Simulação Computacional em Engenharia Química

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Simulação Computacional em Engenharia Química

Rodolfo Rodrigues, Prof MSc

rodolfo@unipampa.edu.br Curso de Engenharia Química Universidade Federal do Pampa

Campus Bagé 11 de dezembro de 2014

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Ferramentas Computacionais

Aptidão de alguns?

Necessidade de todo Engenheiro!

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Ferramentas Computacionais

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Ferramentas Computacionais Engenharia Ciência da Computação Facilidade de uso/ aprendizado Flexibilidade Maple MATLAB C++, Fortran gPROMS EMSO Aspen Plus Aspen HYSYS PRO/II COCO, DWSIM

Figura 1: Esquema da aplicabilidade de ferramentas computacionais.

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Conceitos Básicos

Processo: Arranjo de unidades de operação (equipamentos)

integradas entre si em uma maneira racional e sistemática.

Modelo: Descrição matemática de uma operação ou processo.

Bases para os modelos matemáticos:

Leis fundamentais da física e química (conservação de massa, energia e quantidade de movimento),

Cinética química e Conceitos de equilíbrio.

Simulação: Resolução do modelo para um determinado conjunto de

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Variável: Símbolo matemático.

Variável a Determinar: Variável de valor desconhecido. Parâmetro: Variável de valor conhecido.

Especificação: Variável com valor atribuído a cada simulação. Equação: Expressão matemática relacionando as variáveis.

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Condição Inicial: Estado inicial do processo.

Condição de Contorno: Delimitação do processo (restrições nas

variáveis espaciais).

Graus de Liberdade:

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Tanque com Válvula de Saída

Definição do Problema

Um líquido entra e sai de um tanque pela ação da gravidade. Deseja-se analisar a variação do volume, altura e vazão do tanque frente a variações na alimentação.

Figura 2: Esquema do tanque dinâmico com válvula de saída.

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Descrição Matemática

Balanço de massa:

∂ρ

∂t =−(∇ · ρν)

Balanço de quantidade de movimento:

∂(ρν) ∂t =−[∇ · ρνν] − ∇P − [∇ · τ]+ ρg Balanço de energia: ∂ ∂t " ρ _Uˆ ₊1 2ν 2 !# = − " ∇ ·ρν Uˆ +1 2ν 2 !# − (∇ · q) −ρ(ν · ∇ ˆφ) − (∇ · Pν) − (∇ · [τ · ν])

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Considerações

Sistema isotérmico e isobárico;

Massa específica constante (ρ);

Fout= f (k, h). Equacionamento Balanço material: Fin− Fout= dV dt (1) Dimensão: V = A · h (2) Hidrodinâmica: Fout = k √ h (3)

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Considerações

Sistema isotérmico e isobárico;

Massa específica constante (ρ);

Fout= f (k, h). Equacionamento Balanço material: Fin− Fout= dV dt (1) Dimensão: V = A · h (2) Hidrodinâmica: out _{= k}√

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Tanque com Válvula de Saída Análise de Consistência node parâmetros:A,k →2 node variáveis:Fout,Fin,V,h →4 node equações: 3 graus de liberdades: 4 – 3 = 1

É necessário especificar 1 variável!

node equações diferenciais: 1

É necessário especificar 1 condição inicial!

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Problemas de Simulação de Processos

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; ou seja, dada todas as entradas, determinar as saídas.

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2. Problema de Especificação (Projeto)

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 restantes.

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3. Problema de Otimização

Dados: Escolher:

Composição, vazão Composição de produtos pretendida

No_{de pratos, localização do prato de alimentação} Para minimizar/maximizar:

Objetivo = função(rendimento, energia, custo)

resolver as equações do modelo sujeito a uma função objetivo e um conjunto de restrições;

isto é, determinar os valores de algumas variáveis de entrada de modo que a função objetivo é minimizada (ou maximizada) e algumas especificações de saída são satisfeitas.

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4. Problema de Síntese

?

INPUT OUTPUT

determinar um fluxograma de processo a partir da formulação de quaisquer dos problemas anteriores;

ou seja, para uma dada informação de entrada, determinar o

fluxograma de processo e as informações restantes de modo que as informações de saída informadas sejam alcançadas.

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Aplicações em Engenharia Química

Por Que Realizar Simulações?

