(módulo 2) unidades de operações...

INSTITUTO SUPERIOR DE ENGENHARIA DA LISBOA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

SECÇÃO 10 – TECNOLOGIA INDUSTRIAL

Modelação e Simulação de Unidades Processuais

(Módulo 2) Unidades de Operações Lógicas

Teodoro Trindade

Valério Palmeira

João Miguel Silva

Paulo Anastácio

Lisboa, Setembro 2005

ÍNDICE

Módulo 2 – Unidades de Operações Lógicas Sumário e Objectivos do Módulo

1. Introdução 1 1.1. A Operação Set 1 1.2. A Operação Adjust 1 1.3. A Operação Balance 2 1.4. A Operação Recycle 3

2. Exemplo de Aplicação da Unidade Set 4

3. Exemplo de Aplicação do General Balance 8

4. Exemplo de Aplicação da Unidade Adjust 9

5. Exemplos de Aplicação da Unidade Recycle 11

5.1. Separação da Mistura Etanol/Água 11 5.2. Estação de Compressão de Gases 13

6. Exemplo de Utilização do Databook 16

Sumário e Objectivos do Módulo:

Neste Módulo é exemplificada a utilização das principais unidades lógicas com aplicação em regime estacionário. Assim, após uma breve introdução às características destas funções (Capítulo 1), desenvolvem-se exemplos práticos referentes às unidades lógicas Set (Capítulo 2), Balance (Capítulo 3), Adjust (Capítulo 4) e Recycle (Capítulo 5). Em simultâneo com a apresentação da unidade Set (Capítulo 2) é introduzido o operador Spreadsheet. Por fim, aproveitando um flowsheet construído, é efectuada uma análise de sensibilidade ao processo através da aplicação Databook.

Módulo 2 Unidades de Operações Lógicas

1. Introdução Existem quatro operações de unidades lógicas as quais são principalmente utilizadas nas simulações em estado estacionário. Elas são o SET, o ADJUST, o BALANCE e o RECYCLE. As restantes operações de unidades lógicas são usadas fundamentalmente em modo dinâmico (estado transiente), o qual não será abordado no âmbito desta disciplina. No manual do HYSYS, existe um capítulo que aborda estas operações lógicas. Muito do que aqui é mencionado pode também ser encontrado no manual1, assim como uma explicação mais detalhadas de cada função lógica e seu funcionamento.

SET

ADJUST

BALANCE

RECYCLE

A utilização da aplicação Spreadsheet é também explorada neste módulo, a qual permite regular variáveis do processo assim como efectuar operações numéricas com parâmetros assumidos por correntes ou unidades. 1.1. A Operação SET A operação SET é usada para atribuir o valor numérico a uma dada variável (target) do processo tendo como base outra variável (source) do processo. A relação entre as variáveis, as quais devem ser do mesmo tipo, é da forma y = m x + b (relação linear entre as variáveis y e x). Por exemplo, pode utilizar-se o SET para definir que a temperatura de uma certa corrente (target) deve ser sempre 20ºC mais elevada que a temperatura de outra corrente (source). O SET pode funcionar nas duas direcções, isto é, se a variável “target” é conhecida e a “source” não é, é a “target” que define a “source” através do SET. Adiante apresenta-se um exemplo simples da utilização deste operador. 1.2. A Operação ADJUST Usa-se a operação lógica ADJUST quando se pretende ajustar uma dada variável (independente) até que outra variável (dependente) assuma um dado valor especificado (target), ou cumpra uma dada especificação. A source dessa especificação pode ser no entanto uma terceira variável do

1 Uma versão online do manual do HYSYS (versão 3.1) pode ser encontrada no seguinte endereço: http://itll.colorado.edu/HYSYSDoc/

