Simulador EMSO. Simulação e Otimização de Processos. Rodolfo Rodrigues. Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)

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1 Simulador EMSO Simulação e Otimização de Processos Prof. Universidade Federal do Pampa (UNIPAMPA) rodolfo@unipampa.edu.br Semana Acadêmica de Engenharia Química da UNIJUÍ, Ijuí, Rio Grande do Sul 23 de maio de 2019 Minicurso de EMSO 1

2 Instrutor do Minicurso, Prof. Graduação (UFSM), Mestrado e Doutorado (UFRGS) em Engenharia 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 e Carboquímica (GPEC). Minicurso de EMSO 2

3 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; Minicurso de EMSO 3

4 Conteúdo Programático 1 Simuladores de Processos Simulador EMSO Linguagem de Modelagem Exemplo 1: Tanque de Nível 2 Corrente e Equipamentos Exemplo 2: Separação de Amônia Obtendo Ajuda Minicurso de EMSO 4

5 Minicurso de EMSO 5

6 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 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 7

8 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 8

9 Simulador EMSO EMSO é a sigla para Environment for Modeling, Simulation and Optimization; Desenvolvimento iniciado em 2001; Modelos são escritos em uma linguagem de modelagem; Sistema baseado em equações; Projeto ALSOC ( ) investiu cerca de R$ 2 milhões no seu aprimoramento e envolveu órgão de fomento, empresas petroquímicas e universidades. Minicurso de EMSO 9

10 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. Minicurso de EMSO 10

11 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; Minicurso de EMSO 11

12 Simulador EMSO: Recursos Biblioteca de modelos aberta e personalizável; Motor de cálculo com suporte à álgebra esparsa e diferenciação automática; Modelagem por diagrama de blocos; Exportação de resultados para MS Excel/LibreOffice Calc, MATLAB/Octave e Scilab; Sistema de documentação automática dos modelos; Pacote termodinâmico e base de propriedades de espécies químicas. Minicurso de EMSO 12

13 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); Minicurso de EMSO 13

14 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 14

15 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 15

16 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 16

17 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 17

18 Exemplo 1: 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 18

19 Exemplo 1: 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 19

20 Exemplo 1: 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 20

21 Exemplo 1: 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 21

22 Exemplo 1: 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 22

23 Minicurso de EMSO 23

24 Correntes e Equipamentos Tipos de variáveis (eml/types.mso); Unidades de medida fundamentais e derivadas. Modelos de correntes (eml/streams.mso): Modelo básico de corrente: stream; Modelos de correntes limites (material ou de energia): Fonte: source Sumidouro: sink Minicurso de EMSO 24

25 Correntes e Equipamentos Modelos de equipamentos (eml/): 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; Controladores: controllers; Minicurso de EMSO 25

26 Exemplo 2: Separação de Amônia R R1 Purge S101 R2 S3 S1 M101 S2 V101 Q1 NH3 Figura 1: Processo de separação simples, com reciclo, de uma corrente de amônia. Minicurso de EMSO 26

27 Exemplo 2: Separação de Amônia Descrição do Processo 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 ; Esta corrente sofre redução de temperatura e pressão em um vaso separador gás-líquido (vaso flash) para 300 K, 175 bar; É obtida uma corrente líquida rica em amônia e uma corrente gasosa que é enviada para reciclo; 1% (mol) da corrente gasosa é descartada (purga); Minicurso de EMSO 27

28 Exemplo 2: Separação de Amônia Descrição do Processo Determinar: a b c A composição de amônia na corrente final; A composição de amônia na corrente de purga; A fração recuperada de amônia no processo. Utilize o pacote termodinâmico de Peng-Robinson. Minicurso de EMSO 28

29 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; Minicurso de EMSO 29

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