IV Congresso RIBIE, Brasilia 1998 SINCO - um software para o apoio ao
ensino de Engenharia Química Mára Lúcia Fernandes Carneiro1
Michelle de Oliveira Cardoso2
PUCRS - Escola Politécnica / Instituto de Informática Av. Ipiranga, 6681 - prédio 30 - sala 160
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1. Introdução
O ensino de Operações Unitárias de Transferência de Massa em Engenharia Química envolve o estudo de técnicas de projeto de equipamentos capazes de separar os componentes de uma mistura em, pelo menos, duas fases de composição diferente da mistura original. As Operações Unitárias tradicionais envolvem o estudo dos processos de separação denominados extração, absorção e destilação. Dentre estes, a destilação destaca-se como o processo mais utilizado industrialmente.
O projeto de colunas de destilação envolve, tradicionalmente, métodos gráficos, exigindo que aluno dedique grande parte do tempo de estudo na representação do problema. Como conseqüência, a análise de diversas alternativas de solução a um dado problema fica comprometida pelo tempo necessário a obtenção dos resultados.
Por outro lado, o processo de informatização do ensino é uma preocupação atual nos cursos de engenharia. No entanto, a maior parte dos aplicativos desenvolvidos buscam a solução de um problema específico sem preocupar-se em propiciar a interação com o usuário.
O aplicativo denominado SINCO (SINtetizador de COlunas) foi projetado com o objetivo de apoiar a condução do processo de projeto de colunas de destilação, baseando-se na abordagem de síntese automatizada. A interface do SINCO foi concebida de forma a facilitar a entrada e saída dos dados, facilitando o uso no ensino. Esta ferramenta foi adaptada também para o uso no ensino à distância, integrado ao ambiente CODE-Web (BOFF et al, 1997), quanto ao ensino em sala de aula tradicional em sua versão Windows.
1 Mestre em Informática/PUCRS - Professora Titular da Escola Politécnica/PUCRS 2 Aluna do curso de Bacharelado em Informática da PUCRS
2. Ensino de projeto em operações unitárias
O projeto auxiliado por computador (Computer Aided Design - CAD) é hoje uma realidade na indústria química. O desenvolvimento de equipamentos de uso geral e a maior disponibilidade de programas especializados permitem a análise de diversas alternativas de projeto, devido à maior velocidade nos cálculos associados à obtenção de uma solução, e propiciam uma diminuição dos erros humanos associados às soluções via cálculos manuais.
As técnicas de otimização podem ser consideradas como ferramentas de grande auxílio na busca de novas alternativas dos procedimentos de projeto e operação. Isto deve-se ao fato de que os problemas de projeto têm muitas e, deve-seguidas vezes, infinitas soluções e a otimização consiste em selecionar a melhor ou uma das melhores dentre este conjunto de soluções, através de critérios preestabelecidos.
O processo de projeto de um sistema digital pode ser definido, conforme CALAZANS (1995), “como a transformação de uma descrição inicial, freqüentemente denominada especificação, em uma descrição final, também chamada de projeto final ou projeto detalhado”. A diferença fundamental entre as descrições inicial e final está no fato da última conter todas as informações necessárias à construção do sistema de forma mecânica ou automática, ao contrário da primeira.
Esta forma de descrever o processo de projeto, embora tenha sido elaborada no contexto da área de Engenharia Elétrica, é também válida para outras áreas da engenharia. Na Engenharia Química, o projeto de uma planta industrial, constituída por um conjunto de equipamentos, envolve a transformação de uma descrição inicial que inclui, entre outros dados, a especificação da matéria-prima disponível e do produto desejado, em uma descrição final do sistema em estudo, denominado de projeto básico. O projeto básico envolve a especificação dos equipamentos envolvidos, a sua distribuição na planta (seqüência de operações) e suas dimensões fundamentais (altura, diâmetro, volume, etc.).
