Minicurso software COCO Prof. Ricardo Vieira Gonçalves UFSJ 13/05/2014
1 CAPE: Computer Aided Process Engineering Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 2 Introdução A Engenharia de Processos Químicos Auxiliada por Computador (CAPE 1 ). Utilização de simulação de modelos de processos químicos. Softwares para simulação. Ex: COCO, HYSYS, Aspen, ProSimPlus e EMSO. Softwares para otimização. Ex: Scilab, Matlab e Maple.
Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 3 Introdução Problema: A utilização de todas essas possiblidades (simulação e otimização) é dispendiosa quando feita individualmente. Solução: Integrar diversos softwares que são capazes de realizar funções específicas, mas que originalmente foram projetados para funcionarem de modo isolado. Como? Protocolo CAPE-OPEN: um padrão para escrever interfaces de software desenvolvido pela indústria para que haja uma padronização entre alguns softwares e simuladores de processo para que estes possam se comunicar.
Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 4 Simulação de Processos Químicos Simulação Hoje, a simulação é considerada extremamente importante na fase de projeto e análise de processos químicos. É utilizada para as mais distintas aplicações na engenharia química: Estágio inicial do processo. No estágio final do projeto. A aplicação da simulação em plantas químicas. Mudanças nas condições de operação. Possibilidade de otimizar o processo.
Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 5 Simulação de Processos Químicos Resultados obtidos através da utilização de simuladores: Melhorias no projeto dos equipamentos e da planta; Melhor produtividade e eficiência; Redução significativa no tempo de execução e cálculos rotineiros; Maior intercâmbio entre o operador do processo e o projetista, de forma a levantar maior número de informações operacionais e construtivas, possibilitando a união dos conhecimentos empíricos na análise da simulação de plantas químicas.
Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 6 Principais Simuladores de Processos Comerciais Um simulador comercial é aquele desenvolvido por uma empresa que visa lucrar com o mesmo. O uso do software somente é feito caso haja pagamento. Alguns exemplos: PRO II, Aspen Plus e Dynamics, Hysys, CHEMCAD, gproms, ASCEND e UniSim
Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 7 Principais Simuladores de Processos Gratuitos Software livre está ligado a liberdade de executar, acessar o código-fonte, assim como alterá-lo, e distribuir cópias. Software gratuito é aquele que o uso pode ser feito sem um pagamento Exemplos: Sim42, COCO, Modelica e EMSO.
Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 8 COCO O software COCO é um ambiente gratuito de simulação no estado estacionário que suporta o protocolo CAPE-OPEN, consistindo nos seguintes componentes: COFE Ambiente do Fluxograma, é uma interface intuitiva à fluxogramas de plantas químicas com o usuário. COFE possui algoritmos de solução sequenciais que usam abertura automática de correntes. COFE mostra as propriedades das correntes, lida com conversão de unidades e provê funcionalidades de realizar gráficos. TEA: Termodinâmica disponível no COCO para Aplicações em Engenharia, é baseado no código da biblioteca termodinâmica do ChemSep e inclui um banco de dados de mais de 430 compostos químicos comumente usados. COUSCOUS: Pacote de Operacões Unitárias Simples CAPE-OPEN que acompanha o COCO. CORN: Pacote Numérico de Reações CAPE-OPEN que acompanha o COCO e que facilita a especificação de qualquer tipo de cinética ou de reação no equilíbrio.
Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 9 COCO Limitação do software COCO: Contém apenas as operações unitárias mais comuns (como os outros simuladores genéricos"). Solução: Modelagem do processo ou operação unitária no Scilab. O que é o Scilab? Um sistema aberto onde o usuário pode definir novos tipos de dados e operações; possui centenas de funções matemáticas com a possibilidade de interação com programas em várias linguagens.
Trabalhando com reatores no COCO Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 10 Revisão de Reatores
Trabalhando com reatores no COCO Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 11 Reatores disponíveis no software COCO CSTR: Reator de tanque agitado contínuo (Continuous Stirred-Tank Reactor) Equilibrium Reactor: Reator de Equilíbrio Fixed Conversion Reactor: Reator de Conversão fixa Gibbs Reactor: Reator de Gibbs PFR: Reator de fluxo pistonado ou reator tubular (Plug Flow Reactor)
Trabalhando com reatores no COCO Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 12 Proposta de implementação de um reator PFR Deseja-se produzir etano a partir da seguinte reação: C 2 H 4 + H 2 C 2 H 6 H = 136330J/mol Dados do processo: Alimentação do reator: P=15 atm, T= 300 K, y C2 H 4 = 0, 4, y H2 = 0, 4, y N2 = 0, 2, vazão total= 1,5 mol/min Reator PFR: d=0,3 m, fase vapor, U=100 W /(m 2 K ) Taxa de Reação: r C2 H 6 = 4, 16667x10 6.C Ethylene.C Hydrogen Calcule: a) Qual é a conversão obtida para um reator com comprimento de 1 m? b) Qual deve ser o comprimento do reator para se obter uma conversão de 90%? c) Considere agora o reator com 2,5 m. Estão disponíveis duas correntes que devem se unir para formar a corrente que alimentará o reator. A primeira corrente contêm 1/3 de nitrogênio e 2/3 de hidrogênio a uma vazão de 54 mol/h. A segunda corrente contêm etileno puro. Ambas as correntes estão a 15 atm e 300 K. Qual deve ser a vazão molar da segunda corrente para obtenção de uma conversão de 90% no reator PFR?
Trabalhando com reatores no COCO Proposta de implementação de um reator CSTR Exemplo (FOGLER, H. S. Elements of chemical reaction engineering, 3 a ed., Prentice-Hall, 1999. Exemplo 4-2, p. 142): Produção de 200 milhões de libras por ano em um CSTR Aprximadamente 2,2 bilhões de etilenoglicol foram produzidos em 1995, o qual ocupou a 26 a posição em termos de produção nos EUA. O etilenoglicol é utilizado como anticongelante e na manufatura de poliésteres. Deseja-se produzir 200 milhões de libras por ano de etilenoglicol. O reator de mistura utilizado deve ser operado de modo isotérmico. Uma solução de 1 lbmol/ft 3 de óxido de etileno em água é alimentado ao reator junto com igual volume de uma solução de água contendo 0,9% (em peso) de ácido sulfúrico (catalisador). Se 80% da conversão deve ser alcançada, determine o volume necessário do reator. A constante da taxa de reação específica é 0,311 min 1. Prof. Ricardo Vieira Gonçalves 13