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Módulo I Módulo II

Introdução ao Simulador EMSO

Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)

I FLAEq, UNILAFoz do Iguaçu, Paraná

20 de novembro de 2018

Rodolfo Rodrigues UNIPAMPA

Minicurso de EMSO 1


Instrutor do Minicurso

Rodolfo Rodrigues, Prof.

Graduação (UFSM), Mestrado e Doutorado (UFRGS) em EQ;Docente e coordenador do curso de EQ da UNIPAMPA;Áreas de atuação:• Engenharia de Processos (e Sistemas) (PSE);• Engenharia das Reações Químicas;• Engenharia de Processos de Separação.

Pesquisador do Grupo de Pesquisa em Energia e Carboquímica(GPEC).


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Universidade Federal do Pampa

A Universidade Federal do Pampa:• Criação em 2006;• 10 campi espalhados no pampa;• 12 mil alunos (11 mil grad + 1 mil pós);• 64 cursos grad + 48 pós;

O Campus Bagé:• 1,6 mil alunos;• 165 professores e 76 técnicos;• 6 Licenciaturas e 5 Engenharias;• EQ: maior curso em no de alunos;• EQ: 131 formados em 12 anos.


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Conteúdo Programático

1 Módulo I: IntroduçãoSimuladores de ProcessosSimulador EMSOLinguagem de ModelagemExemplo 1: Tanque de Nível

2 Módulo II: Biblioteca de ModelosCorrente e EquipamentosExemplo 2: Separação de Amônia


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Módulo I: Introdução


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Simuladores de Processos

Engenharia de Processos

PERLINGEIRO, C. A. G. Engenharia deProcessos: Análise, Simulação, Otimizaçãoe Síntese de Processos Químicos. SãoPaulo: Blucher, 2005.

Conteúdo do livro:• Análise de Processos;• Simulação de Processos;• Otimização de Processos;• Síntese de Processos;


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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 Identificação e Controle de Processos;

4 Otimização de Processos;

5 Integração e Intensificação de Processos.


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

Fonte: adaptado de Perlingeiro (2005).


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A aplicação de ferramentas computacionais em Engenhariade Processos é chamada de CAPE (Computer-AidedProcess Engineering);

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

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

Um flowsheet é constituído por equipamentos (operaçõesunitárias) conectados por correntes.


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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

gPROMS (PS Enterprise, Ltd.)iiSE (VRTech Tecnologias Industriais) URL

PETROX (Petrobras SA)PRO/II (AVEVA Group plc)UniSim Design (Honeywell, Inc.)

e outros ver lista


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http://dwsim.inforside.com.br

http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/EMSO

http://vrtech.com.br/pt/simulador-iise

https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_chemical_process_simulators


Simulador EMSO

EMSO é a sigla para Environment for Modeling, Simulationand Optimization;

Desenvolvimento iniciado em 2001;

Multiplataforma: disponível para Windows e Linux;

Modelos são escritos em uma linguagem de modelagem;

Sistema baseado em equações;

Projeto ALSOC, vigente de 2005 a 2010, investiu cerca deR$ 2 milhões no seu aprimoramento e envolveu órgão defomento, empresas petroquímicas e universidades.




Simulador EMSO: Funcionamento

O simulador EMSO pode ser pensado como um servidor de mo-delos matemáticos, disponibilizando-os para rotinas de cálculoexternas atuarem sob os mesmos. Alguns cálculos são integral-mente realizados pelo simulador.




Simulador EMSO: Recursos

Linguagem de descrição de modelos voltadas à objetos.

Interpretador de linguagem.

Sistemas de plug-in’s e solvers externos.

Avaliação da consistência de unidades dimensionais.

Avaliação dos graus de liberdade do sistema de equações.

Resolução de problema de índice diferencial.

Detecção de eventos.

Linearização de modelos em espaço de estado.

Biblioteca de modelos aberta e personalizável.




Simulador EMSO: Recursos

Motor de cálculo com suporte à álgebra esparsa ediferenciação automática.

Modelagem também pode ser realizada por diagrama deblocos.

Exportação de resultados para MS Excel, LibreOffice Calc,MATLAB e Scilab.

Sistema de documentação automática dos modelos.

Pacote termodinâmico e base de dados de espéciesquímicas.




