Minicurso de UniSim Design - rodolfo.chengineer.comrodolfo.chengineer.com/data/uploads/unisim-design-20170605.pdfMinicurso de UniSim Design 6/46. Módulo I Módulo II Simulação de

Módulo I Módulo II

Minicurso de UniSim R© DesignIntrodução e Recursos Intermediários

Prof. Rodolfo [email protected]

Rodolfo Rodrigues SAEQ 2017

Minicurso de UniSim Design 1 / 46


Conteúdo Programático

1 Módulo I: IntroduçãoSimulação de ProcessosUniSim DesignEspécies & Reações QuímicasEquipamentos BásicosExercício: Planta de Amônia

2 Módulo II: Recursos IntermediáriosExercício: Planta de Amônia (Continuação)Criação de RelatóriosOperadores LógicosEstudos de Caso




Módulo I: Introdução




Ferramentas Computacionais

Engenharia

Ciência da Computação

Facilidade de uso/aprendizado

Flexibilidade

Maple, MATLABPython, C++,

Fortran

gPROMSEMSO

Aspen Plus/HYSYSPRO/II, DWSIM,UniSim Design

Figura 1: Esquema da aplicabilidade de ferramentas computacionais.




Engenharia de Processos

Ciências Básicas

Fundamentos

Engenharia de Equipamentos

Engenharia de Processos

Figura 2: Esquema dos conhecimento considerados na Engenharia de Processos(Process Engineering).

Fonte: adaptado de Perlingeiro (2005).




Simulação de Processos

A aplicação de ferramentas computacionais em Engenhariade Processos é chamada de CAPE (Computer-AidedProcess Engineering);

Destacam-se os flowsheeting softwares que são chamadosde simuladores de processos;

Tais softwares permitem a construção e a simulação dePFD’s (Process Flow Diagrams). Em outras palavras, umflowsheet é um PFD ou fluxograma de processo;

Um flowsheet é constituída por operações unitárias(equipamentos) conectados por correntes.





Conceitos Básicos

Processo: Arranjo de unidades de operação (equipamentos)integradas entre si em uma maneira racional e sistemática;

Modelo: Descrição matemática de uma operação ouprocesso;

Simulação: Resolução do modelo para um determinadoconjunto de especificações;





Tipos de Problemas

Segundo Gani & Hostrup (1999):

1 Problema de Fluxograma de Processo (Flowsheet);

2 Problema de Especificação (Projeto ou Design);

3 Problema de Otimização;

4 Problema de Síntese.





1. Problema de Fluxograma de Processo (Flowsheet)

FLOWSHEETINPUT OUTPUT

OPERATINGCONDITIONS

EQUIPMENTPARAMETERS

resolver as equações do modelo dadas todas as informaçõesde entrada, condições de operação e parâmetros dosequipamentos;

ou seja, dada todas as entradas, determinar as saídas.





2. Problema de Especificação (Projeto ou Design)

FLOWSHEETINPUT OUTPUT

OPERATINGCONDITIONS

EQUIPMENTPARAMETERS

resolver as equações do modelo quando nem todas asinformações estão disponíveis;

ou seja, determinar as informações de entrada e saídarestantes.





Exemplos 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

iiSE (VRTech Tecnologias Industriais) URL

PETROX (Petrobras SA)

PRO/II (Schneider Electric)

UniSim Design (Honeywell, Inc.)



http://dwsim.inforside.com.br

http://www.enq.ufrgs.br/trac/alsoc/wiki/EMSO

http://vrtech.com.br/pt/simulador-iise



ExecutiveProgram

UnitModule Library

NumericalRoutines

PhysicalProperty

Data Bank

Thermodynamic

Package

Input Output

Solution

Optimization

EconomicAnalysis

Figura 3: Esquema dos componentes de um simulador de processos.Fonte: Gani & Hostrup (1999).




Breve Histórico dos Simuladores de Processos

1960-70 Grande companhias (Shell, Chevron, Monsanto) desenvolvem seuspróprios programas para simulação de processos.

