hysis simulação

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DE LISBOADEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

LABORATÓRIOS INTEGRADOS 6C

Protocolo Experimental

Introdução à Simulação de Processos

Teodoro Trindade Secção de Ambiente e Qualidade

(Setembro/2006)

Índice

Introdução à Simulação de Processos Sumário e Objectivos

1. Introdução 1

2. Produção de Cloreto de Etilo 22.1. Enunciado do Problema 22.2. Sequência de Implementação no Simulador 3

3. Produção de Amónia 9

4. Notas sobre o Fluid Package 10

4.1. Equações de Estado 114.2. Modelos de Actividade 124.3. Modelos Chao Seader 134.4. Modelos de Pressão de Vapor 144.5. Miscellaneous 144.6. Parâmetros de Interacção Binários 154.7. Determinação de Propriedades 16

5. Criação de Componentes Hipotéticos 17

Sumário e Objectivos O principal objectivo deste trabalho consiste em efectuar uma introdução abrangente aos principais comandos básicos para simulação de operações unitárias no simulador HYSYS (versão 3.2). Este objectivo será conseguido através da implementação experimental no simulador de um pequeno flowsheet de processo correspondente à produção de cloreto de etilo (Capítulo 2). Partindo de um enunciado (Capítulo 2.1) que enquadra o problema e introduz algumas restrições processuais, é implementado no simulador o layout produtivo através de uma sequência de operações detalhadamente descritas (Capítulo 2.2). A documentação inclui ainda notas sobre os pacotes de propriedades utilizados na previsão do comportamento físico das espécies químicas (Capítulo 4), assim como o enunciado de um problema extra (Capítulo 3).

Introdução à Simulação de Processos 1. Introdução Os conhecimentos inerentes à Engenharia Química podem ser divididos em quatro grupos: i) as Ciências Básicas, que tratam da descrição e da quantificação dos fenómenos naturais; ii) os Fundamentos, que tratam da compreensão e da representação dos fenómenos que ocorrem nos equipamentos; iii) a Engenharia de Equipamentos, que trata da concepção, do dimensionamento e da análise dos equipamentos da indústria química; e por último iv) a Engenharia de Processos, que compreende a concepção, o dimensionamento e a análise dos processos industriais. Os temas relacionados aos três primeiros grupos foram há muito estruturados sob a forma das disciplinas clássicas encontradas nos cursos tradicionais de Engenharia Química. Tem sido publicada extensa bibliografia básica para estes cursos desde os primórdios da profissão. Por outro lado, os temas relacionados com a Engenharia de Processos, por diferirem em essência dos demais e por terem sido estruturados mais recentemente, não foram objecto de ensino formal e permaneciam ausentes dos livros de texto tradicionais. Tal situação perdurou até 1968 quando surgiu o livro Strategy of Process Engineering (Rudd & Watson), reunindo diversos resultados até então publicados sobre estratégias de cálculo, avaliação económica, optimização e efeitos de incerteza. Mais tarde, em 1973, surgiu o livro Process Synthesis (Rudd, Powers & Siirola), abordando de forma sistemática a concepção de processos químicos, incluindo o estudo de percursos químicos assim como a concepção de sequências de separadores e de redes de permutadores de calor. A partir de então a síntese (e a análise) de processos industriais não mais parou de crescer, evoluindo por incorporação de novas ferramentas de cálculo que em simultâneo sofriam enorme desenvolvimento. A utilização de computadores cada vez mais potentes veio tornar obsoleta a utilização de correlações empíricas simples, as quais foram progressivamente substituídas por modelos numéricos mais rigorosos (e complexos). Actualmente, a simulação assistida por computador é uma das mais importantes ferramentas tecnológicas de processo, a qual é amplamente utilizada não só na fase de projecto mas também (e principalmente) durante a fase de operação das unidades.

Introdução à Simulação de Processos Laboratórios Integrados 6C

Página 2 Teodoro/Setembro 2005

2. Produção de Cloreto de Etilo 2.1. Enunciado do Problema Uma das formas de produzir cloreto de etilo (C2H5Cl) é através da reacção em fase gasosa do etileno (C2H4) com ácido clorídrico (HCl), na presença de um catalizador, em geral de cloreto de cobre (CuCl2).

