcional executado diretamente do navegador.

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Simuladores de Processos: Disponibilidade

Lista de Simuladores de Processos:

Aspen Plus/Dynamics (AspenTech, Inc.) Aspen HYSYS (AspenTech, Inc.) CHEMCAD (Chemstations, Inc.)

DWSIM (Daniel W. Medeiros) URL

EMSO (Projeto ALSOC) URL

iiSE (VRTech Tecnologias Industriais) URL PETROX (Petrobras SA)

PRO/II (Schneider Electric)

UniSim Design (Honeywell, Inc.)

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UniSim Design

Simulação de processos em estado estacionário e

dinâmico em um ambiente integrado;

Funcionalidades de otimização de processos; Extensa biblioteca de equipamentos, pacotes

termodinâmicos e espécies químicas;

Dimensionamento e cálculo de custos de equipamentos e

processos;

Especificação com propagações para frente ou trás; Variáveis podem ser acessadas e/ou modificadas

instantaneamente através de recursos de planilhas e etc; Extensões para MS Excel e Visual Basic.

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UniSim Design

Disponibilidade:

Há licenças acadêmicas para uso do UniSim Design na UNIPAMPA.

Há computadores nos labs. 2107 e 2411 com o UniSim Design Suite:

1 UniSim Design R440

2 UniSim ThermoWorkBench R440 3 UniSim Flare R440

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UniSim Design

Figura 8:Relação entre os vários ambientes (Environments) do UniSim Design: Basis, Oil, PVT, Regression, Main e Column.

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Espécies Químicas & Pacote Termodinâmico

Espécies químicas (Components): Seleção de espécies químicas:

Basis Environment > Components

Adição de espécies químicas novas ou hipotéticas:

Basis Environment > Hypotheticals Pacote termodinâmico (Fluid Pkgs):

Basis Environment > Fluid Pkgs

Ideal;

Equações de estado (EOS); Modelos de atividade; ou Outro.

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Figura 9:Primeiros passos para selecionar um pacote termodinâmico de acordo com a polaridade das espécies envolvidas.

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Figura 11:Opções para os cálculos de fase vapor com modelos de coeficientes de atividade.

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Reações Químicas (Opcional)

Reações químicas:

Basis Environment > Reactions 1 Conversion;

2 Equilibrium;

3 Heterogeneous Catalytic;

4 Kinetice

5 Simple Rate.

Importante:Deve-se atribuir um pacote termodinâmico a cada conjunto de reações químicas.

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Principais Equipamentos (Objetos)

1 Correntes materiais (Material Stream) e de energia (Energy

Stream);

2 Misturadores (Mixer) e divisores (Tee) de correntes; 3 Válvulas (Valve), tubulações (Pipe) e tanques (Tank); 4 Máquinas de fluido:

Bomba (Pump), compressor (Compressor), expansor

(Expander) e turbina (Turbine).

5 Trocadores de calor:

Trocadores simples (Heater eCooler) e rigorosos (Heat

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6 Separadores simples:

Vaso de separação (Separatore3-Phase Separator) e separador de componentes (Component Splitter);

7 Operações por estágios:

Colunas de destilação (Short Cut Distillation,Distillation

ColumneThree Phase Distillation), absorção (Absorber)

e extração (Liquid-Liquid Extrator);

8 Operações com sólidos:

Separador simples (Simple Solid Separator), (hidro)ciclone

(Cyclone eHydrocyclone), filtro rotativo à vácuo (Rotary

Vacuum Filter), filtro de mangas (Baghouse Filter), filtro

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9 Reatores químicos:

Baseados em balanço (Conversion Reactor,Yield Shift

Reactor), equilíbrio (Equilibrium ReactoreGibbs Reactor)

e cinética (CSTR ePlug Flow Reactor);

10 Operador lógico:

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Exercício: Planta de Amônia SynGas K-100 S2 Q-Comp1 MIX-100 Rec3 S3 _CRV-100 S4V S4L Q-Reac E-100 Q-Cooler S5 V-100 S6 NH3 TEE-100 Rec1 Purge K-101 Rec2 Q-Comp2 RCY-1 C R

Figura 12:Planta química bastante simplificada de síntese de amônia a partir de syngas com reciclo.

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Exercício: Planta de Amônia

Descrição do Processo

1 Corrente inicial de syngas de 7 000 kmol/h, 280oC, 25,5 bar

e composição de 73,71 mol% H₂, 0,24 mol% CO, 0,27 mol%

Ar, 1,03 mol% CH₄e 24,74 mol% N₂;

2 A corrente é então comprimida a 274 bar em um

compressor;

3 Em um reator químico isotérmico ocorre a reação abaixo:

N₂ + 3H₂ −→ 2NH₃ com 40% de conversão de N₂a 775 K.

