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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
Módulo I Módulo II
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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Módulo I Módulo II
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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Módulo I Módulo II
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 Módulo II
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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Módulo I Módulo II
Simuladores de Processos
Engenharia de Processos
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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Simuladores de Processos
Engenharia de Processos
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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Simuladores de Processos
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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Simuladores de Processos
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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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.
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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.
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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.
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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.
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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);
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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;
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Módulo I Módulo II
Linguagem de Modelagem
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
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Módulo I Módulo II
Linguagem de Modelagem
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.
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Módulo I Módulo II
Linguagem de Modelagem
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.
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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.
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Exemplo: Tanque de Nível
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)
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Exemplo: Tanque de Nível
Definição do Problema 1
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.
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Módulo I Módulo II
Exemplo: Tanque de Nível
Definição do Problema 2
Considere um conjunto de 3 tanques de nível e conectadosem série:
Os tanques pode ser considerados idênticos.
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Módulo I Módulo II
Exemplo: Tanque de Nível
Definição do Problema 2
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.
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Módulo I Módulo II
Módulo II: Biblioteca de Modelos
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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;
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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.
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Exercício: Planta 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);
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Módulo I Módulo II
Exercício: Planta de Amônia
Descrição do Processo
Obtenha a composição de amônia na corrente líquida quedeixa o vaso;
Utilize o pacote termodinâmico de Peng-Robinson.
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Contato
E-mail: [email protected]
Website: http://rodolfo.chengineer.com
Grato pela atenção!
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