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mesmo tipo que a target, desfasada a menos de uma constante (que pode ser nula). Uma característica menos “simpática” desta operação é a de, ao se usar outro objecto como source do valor pretendido, o menu dos objectos incluir objectos que não podem ser utilizados por essa via. Antes de instalar o módulo ADJUST no layout do seu processo, é boa prática inicializar a variável independente, permitindo que o flowsheet seja resolvido e tomando nota do valor da variável dependente. Então (auto)ajuste a variável independente e assegure-se que a variável dependente é correctamente afectada por ela. Isto permitirá dar-lhe uma ideia do valor necessário para o passo da pesquisa (“step size”). O valor do passo é ajustado na página Parameters e corresponde ao tamanho do passo inicial utilizado até que a solução seja alcançada. Note que com um passo (“step size”) muito pequeno a solução pode não ser alcançada antes de exceder o número máximo de iterações (este valor pode também ser alterado). A descrição dos restantes itens da página Parameters, e a discussão sobre a utilização de múltiplos ADJUST simultâneos (envolvendo alteração do “solving method”), pode ser vista no Manual do HYSYS. 1.3. A Operação BALANCE Esta é uma das mais interessantes e úteis unidades lógicas. Têm aplicação quando é necessário efectuar balanços de massa e/ou energia em determinadas secções ou sobre todo o diagrama, para determinar a composição, o caudal, a energia, etc. de uma corrente. A unidade lógica necessita saber quais as correntes mássicas e/ou de energia que cruzam uma fronteira imaginária do seu sistema, e quais as correntes de saída. O simulador partilha permanentemente a informação nos dois sentidos (para a frente e para trás) através do “Process Flow Diagram” (PFD). No entanto isto não é suficiente para que reconheça quando uma situação está inteiramente especificada só que de uma forma pouco “ortodoxa”. O exemplo “Mole and Heat Balance” (do Manual do HYSYS), mostra a passagem de uma corrente simples por dois arrefecedores (coolers) em série, sabendo a composição e a temperatura da corrente antes do primeiro arrefecedor e após o segundo arrefecedor, e desconhecendo a temperatura (ou caudal) na corrente intermédia. Conhece-se no entanto a energia envolvida nos dois arrefecedores, o que lhe dá informação suficiente para determinar o que se desconhece. O balanço é estabelecido de modo a que os dois arrefecedores sejam o sistema, o qual possui uma corrente material de entrada, uma corrente material de saída, e duas correntes de saída de energia. Note que quando implementa balanços, mesmo quando os caudais são negativos (compreende-se melhor este conceito quando está envolvida energia em vez de correntes materiais), escolha quais as correntes que são entradas e quais as correntes que são saídas a partir da direcção das setas de fluxo, para dentro ou para for a do sistema, no PDF do simulador de processos. Existem um total de cinco tipos diferentes de BALANCE disponíveis no simulador.

1. “MOLE AND HEAT BALANCE”: É o de utilização mais comum e é apropriado para calcular um parâmetro desconhecido com base no balanço de massa global e um parâmetro desconhecido com base no balanço de energia global. Não deve ser usado conjuntamente com um reactor uma vez que o balanço é efectuado numa base molar. O balanço de massa é conduzido e completado mesmo que o balanço de energia esteja subespecificado, ou pior sobreespecificado.


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2. “MOLE BALANCE”: Esta é outra forma de utilizar a operação BALANCE. O sistema para o qual se possuem entradas e saídas não necessita de fazer parte do processo. Pode-se usar o BALANCE para criar uma nova corrente com as características das correntes do processo.

3. “MASS BALANCE”: O manual do HYSYS menciona que esta operação é particularmente apropriada para reactores não estequiométricos como as unidades de alquilação e hidrotratamento. As composições de todas as correntes devem ser especificadas e todos os caudais menos um. Tenha presente que os únicos parâmetros que este balanço processa são os caudais mássicos. Note que não existe nenhuma ordem do balanço elementar. Pode-se ter cinco correntes de azoto puro como entradas e uma corrente de CO2 como saída, e o simulador erradamente passa a soma dos caudais mássicos de azoto para CO2. Portanto, tenha muito cuidado ao utilizar este operador.

4. “HEAT BALANCE”: O nome diz tudo, faz balanços de energia.

5. “GENERAL BALANCE”: Este é o melhor. Além de efectuar balanços aos componentes individuais, e portando desta forma sendo capaz de resolver uma grande variedade de problemas, pode-se especificar razões (“ratios”) entre componentes numa corrente (infelizmente não entre correntes). Também pode processar caudais de entrada para alguns dos componentes mas deixando a composição vazia (“<empty>”). Veja o pequeno exemplo que apresentamos neste Módulo (Capítulo 3) e perceberá o que queremos dizer. Tal como o “Mole and Heat Balance”, o balanço material é conduzido independentemente do balanço de energia e será concluído mesmo se o balanço de energia estiver subespecificado (ou pior, sobreespecificado). Um aviso, qualquer dos balanços podem surpreendê-lo tornando os outros balanços sobreespecificados, se não estiver atento a essa possibilidade quando introduz os valores.