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Descrição do Processo

4 Em um resfriador, há uma queda de pressão de 100 bar e

redução de temperatura a 300 K;

5 A seguir, a separação das fases da corrente é feita em um

vaso separador gás-líquido onde NH₃é recolhida na corrente líquida;

6 1% da corrente gasosa é descartada (purga) e o restante é

retornado ao processo entre o compressor e o reator;

7 A corrente de reciclo é comprida a 274 bar em um segundo

compressor antes de retornar ao processo;

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Passo-a-passo no UniSim Design

1 Criar um novo arquivo;

2 NoBasis Environment, adicionar TODAS as espécies

químicas envolvidas, escolher o pacote termodinâmico de

acordo com elas e adicionar a reação química;

3 Passar paraSimulation Environment, adicionar uma

Material Streamcom as especificações da corrente de

syngas;

4 Adicionar, na sequência, os equipamentos e respectivas

especificações: Compressor,Mixer,Conversion Reactor,

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Passo-a-passo no UniSim Design

5 Procedimento Geral:

Adicionar equipamento por equipamento corrigindo problemas antes de prosseguir;

Adicionar reciclos e by-pass por último.

6 Finalizar o fluxograma adicionando oRecycle e conectando

a corrente resultante aoMixer;

7 Deve-se chegar a 95,6 mol% de amônia na corrente de

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UniSim Design

Convenções & Particularidades

1 Cores de correntes e equipamentos;

2 Cores de valores obrigatórios, opcionais e calculados, e edição de valores;

3 Solver ativado e desativado;

4 Modos estacionário e dinâmico (regimes permanente e transiente);

5 Unidades de medida padrões e conversão de unidades de medidas;

6 Obtendo ajuda: manuais em PDF e janelas de ajuda; 7 Cores, mensagens e janelas de erros e avisos;

8 Importação e exportação de formato .HSC (Aspen HYSYS Simulation Cases);

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Exercício: Planta de Amônia (Continuação)

Perguntas

1 Como exportar a figura do fluxograma de processo? Como

mostrar informações relevantes diretamente nele? Como gerar um relatório?

2 Qual é o rendimento molar de NH₃obtido por N₂do syngas

utilizado?

3 Como se comporta este rendimento com a variação da fração

de purga de 0 a 100%? E com a variação da temperatura do resfriador de –10 a 30oC?

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Criação de Relatórios

1.1. Como exportar a figura do fluxograma do processo? É possível exportá-lo como uma figura:

1 Clicar com o botão direito do mouse noPFDe selecionar

Copy Pane to Clipboard > Scale by 100%;

2 Pressionar Ctrl+V em um editor de imagens (Paint ou GIMP) ou diretamente em um editor de texto (MS Word ou LibreOffice).

Obs.: A imagem ficará com a paleta de cores padrão. Para modificar ir paraTools > Preferences... > Resources > Colours.

É possível exportá-lo como uma figura “editável”:

Print PFD to File > Print to DXF File...: arquivo de CAD;

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1.2. Como mostrar informações relevantes diretamente no fluxograma do processo?

É possível adicionar informações de correntes (material e de energia) diretamente no fluxograma do processo:

Add Workbook Table;

2 SelecionarCompositions;

3 Diminuir a largura da tabela com duplo clique e reduzindo

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1.3. Como gerar um relatório do fluxograma do processo? É possível criar um relatório com informações selecionadas do fluxograma do processo:

1 SelecionarTools > Reportsou pressionar Ctrl+R;

2 SelecionarCreate... > Insert Datasheet...e adicionarObjectse

Available Datablockspretendidos com o botãoAdde finalizar comDone;

3 Clicar emPreview...para visualizar,Print Setuppara selecionar exportar como arquivo PDF e após clicar emPrint para salvar.

Obs1: É possível exportar como arquivo CSV (MS Excel ou LibreOffice Calc) ao marcarText to Filee clicar emPrint.

Obs2: Para mudar logo e informações da companhia irTools > Preferences... > Reports > Company Info. Logo: arquivo BMP de 256 cores.

