Aulas_gPROMS

7/29/2019 Aulas_gPROMS

http://slidepdf.com/reader/full/aulasgproms 1/35

Modelagem eSimulação de

Processos

gPROMS ModelBuilder

DSc. MURILO TAVARES DE

LUNA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁCENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA



gPROMS Model Builder

gPROMS é uma plataforma para modelagem e simulaçãode processos

É usado em pesquisa e ensino em mais de 200instituições acadêmicas

Foi criada pelo Imperial College e depois desenvolvidopela Process Systems Enterprise Limited

Capacidade personalizada de implementação de modelos

Modelagem no estado estacionário e dinâmico no mesmo

ambiente

Modelagem de processos descontínuos e simulação de condiçõesoperacionais

Suporte para scale-up com o mínimo de informações

experimentais

• Principais Vantagens:



Princípios do gPROMS



Aplicações



Atividades Planejadas

1.Conhecer as ferramentas básicas e asintaxe-padrão

2.Implementar e resolver modelos de

processos

3.Testar consistência e corrigir erros

4.Visualizar e exportar as simulações

5.Estimar parâmetros de processos



Estudo de Caso #1

Tanque deEstocagem

Balanço de Massa:

Relação entre altura emassa:

Fluxo de saída:

K

Fluxo de entrada:

- Constante

-

Variável/Descontínuo



Estudo de Caso #2

Tanque deMistura

Modelo do Processo

x 1

f 1

x 2f 2

x

f

$V = (f1 + f2 - f)/Ro

$X = (f1*(X1-X) + f2*(X2-X))/(Ro*V)

V

Ro

Parâmetrosf1 := 2; # kg/min

f2 := 5; # kg/min

f := 5; # kg/min

X1 := 0.1;

X2 := 0.5;

Ro := 900; # kg/m3

Condições Iniciais

X = 0;

V = 2; # m3



Estudo de Caso #3

MisturaMulticomponente

Modelo do Processo

x i

f 1

x jf 2

x k

f

$V = (f1 + f2 - f)/Ro

$Xk = (f1*(Xi-Xk) + f2*(Xj-Xk))/(Ro*V)

V

Ro

Parâmetrosf1 := 2; # kg/min

f2 := 5; # kg/min

f := 5; # kg/min

Xi := [0.1,0.3,0.6];

Xj := [0.5,0.5,0];

Ro := 900; # kg/m3

Condições Iniciais

Xk = [0 , 0 , 0];

V = 2; # m3



Estudo de Caso #4

Reator CSTR Reação

x 1

f 1

x

f

aA + bB -> cC

V

Ro

Modelo do Processo

$C(i) = Fin*Cin(i) - Fout*C(i)+ Vol*Coef(i)*R(i)

Cinética da Reação

R(1) = k*C(1)Ôrdem(1)R(2) = k*C(2)Ôrdem(2)

R(3) = k*C(1)Ôrdem(1)*C(2)Ôrdem(2)

k = CArrh * EXP(-EA/RG/T)



Estudo de Caso #5

Processo de

SeparaçãoBatelada

Modelo do Processo



Estudo de Caso #5

Dados

Experimentais

gPROMS

t (min) C (g/L)

0

10

2030

40

50

60

70

80

kf Dp



Desenvolvimentosde processos:

Experimentos e

Simulações

DSc. MURILO TAVARES DE

LUNA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁCENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA



Desenvolvimento de Processos

ProcessoProcesso

MATÉRIAS-MATÉRIAS-PRIMASPRIMAS

MÃO-DE-MÃO-DE-OBRAOBRA

RECURSOSRECURSOS

PRODUTOPRODUTO

RESÍDUOSRESÍDUOS



• Carvões ativados e vários tipos

de sílica gel

Adsorvente de aplicaçõesindustriais há mais tempo:

São geralmente pouco cristalinos,e apresentam uma estrutura

porosa pouco regular Textura de um carvão ativado

Engenharia de Materiais



Adsorventes recentes:• Zeolitas (alumino silicatos)

Adsorvente com estruturascristalinas regular

Zeolitas• Argilas pilarizadas

Adsorvente com estruturas

mais organizadas que oscarvões e menos que aszeolitas

Engenharia de Materiais

http://www.hypotheticalzeolites.net/DATABASE/index.php



Carga

Propriedades

Físico-Químicas !!%S, %N, %A

Propriedades

Composição

Raios-X UV-Vis

Nitrogenados Totais

CromatografiaGasosa (FID/PFPD)

Pesquisas em Laboratório



0 0000 0000 0000 0000 000

0

000

0000

0000

0000

Experimental

Ajuste Linear

C P i r e n o

( p p

m )

Área

Cromatógrafo CP-3800

Detector de Ionização de Chama (FID)

