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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Minicurso de Simulador EMSO
Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)
rodolfo@unipampa.edu.br
Jornada Acadêmica de Engenharia QuímicaIFRS, Campus Feliz, Rio Grande do Sul
23 de setembro de 2019
Rodolfo Rodrigues JAEQ, IFRS
Minicurso de EMSO 1
Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Instrutor do Minicurso
Rodolfo Rodrigues, Prof.
Graduação (UFSM), Mestrado e Doutorado (UFRGS) emEngenharia Química;Professor Adjunto da UNIPAMPA desde 2012;Docente dos cursos de
Graduação em Engenharia Química;Especialização em Modelagem Computacional;
Pesquisador do Grupo de Pesquisa em Energia eCarboquímica (GPEC).
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Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)
A Universidade Federal do Pampa:• Criação em 2006;• 10 campi espalhados no pampa;• 15 mil alunos (13,5 mil grad + 1,5 mil pós);• 64 cursos grad + 48 pós;
O Campus Bagé:• 1,9 mil alunos;• 165 professores e 76 técnicos;• 6 licenciaturas e 5 engenharias;• 2 especializações e 5 mestrados;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Conteúdo Programático
1 Parte I: IntroduçãoSimuladores de ProcessosSimulador EMSOLinguagem de ModelagemExemplo 1: Tanque de Nível
2 Parte II: Biblioteca de ModelosCorrente e EquipamentosPacote TermodinâmicoExemplo 2: Separação de AmôniaDocumentação e Referências
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Parte I: Introdução
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simuladores de Processos
Ciências Básicas
Fundamentos
Engenharia de Equipamentos
Engenharia de Processos
Figura 1: Esquema dos conhecimentos envolvidos na área de Engenharia deProcessos dentro do curso de Engenharia Química.
Fonte: adaptado de Perlingeiro (2005).
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simuladores de Processos
Figura 2: Fluxograma de processo (PFD) de produção de ácido nítrico.Fonte: Northwestern University Chemical Process Design Open Textbook (2019).
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Simuladores de Processos
Engenharia de Processos
PERLINGEIRO, C. A. G. Engenharia deprocessos: análise, simulação, otimização esíntese de processos químicos. São Paulo:Edgar Blucher, 2005.
Conteúdo do livro:• Análise de processos;• Simulação de processos;• Otimização de processos;• Síntese de processos;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simuladores de Processos
A aplicação de ferramentas computacionais emEngenharia de Processos é chamada de CAPE(Computer-Aided Process Engineering);Destacam-se os flowsheeting softwares que sãochamados de 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 (material e deenergia).
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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;Modelos são escritos em uma linguagem de modelagem;Sistema orientado a equações;Suporte a simulações estacionárias e dinâmicas.Projeto ALSOC (2005–2010) investiu cerca de R$ 2milhões 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 demodelos matemáticos, disponibilizando-os para rotinas decálculo externas atuarem sob os mesmos.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simulador EMSO: Recursos
Linguagem de descrição de modelos voltadas àobjetos;Interpretador de linguagem;Sistemas de plug-in’s e solvers externos;Avaliação da consistência de unidades dimensionais;Avaliação dos graus de liberdade do sistema deequações;Resolução de problema de índice diferencial;Detecção de eventos;Linearização de modelos em espaço de estado;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simulador EMSO: Recursos
Biblioteca de modelos aberta e personalizável;Motor de cálculo com suporte à álgebra esparsa ediferenciação automática;Modelagem por diagrama de blocos;Exportação de resultados para MS Excel /LibreOfficeCalc, MATLAB/Octave e Scilab;Sistema de documentação automática dos modelos;Pacote termodinâmico e base de propriedades deespécies químicas.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simulador EMSO: Módulos Disponíveis
Simulação estacionária e dinâmica (NLA e DAE);Otimização NLP e MINLP;Estimação de parâmetros estacionária 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;Simulação de sistemas distribuidos (PDE);
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Linguagem de Modelagem
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 conjunto deespecificações;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
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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Linguagem de Modelagem
Conceitos Básicos
Um fluxograma de processo é representado por umFlowSheet e constituído por um conjunto de DEVICES(equipamentos);A descrição matemática de cada DEVICES é representadapor um Model (modelo);Um Model abrange as seções:
PARAMETERS: constantes,VARIABLES: variáveis eEQUATIONS: equações.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Linguagem de Modelagem
Conceitos Básicos
Um FlowSheet é a única entidade “simulável” e podeconter (além das seções anteriores):
CONNECTIONS: conexões entre equipamentos,SET: valores de constantes,SPECIFY: especificações de variáveis,INITIAL: condições iniciais eOPTIONS: tempo inicial, final e passo para simulação alémde outras opções.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Linguagem de Modelagem: Model
using "types";
Model nomePARAMETERS# Lista de constantes
VARIABLES# Lista de variaveis
EQUATIONS# Equacoes do modelo
end
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Linguagem de Modelagem: FlowSheet
FlowSheet nomeDEVICES# Lista de equipamentos
CONNECTIONS# Conexao entre equipamentos
SET# Valores de parametros
SPECIFY# Especificacoes de variaveis
INITIAL# Condicoes iniciais
OPTIONS# Tempo de simulacao e outras opcoes
end
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Minicurso de EMSO 21
Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 1: Descrição do Problema
Considere um tanque de nível com líquido e uma áreatransversal constante:
Uma válvula determina a vazão de saída do líquido.