Simulador EMSO: Módulos Disponíveis

Simulação estacionária e dinâmica (NLA vs. DAE);

Otimização NLP e MINLP;

Estimação de parâmetros estática e dinâmica;

Reconciliação de dados;

Estudo de caso e análise de sensibilidade;

Integração com Matlab/Simulink e Scilab/Scicos;

Módulo de comunicação OPC;

Interface de comunicação CAPE-OPEN;

Equações diferenciais parciais (PDE);




Linguagem de Modelagem

Conceitos Básicos

Processo:Arranjo de unidades de operação (equipamentos) integradasentre si em uma maneira racional e sistemática;

Modelo:Descrição matemática de uma operação ou processo;

Simulação:Resolução do modelo para um determinado conjunto deespecificações;





Conceitos Básicos

Um modelo é representado por equações matemáticasdescritas por variáveis e constantes;

De maneira simples, um modelo é “simulável” quando seugrau de liberdade é igual a zero!

no de variáveis - no de equações = grau de liberdade





Conceitos Básicos

Um fluxograma de processo é representado por umFlowSheet e constituído por um conjunto de equipamentos:DEVICES;

A descrição matemática de cada DEVICES é representada porum Model (modelo);

Um Model abrange as seções: PARAMETERS (constantes),VARIABLES e EQUATIONS.

Um FlowSheet é a única entidade “simulável” e pode conter(além das seções acima): CONNECTIONS, SPECIFY, SET eINITIAL.





Modelagem Orientada a Objetos (MOO)

A linguagem de modelagem do EMSO contempla algunsconceitos da programação orientada a objetos, tais como:

Composição:Criação de modelos a partir de sub-modelos.Ex: Colunas de destilação.Herança:Reutilização de código.Ex: Tanque de nível e CSTR.




Exemplo: Tanque de Nível

Definição do Problema 1

Considere um tanque de nível com líquido e uma áreatransveral constante:

Uma válvula determina a vazão de saída do líquido.





Modelagem Matemática: Tanque de Nível

Variáveis: Fin, Fout , h, V

Parâmetros: A , k

Conservação de massa:dVdt

= Fin − Fout (1)

Equação da válvula:Fout = k

√h (2)

Volume de líquido:V = A · h (3)






Dados:Fin = 150 L/min, A = 3 m2, k = 0,01 m2,5/s, h inicial = 100 cm

Determinar:

a A dinâmica da altura do nível de líquido para 15 min deoperação (use: ∆t = 30 s).

b A altura do nível de líquido no estado estacionário.






Considere um conjunto de 3 tanques de nível e conectadosem série:

Os tanques pode ser considerados idênticos.






Dados:Fin = 150 L/min, A = 3 m2, k = 0,01 m2,5/s,h1,inicial = h3,inicial = 100 cm e h2,inicial = 200 cm.

Determinar:

a A dinâmica das alturas do nível de líquido para 15 min deoperação dos 3 tanques (use: ∆t = 30 s).

b As alturas do nível de líquido no estado estacionário paracada tanque.




Módulo II: Biblioteca de Modelos




Correntes e Equipamentos

Modelos de correntes (eml/streams.mso):Modelo básico de corrente: stream;Modelo de correntes de limite: source e sink;

Modelos de equipamentos (eml/):Controladores: controllers;Trocadores de calor: heat_exchangers;Misturadores e divisores de correntes: mixers_splitters;Máquinas de fluido: pressure_changers;Reatores químicos: reactors;Operações de separação por estágios: stage_separators;




Exercício: Planta de Amônia

M101

S2V101

S3

NH3

S101

R1 Purge

R2

S1

Q1

R

Figura 2: Processo de separação simples, com reciclo, de uma corrente de amônia.





Descrição do Processo

1 Considere uma corrente inicial de 7 000 kmol/h, 775 K, 275bar e composição de 40 mol% H2, 15 mol% N2, 2 mol% Ar,10 mol% CH4 3 mol% CO e 30 mol% NH3;

2 Esta corrente sofre redução de temperatura e pressão em umvaso separador gás-líquido (vaso flash) para 300 K, 175bar;

3 É obtida uma corrente líquida rica em amônia e umacorrente gasosa que é enviada para reciclo;

4 1% (mol) da corrente gasosa é descartada (purga);





Descrição do Processo

Obtenha a composição de amônia na corrente líquida quedeixa o vaso;

Utilize o pacote termodinâmico de Peng-Robinson.



Contato

E-mail: [email protected]

Website: http://rodolfo.chengineer.com

Grato pela atenção!



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