1.4. A Operação RECYCLE Use esta operação sempre que necessite introduzir uma corrente de reciclo. O bloco lógico liga duas correntes na rede de reciclo (lembre-se que o RECYCLE não necessita estar na corrente de reciclo propriamente dita, mas em vez disso deve estar no melhor local do “loop” em questões de convergência numérica. Antes de introduzir o RECYCLE o “flowsheet” deve estar completo, isto significa que devem existir valores para ambas as correntes, a corrente “assumida” (“product stream”) e a corrente “calculada” (“feed stream”). Uma vez introduzido o RECYCLE e em funcionamento, o simulador compara os dois valores, ajusta a corrente “assumida” e recalcula de novo o “flowsheet”. Este processo é repetido até que as duas correntes (feed stream e product stream) coincidam dentro de uma tolerância especificada. Esta tolerância é indicada na página Parameters. Existem tolerâncias independentes para a fracção de vapor, temperatura, pressão, caudal, entalpia e composição. As tolerâncias que introduzir não são absolutas, na realidade são multiplicadores para as tolerâncias internas de convergência do simulador. Por exemplo, o valor interno para a tolerância da temperatura é 0,01 e assim, um multiplicador de dez significa que as duas correntes devem estar com temperaturas dentro de um décimo de grau de diferença. Se estiver a usar unidades SI, a diferença nas temperaturas das correntes de reciclo, “assumida” e “calculada”, não pode exceder 0,1ºC. Na página Numerical, entre outros parâmetros, pode definir o RECYCLE como “Nested” (a operação é invocada sempre que seja encontrada no “flowsheet”), ou como “Simultaneous”



(todos os RECYCLE são invocados ao mesmo tempo). Aconselha-se o uso preferencial da opção “Simultaneous” quando existirem múltiplos reciclos interligados. Existem muitas outras particularidades desta operação. Veja o Manual do HYSYS, para mais informações sobre as opções disponíveis assim como dois excelentes exemplos que incluem estratégias de redução do número de reciclos e tempo de convergência. 2. Exemplo de Aplicação da Unidade SET Neste exemplo vamos mostrar duas formas diferentes de resolver o mesmo problema. Comecemos por definir o problema. É necessário misturar uma corrente de gás natural (CH4, C2H6, C3H8, i-C4H10, n-C4H10 e N2) com vapor de água (H2O) antes de a enviar para “reforming” onde reagirão para produzir CO e CO2. Não se pode simplesmente misturar as correntes em qualquer proporção. Através da estequiometria das reacções poderemos sugerir a utilização de uma razão C/H2O de 1:1, mas nestas condições existe a possibilidade de ocorrerem reacções paralelas de formação de carbono (coke), entupindo o reactor. Para evitar (minimizar) estas reacções é necessário manter pelo menos uma razão de 3:1, vapor para carbono (isto é, por cada átomo de carbono que entra no reactor devem existir 3 moléculas de água). O valor da corrente de vapor deverá ser recalculado sempre que varie o valor da corrente de gás natural. Existem algumas formas fáceis de instruir o simulador a efectuar este cálculo automaticamente e manter a razão constante. Comecemos por implementar a resolução, iniciando um novo caso e seleccionando o “Fluid Package” no “Simulation Basis Manager”. Escolha por exemplo a equação de Peng-Robinson para a estimativa das propriedades termodinâmicas das espécies químicas. Na página “Components” adicione as sete espécies (água, metano, etano, propano, i-butano, n-butano e azoto). Feche a janela para entrar no “Simulation Environment”. Crie uma corrente de matéria no PFD e dê-lhe a designação de “Metano”. Como o nome sugere vamos começar por assumir que a corrente de gás natural é exclusivamente composta por metano (CH4). Defina a corrente como mostram as duas figuras seguintes, introduzindo o valor da temperatura, pressão, caudal e composição. Na realidade os valores absolutos da temperatura e da pressão não são relevantes para este exemplo, e a definição de um caudal molar de 1, seja qual for o sistema de unidades, pode facilitar a análise dos resultados.