Cromatografia Gasosa

Acompanhamento Analítico



Avaliação Preliminar

Isotermas de Equilíbrio de Adsorção

Análises

Adsorventes

Tipo

Quantidade

Temperatura

Agitação

Tempo decontato

Condições

Obtenção de Dados de Cinética e Equilíbrio em Batelada




)..(.. q M M C q M C M ads sol f adsi sol −+=

)0(

)(

f Ads

f iSol

C M

C C M

q −

−

=

e L

e L

m C K

C K

q

q

+= 0

*

Balanço de massa

Isoterma

Tratamento dos Dados

Eq. de Langmuir




Alimentação

Resposta


Obtenção de Dados de Cinética e Equilíbrio em Colunas



Colunas de Leito Fixo




Dados Experimentais

∫ ∫ +=−t

Lo L

t

o q M C V dt C Qdt C Q0 0

....... ε

ε−

−= ∫

t

L

L

o

V dt Co

C Q M

C q

0

.0

Capacidade do Leito




t = 0 e z = L, C = 0, Cp = 0

CC 1: z = 0,

CC 2: z = L,

−−−

∂∂

=∂∂

+∂∂

= p Rr p

f

L C C R

k

z

C D

z

C u

t

C 0)0(

0

0

ε ε ε

0=∂∂

= L z z

C

Balanço de massa

Condições Iniciais e de Contorno

0

0

uC z

C DuC

z L

=

∂

∂−

=

Fase Líquida

Modelagem do Processo



CC 1: r = 0,

∂

∂

∂∂

=∂∂

−+∂

∂

r

C r

r r D

t

q

t

C p

pap p

p

p

0

0

0)0( ρ ε ε

0=∂∂r

C p

)( Rp p f

Rp

p

p C C k r

C D −=

∂∂CC 2: r = Rp,

Equilibrio

C p

q Balanço de Massa

Condições de Contorno

Fase Sólida




Dimensões do Leito Porosidade do Leito

Vazão Volumétrica Dispersão Axial

Conc. de Alimentação Param. da Isoterma

Difusividade Efetiva no Poro

(Dp)

Simulações e Estimativas de Parâmetros

P a r â m e t r o s

Colocação Ortogonal emElementos Finitos

(OCFEM)

gPROMS ModelBuilder




∂

∂

∂

∂

=∂

∂

−+∂

∂

r

C

r r r Dt

q

t

C p

pap p

p

p

0

0

0

)0

( ρ ε ε

Fase Sólida

Equações em gPROMS

−−−

∂∂

=∂∂

+∂∂

= p Rr p

f

L C C R

k

z

C D

z

C u

t

C 0)0(

0

0

ε ε ε

Fase Líquida



Unidade PilotoUnidade Piloto

Alimentação Alimentação

ProdutoProduto

TratadoTratado

SeparaçãoSeparação

Gás/Des.Gás/Des.

DessorçãoDessorçãocom gáscom gás

Dimensões

H = 2.577 mm

Dint = 42,8 mm

Vtotal = 3705 ml

Q (L/h) Vesp (h-1)

Mínima 10 2,69

Operação 15 4,05

Máxima 20 5,40

Operação

Scale-Up



Esquema de uma unidade piloto de HDT

Unidade de Hidrotratamento

(Jimenes et al.,2007)

1

2

4

3




Considerações

(Jimenes et al.,2007)

Balanços de Massa


BM Componentes Gasosos

Fase Gasosa

Fase Líquida

BM Componentes

na Fase Líquida

BM Componentesna Fase Sólida

Trickle bed reactors para HDT

Modelo unidimensional e

heterogêneo

Fase gasosa e líquida em

plug flow

Processo isotérmico

Pellet com propriedades

uniformes

Desativação do catalisador é

negligenciada




Propriedades

Massa Específica da Carga

Coef. de Henry

Solubilidade do H2

Viscosidade do Líquido




Publicações

Dados Experimentais

Equações Cinéticas




CC 1: r = 0,

CC 2: r = Rp,

ji

p

Li

p

oi R z

C

d

u

z

C

d

D

t

C −

∂∂

−∂∂

=∂∂

0

0

0

Condição Inicial:t = 0

iC 0iC =

)(0

0

io Z i L

z

i

p

e C C u

z

C

d

D−=

∂

∂=

=

0=∂∂

= pd

L Z

i

z

C

Considerações Balanços de Massa


Trickle bed para HDT

Modelo unidimensional

Reações ocorrem na fase

líquida em contato com a

superfície do catalisador

Processo adiabático

Variação de pressão

negligenciável

Volume de líquido no reator

permanece constante

Outros Modelos



Balanço de Energia

Condições Iniciais e de Contorno

CC 1: r = 0,

CC 2: r = Rp,

=∂∂

+t

T ucuc l pl l l g pg g g )( ρ ε ρ ε

))(()(0 fo Z l pl l l g pg g g

o z p

l l g g T T ucuc z T

d −+=∂∂+ =

= ρ ε ρ ε λ ε λ ε

0=∂

∂

= pd L z t

T

∑=

∆−+−

∂

∂+ 5

12

2

2).()(

)(

l j

A j j

p

L

p

l l g g T C R H

dz

dT

d

u

z

T

d

ε λ ε λ ε

Condição Inicial:

t = 0, T = T 0

Considerações

Processo adiabático

Variação das propriedades

- Coeficientes de

transferência de massa e

calor

Outros Modelos



Atividades Abordadas

Conhecer as ferramentas básicas e asintaxe-padrão

Implementar e resolver modelos de

processos

Testar consistência e corrigir erros

Visualizar e exportar as simulações

Estimar parâmetros de processos

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