C2H4 + HCl ⎯→ C2H5Cl

Uma corrente gasosa de 1 kmol/h, composta por uma mistura de 50 % de HCl, 48 % de C2H4 e 2 % de N2 (base molar), a 20ºC e 15 atm, é utilizada como alimentação fresca numa instalação de produção de cloreto de etilo (C2H5Cl). A mistura gasosa de saída do reactor é arrefecida (para se obter condensação parcial), sendo as fases (líquida e gasosa) separadas num separador flash que opera a 15 atm e 40ºC.

REACTOR

FLA

SHCONDENSER

1

2

3

4

Product

PurgeRecycle

Feed

Figura 1. Diagrama do processo de produção de cloreto de etilo.

Pretende-se que o cloreto de etilo na fase líquida à saída do flash (corrente Product), possua pureza igual ou superior a 85 % (molar), e que a fracção de vapor de saída do flash (corrente 4) seja purgada e recirculada à entrada do reactor. O objectivo deste primeiro trabalho é simular o funcionamento desta instalação através da implementação de um diagrama de processo, que inclua como operações unitárias exclusivamente um reactor de Gibbs, um arrefecedor e uma coluna de separação flash (Figura 1).

Laboratórios Integrados 6C Introdução à Simulação de Processos

Teodoro/Setembro 2006 Página 3

2.2. Sequência de Implementação no Simulador Descreve-se seguidamente uma sequência para implementação (HYSYS versão 3.2) do diagrama de processo correspondente à produção de cloreto de etilo, tendo como base as restrições apresentadas anteriormente no enunciado. FASE 1 : O “Simulation Basis Manager” e selecção do “Properties Package”. 1. Seleccione os menus <FILE> <NEW> <CASE>, ou (Ctrl N) 2. Na pasta Components do “Simulation Basis Manager” adicione as espécies químicas

envolvidas no processo que se pretende simular (HCl, C2H4, C2H5Cl e N2), pressionando o botão <ADD>.

3. Na pasta Selection da “Component List View” escreva o nome de cada espécie química usando

a janela Match. Depois de cada substância ser identificada pela base de dados do simulador, pressione o botão <ADD PURE> para adicionar o nome de cada composto à janela Selected Components.

4. Feche a janela da “Component List View” para regressar ao “Simulation Basis Manager”, e na

pasta Fluid Pkgs pressione o botão <ADD> para adicionar o Propertie Package pretendido. Na pasta Set Up escolha a equação de Peng Robinson (ver Capítulo 4, Notas sobre o Fluid Package).

5. De volta ao “Simulation Basis Manager” verifique o modelo de previsão de propriedades

seleccionado (PP: Peng-Robinson) e o número de espécies químicas (NC: 4). Prossiga primindo o botão <ENTER SIMULATION ENVIRONMENT …>

6. Esta acção dá acesso à interface PFD (Process Flow Diagram) na qual será implementado o

diagrama de processo.

NOTA: Grave frequentemente os seus casos no disco rígido do computador, durante as diversas fases de implementação do exemplo. Para tal atribua a cada caso uma designação (nome) apropriada que lhe permita identificá-lo posteriormente pelo nome.



FASE 2 : Especificações para a resolução dos balanços de massa e energia no PFD. 1. Na palete de objectos (Object Palette) pisque no ícone dos General Reactors e seleccione um

reactor de Gibbs piscando duas vezes no ícone Gibbs Reactor. O simulador abre automaticamente uma Object Window do reactor de conversão (GRB-100).

2. Na página Connections do Design especifique para a entrada (Inlet) a corrente 1, para a saída

de vapor (Vapour Outlet) a corrente 2 e para a saída de líquido (Liquid Outlet) uma corrente Dummy. Note que no reactor todas as espécies são gasosas, não existindo na realidade nenhuma corrente líquida à saída do reactor.

3. Na página Parameters do Design estabeleça uma queda de pressão (Delta P) nula. Considere

o funcionamento do reactor em “Single Phase”, e atribua 0 % para o “Liquid Level”. 4. Feche a Object Window do GBR-100 para visualizar o PFD (Process Flow Diagram), onde

deverá aparecer um objecto com contornos amarelos que simboliza o reactor ao qual estão ligadas a corrente 1 (entrada), a corrente 2 (saída de vapor) e a corrente Dummy (saída de líquido), com coloração azul claro.

