Introdução ao Simulador EMSO

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1 I Introdução ao Simulador EMSO Prof. Universidade Federal do Pampa () I FLAEq, UNILA Foz do Iguaçu, Paraná 20 de novembro de 2018 Minicurso de EMSO 1

2 I Instrutor do Minicurso, Prof. Graduação (UFSM), Mestrado e Doutorado (UFRGS) em EQ; Docente e coordenador do curso de EQ da ; 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). Minicurso de EMSO 2

3 I 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. Minicurso de EMSO 3

4 I Conteúdo Programático 1 : Introdução Simuladores de Processos Simulador EMSO Linguagem de Modelagem Exemplo 1: Tanque de Nível 2 I: Biblioteca de Modelos Corrente e Equipamentos Exemplo 2: Separação de Amônia Minicurso de EMSO 4

5 I : Introdução Minicurso de EMSO 5

6 I Simuladores de Processos Engenharia de Processos PERLINGEIRO, C. A. G. Engenharia de Processos: Análise, Simulação, Otimização e Síntese de Processos Químicos. São Paulo: Blucher, Conteúdo do livro: Análise de Processos; Simulação de Processos; Otimização de Processos; Síntese de Processos; Minicurso de EMSO 6

7 I Simuladores de Processos Engenharia de Processos O que é? Sistematização do projeto de processos industriais eficientes, 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. Minicurso de EMSO 7

8 I 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). Minicurso de EMSO 8

9 I Simuladores de Processos A aplicação de ferramentas computacionais em Engenharia de Processos é chamada de CAPE (Computer-Aided Process Engineering); Destacam-se os flowsheeting softwares que são chamados de simuladores de processos; Tais softwares permitem a elaboração e a simulação de PFD s (Process Flow Diagrams). Em outras palavras, um flowsheet é um PFD ou fluxograma de processo; Um flowsheet é constituído por equipamentos (operações unitárias) conectados por correntes. Minicurso de EMSO 9

10 I 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) PETROX (Petrobras SA) PRO/II (AVEVA Group plc) UniSim Design (Honeywell, Inc.) e outros ver lista URL Minicurso de EMSO 10

11 I Simulador EMSO EMSO é a sigla para Environment for Modeling, Simulation and 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 de R$ 2 milhões no seu aprimoramento e envolveu órgão de fomento, empresas petroquímicas e universidades. Minicurso de EMSO 11

12 I Simulador EMSO: Funcionamento O simulador EMSO pode ser pensado como um servidor de modelos matemáticos, disponibilizando-os para rotinas de cálculo externas atuarem sob os mesmos. Alguns cálculos são integralmente realizados pelo simulador. Minicurso de EMSO 12

13 I 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. Minicurso de EMSO 13

14 I Simulador EMSO: Recursos Motor de cálculo com suporte à álgebra esparsa e diferenciação automática. Modelagem também pode ser realizada por diagrama de blocos. Exportação de resultados para MS Excel, LibreOffice Calc, MATLAB e Scilab. Sistema de documentação automática dos modelos. Pacote termodinâmico e base de dados de espécies químicas. Minicurso de EMSO 14

15 I 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); Minicurso de EMSO 15

16 I 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 de especificações; Minicurso de EMSO 16

17 I Linguagem de Modelagem Conceitos Básicos Um modelo é representado por equações matemáticas descritas por variáveis e constantes; De maneira simples, um modelo é simulável quando seu grau de liberdade é igual a zero! n o de variáveis - n o de equações = grau de liberdade Minicurso de EMSO 17

18 I Linguagem de Modelagem Conceitos Básicos Um fluxograma de processo é representado por um FlowSheet e constituído por um conjunto de equipamentos: DEVICES; A descrição matemática de cada DEVICES é representada por um 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 e INITIAL. Minicurso de EMSO 18

19 I Linguagem de Modelagem Modelagem Orientada a Objetos (MOO) A linguagem de modelagem do EMSO contempla alguns conceitos 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. Minicurso de EMSO 19

20 I Exemplo: Tanque de Nível Definição do Problema 1 Considere um tanque de nível com líquido e uma área transveral constante: Uma válvula determina a vazão de saída do líquido. Minicurso de EMSO 20

21 I Exemplo: Tanque de Nível Modelagem Matemática: Tanque de Nível Variáveis: Fin, Fout, h, V Parâmetros: A, k Conservação de massa: dv = Fin Fout (1) dt Equação da válvula: Fout = k h (2) Volume de líquido: V = A h (3) Minicurso de EMSO 21

22 I Exemplo: Tanque de Nível Definição do Problema 1 Dados: Fin = 150 L/min, A = 3 m 2, k = 0,01 m 2,5 /s, h inicial = 100 cm Determinar: a b A dinâmica da altura do nível de líquido para 15 min de operação (use: t = 30 s). A altura do nível de líquido no estado estacionário. Minicurso de EMSO 22

23 I Exemplo: Tanque de Nível Definição do Problema 2 Considere um conjunto de 3 tanques de nível e conectados em série: Os tanques pode ser considerados idênticos. Minicurso de EMSO 23

24 I Exemplo: Tanque de Nível Definição do Problema 2 Dados: Fin = 150 L/min, A = 3 m 2, k = 0,01 m 2,5 /s, h 1,inicial = h 3,inicial = 100 cm e h 2,inicial = 200 cm. Determinar: a b A dinâmica das alturas do nível de líquido para 15 min de operação dos 3 tanques (use: t = 30 s). As alturas do nível de líquido no estado estacionário para cada tanque. Minicurso de EMSO 24

25 I I: Biblioteca de Modelos Minicurso de EMSO 25

26 I 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; Minicurso de EMSO 26

27 I Exercício: Planta de Amônia R R1 Purge S101 R2 S3 S1 M101 S2 V101 Q1 NH3 Figura 2: Processo de separação simples, com reciclo, de uma corrente de amônia. Minicurso de EMSO 27

28 I Exercício: Planta de Amônia Descrição do Processo 1 Considere uma corrente inicial de kmol/h, 775 K, 275 bar e composição de 40 mol% H 2, 15 mol% N 2, 2 mol% Ar, 10 mol% CH 4 3 mol% CO e 30 mol% NH 3 ; 2 Esta corrente sofre redução de temperatura e pressão em um vaso separador gás-líquido (vaso flash) para 300 K, 175 bar; 3 É obtida uma corrente líquida rica em amônia e uma corrente gasosa que é enviada para reciclo; 4 1% (mol) da corrente gasosa é descartada (purga); Minicurso de EMSO 28

29 I Exercício: Planta de Amônia Descrição do Processo Obtenha a composição de amônia na corrente líquida que deixa o vaso; Utilize o pacote termodinâmico de Peng-Robinson. Minicurso de EMSO 29

30 Contato Website: Grato pela atenção! Minicurso de EMSO 30