Minicurso de UniSim
RDesign
Introdução e Recursos IntermediáriosProf. Rodolfo Rodrigues
Conteúdo Programático
1 Módulo I: Introdução Simulação 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
Ferramentas Computacionais Engenharia Ciência da Computação Facilidade de uso/ aprendizado Flexibilidade Maple, MATLAB Python, C++, Fortran gPROMS EMSO Aspen Plus/HYSYS PRO/II, DWSIM, UniSim Design
Figura 1:Esquema da aplicabilidade de ferramentas computacionais.
Engenharia de Processos
Ciências Básicas Fundamentos Engenharia de Equipamentos
Engenharia de Processos
Figura 2:Esquema dos conhecimento considerados na Engenharia de Processos (Process Engineering).
Simulação de Processos
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 construção e a simulação de PFD’s (Process Flow Diagrams). Em outras palavras, um flowsheet é um PFD ou fluxograma de processo; Um flowsheet é constituída por operações unitárias (equipamentos) conectados por correntes.
Simulação de Processos
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;
Simulação: Resolução do modelo para um determinado
Simulação de Processos
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;
4 Problema de Síntese.
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;
Simulação de Processos
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
restantes.
Simulação de Processos
Exemplos 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)
Simulação de Processos Executive Program Unit Module Library Numerical Routines Physical Property Data Bank Thermodynami c Package Input Output Solution Optimization Economic Analysis
Figura 3:Esquema dos componentes de um simulador de processos.
Fonte: Gani & Hostrup (1999).
Breve Histórico dos Simuladores de Processos
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.
Breve Histórico dos Simuladores de Processos
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. Primeiro simulador de processos funcional para dispositivos móveis.
LVPP/UFRGS disponibiliza iiSE-web URL . Primeiro simulador de
processos executado diretamente do navegador.
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;
Cálculo de dimensionamento e 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.
UniSim Design
Disponibilidade:
Há licenças acadêmicas para uso do UniSim Design na UNIPAMPA.
Há computadores nos lab. 2107 e 2411 com o UniSim Design Suite:
1 UniSim Design R440
2 UniSim ThermoWorkBench R440
3 UniSim Flare R440
4 UniSim Heat Exchanger R440
UniSim Design
Figura 4:Componentes básicos da tela inicial do UniSim Design.
UniSim Design
Figura 5:Relação entre os vários ambientes (Environments) do UniSim Design: Basis, Oil, PVT, Regression, Main e Column.
Fonte: Honeywell (2015).
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.
Espécies Químicas & Pacote Termodinâmico
Figura 6:Primeiros passos para selecionar um pacote termodinâmico de acordo com a polaridade das espécies envolvidas.
Fonte: Carlson (1996).
Espécies Químicas & Pacote Termodinâmico
Figura 7:Para o caso do envolvimento de espécies polares e não-eletrolíticas.
Espécies Químicas & Pacote Termodinâmico
Figura 8:Opções para os cálculos de fase vapor com modelos de coeficientes de atividade.
Fonte: Carlson (1996).
Reações Químicas (Opcional)
Reações químicas:
Basis Environment > Reactions
1 Conversion;
2 Equilibrium;
3 Heterogeneous Catalytic;
4 Kinetice
5 Simple Rate.
Importante: Cada conjunto de reações químicas deve ter
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 Exchanger), forno (Fired Heater), etc;
Principais Equipamentos (Objetos)
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 vibratório (Screen), separador centrífugo (Centrifuge), etc;
Principais Equipamentos (Objetos)
9 Reatores químicos:
Baseados em balanço (Conversion Reactor,Yield Shift Reactor), equilíbrio (Equilibrium ReactoreGibbs Reactor) e cinética (CSTR ePlug Flow Reactor);
10 Operador lógico:
Reciclo (Recycle).
Exercício: Planta de Amônia
Figura 9:Previsão de construção de planta química de fertilizantes a partir de syngas de carvão mineral de Candiota.
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 10:Planta química bastante simplificada de síntese de amônia a partir de syngas com reciclo.
Fonte: adaptado de AspenTech (2012).
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.
Exercício: Planta de Amônia
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;
8 Qual é a pureza de NH
3 nos produtos?
Exercício: Planta de Amônia
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, Cooler,Separator,TeeeCompressor;
Exercício: Planta de Amônia
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 95,67 mol% de amônia na corrente de
produtos.
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;
5 Unidades de medida padrões e conversão de unidades de
medidas;
6 Obtendo ajuda, mensagens e janelas de erros e avisos; 7 Importação e exportação de formato .HSC (Aspen HYSYS
Simulation Cases);
Módulo II: Recursos Intermediários
Exercício: Planta de Amônia (Continuação)
Perguntas
1 Como exportar a figura do fluxograma do processo? Como
mostrar informações relevantes diretamente nele? Como gerar um relatório?
2 Qual é o rendimento molar de NH3por N2do syngas
utilizado?
3 Como se comporta o rendimento com a variação da fração de
purga de 0 a 100%? E com a variação da temperatura do resfriador de –10 a 30oC?
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”:
1 Clicar com o botão direito do mouse noPFDe selecionar
Print PFD to File > Print to DXF File...: arquivo de CAD;
2 Clicar com o botão direito do mouse noPFDe selecionar
Print PFD to File > Print to SVG File...: arquivo do Inkscape.
Criação de Relatórios
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:
1 Clicar com o botão direito do mouse noPFDe selecionar
Add Workbook Table;
2 SelecionarCompositions;
3 Diminuir a largura da tabela com duplo clique e reduzindo
Criação de Relatórios
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.
Operadores Lógicos
2. Qual é o rendimento molar de NH3 por N2do “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.
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.
Estudos de Caso
3.1. Como se comporta o rendimento com a variação da fração de purga de 0 a 20%?
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.
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.
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
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.
ASPENTECH. Ammonia Synthesis with Aspen HYSYS V8.0. Part 2: Closed Loop Simulation of Ammonia Synthesis. Module Design-003H, Massachusetts, 2012.
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.
HONEYWELL. UniSim R Design Operations Guide. Versão
R440 release. London, Canada, 2015.
HONEYWELL. UniSim R Design User Guide. Versão R440
PANNOCCHIA, G. Lecture Notes of Process Simulation Techniques. University of Pisa, Italy, 2015.
PERLINGEIRO, C. A. G. Engenharia de Processos: Análise, Simulação, Otimização e Síntese de Processos Químicos. São Paulo: Blucher, 2005.