Minicurso de Simulador EMSO - ChENGINEER...

Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos

Minicurso de Simulador EMSO

Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)

[email protected]

Jornada Acadêmica de Engenharia QuímicaIFRS, Campus Feliz, Rio Grande do Sul

23 de setembro de 2019

Rodolfo Rodrigues JAEQ, IFRS

Minicurso de EMSO 1


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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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


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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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Figura 2: Fluxograma de processo (PFD) de produção de ácido nítrico.Fonte: Northwestern University Chemical Process Design Open Textbook (2019).


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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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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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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;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.




Simulador EMSO: Funcionamento

O simulador EMSO pode ser pensado como um servidor demodelos matemáticos, disponibilizando-os para rotinas decálculo externas atuarem sob os mesmos.




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;




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.




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);




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;





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 DEVICES(equipamentos);A descrição matemática de cada DEVICES é representadapor um Model (modelo);Um Model abrange as seções:

PARAMETERS: constantes,VARIABLES: variáveis eEQUATIONS: equações.





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.




Linguagem de Modelagem: Model

using "types";

Model nomePARAMETERS# Lista de constantes

VARIABLES# Lista de variaveis

EQUATIONS# Equacoes do modelo

end




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




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.





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)






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.






Considere um conjunto de 3 tanques de nível econectados em 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 de

operação dos 3 tanques (use: ∆t = 30 s).b As alturas do nível de líquido no estado estacionário para

cada tanque.




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;






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






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;






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;






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.




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.




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.





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);





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.





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




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;




Documentação do EMSO

Disponível online URL :Cursos e minicursos;Manuais;Documentação da EML;



https://www.enq.ufrgs.br/alsoc/download/index.php?dir=emso/docs/


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



https://doi.org/10.1016/S1570-7946(03)80239-0

http://hdl.handle.net/10183/5503



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



https://doi.org/10.1002/cae.20255

https://doi.org/10.1016/j.ece.2016.08.002



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



https://doi.org/10.1002/cae.21867

https://doi.org/10.1016/B978-0-12-818634-3.50041-2



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



https://doi.org/10.1080/10412905.2019.1569564





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



https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2019.106555




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



https://doi.org/10.1590/0104-6632.20190361s20180074




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



https://repositorio.ufscar.br/handle/ufscar/10856

https://doi.org/10.1021/acs.iecr.8b05699




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



http://www.cobeqic2019.com.br/trabalhosfinais/SOCP9.pdf

Contato

E-mail: [email protected]: http://rodolfo.chengineer.com

Obrigado pela atenção!



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