No caso do problema de otimização do processo de projeto em Engenharia Química, a literatura indica uma abordagem essencialmente apoiada na simulação, enquanto da engenharia de processos pode-se trazer a idéia de síntese automatizada como uma forma concomitante de conduzir o processo de projeto.
2.1 Projeto de colunas de destilação
O projeto de colunas de destilação envolve o cálculo das dimensões de uma coluna capaz de produzir um determinado produto a partir da especificação de uma corrente de alimentação. Como resultado, são determinadas as taxas de produto fornecidas pela coluna, o número de pratos necessários à separação, a altura e o diâmetro da coluna. Em sua versão atual, o aplicativo SINCO permite o projeto de colunas de destilação que separam sistemas constituídos por dois componentes (sistemas binários)
O processo de projeto conduzido sob o enfoque de simulação envolve, além da elaboração de um modelo abstrato para representar o sistema em estudo, uma descrição do modelo selecionado, ou seja, a especificação de um conjunto de entradas que permita testar o modelo e a atividade de análise das saídas obtidas a partir das entradas fornecidas. No caso de projeto de colunas de destilação, o modelo do sistema poderia representar o comportamento de uma coluna de pratos, enquanto uma descrição indicaria que a coluna separa uma mistura binária constituída por hexano e heptano para produzir um destilado contendo 99 mois% de hexano, por exemplo.
A utilização de simuladores comerciais (HYSIM 1994) (PR0-II 91) como ferramenta de apoio ao processo de projeto apresenta uma série de dificuldades, sendo a principal a necessidade de grande conhecimento do equipamento sob análise por parte do projetista. Isto se deve ao fato de que o projetista deve fornecer, como entradas ao simulador, uma série de dados nem sempre disponíveis (ou conhecidos com precisão) no início do processo de projeto (CARNEIRO 1996). Como estes simuladores são desenvolvidos para atender a projetistas experientes, os aspectos didáticos envolvidos, como interface amigável, sistema de ajuda adequado, etc. , não são considerados.
No ensino de Engenharia Química, são estudados os modelos de projeto tradicionais e o processo de projeto segue a abordagem de síntese. No entanto, a análise de diversas alternativas de projeto na busca do projeto ótimo é dificultada pela falta de ferramentas informatizadas que auxiliem e agilizem este processo. A ferramenta SINCO foi implementada com o objetivo de apoiar o ensino de projeto, permitindo que as descrições geradas pelo sintetizador sejam analisadas e comparadas com razoável rapidez, apoiando o processo ensino de projeto.
3. A Arquitetura do SINCO
A figura 1 apresenta um esquema da concepção da ferramenta SINCO, mostrando a integração dos diversos recursos utilizados em sua elaboração. O SINCO apoia o estudo do processo de projeto de colunas de destilação. Este estudo exigiu o estabelecimento de Modelos de Projeto para a coluna e seleção de um Método de Otimização adequado ao problema e seu emprego proporciona novas possibilidades de pesquisa no desenvolvimento de ambientes de projeto em Engenharia Química.
A figura 2 apresenta a representação do sistema computacional SINCO, através de um Diagrama de Fluxo de Dados (DFD), seguindo a representação proposta por (RUMBAUGH, 1994). No DFD apresentado, a entidade Projetista representa o usuário que interage com o sistema. Inicialmente, o Projetista fornece ao sistema um conjunto de especificações de entrada: características da(s) correntes a ser(em) tratada(s) (especificação dos componentes a serem tratados; taxa, composição e condição térmica da
corrente de alimentação); propriedades físico-químicas dos componentes a serem tratados e requisitos (tipo de coluna, razão de refluxo, temperatura e pressão de operação) e as especificações de saída esperadas: características das correntes produtos (composições ou taxas ou percentual de recuperação de um componente).