1 Contenção de despesas (custo e tempo);

2 Questões de saúde, meio ambiente e segurança (SMS) em processos;

3 Processos fortemente integrados com diversos reciclos de massa e energia;

4 Necessidade de melhor compreensão de processos cada vez mais

complexos;

5 Otimização e construção de

processos otimizados;

6 Construção de protótipos virtuais, verificação de projetos, etc.

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Pesquisa & Desenvolvimento:

1 Determinação de mecanismos cinéticos e parâmetros a partir dos dados de reação em laboratório e em planta piloto;

2 Exploração dos efeitos de diferentes condições de operação para estudos de otimização;

3 Auxílio nos cálculos de scale-up.

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Projeto:

1 Exploração do dimensionamento e arranjo de equipamentos de processo para desempenho dinâmico;

2 Estudo das interações de várias partes do processo;

3 Cálculo de estratégias alternativas de controle;

4 Simulação da partida, parada, situações e procedimentos de emergência.

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Operação da Planta:

1 Reconciliador de problemas de controle e processamento;

2 Partida da planta e treinamento de operadores;

3 Estudos de requerimentos e efeitos de projetos de expansão;

4 Otimização da operação da planta.

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Engenharia de Processos

Ciências Básicas

Fundamentos

Engenharia de Equipamentos

Engenharia de Processos

Figura 3: Esquema dos conhecimento considerados na Engenharia de Processos (Process Engineering).

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Simuladores de Processos

A aplicação de ferramentas computacionais é chamada de CAPE (Computer-Aided Process Engineering).

Destacam-se os flowsheeting softwares que são chamados de

simuladores de processos.

Tais softwares permitem a construção e a simulação de PFD’s (Process Flow Diagrams).

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Componentes de um Simulador de Processos

1 Entrada de dados: Descrição do fluxograma de processo e unidades individuais;

2 Saída de dados: Valores calculados são apresentados de modo útil; 3 Biblioteca de modelos de equipamentos: Disponibilidade dos

modelos matemáticos dos equipamentos mais comuns;

4 Banco de dados de propriedades físicas/químicas e pacote

termodinâmico: Dados de espécies químicas e misturas podem ser

estimadas/acessadas;

5 Biblioteca de solvers: Permite resolver os problemas de simulação; 6 Seção administrativa: Estabelece o problema de simulação e

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Simuladores de Processos Executive Program Unit Module Library Numerical Routines Physical Property Data Bank Thermodynami c Package Input Output Solution Optimization Economic Analysis

Figura 4: Esquema dos componentes de um simulador de processos.

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Estratégias de Cálculo dos Simuladores

1 Estratégia modular-sequencial;

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1. Estratégia Modular-Sequencial

Cálculo é feito unidade por unidade seguindo uma sequência de

cálculos.

Processos com reciclos são decompostos em uma ou mais sequência de cálculos.

Foi a primeira estratégia usada por simuladores de processos e ainda domina o mercado dos simuladores em estado estacionário.

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1. Estratégia Modular-Sequencial

Vantagens:

1 Fácil programação e manutenção.

2 Fácil controle de convergência em ambos os níveis (unidade e

processo).

Desvantagens:

1 Necessidade de análises sistemáticas para resolver reciclos.

2 Dificuldade para tratar especificações com relação a variáveis de

operações internas.

3 Não adequada para simulação dinâmica de sistemas com reciclos.

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2. Estratégia Orientada a Equações

Equações do modelo são reunidas em um sistema de equações produzindo:

1 Equações algébricas não-lineares (NAE) para simulação estacionária

2 Equações algébrico-diferenciais rígidas (DAE) para simulação dinâmica.

O processo é representado por um sistema de equações que são

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Figura 6: Arquitetura de software de um simulador orientado a equações.

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2. Estratégia Orientada a Equações

Vantagens:

1 Ambiente flexível para especificações, as quais podem ser entrada,

saídas e variáveis de unidades internas.

2 Melhor tratamento de reciclos.

Desvantagens:

1 Maior esforço para programação.

2 Necessidade de recursos computacionais substanciais porém, este é

cada vez mais o menor dos problemas.

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Exemplos de Simuladores

Estratégia Modular-Sequencial: Aspen One (Aspen Plus/Dynamics) (AspenTech, Inc.)

Aspen HYSYS (AspenTech, Inc.) UniSim Design (Honeywell, Inc.) PRO/II (Schneider Electric) CHEMCAD (Chemstations, Inc.) COCO (AmsterCHEM)

DWSIM (Daniel W. Medeiros)

Estratégia Orientada a Equações: gPROMS (PSE Ltd.)

EMSO (Projeto ALSOC)

ASCEND (Carnegie Mellon University)

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Breve Histórico dos Simuladores de Processos I

1958 M. W. Kellog Corp. (Londres, RU) apresenta o sistema Flexible Flow.

1966 Simulation Science (SimSci) (Los Angeles, EUA) comercializa um

simulador de colunas de destilação.

1969 ChemShare (Houston, EUA) lança um programa para aplicações na

indústria de óleo e gás.

1970s Grande companhias desenvolvem seus próprios programas para

simulação de processos. Por ex., FLOWTRAN da Monsanto (St. Louis, EUA).

1976 Departamento de Energia dos EUA e MIT lançam o projeto ASPEN

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Breve Histórico dos Simuladores de Processos II

1980s Novos conceitos, interfaces gráficas amigáveis. Novas linguagens de

programação. Algoritmos numéricos mais poderosos.

Novas aplicações são lançadas dentre elas PRO/II da SimSci, ChemCAD da ChemStations (Houston, EUA) e HYSYS da HyproTech (Calgary, Canadá).