5. Introduza no PFD um Mixer (misturador de correntes, MIX-100), definindo para a entrada

(Inlet) uma nova corrente Feed e para a saída (Outlet) a corrente 1 já existente. Coloque esta unidade em posição adequada no PFD.

6. Com o rato, pisque duas vezes sobre a corrente Feed (alimentação fresca do processo) de

modo a visualizar a Object Window desta corrente. Na pasta Worksheet/Conditions, introduza a temperatura (20°C), a pressão (15 atm), e o caudal (1 kmol/h) desta corrente. Na pasta Composition do Worksheet coloque a composição da corrente (50 % HCl, 48 % C2H4, e 2 % N2, percentagens molares).

7. Note que após a introdução da composição da mistura de alimentação fresca do processo

(corrente Feed), a barra inferior da Object Window ficou verde e no PFD todas as correntes assumiram uma coloração azul escura, deixando as unidades do processo (GBR-100 e MIX-100) de possuírem contorno amarelo.



8. Verifique as condições em que se encontram todas as correntes do processo, abrindo as Object

Windows correspondentes. 9. Introduza no PFD um arrefecedor (Cooler) destinado a condensar (parcialmente) a corrente

gasosa de saída do reactor (corrente 2). Na pasta Design/Connections indique a corrente 2 como corrente de entrada (Inlet), a corrente 3 como corrente de saída (Outlet) e uma corrente Energy como corrente de fornecimento de energia. Na pasta Design/Parameters atribua uma queda de pressão (“Delta P”) nula ao longo do equipamento.

10. Da Object Palette, introduza um separador flash (Separator) no PFD. Na Object Window do

flash (V-100), pasta Design/Connections, indique a corrente 3 como corrente de entrada (Inlet), a corrente 4 como saída da fase gasosa (Vapour Outlet), e a corrente Product como saída da fase líquida (Liquid Outlet).

11. Uma vez que a operação de separação de fases que ocorre no flash (V-100), decorre a 40°C,

introduza este valor na Object Window da corrente 3.



12. Registe no quadro seguinte os valores referentes a alguns parâmetros relevantes do processo

que acabou de simular.

CORRENTE 1 2 4 PRODUCT ENERGY

Caudal (kmol/h) 1,000 ― Temperatura (°C) 20 40 40 ― Fracção de C2H4 0,480 ― Fracção de HCl 0,500 ― Fracção de C2H5Cl 0,000 ― Fracção de N2 0,020 ― Energia (kW) ― ― ― ―

13. Verifique que a fracção de cloreto de etilo na corrente Product é bastante inferior à requerida

pelo enunciado (≥ 85 %). Experimente mudar a temperatura da corrente 3 em torno dos 40°C e verifique a influência na composição e caudal da corrente Product.

14. Introduza no PFD um separador de correntes (Tee), ligando-lhe na entrada (Inlet) a

corrente 4, e definindo para a saída (Outlet) duas corrente, uma correspondente à purga (corrente Purge) e a outra correspondente ao reciclo (corrente Recycle). Na pasta Design/Parameters, defina uma divisão equitativa (Splits = 0,5) do caudal da corrente 4 pelas duas correntes de saída (correntes Recycle e Purge).

15. Introduza no PFD uma função lógica Recycle (RCY-1), ligue na entrada (Inlet) a corrente

Recycle e crie para a saída (Outlet) uma corrente Recycle*. (As particularidades inerentes à utilização das funções lógicas, como é o caso do Recycle, serão abordadas no Módulo 2, Unidades de Operações Lógicas).



16. Ligue a corrente Recycle* (corrente de saída da unidade lógica Recycle) à entrada do

misturador de correntes MIX-100.

17. Altere o caudal de purga do sistema (Splits do TEE-100, para o qual atribuiu anteriormente o

valor de 0,5) até obter uma percentagem molar de cloreto de etilo na corrente Product, igual ou superior a 85 %. Registe no quadro seguinte os valores assumidos pelas correntes.