Agora crie uma corrente denominada “Vapor”. Defina-a com uma fracção de vapor unitária (corrente completamente no estado gasoso), e uma pressão arbitrária (sugere-se a utilização de uma pressão, pelo menos, igual à da corrente “Metano”). Defina a composição desta corrente como sendo exclusivamente água. Não introduza valores para a temperatura nem para o caudal. Misture as duas correntes (“Metano” e “Vapor”) num misturador de correntes (Mixer, MIX-100) e crie uma corrente Mistura de saída da unidade. Coloque a função lógica SET no PFD entre as duas correntes. Carregue na tecla <Ctrl> para entrar em “Connect Mode” e coloque o cursor sobre os dois pontos de ligação no ícone do SET. Um deve ficar o “Target Object” e o outro o “Source Object”. Uma vez que vamos usar a informação da corrente de metano para definir as propriedades da corrente de vapor, a corrente Metano será a “source” e a corrente Vapor será a “target”. (Por default, as linhas verdes indicam ligações lógicas, assim como as azuis correntes materiais e as vermelhas correntes de energia). Quando ligar o “target” à unidade SET, aparece uma janela que lhe permite escolher a variável de controlo da função lógica. Para este exemplo escolha “Molar Flow”, pois pretendemos ajustar o caudal molar da corrente Vapor de modo a que a razão C/H2O seja 1:3.

A unidade SET deve apresentar ainda uma barra vermelha “Unknown Parameters”, porque não foi introduzido o valor do “multiplier”, o que é feito na página “Parameters”. Coloque um “offset” igual a zero (ordenada na origem) e um “multiplier” igual a três (declive). Pretendemos três vezes mais vapor do que metano, portanto o multiplier é 3, e não necessitamos de “offset” portanto o seu valor será 0. Se alterarmos o caudal da corrente Metano para 2 (kmol/h), então o caudal da corrente Vapor automaticamente muda para 6 (kmol/h).



Crie uma corrente denominada “Vapor-2” e defina-a exactamente da mesma forma como fez para a corrente “Vapor”, deixando vazio (“empty”) o campo do caudal molar. Tente utilizar a função “Define from Other Stream ...”. Crie também uma corrente de “Gás Natural” como indicada nas imagens seguintes.

A composição desta corrente é mais representativa de uma corrente de gás natural. Neste caso, para que a razão C/H2O seja de 1:3, necessitamos de uma corrente de vapor de água cujo multiplicador do caudal seja aplicado ao caudal de metano mais duas vezes o caudal de etano, mais três vezes o caudal de propano, etc. Desta forma o multiplicador será dado pela seguinte expressão:

3 × (0,5 + 2 × 0,3 + 3 ×0,05 + 4 × 0,025 + 4 × 0,025) = 4,35

Assim, a utilização de um SET para ajustar o caudal da corrente Vapor-2 relativamente à corrente Gás Natural, deverá possuir um multiplier igual a 4,35 e um off-set nulo, para que a razão C/H2O seja 1:3 na corrente Mistura-2. Neste exemplo vamos assumir que tanto o caudal como a composição da corrente Gás Natural podem variar, e uma variação na composição faz variar o multiplier do Set. Vamos resolver este problema usando o operador “Spreadsheet” (folha de cálculo).

Comece por piscar no ícone “Spreadsheet” do “Object Palette” e coloca-lo no PFD. Abra a “Property Window” e na página “Connections” vamos importar as variáveis com as quais queremos trabalhar (caudais molares das espécies químicas na corrente de gás natural). Carregue no botão “Add Import” e introduza as selecções indicadas na figura anterior. Importe os caudais dos restantes componentes da corrente Gás Natural. Quando terminar mude todas as células A para B como se indica na imagem anterior.



Agora mude para a página “Spreadsheet” e escreva o texto indicado na imagem seguinte. O próximo passo é introduzir as expressões de cálculo. No Microsoft Exel® começamos a introdução das fórmulas com o sinal de igual (“=”), aqui começamos com o sinal de mais (“+”). Nas células C2 até C6 introduza respectivamente, +B2, +2*B3, +3*B4, +4*B5 e +4*B6. Na célula B8, escreva “Total Carbon Flow” e na B9 “Steam Flow”. Na C8, escreva a fórmula +C2+C3+C4+C5+C6. Na célula C9 escreva +3*C8.