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Operadores Lógicos

2. Qual é o rendimento molar de NH₃ obtido por N₂ do “syngas” utilizado?

É possível criar novas variáveis de processo a partir de um operador lógico chamadoSpreadsheet(planilha):

1 Adicionar o objetoSpreadsheetaoPFD;

2 EmImported Variables, da abaConnectionsdeSPRDSHT-1, clicar emAdd Import...e adicionar:

• EmA1, variávelComp Molar Flow (Nitrogen)do objetoSynGas

• EmA2, variávelComp Molar Flow (Ammonia) do objetoNH3

3 Na abaSpreadsheet, clicar na célulaA3e digitar:=A2/A1;

4 Na mesma aba, no campoVariableda célulaA3digitar: Rendimento NH3.

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Operadores Lógicos

Operadores Lógicos Disponíveis

Recycle:

Realiza o reciclo de uma corrente material;

Adjust:

Ajusta o valor de uma variável de corrente (variável

independente) para atender o valor ou especificação (variável dependente) de outra corrente/operação;

Set:

Fixa o valor de uma variável em relação a outra a partir de uma relação linear;

Spreadsheet:

Permite a realização de cálculos em planilhas a partir de variáveis do processo e associar a especificações do mesmo.

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Estudos de Caso

3.1. Como se comporta o rendimento com a variação da fração de purga de 0 a 100%?

É possível realizar simulações em sequência com o recurso deCase Studies(estudos de caso):

1 SelecionarTools > Databook ou pressionar Ctrl+D;

2 Na abaVariables, clicar emInsert...e adicionar todas as variáveis que se quer estudar:

•A3: Rendimento NH3do objetoSPRDSHT-1e •Flow Ratio (Steady State)_2do objetoTEE-100.

3 Na abaCase Studies, clicar emAdd. MarcarA3: Rendimento NH3 comoDepeFlow Ratio (Steady State)_2comoInd:

•Depé a variável dependente: que se quer observar e •Indé a variável independente: que se quer manipular.

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Estudos de Caso

3.1. Como se comporta o rendimento com a variação da fração de purga de 0 a 100%?

É possível realizar simulações em sequência com o recurso deCase Studies(estudos de caso):

4 Clicar emView...;

5 EspecificarLow Boundcomo 0,High Boundcomo 1 e

No. of Pointscomo 11;

6 Clicar emStarte visualizar os resultados emResults...;

7 A visualização padrão é na forma de gráfico (botãoGraph). Ao selecionar o botãoTranspose Tableé possível copiar as colunas e colar, p. ex., em uma planilha do MS Excel ou LibreOffice Calc.

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Estudos de Caso

3.2. Como se comporta o rendimento com a variação da temperatura do resfriador de –10 a 30oC (Mantenha a purga em 1%)? -10,00 -5,000 0,0000 5,000 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00 S5 - Temperature (C) 1,942 1,944 1,946 1,948 1,950 1,952 1,954 1,956 S P R D S H T-1 - A 3: R en di m en to N H 3

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Perguntas Adicionais

4 Como ajustar automaticamente a purga para se chegar a

exatos 96 mol% de NH₃nos produtos? Usar o operador lógicoAdjust.

5 Como dimensionar o vaso separador?

Usar o recursoVessel SizingdeUtilities. SelecionarTools > Utilities...ou pressionar Ctrl+U.

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ASPENTECH. Ammonia Synthesis with Aspen HYSYS V8.0. Part 2: Closed Loop Simulation of Ammonia Synthesis. Module Design-003H, Massachusetts, 2012.

BROADLEAF CAPITAL. Case Study: Coal to Urea Plant Construction Bid. Disponível em:

http://broadleaf.com.au/work/coal-to-urea-plant-construction-bid CARLSON, E. C. Don’t gamble with physical properties for simulations. Chemical Engineering Progress, p. 35-46, 1996. GANI, R. & HOSTRUP, M. Lecture Notes of Computer Aided Process Engineering. Technical University of Denmark, Lyngby, 1999.

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de HAAN, A. Process Technology: An Introduction. Berlin: De Gruyter, 2015.

HONEYWELL. UniSim R _{Design Operations Guide. Versão}

R440 release. London, Canada, 2015.

HONEYWELL. UniSim R _{Design User Guide. Versão R440}

release. London, Canada, 2015.

PANNOCCHIA, G. Lecture Notes of Process Simulation Techniques. University of Pisa, Italy, 2015.

PERDAMAN GROUP. Perdaman Chemical and Fertilizers: Urea Production. Energy Digital, 2010.

PERLINGEIRO, C. A. G. Engenharia de Processos: Análise, Simulação, Otimização e Síntese de Processos Químicos. São Paulo: Blucher, 2005.

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A Comissão Organizadora da XI SAEQ; Ao DAEQ;

Aos docentes da EQ; A Honeywell, Inc.

Contato

E-mail: rodolfo@unipampa.edu.br Local de permanência:

•Sala 2108 e