PERCENTAGEM DE PURGA: ____ %

CORRENTES 1 2 4 PRODUCT ENERGY

Caudal (kmol/h) ― Temperatura (°C) ― Fracção de C2H4 ― Fracção de HCl ― Fracção de C2H5Cl ― Fracção de N2 ― Energia (kW) ― ― ― ―

NOTA: De forma a que o processo de cálculo iterativo possua um critério de convergência mais rigoroso, aconselha-se reduzir o parâmetro de sensibilidade (pasta Parameters/Variables) da função lógica Recycle (RCY-1). Sugere-se alterar o valor 10 para 1 ou mesmo 0,1 em algumas variáveis.



18. Analise os resultados obtidos por comparação das situações com e sem reciclo. Identifique e verifique a influência de parâmetros como a percentagem de purga, temperatura da corrente 3 e pressão do sistema no consumo energético, rendimento global do processo, caudal e composição da corrente Product.

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0 0.1 0.2 0.3

FRACÇÃO DE PURGA

CO

RR

EN

TE P

RO

DU

CT

(km

ol/h

)

Figura 2. Variação do caudal da corrente de produto relativamente à fracção purgada.

0.75

0.80

0.85

0.90

0.95

1.00

0 0.1 0.2 0.3

FRACÇÃO DE PURGA

FR

AC

ÇÃ

O M

OLA

R

Figura 3. Influência da purga na fracção de C2H5Cl da corrente de produto.



3. Produção de Amónia Considere a simplificação do processo de produção de amónia representado na figura seguinte. A transformação reactiva ocorre num reactor de Gibbs a 200 atm e 450°C.

3 H2 + N2 ―→ 2 NH3

A alimentação fresca do processo (corrente 1) possui um caudal de 100 kmol/h (74,3 % H2, 24 % N2, 0,6 % Ar e 1,1 % CH4), a 200 atm e 50°C. Antes de entrar no reactor (GBR-100), a mistura reaccional é pré-aquecida (HEATER), até uma temperatura suficiente para que a reacção decorra a 450°C (corrente 4). O efluente do reactor (corrente 4) é arrefecido (COOLER) até à temperatura de – 30°C, sendo as fases resultantes da condensação separadas num flash. A fracção gasosa (corrente 6) depois de sofrer purga (corrente Purga) recircula à entrada do reactor (corrente 7/8). Considere perdas de carga nulas em todas as unidades do processo. Pretende-se produzir uma solução de amónia (corrente Amónia) em fase líquida, com teor em NH3 igual ou superior a 95 %.

1. Construa no simulador o diagrama do processo (figura anterior).

2. Definindo uma purga correspondente a 10 % do caudal da corrente 6, encontre a temperatura da corrente 3 que garante que a reacção decorre a 450°C (corrente 4).

3. Investigue a dependência entre a fracção de purga, a temperatura reaccional (corrente 4),

o caudal de amónia produzida (corrente Amónia) e a concentração de NH3 nessa corrente.

4. Construa um gráfico (ou tabela) que relacione a fracção de purga com o quociente entre

a quantidade de energia necessário no processo (E1 + E2) e o caudal de NH3 na corrente de produto (corrente Amónia). Para este estudo utilize somente a gama de condições para as quais a concentração de NH3 na corrente Amónia é igual ou superior a 95 %.



4. Notas sobre o Fluid Package No Simulation Basis Manager, ao se carregar no botão <ADD> o simulador abre a página “Fluid Pakage” onde o utilizador tem de seleccionar o “Property Package” de base. Neste pacote de base para a estimativa de propriedades, tem-se acesso a uma lista de métodos para a estimativa das propriedades dos compostos disponíveis na base de dados do HYSYS. O “Property Pkg Filter” permite filtrar a lista de métodos disponíveis, baseado no critério apresentado no quadro seguinte.

FILTRO DESCRIÇÃO

All Todos os “Property Packages”.

EOSs Só equações de estado.

Activity Models Só os modelos de actividade de líquidos.

Chao Seader Models Exclusivamente os métodos semi-empíricos baseados na equação de Chao Seader.

Vapour Pressure Models Somente modelos de pressão de vapor baseados no parâmetro K.

Miscellaneous Types Modelos que não se enquadrem em nenhuma das quatro categorias anteriores.