Volte para a página “Connections”. Carregue no botão “Add Export”. Seleccione como objecto a corrente “Vapor-2” e como variável o “Molar Flow”. Mude a célula de correspondência para C9 de modo a coincidir exactamente com a que queremos exportar. Assim, a corrente Vapor-2 tem agora o caudal de 4,35 kmol/h como era esperado. Tente alterar o caudal, ou a fracção molar de cada componente, da corrente Gás Natural, e veja as alterações que produz na corrente Vapor-2.

É possível desenvolver na “Spreadsheet” expressões muito mais complexas. Para ter uma ideia das opções disponíveis, veja a janela que aparece quando carrega no botão “Function Help” da “Spreadsheet”.



3. Exemplo de Aplicação do GENERAL BALANCE Neste exemplo mostra-se uma aplicação simples da função lógica “General Balance”. Comece por criar um novo ficheiro do HYSYS. Seleccione, por exemplo, a equação GCEOS para o “Property Package” e escolha para componentes, por exemplo, os três primeiros compostos da lista da base de dados (metano, etano e propano). Entre no “Simulation Environment”. Supondo que se possui uma corrente (corrente 1) composta por uma mistura de metano (70 %), etano (20 %) e propano (10 %), e se pretende formular um combustível gasoso em que a quantidade de metano seja 10 vezes superior à de propano (corrente 3), será por isso necessário adicionar-lhe metano puro (corrente 2). A unidade lógica Balance efectua facilmente este cálculo, determinando a quantidade de metano puro necessário para produzir a mistura pretendida. Comece por colocar três correntes materiais e a unidade lógica BALANCE no PFD. Atribua às correntes 1 e 2 uma temperatura de 20ºC e uma pressão de 1 atm (não têm grande interesse os valores absolutos destes parâmetros, só servindo para evitar regiões de comportamento estranho das espécies químicas). Defina a corrente 1 como constituída por 1 kmol/h da mistura de metano, etano e propano, e a corrente 2 por metano puro.

No BALANCE ligue as correntes 1 e 2 como entradas (“inlets”) e a corrente 3 como saída (“outlet”), lembre-se que carregando na tecla <Ctrl> entra em “Connect Mode”.

Agora abra a página “Parameters” do BALANCE e escolha GENERAL para o tipo de balanço. Introduza a especificação da razão molar metano/propano referente à corrente 3. Verifique se os valores calculados pelo simulador estão de acordo com o pretendido. Altere o caudal da corrente 1 e veja que o caudal da corrente 2 é automaticamente ajustado, mantendo a proporção pretendida na corrente 3. Tente igualmente mudar a composição da corrente 1.



4. Exemplo de Aplicação da Unidade ADJUST Para exemplificar a aplicação da unidade lógica ADJUST iremos utilizar uma mistura etanol/água num sistema de separação flash. Comece por criar um novo caso, adicionando as espécies químicas envolvidas no processo (etanol e água), e seleccionando o fluid package apropriado, por exemplo UNIQUAC. No PFD crie uma corrente constituída por uma mistura equimolar de água e etanol, com um caudal de 10 kmol/h a uma pressão de 1 atm. Em misturas (líquidas ou gasosas) a uma dada pressão, as temperaturas de condensação e de ebulição muitas vezes não coincidem. Na corrente que acabou de criar, ao definir uma fracção de vapor nula (igual a zero), significa que toda a mistura está totalmente no estado líquido e o simulador calcula a temperatura correspondente à ebulição. De modo idêntico, a temperatura de condensação da mistura pode ser determinada atribuindo à corrente uma fracção de vapor unitária. Remova a especificação de fracção de vapor e atribua à corrente uma temperatura entre a condensação e a ebulição. A fracção de vapor assumirá um valor intermédio entre 0 e 1.