SINCO
Implementação segundo a Orientação a Objetos Utilização: Ensino Modelo de Coluna Método de Otimização Abordagem de Síntese AutomatizadaAmbientes
de
Projeto
Figura 1- Protótipo SINCO
O processo Trata Propriedades identifica, a partir da especificação dos componentes, se suas propriedades estão armazenadas no depósito de dados denominado Propriedades. Se estas propriedades estão armazenadas, elas podem ser apresentadas ao usuário para confirmação ou atualização. Em caso contrário, o usuário poderá cadastrar as
informações sobre o novo componente. Este depósito de dados elimina a necessidade do usuário consultar tabelas e manuais durante a atividade de projeto.
O processo Trata Requisitos recebe as informações sobre a descrição da coluna a ser projetada e armazena estas informações no depósito de dados denominado Coluna.. Este processo analisa as informações fornecidas pelo projetista e, caso algum valor não tenha sido especificado, solicita ao depósito de dados Requisitos o valor “por omissão” do requisito não especificado.
O conteúdo dos depósitos de dados ou arquivos lógicos (Propriedades, Coluna e Requisitos) foi definido através da análise dos conteúdos dos fluxos de dados que entram e saem dos respectivos arquivos.
A partir dos dados da coluna, das propriedades dos componentes e dos requisitos, o processo Gera Coluna gera (calcula) uma coluna e informa o resultado ao Projetista. O protótipo implementado utiliza o algoritmo baseado no método de Lewis-Sorel (WANKAT, 1981) para calcular as dimensões da coluna (número de pratos, altura e diâmetro).
Por solicitação do Projetista, o processo Otimiza Coluna altera os valores dos requisitos seguindo o algoritmo do método de otimização (SAAB, 1991) até que o processo Gera Coluna forneça uma coluna com custo mínimo.
PROJETISTA 1 Trata Propriedades PROPRIEDADES 2 Trata Requisitos COLUNA REQUISITOS 3 Gera Coluna 4 Otimiza Coluna PROJETISTA Solicitação de propriedades Propriedades Informações de propriedades Propriedades para arquivo Dados de propriedades Descrição Informações de requisitos Requisitos Dados de requisitos Requisitos para arquivo Dados de coluna para geração Informações da coluna Coluna gerada Dados de requisitos para alteração COLUNA Informações sobre coluna otimizada Dados de coluna para otimização Solicitação de otimização Dados de requisitos para geração Requisitos alterados Coluna otimizada Dados de propriedades para geração
4. Ambiente para o projeto de Colunas de Destilação
O aplicativo SINCO foi implementado na linguagem de programação orientada a objetos C++. Possui uma interface para Windows, isto significa que a forma de receber e enviar dados ocorre por meio de um ambiente gráfico, padronizado pelo sistema operacional chamado Windows.
A figura 3 apresenta a tela inicial para entrada de dados do SINCO. Nesta tela, o aluno deve especificar quais os componentes a separar por destilação, a quantidade de alimentação, sua composição e estado físico (condição térmica).
Figura 4 - Caixa de diálogo para especificação dos Requisitos de projeto.
A partir da entrada de dados, o aluno pode, entre outras opções, calcular as taxas de produtos a serem fornecidos pela coluna de destilação a ser projetada. A opção Requisitos permite que o usuário estabeleça/altere os valores iniciais dos requisitos de projeto, como temperatura e pressão de operação. A figura 4 mostra a tela de entrada de dados correspondente. A tela apresentada na figura 5 permite a especificação da composição dos produtos e apresenta o resultado do cálculo de suas taxas.
Figura 5 - Caixa de diálogo para entrada de dados dos produtos
Figura 6 - Relatório Final do SINCO
A partir destes dados, o SINCO apresenta um relatório onde são relacionadas as dimensões básicas de uma coluna de destilação, tais como número de pratos, diâmetro e altura (figura 6). Além disso, o módulo de otimização, embutido no aplicativo, propicia a
apresentação dos resultados estimados para as diversas soluções intermediárias produzidas durante o processo de execução (figura 7).
Figura 7 - Relatório do Módulo de Otimização
Este conjunto de soluções permite que o aluno analise a influência da alteração de diversos parâmetros de projeto sobre, por exemplo, o custo da coluna. A partir desta visualização, o aluno também pode avaliar as alterações automaticamente realizadas pelo SINCO e comparar as diversas colunas geradas.