A selecção do property package mais adequado a um dado processo está dependente do i) tipo de espécies químicas envolvidas, ii) condições (pressão e temperatura) a que estão sujeitas ao longo do processo, e iii) tipo de transformações que ocorrem (condensação, vaporização, dissolução, etc.). Não existe nenhum método numérico universal que permita reproduzir rigorosamente o comportamento de todas as espécies, em todas as condições e para todas as transformações. Assim, na selecção do fluid package mais adequado é necessário ter em consideração as especificidades particulares de cada método e ponderar a sua aplicabilidade ao processo que pretendemos construir. Seguidamente apresentam-se algumas das principais características dos métodos numéricos disponíveis para a previsão de propriedades das substâncias1. A informação contida neste Capítulo deverá ser considerada sempre que se pretenda seleccionar um fluid package.

1 Uma excelente base de dados de referência do National Institute of Standards and Technology, para propriedades termofísicas de sistemas fluidos, pode ser acedida livremente no endereço: http://webbook.nist.gov/chemistry/.



4.1. Equações de Estado Para óleos, gases e aplicações petroquímicas, a equação de estado Peng Robinson (PR) é geralmente o “Property Package” recomendado numa larga gama de condições. Esta equação descreve rigorosamente a maior parte dos sistemas mono, bi e trifásicos com elevado grau de eficiência e rigor. Todos os métodos baseados em equações de estado e suas aplicações específicas são descritos no quadro seguinte.

EOS DESCRIÇÃO

Kabadi Danner

Este modelo é uma modificação da equação de estado SRK, de modo a melhorar as estimativas do equilíbrio vapor-líquido-líquido para sistemas de água-hidrocarbonetos, em particular para elevadas diluições.

Lee-Kesler Plocker Este modelo é o método geral mais rigoroso para substâncias não polares e suas misturas.

Peng Robinson

Este modelo é ideal para cálculos de equilíbrio líquido-vapor assim como para o cálculo de massas específicas de líquidos em sistemas de hidrocarbonetos. Vários melhoramentos ao modelo original PR têm sido efectuados para alargar a sua gama de aplicação e para melhorar as previsões de alguns sistemas não ideais. No entanto, em situações em que existem sistemas altamente não ideais, é recomendado a utilização de modelos de actividade.

PRSV Esta é uma modificação da equação de estado PR a qual alarga a aplicação do método PR original para sistemas moderadamente não ideais.

SRK

Em muitos casos produz resultados comparáveis com a PR, mas a sua gama de aplicação é significativamente mais limitada. Este método não é fiável para sistemas não ideais.

Sour PR Combina a equação de estado de PR e o modelo de Wilson API-Sour aplicável a sistemas com água.

Sour SRK Combina os modelos de Soave Redlich Kwong e de Wilson API-Sour.

Zudkevitch Joffee

É uma modificação da equação de estado Redlich Kwong. Este modelo foi criado para melhorar a previsão do equilíbrio líquido-vapor em sistemas de hidrocarbonetos, e sistemas contendo hidrogénio.



4.2. Modelos de Actividade Embora os modelos baseados em equações de estado tenham provado a sua aplicabilidade na previsão das propriedades da maior parte dos fluidos constituídos por hidrocarbonetos numa larga gama de condições operatórias, a sua aplicação tem sido limitada a componentes essencialmente não polares ou pouco polares. Para sistemas altamente não polares ou muito polares, devem usar-se preferencialmente modelos de actividade. Os modelos de actividade listados no quadro seguinte estão disponíveis no Property Package do simulador.

MODELOS DE ACTIVIDADE DESCRIÇÃO

Chien Null

Fornece uma plataforma consistente para aplicação dos modelos de actividade baseados em interacções binárias. Permite a selecção do melhor modelo de actividade para cada par de espécies.

Extended NRTL

Esta variação do modelo NRTL permite introduzir valores para os parâmetros Aij, Bij, Cij, Alp1ij e Alp2ij usados na definição dos coeficientes de actividade dos componentes. Recomenda-se a aplicação deste modelo a sistemas: i) com uma gama de pontos de ebulição muito extensa entre os compostos; e ii) onde é necessário resolver simultaneamente os equilíbrios líquido-vapor e líquido-líquido, e existe uma grande diferença de pontos de ebulição ou gamas de concentração alargadas entre os componentes.

General NRTL

Esta variação do modelo NRTL permite a selecção do formato da equação para os parâmetros τ e α. Recomenda-se a aplicação deste modelo a sistemas: i) com uma gama de pontos de ebulição muito extensa entre os componentes; e ii) onde é necessário resolver simultaneamente os equilíbrios líquido-vapor e líquido-líquido, existindo uma grande diferença de pontos de ebulição ou gamas de concentração alargadas entre os componentes.