Pressão, atm T(ebulição), °C T(condensação), °C

1 79,75 84,36 2 3 4

Carregue na tecla F12 para introduzir no PFD um separator. Na janela de propriedades da unidade, indique a corrente que criou como Inlet e crie duas novas correntes para as saídas (Outlet) de líquido e vapor. Com esta unidade de separação flash pretende-se vaporizar parcialmente a alimentação para obter uma corrente mais concentrada em etanol (vapor). A maior concentração em etanol é obtida para valores próximos da temperatura de ebulição, com percentagens molares ligeiramente superiores a 65 %, mas com caudais mais baixos. Suponha que pretendíamos obter uma mistura com 60 % de etanol (e 40 % de água). Poderíamos alterar manualmente a temperatura da corrente de alimentação (entre os valores das temperaturas de ebulição e de condensação), até que a corrente de vapor à saída do flash possuísse uma percentagem de 60 % de etanol. A unidade lógica ADJUST faz isto automaticamente. Introduza o ADJUST no PFD, definindo como “Adjusted Variable” a temperatura da corrente de entrada (corrente 1) e como “Target Variable” a fracção molar de etanol na corrente de vapor à saída (corrente 2). Pretendendo-se para o “Specified Target Value” uma fracção molar de etanol igual a 0,6 este valor deve ser introduzido no campo correspondente.



Na pasta Parameters da unidade ADJUST, define-se o método de cálculo (Secant ou Broyden), a tolerância (desvio absoluto máximo relativamente ao valor pretendido), o Step Size (passo de variação da “Adjusted Variable”), os limites de pesquisa (máximo e mínimo, que neste caso deverão ser as temperaturas de ebulição e condensação) e o número máximo de iterações (em geral deverá atribuir-se um valor elevado, de algumas centenas ou mesmo milhares).

NOTA: É possível visualizar o diagrama de fases para qualquer corrente material usando a Envelope Utility do HYSYS. Na janela de propriedades de uma corrente (material), na pasta Attachments/Utilities, pode-se criar (botão Create) um Envelope de entre a lista das Available Utilities. Os valores podem então ser visualizados na forma gráfica ou em tabela.



5. Exemplos de Aplicação da Unidade RECYCLE De todas as unidades lógicas, a RECYCLE é a mais amplamente utilizada na generalidade dos processos. Este facto deve-se à necessidade de recircular correntes de modo a reaproveitar matéria prima ou produto que não puderam ser processados em condições adequadas, uma vez que eficiências de 100% são fisicamente impossíveis em algumas unidades. A operação RECYCLE é uma unidade matemática. Possui uma corrente de entrada (calculada) e uma corrente de saída (assumida). O RECYCLE instala um bloco lógico numa corrente do processo, desenvolvendo-se os seguintes passos durante o processo de convergência numérica:

1. Utilização das condições da corrente assumida (saída do RECYCLE) no cálculo do flowsheet até à corrente calculada (entrada do RECYCLE).

2. Comparação dos valores das correntes assumida e calculada (saída e entrada no RECYCLE, respectivamente).

3. Com base na diferença entre esses valores, o HYSYS modifica os valores da corrente calculada e copia-os para a corrente assumida.

4. O processo de cálculo decorre de forma iterativa até que os valores da corrente calculada correspondam aos da corrente assumida, dentro das tolerâncias especificadas para cada parâmetro.

A página Worksheet do RECYCLE mostra informação sobre as correntes de entrada e de saída. Numa situação de convergência numérica, estas correntes de entrada e saída devem assumir os mesmos valores para todos os parâmetros. O processo de convergência numérico pode ser regulado na página Parameters/Numerical. Esta página contém opções para os dois tipos de reciclo, Nested e Simultaneous, mostrando parâmetros reguláveis (número máximo de iterações, método de aceleração da convergência, etc.). O reciclo do tipo Nested deve ser preferencialmente usado quando se possui um reciclo único no processo ou quando múltiplos reciclos não estão ligados entre sí. O reciclo do tipo Simultaneous deve ser usado quando no processo existem múltiplos reciclos interligados. 5.1. Separação da Mistura Etanol/Água Aproveitando o caso construído anteriormente para exemplificar o funcionamento da unidade ADJUST, iremos efectuar algumas alterações que possibilitem a introdução da unidade RECYCLE. A unidade lógica RECYCLE deverá ser introduzida sempre que existam no processo sequências de correntes que formem um ciclo fechado, como por exemplo correntes de recirculação de matéria. A localização do RECYCLE no ciclo é arbitrária, no entanto esta deve ser seleccionada tendo em consideração a rapidez de convergência do processo iterativo, os erros introduzidos nos cálculos e as características específicas das operações unitárias na sua vizinhança. Neste exemplo, pretende-se tornar mais eficiente a operação de obtenção de uma corrente com 60 % de etanol (e 40 % de água). Isto pode ser conseguido pela introdução de um segundo separador (V-101) que reaproveite parte do etanol arrastado na corrente líquida do primeiro flash (corrente 3).