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Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 1: Modelagem Matemática
Variáveis: Fin, Fout, h e V ;Constantes: A e k ;Equações:
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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Minicurso de EMSO 23
Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 1: Descrição do Problema
Dados:Fin = 150 L/min, A = 3 m2, k = 0,01 m2,5/s, hinicial = 100 cm
Determinar:a A dinâmica da altura do nível de líquido para 15 min de
operação (use: ∆t = 30 s).b A altura do nível de líquido no estado estacionário.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 2: Descrição do Problema
Considere um conjunto de 3 tanques de nível econectados em série:
Os tanques pode ser considerados idênticos.
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Minicurso de EMSO 25
Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 2: Descrição do Problema
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 de
operação dos 3 tanques (use: ∆t = 30 s).b As alturas do nível de líquido no estado estacionário para
cada tanque.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Parte II: Biblioteca de Modelos
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Tipos de variáveis (eml/types.mso);Descrição;Unidades de medida fundamentais (S.I.) e derivadas;Unidade de medida padrão;Valores inferior, superior e padrão;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Modelos de correntes (eml/streams.mso):Modelo básico de corrente material: stream;
No de componentes: NCompVazão molar: FTemperatura: T
Pressão: PEntalpia molar: h
Fração vaporizada: vFração molar: z(NComp)
Modelos de correntes limites (material ou de energia):• Fonte: source• Sumidouro: sink
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Modelos de equipamentos (eml/):Trocadores de calor: heat_exchangers;Misturadores e divisores de correntes:mixers_splitters;Máquinas de fluido: pressure_changers;Reatores químicos: reactors;Separação por estágios: stage_separators;Controladores: controllers;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Exemplos de uso dos modelos de equipamentos edemais recursos (eml/sample/):
Trocadores de calor: heat_exchangers;Misturadores e divisores de correntes:mixers_splitters;Máquinas de fluido: pressure_changers;Reatores químicos: reactors;Separação por estágios: stage_separators;Controladores: controllers;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Exemplos de uso dos modelos de equipamentos edemais recursos (eml/sample/):
Análise de sensibilidade: sensitivity;Estudo de caso: case_study;Estimação de parâmetros: estimation;Otimização: optimization;Processos com 2 ou + equipamentos usando, ou não, ainterface de diagrama de blocos: processes eMiscelânea de exemplos: miscellaneous.
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Pacote Termodinâmico
VRTherm: Plug-In PP
Configuração do pacote termodinâmico:
Tipo: PP (Physical Properties)Componentes: Lista de componentes
(Nome conforme base de dados)Modelo para vapor: Ideal, RK, SRK, SRK-CPA, ASRK,
PR, PR-CPA, APR ou GERG(2008)Modelo para líquido: IdealLiquid, RK, SRK,
SRK-CPA, ASRK, PR, PR-CPA,APR, GERG(2008), UNIFAC,Wilson, F-SAC, NRTL ouUNIQUAC.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 2: Separação de Amônia
M101
S2V101
S3
NH3
S101
R1 Purge
S1
Q1
R1
Figura 3: Processo de separação simples, com reciclo, de uma corrente de amônia.
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Minicurso de EMSO 34
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Exemplo 2: Separação de Amônia
Descrição do Problema
Considere uma corrente inicial de 7 000 kmol/h, 775 K,275 bar e composição de 42 mol% H2, 16 mol% N2,10 mol% CH4 e 32 mol% NH3;Esta corrente sofre redução de temperatura e pressão emum vaso separador gás-líquido (vaso flash) para 300 K e175 bar;É obtida uma corrente líquida rica em amônia e umacorrente gasosa que é enviada para reciclo;1% da corrente gasosa é descartada (purga);
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Exemplo 2: Separação de Amônia
Descrição do Problema
Determinar:a A composição de amônia na corrente final;b A composição de amônia na corrente de purga;
Utilize o pacote termodinâmico de Peng-Robinson.