Margules

Este modelo representa o primeiro desenvolvimento da energia de Gibbs em excesso. A equação não possui nenhuma base teórica mas é muito útil para estimativas rápidas e interpretação de resultados.

NRTL

Esta é uma extensão da equação de Wilson. Utiliza a mecânica estatística e a teoria da célula líquida para representar a estrutura da fase líquida. É capaz de representar o comportamento dos equilíbrios de fases líquido-vapor, líquido-líquido e vapor-líquido-líquido.

(Continua)



(Continuação)

UNIQUAC

Utiliza a mecânica estatística e a teoria “quasi-chemical” de Guggenheim para representar a estrutura líquida. A equação é capaz de representar os equilíbrios de fases líquido/líquido, líquido/vapor e vapor/líquido/líquido, com um rigor comparável ao da equação NRTL, mas necessitando de recorrer a menos parâmetros.

Van Laar

Esta equação ajusta-se perfeitamente a muitos sistemas, particularmente para distribuições resultantes do equilíbrio líquido/líquido dos seus componentes. Pode ser usada em sistemas que exibam desvios positivos ou negativos à lei de Raoult. No entanto, geralmente, possuem um fraco comportamento em sistemas com hidrocarbonetos halogenados e álcoois.

Wilson

É a primeira equação de coeficientes de actividade a utilizar o modelo da composição local para obter a expressão da energia de Gibbs em excesso. Oferece uma abordagem termodinamicamente consistente na previsão do comportamento multicomponente a partir de parâmetros de equilíbrio binário. No entanto o modelo de Wilson não pode ser usado para sistemas com duas fases líquidas.

4.3. Modelos Chao Seader Os métodos Chao Seader e Grayson Streed são velhos métodos empíricos. A correlação Grayson Streed é uma extensão do método Chao Seader com especial aplicabilidade para o hidrogénio. No HYSYS somente são usados os valores de equilíbrio produzidos por estas correlações. O método Lee-Kesler é usado para determinar a entalpia e entropia do líquido e vapor.

MODELO CHAO SEADER DESCRIÇÃO

Chao Seader Utilize este método para hidrocarbonetos pesados, onde a pressão é inferior a 10 342 kPa (1 500 psia), e gama de temperaturas entre – 17,78ºC e 260ºC.

Grayson Streed Recomendado para simular sistemas de hidrocarbonetos pesados com um elevado conteúdo em hidrogénio.



4.4. Modelos de Pressão de Vapor Os modelos de pressão de vapor podem ser usados para misturas ideais a baixas pressões. Misturas ideais incluem sistemas de hidrocarbonetos e misturas tais como cetonas e álcoois, onde o comportamento da fase líquida é aproximadamente ideal. Estes modelos podem também ser usados como uma primeira aproximação para sistemas não ideais.

MODELOS DE PRESSÃO DE VAPOR DESCRIÇÃO

Antoine Este modelo é aplicável a sistemas de baixa pressão que se comportam idealmente.

Braun K10

Este modelo é estritamente aplicável a sistemas de hidrocarbonetos pesados a baixa pressão. O modelo utiliza o método Braun de convergência da pressão onde, dado o ponto de ebulição normal do componente, o valor de K é calculado à temperatura do sistema e 10 psia (68,95 kPa).

Esso Tabular

Este modelo é estritamente aplicável a sistemas de hidrocarbonetos a baixa pressão. O modelo utiliza uma modificação do modelo de pressão de vapor de Maxwell-Bonnel.

4.5. Miscellaneous O grupo “Miscellaneous” contém “Property Packages” únicos e que portanto não se enquadram em nenhum dos grupos mencionados anteriormente.

PROPERTY PACKAGE DESCRIÇÃO

Amine Pkg

Contem modelos termodinâmicos desenvolvidos por D. B. Robinson & Associates para o simulador (AMSIM) da sua unidade de produção de aminas. Recomenda-se a utilização deste pacote para simulações no HYSYS envolvendo aminas.

ASME Steam Restrito a um único componente, a água. Usa os valores constantes nas ASME 1967 Steam Tables.