1981 É fundada a AspenTech a partir do projeto ASPEN.

1982 Chega ao mercado os computadores pessoais.

1989 PETROBRAS inicia o desenvolvimento do PETROX.

1990s A interface gráfica se tornou a parte central no desenvolvimento do

software. O poder dos antigos supercomputadores está disponível em computadores pessoais.

1990 Pesquisadores do Imperial College London desenvolvem o simulador

gPROMS. Hoje é comercializado pela PS Entreprise (Londres, RU)

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Breve Histórico dos Simuladores de Processos III

2001 Surge a proposta de um padrão de comunicação entre simuladores

de processos: CAPE-OPEN.

Início do desenvolvimento do simulador EMSO.

2002 AspenTech adquire a companhia canadense HyproTech.

2004 Honeywell (London, Canadá) adquire os direitos sobre a tecnologia

do HYSYS e outros produtos da HyproTech.

2005 Honeywell lança o simulador UniSim Design.

Projeto ALSOC e aperfeiçoamento do EMSO.

2006 Jasper van Baten apresenta o simulador COCO (CAPE-OPEN to

CAPE-OPEN).

2008 Daniel W. Medeiros inicia o desenvolvimento do simulador

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FLOWTRAN (1970’s) aquecedor bomba reciclo produto de topo produto de fundo carga vasoflash

Figura 7: Esquema de um processo de flash com reciclo.

Figura 8: Fluxograma correspondente no FLOWTRAN.

TITLEFLASH WITH RECYCLE PROPS6 2 2 2 2 PRINT INPUT TABLES

RETRMETHANE ETHANE PROPANE N-BUTANE 1-BUTENE 1,3-BUTADIENE

BLOCKA1ADDFEED RO3 5.0 SO1 BLOCKF1AFLSHSO1 6.0 SO2 OVHD PARAMF1 1 25

BLOCKC1SPLITSO2 RO1 BTMS 5*0 PARAMC1 1 2 0.5 0.5

BLOCKP1PUMPRO1 RO2 PARAMP1 1 115 BLOCKH1HEATRRO2 RO3A PARAMH1 1 120 15 0 0 1 0 BLOCKR1SCVWRO3A 2*0 A1 RO3 2*0 POUNDSFEED 1 50 100 700 MOLESFEED 4 15 21 95 TEMPFEED 85 PRESSFEED 100 TEMPRO3 120 PRESSRO3 100 END CASE END JOB

Figura 9: Implementação do problema do flash com reciclo no FLOWTRAN.

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EMSO (2000’s)

EMSO é uma sigla para Environment for Modeling, Simulation, and Optimization;

Início do desenvolvimento em 2001 por Rafael P. Soares e Prof.

Argimiro R. Secchi (DEQUI/UFRGS);

Um consórcio entre universidades e empresas petroquímicas propõe o projeto ALSOC;

O projeto ALSOC é executado em 2 etapas (2005–2008) através CT-PETRO/FINEP para o seu aperfeiçoamento.

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EMSO (2000’s)

Especificações:

Escrito em C++;

Simulador e otimizador orientado a equações;

Modelos escritos em uma linguagem de modelagem orientada a

objetos;

Criação de fluxogramas por diagrama de blocos; Disponível para Windows e Linux;

Uso livre para fins acadêmicos.

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EMSO (2000’s)

Figura 10: Exemplo de aplicação do EMSO para simulação dinâmica de um processo de produção de poliestireno cristal.

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EMSO (2000’s)

Figura 11: Exemplo de aplicação do EMSO para simulação de uma biorrefinaria de cana-de-açúcar.

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UniSim Design (Honeywell, Inc.)

Simulação de processos em estado estacionário e dinâmico em um ambiente integrado;

Funcionalidades de otimização de processos;

Extensa biblioteca de equipamentos e pacotes termodinâmicos; Extensões para MS Excel e Visual Basic.

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UniSim Design (Honeywell, Inc.)

Disponibilidade:

Há licenças acadêmicas para uso do UniSim Design na UNIPAMPA. Há computadores nos lab. 2107 e 2411 com UniSim Design Suite:

1 UniSim Design R430

2 UniSim ThermoWorkBench R430

3 UniSim Flare R430

4 UniSim Heat Exchanger R430 UniSim Shell-Tube Exchanger UniSim Crossflow Exchanger UniSim Plate-Fin Exchanger UniSim Fired Process Heater

UniSim Plate Exchanger UniSim FeedWater Heater UniSim Process Pipeline

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Para Saber Mais...

1 Disciplina eletiva III oferecida regularmente:

Tópicos em Simulação e Otimização de Processos.

2 Projeto de pesquisa em andamento:

Desenvolvimento de ambiente para simulação computacional de processos de conversão térmica de carvão mineral utilizando o simulador EMSO.

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Fim da Apresentação!

Simulação Computacional em Engenharia Química

Rodolfo Rodrigues, Prof MSc rodolfo@unipampa.edu.br

Obrigado pela atenção! Perguntas?