Este recurso que o SINCO oferece, constitui-se em uma contribuição ao processo de ensino-aprendizagem de operações unitárias, pois propicia a análise dos resultados intermediários obtidos durante a busca da solução ótima. Este tipo de análise é de difícil realização quando apoiada somente pelos métodos gráficos tradicionais.
5. Integração com o Projeto WEQ-NET
O projeto WEQ-Net (SAIKOSKI e CARNEIRO, 1997) propõe a criação de um site WWW para apoiar o ensino de Engenharia Química. Como etapa inicial deste projeto, foi criado e implementado o ambiente educacional denominado CODE-Web (BOFF et al, 1997). Este ambiente, estruturado de uma forma modular, é constituído por módulos teórico, prático e de acompanhamento O endereço para acessar o CODE-Web é
http://www.eq.pucrs.br/~codeweb.
O módulo prático utiliza o aplicativo SINCO para a disponibilização de exercícios práticos para os alunos. Este módulo foi estruturado de forma a permitir que o aluno aplique e questione os conhecimentos adquiridos em sala de aula e/ou através do módulo teórico do CODE-Web. Isto ocorre através de homepages que disponibilizam a entrada de dados para o SINCO e visualização dos resultados obtidos.
6 Considerações Finais
A proposta de um ambiente educacional para o ensino de projeto em Engenharia Química proporciona um conjunto de recursos metodológicos, complementares aos tradicionalmente utilizados no ensino.
Como forma de ampliar os recursos proporcionados pelo SINCO, propõe-se a implementação de métodos que possibilitem o projeto de outros tipos de processos de separação. O sintetizador SINCO permite a obtenção automática da melhor solução a um determinado problema. Dentre as melhorias propostas para o aplicativo, pretende-se disponibilizar recursos para que o aluno possa interferir no processo de otimização, selecionando os parâmetros de projeto a serem analisados.
Em paralelo a ampliação das funcionalidades do SINCO, está sendo desenvolvida a adaptação para o ambiente UNIX, de forma a melhorar o seu desempenho junto ao CODE-Web.
REFERÊNCIAS
BOFF, Elisa; TRUCCOLO, Denise; SCARPARO, Renata; SAIKOSKI, Katia Barbosa; CARNEIRO, Mára Lúcia F. CODE-Web - Ambiente Educacional para o Ensino de Operações Unitárias. (Trabalho de Conclusão) PUCRS, Porto Alegre, Junho, 1997. CALAZANS, N. Métodos e Ferramentas para o Projeto de Sistemas Digitais. In: Escola
Regional de Informática. Caxias do Sul, 10-13 maio 1995. Anais Sociedade Brasileira de Computação. p.34-53.
CARNEIRO, M.L. Síntese Automatizada de Colunas de Destilação: uma abordagem alternativa ao processo de projeto. Dissertação de Mestrado. Instituto de Informática. PUCRS. 1996.
HYSIM - User's Guide. Hyprotech Centre, Alberta, Canada. march, 1994.
LAW, A. e KELTON, D. Simulation modeling and analysis. New York, McGraw-Hill, 1991.
PRO/II . PC User Guide. Simulation Sciences Inc., 1991.
RUMBAUGH, J. et alii. Modelagem e projeto baseados em objetos. Rio de Janeiro, Campus, 1994.
SAAB, Y.G. e RAO, V.B. Combinatorial Optimization by stochastic evolution. IEEE Transactions on computer-aided design. vol. 10, no 4, April 1991.
SAIKOSKI, K. e CARNEIRO, M.L. WEQ-NET. Site WWW para apoio ao ensino de Eng. Química. Projeto PUCRS-FAPERGS. http://www.eq.pucrs.br/~mara/weqnet SILVA, E.S. e MUNTZ, R. Métodos computacionais de solução de Cadeias de Markov:
aplicações a sistemas de computação e comunicação. Instituto de Informática da UFRGS. Porto Alegre, 1992.