NBS Steam Restrito a um único componente, a água. Usa os valores constantes nas NBS 1984 Steam Tables.

MBWR

Esta é uma versão modificada da equação original de Benedict-Webb-Rubin. Este modelo de equação de estado de 32 termos é aplicável somente a um conjunto específico de componentes e condições operatórias.



Para realizar as simulações deveremos ter em conta as seguintes considerações:

APLICAÇÃO Margules van Laar Wilson NRTL UNIQUAC

Sistemas Binários A A A A A Sistemas Multicomponente AL AL A A A

Sistemas Azeotrópicos A A A A A Equilíbrio Líquido-Liquido A A NA A A

Sistemas Diluídos Q Q A A A Polímeros NA NA NA NA A

Extrapolações Q Q B B B

A : aplicável; NA : não aplicável; AL : aplicação limitada; B : boa; Q : questionável. 4.6. Parâmetros de Interacção Binários No Fluid Package teremos de seleccionar a(s) correlação(ões) que serão usadas para modelar o sistema. Por exemplo, num processo no qual estão presentes água e acetona, escolha para o sistema o modelo de actividade UNIQUAC e a idealidade para o comportamento do vapor.

Visualizando a pasta “Binary Coeffs” poderemos ver os valores assumidos para os parâmetros de interacção do modelo de actividade, correspondentes ao sistema água-acetona. O facto deles aparecerem aqui representados, indica que estão referenciados na base de dados do simulador, caso não apareçam teremos de os obter por outra via, como por exemplo através de modelos de previsão como o UNIFAC. Nalguns casos, existem os parâmetros para umas espécies mas para outras não. Isto é sinal que a base de dados do simulador não contém todos os parâmetros obtidos por via experimental (ou tendo como base determinações experimentais), mas permite utilizarmos os que temos mediante a opção “Unknows Only” (só desconhecido). Também é possível utilizar a estimativa UNIFAC, mas neste caso teremos de distinguir entre equilíbrios líquido-líquido e líquido-vapor (desafia-se o aluno a descobrir que os parâmetros são diferentes para ambos os casos).



4.7. Determinação de Propriedades Através do Fuid Package poderemos entrar na base de dados do simulador e obter os valores correspondentes aos parâmetros das propriedades dos diferentes compostos. Para isso teremos de entrar na pasta “Tabular” e piscar na opção Enable Tabular Properties.

Em Option/All Properties, veremos uma lista de propriedades físicas e termodinâmicas, podendo-se seleccionar a(s) pretendida(s). Activando por exemplo a entalpia e o calor latente, poderemos, na opção Information, ter acesso aos parâmetros e coeficientes correspondentes a essas propriedades. Se pretendermos visualizar o ajuste do modelo seleccionado, o substitui-lo por outro modelo, poderemos piscar no botão Cmp. Prop. Detail. Na pasta Variables pode-se mudar o tipo de equação que queremos que defina a propriedade. Na pasta Plots veremos uma representação gráfica onde a vermelho estão os valores experimentais e a verde os resultados da regressão pela equação seleccionada para o modelo numérico.

Como exemplo criemos no HYSYS um sistema formado por dois componentes típicos na fabricação de cumeno, como são o cumeno e o AMS (alfa-metil-estireno). No Fluid Package escolhendo a equação UNIQUAC, veremos que os coeficientes binários possuem os campos vazios (em branco), não existem valores. Isto deve-se ao facto de não constarem na base de dados do simulador e portanto é necessário estimá-los. Isto é efectuado através da opção ALL Binaries, tendo anteriormente seleccionado a opção UNIFAC VLE.

Já temos o sistema definido através de parâmetros de interacção entre espécies, e assim já poderemos ver as propriedades que necessitemos dos componentes puros, tal como se exemplificou anteriormente. Tente alterar a equação que descreve uma dada propriedade e avaliar (através da representação gráfica da pasta Plots) o grau de concordância entre os valores de referência (experimentais) e os numéricos produzidos pelo modelo.