Comece por alterar o flowsheet de acordo com o esquema apresentado na figura seguinte. Para iniciar os cálculos copie para a corrente 4* (carregando no botão “Define from other stream”) toda a informação contida na corrente 1.

Introduza uma segunda unidade lógica ADJUST (ADJ-2) a qual irá regular a temperatura de funcionamento do segundo flash (V-101) por ajuste da temperatura da corrente 4, até que a fracção de etanol nesta corrente seja igual a 0,5.

A unidade RECYCLE efectua exclusivamente a transposição dos valores existentes na corrente de entrada (corrente 4) para a corrente de saída (corrente 4*) e a sua comparação com critérios de convergência. Esta operação lógica permite ao simulador iniciar os cálculos com valores arbitrários existentes na corrente 4*, resolver numericamente o processo e determinar os parâmetros da corrente de reciclo (corrente 4), os quais poderão ser diferentes dos assumidos inicialmente na corrente 4*. Para cada iteração, os valores da corrente 4* são comparados com os produzidos para a corrente 4 (após o cálculo do flowsheet), e quando a diferença entre eles for inferior a um critério de paragem especificado, o processo é considerado convergido.



Tendo obtido convergência utilizando os critérios de convergência de default da unidade RECYCLE, verifique os valores assumidos pelos caudais molares das correntes 4 (2,766 kmol/h) e 4* (2,739 kmol/h). Embora próximos os valores não são iguais. Poderemos forçar a aproximação entre eles diminuindo o parâmetro de sensibilidade (sensivity) para o caudal (flow), por exemplo para 1 (o default é 10). Embora ainda não sejam iguais, os valores dos caudais das correntes 4 e 4* já são mais próximos. Poderemos apertar ainda mais o critério de convergência (por exemplo para 0,1), não só para o caudal mas para todos os parâmetros característicos das correntes (fracção de vapor, temperatura, pressão, entalpia, composição e entropia).

Repare que o caudal da corrente 2 passou de aproximadamente 6,1 kmol/h (situação com um único separador) para 7,8 kmol/h (situação com dois separadores). Isto representa um acréscimo de eficiência no processo de 27,9 %. Maiores eficiências poderiam ser conseguidas pela introdução de um terceiro separador. 5.2. Estação de Compressão de Gases Uma corrente de gasosa entra numa estação de compressão a 40°C e 1 725 kPa (17,02 atm). A estação deverá processar a compressão do gás em dois estágios até 7 500 kPa (74,02 atm), igualmente a 40°C. Cada estágio consiste num reservatório separador de fases, num compressor e num arrefecedor. A fase líquida recolhida em cada separador é, após despressurização, recirculada à entrada do estágio anterior.

Na simulação do processo utilize a equação de estado Peng-Robinson na previsão das propriedades das espécies químicas (azoto, dióxido de carbono, metano, etano, propano, i-butano, n-butano, i-pentano, n-pentano e hexano). No quadro seguinte apresenta-se a composição



da corrente de alimentação fresca (Corrente A) a qual entra no processo a 40°C e 1 725 kPa, com um caudal de 7 500 kmol/h.

COMPONENTE FRACÇÃO MOLAR COMPONENTE FRACÇÃO MOLAR

N2 0,0075 i-C4 0,0652 CO2 0,0147 n-C4 0,0578 C1 0,5069 i-C5 0,0515 C2 0,1451 n-C5 0,0431 C3 0,0725 C6 0,0357

Para os compressores, defina uma eficiência adiabática de 75%. Atribua uma pressão de 3 450 kPa (34,05 atm) na corrente de saída do Compressor-1 (Corrente D) e uma pressão de 7 500 kPa (74,02 atm) na corrente de saída do Compressor-2 (Corrente H). Os arrefecedores (Coolers) possuem queda de pressão desprezável (0 kPa na pasta Parameters) e arrefecem o fluido até 40°C (Correntes E e I). As válvulas redutoras de pressão (Válvula-1 e Válvula-2) despressurizam a Corrente L até 1 725 kPa (Corrente M) e a Corrente J até 3 450 kPa (Corrente K). Em alternativa, sugere-se a introdução de unidades lógicas SET para definir a pressão da Corrente M igual à da Corrente A, e da Corrente K igual à da Corrente E.