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Exemplo 2: Separação de Amônia
using "mixers_splitters/mixer";using "mixers_splitters/splitter";using "stage_separators/flash";
FlowSheet separacao_amoniaPARAMETERSPP as Plugin(Type = "PP",
Components = ["hydrogen","nitrogen","methane","ammonia"],LiquidModel = "PR",VapourModel = "PR");
NComp as Integer;
SETNComp = PP.NumberOfComponents;
DEVICES# Lista de equipamentos
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Documentação do EMSO
Disponível no disco local (offline):1 doc/EMSOManual.pdf:
Manual de usuário do EMSO;2 vrtherm/doc/Manual.pdf:
Manual de usuário do VRTherm (pacote termodinâmico);3 doc/EMLDoc/index.html:
Documentação da biblioteca de modelos do EMSO (EML);4 doc/EMSOQuickRef.pdf:
Guia rápido de uso do EMSO;5 doc/EMSOQuickRefTherm.pdf:
Guia rápido de uso do VRTherm;6 doc/EMSO_OPC_Manual.pdf:
Manual de usuário da interface EMSO-OPC;
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Documentação do EMSO
Disponível online URL :Cursos e minicursos;Manuais;Documentação da EML;
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Referências Relacionadas
Referências Básicas:
SOARES, R. P.; SECCHI, A. R. EMSO: a new environment formodelling, simulation and optimization. Computer Aided ChemicalEngineering, v. 14, p. 947–952, 2003. DOI
SOARES, R. P. Desenvolvimento de um simulador genérico deprocessos dinâmicos. Dissertação (Mestrado em EngenhariaQuímica) - UFRGS. Porto Alegre, 2003. URL
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Referências Relacionadas
Aplicações Didáticas:
RODRIGUES, R.; SOARES, R. P.; SECCHI, A. R. Teaching chemicalreaction engineering using EMSO simulator. Computer Application inEngineering Education, v. 18, n. 4, p. 607-618, 2010. DOI
OSPINO, J.; SÁNCHEZ, M. E.; SECCHI, A. R. Implementation of ablock-oriented model library for undergraduate process control coursesin EMSO simulator. Education for Chemical Engineers, v. 18, p.45-57, 2017. DOI
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Referências Relacionadas
Otimização de Processos:
HENRIQUE, J. P.; SOUSA JUNIOR, R.; SECCHI, A. R.; RAVAGNANI,M. A. S. S.; COSTA, C. B. B. Optimization of chemical engineeringproblems with EMSO software. Computer Applications inEngineering Education, v. 26, n. 1, p. 141–161, 2018. DOI
CARPIO, R. R.; GIORDANO, R. C.; SECCHI, A. R. Optimization of anintegrated first- and second-generation ethanol production plant withfocus on hydrolysis parameters. Computer Aided ChemicalEngineering, v. 46, p. 241–246, 2019. DOI
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Referências Relacionadas
Processos de Separação:
PIRES, V. P.; ALMEIDA, R. N.; WAGNER, V. M.; LUCAS, A. M.;VARGAS, R. M. F.; CASSEL, E. Extraction process of the Achyroclinesatureioides (Lam) DC. essential oil by steam distillation: modeling,aromatic potential and fractionation. Journal of Essential OilResearch, v. 31, n. 4, p. 286–296, 2019. DOI
SARTOR, R. B. Modelagem, simulação e otimização de umaunidade industrial de extração de óleos essenciais por arraste avapor. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - UFRGS.Porto Alegre, 2009. URL
STAUDT, P. B. Modelagem e simulação dinâmica de colunas dedestilação. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - UFRGS.Porto Alegre, 2007. URL
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Referências Relacionadas
Trocadores de Calor:
ELIAS, A. M.; GIORDANO, R. C.; SECCHI, A. R.; FURLAN, F. F.Integrating pinch analysis and process simulation withinequation-oriented simulators. Computers & Chemical Engineering,v. 130, p. 1-8, 2019. DOI
BICCA, G. B. Modelagem hierárquica de trocadores de calor cascoe tubos. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - UFRGS.Porto Alegre, 2006. URL
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Referências Relacionadas
Reatores Químicos:
SILVA, J. I. S.; SECCHI, A. R. Model predictive control for production ofultra-low sulfur diesel in a hydrotreating process. Brazilian Journal ofChemical Engineering, v. 36, n. 1, p. 439–452, 2019. DOI
RODRIGUES, R. Modelagem e simulação de um gaseificador emleito fixo para o tratamento térmico de resíduos sólidos daindústria calçadista. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química)- UFRGS. Porto Alegre, 2008. URL
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Referências Relacionadas
Processos Biotecnológicos:
LONGATI, A. A. Implementação de unidade de processo parageração de energia empregando vinhaça e integração nabiorrefinaria de produção de etanol. Tese (Doutorado emEngenharia Química) - UFSCar. São Carlos, 2018. URL
DEMUNER, R. B.; MAIA, J. G. S. S.; SECCHI, A. R.; MELO, P. A.;CARMO, R. W.; GUSMÃO, G. S. Modeling of catalyst deactivation inbioethanol dehydration reactor. Industrial & Engineering ChemistryResearch, v. 58, n. 8, p. 2717–2726, 2019. DOI
FRÉ, N. C. Influência das condições de cultivo da microalgaDunaliella tertiolecta na produção de carotenoides e lipídios. Tese(Doutorado em Engenharia Química) - UFRGS. Porto Alegre, 2016.
URL
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Referências Relacionadas
Sistemas Particulados:
SILVA, L. A.; SECCHI, A. R. Desenvolvimento de uma biblioteca demodelos para simulação de processos envolvendo sólidos particuladoscom o simulador EMSO. In: COBEQ-IC, 13., 2019, Uberlândia, MG.Anais [...]. Uberlândia: UFU, 2019. PDF
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Contato
E-mail: rodolfo@unipampa.edu.brWebsite: http://rodolfo.chengineer.com
Obrigado pela atenção!
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