5. Criação de Componentes Hipotéticos O HYSYS permite a criação de componentes não existentes na base de dados, ou hipotéticos, a partir do “Hypo Manager”. Componentes hipotéticos podem ser compostos puros, misturas conhecidas ou desconhecidas, ou então sólidos. Pode-se também converter (ou clonar) componentes da base de dados do HYSYS em componentes hipotéticos, o que permite alterar os valores das propriedades existentes na base de dados. Existe uma vasta gama de métodos de estimativa para os diversos “Hypo Groups” (hidrocarbonetos, álcoois, etc.) de modo a assegurar a melhor representação do comportamento do componente hipotético na simulação. Adicionalmente, são fornecidos métodos de estimativa das interacções binárias entre os componentes hipotéticos e os existentes na base de dados. O procedimento apresentado seguidamente baseia-se num exemplo apresentado no Manual do HYSYS. Para mais informações aconselha-se a consulta deste manual. Neste exemplo pretende criar-se um componente hipotético (etanol), e comparar as suas propriedades com as do etanol (puro) existente na base de dados do simulador. 1. Abra um novo caso no HYSYS e seleccione a página “Hypotheticals” no “Simulation Basis

Manager”. Na secção “Hypothetical Group”, pressione o botão “Add” para criar um novo grupo hipotético. Imediatamente o simulador atribui a este grupo o nome “HypoGroup1”. Pode mudar este nome mais tarde se desejar.

2. Quando se adiciona um novo grupo hipotético, o HYSYS abre uma janela “Tabular

Hypothetical Input”, onde se adiciona e definem os componentes para o grupo. Nesta janela altere o nome do grupo para “HypoAlcool” por exemplo. Repare que o “default” do HYSYS na célula “Component Class” são os hidrocarbonetos. Para este exemplo altere a selecção para álcool.

3. O próximo passo é instalar um componente hipotético. Na secção “Individual Hypo Controls”,

carregue no botão “Add Hypo”. Esta acção adiciona um componente hipotético designado por “Hypo2000”. Altere, na célula “Name”, o nome deste componente para a designação que pretender, por exemplo, “HypoEtoh”.

4. Na célula “NBP” (“normal boiling point”), introduza a temperatura de ebulição normal do

etanol que é 78,25ºC, e na célula “Liquid Density” a sua massa específica que é 787,41 kg/m3. 5. O simulador pode estimar para o composto hipotético, propriedades por nós desconhecidas

somente com o NBP e a massa específica. No entanto os resultados da estimativa serão mais exactos se introduzirmos a estrutura molecular do componente. Carregue no botão “UNIFAC” para aceder ao “UNIFAC Component Builder”.



6. A fórmula química do etanol é C2H5OH, e é composta por grupos funcionais CH3, CH2 e OH.

Seleccione o grupo CH3 da lista de “Available UNIFAC Groups”. Carregue depois no botão “Add”. Repare que aparece 1 na primeira célula da coluna “Sub Groups” da “UNIFAC Structure”. Por “default” o simulador atribui o valor 1 na célula da coluna “How Many”. O número de ligações livres aumentou para 1 com a adição do grupo funcional CH3. De igual forma adicione os grupos CH2 e OH à “UNIFAC Structure” a partir da lista de “Available UNIFAC Groups”.

7. Uma vez completa a estrutura UNIFAC, o simulador calcula as propriedades críticas. Feche a

janela do “UNIFAC Component Builder” de modo a voltar à janela do “Tabular Hypothetical Input”.

8. O HYSYS pode agora usar mais informação (ponto de ebulição normal, massa específica e

estrutura UNIFAC) para estimar as restantes propriedades para o composto hipotético. Podemos examinar os métodos de estimativa utilizados pressionando o botão “Estimation Methods” para abrir uma janela de “Property Estimation”. Se pretender pode mudar o método de estimativa de qualquer propriedade. Neste exemplo usaremos os métodos de “default”. Feche a janela para voltar à “Tabular Hypothetical Input”.

9. Carregando no botão “Estimate Unknown Props” o HYSYS utiliza os métodos especificados

para estimar as propriedades desconhecidas para o componente. A massa molar do composto hipotético será igual à do etanol (46,07 g/mol), uma vez que a estrutura UNIFAC fornece essa informação. Pode examinar todas as propriedades do composto hipotético através do “Component Property View”, piscando duas vezes com o rato sobre o nome do composto.

10. Por fim, compare o valor das propriedades do composto hipotético criado com as

propriedades do etanol existente na base de dados do simulador (utilize por exemplo a equação de Wilson).

hysis simulação

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