Coloque as duas unidades lógicas RECYCLE a funcionar no tipo Nested com aceleração da convergência Wegstein (pasta Parameters/Numerical).



Com base nos resultados produzidos pelo simulador, responda às seguintes questões: 1. Qual a quantidade de gases pressurizados produzidos na estação?

Corrente Out-1 Out-2

Caudal (kmol/h) 2. Qual a composição das correntes de saída da estação?

Espécie Química

Corrente Out-1 (fracção molar)

Corrente Out-2 (fracção molar)

N2 CO2 C1 C2 C3

i-C4 n-C4 i-C5 n-C5 C6

2. Qual o consumo energético (kW) da estação?

Tipo de Energia

Compressor-1 (corrente W1)

Compressor-2(corrente W2)

Arrefecedor-1(corrente E1)

Arrefecedor-2 (corrente E2)

TOTAL (kW)

Compressão — —

Arrefecimento — —

3. De modo a minimizar os erros numéricos do cálculo iterativo, nas duas unidades lógicas

RECYCLE (RCY-1 e RCY-2), deve alterar-se as tolerâncias de convergência (Parameters/Variables) de todos os parâmetros. Reduza as tolerâncias até que o valor dos parâmetros das correntes de entrada e saída dos reciclos (pasta Worksheet) sejam iguais. Nesta situação compare os resultados com os recolhidos anteriormente nas duas questões anteriores.



6. Exemplo de Utilização do Databook O databook é uma importante aplicação, disponível no simulador, que permite avaliar o comportamento dos flowsheets por variação de um parâmetro ajustável do processo e acompanhamento dos valores assumidos por outros parâmetros relacionados. Grave com outro nome (por exemplo, Modulo-2-A.hsc) o ficheiro que usou para o estudo da unidade lógica RECYCLE. Neste exemplo, vamos analisar a influência do fluxo de energia (corrente Energy) aplicado ao segundo separador (V-101), no caudal da corrente 2. Para que o fluxo de energia da corrente Energy seja um parâmetro ajustável do processo é necessário desligar a função ADJ-2 (opção ignored activada) e retirar o valor de temperatura da corrente 4. A aplicação databook é invocada no menu Tools/DataBook, entrando-se na página de introdução de variáveis. Como o que se pretende é variar o fluxo de energia da corrente Energy (variável independente) e quantificar o caudal da corrente 2 (variável dependente), estas duas variáveis devem ser introduzidas.

Na pasta Case Studies do databook, criar um case study (carregando no botão Add) e definir as variáveis introduzidas como independente (energia) e dependente (caudal). Carregando no botão View acede-se a uma janela de definições do case study que se criou onde é necessário indicar a gama de valores de energia que se pretende estudar (Low bound e High bound) assim como o passo de integração (Step size). Introduza os valores indicados nas figuras anteriores. Carregando no botão Start inicia-se o processo de cálculo onde o simulador vai, de forma sequencial, introduzir automaticamente valores de energia na corrente Energy (variável independente), começando pelo limite inferior (low bound), e registar os valores assumidos pelo caudal da corrente 2 (variável dependente). Os resultados ficam disponíveis em forma de tabela e de gráfico, os quais podem ser observados depois de piscar no botão Results.

Os resultados obtidos indicam uma dependência directa entre o fluxo de energia e o caudal da corrente de produto (corrente 2). Esta relação é justificada pelo facto de uma maior quantidade de energia fornecida ao separador V-101 corresponder a uma maior temperatura de



funcionamento e portanto a uma maior quantidade de etanol vaporizado. No entanto, note-se que a relação não é linear pois à medida que nos aproximamos da temperatura de ebulição da água, a quantidade desta substância que se vaporiza é cada vez maior, e a fracção de energia usada nesta mudança de fase não é energia “útil” para o processo. Poderemos verificar esta variação (aumento da quantidade de água vaporizada no segundo separador), se introduzirmos no databook a variável (dependente) fracção molar de água na corrente 4 e a activarmos no case study.

Como exercício, tente relacionar a quantidade de energia consumida no segundo separador (corrente Energy) com o caudal molar de etanol que sai na corrente 5 (perdas do processo).

(módulo 2) unidades de operações...

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