1976 Departamento de Energia dos EUA e MIT lançam o projeto ASPEN(Advanced System for Process Engineering).

1980s Novas aplicações são lançadas dentre elas Aspen Plus daAspenTech, PRO/II da SimSci, CHEMCAD da ChemStations eHYSIM da HyproTech.

1981 É fundada a AspenTech a partir do projeto ASPEN.

1989 PETROBRAS inicia o desenvolvimento do PETROX.

1990s HYSIM torna-se HYSYS (HyproTech).

2001 Surge a proposta de um padrão de comunicação entresimuladores de processos: CAPE-OPEN.Início do desenvolvimento do simulador EMSO.




Breve Histórico dos Simuladores de Processos

2004 Honeywell adquire os direitos sobre a tecnologia do HYSYS eoutros produtos da HyproTech.

2005 Honeywell lança o simulador UniSim Design.Início do Projeto ALSOC para aperfeiçoamento do EMSO.

2007 Daniel W. Medeiros inicia o desenvolvimento do simuladorDWSIM.

2010 VRTech lança o simulador iiSE (Industrial Integraded SimulationEnvironment).

2016 Daniel W. Medeiros anuncia DWSIM mobile. Primeiro simulador deprocessos funcional para dispositivos móveis.LVPP/UFRGS disponibiliza iiSE-web URL . Primeiro simulador deprocessos executado diretamente do navegador.



http://lvpp.nuvem.ufrgs.br:8080


UniSim Design

Simulação de processos em estado estacionário edinâmico em um ambiente integrado;

Funcionalidades de otimização de processos;

Extensa biblioteca de equipamentos, pacotestermodinâmicos e espécies químicas;

Cálculo de dimensionamento e custos de equipamentos eprocessos;

Especificação com propagações para frente ou trás;

Variáveis podem ser acessadas e/ou modificadasinstantaneamente através de recursos de planilhas e etc;

Extensões para MS Excel e Visual Basic.




UniSim Design

Disponibilidade:

Há licenças acadêmicas para uso do UniSim Design naUNIPAMPA.Há computadores nos lab. 2107 e 2411 com o UniSim DesignSuite:

1 UniSim Design R4402 UniSim ThermoWorkBench R4403 UniSim Flare R4404 UniSim Heat Exchanger R440




UniSim Design

Figura 4: Componentes básicos da tela inicial do UniSim Design.Fonte: Honeywell (2015).




UniSim Design

Figura 5: Relação entre os vários ambientes (Environments) do UniSim Design: Basis, Oil,PVT, Regression, Main e Column.

Fonte: Honeywell (2015).




Espécies Químicas & Pacote Termodinâmico

Espécies químicas (Components):Seleção de espécies químicas:Basis Environment > ComponentsAdição de espécies químicas novas ou hipotéticas:Basis Environment > Hypotheticals

Pacote termodinâmico (Fluid Pkgs):Basis Environment > Fluid Pkgs

Ideal;Equações de estado (EOS);Modelos de atividade; ouOutro.





Figura 6: Primeiros passos para selecionar um pacote termodinâmico de acordo com apolaridade das espécies envolvidas.

Fonte: Carlson (1996).





Figura 7: Para o caso do envolvimento de espécies polares e não-eletrolíticas.Fonte: Carlson (1996).





Figura 8: Opções para os cálculos de fase vapor com modelos de coeficientes deatividade.

Fonte: Carlson (1996).




Reações Químicas (Opcional)

Reações químicas:Basis Environment > Reactions

1 Conversion;2 Equilibrium;3 Heterogeneous Catalytic;4 Kinetic e5 Simple Rate.

Importante: Cada conjunto de reações químicas deve terum pacote termodinâmico atribuído a ele.




Principais Equipamentos (Objetos)

1 Correntes materiais (Material Stream) e de energia (EnergyStream);

2 Misturadores (Mixer) e divisores (Tee) de correntes;

3 Válvulas (Valve), tubulações (Pipe) e tanques (Tank );

4 Máquinas de fluido:Bomba (Pump), compressor (Compressor), expansor(Expander) e turbina (Turbine).

5 Trocadores de calor:Trocadores simples (Heater e Cooler) e rigorosos (HeatExchanger), forno (Fired Heater), etc;





6 Separadores simples:Vaso de separação (Separator e 3-Phase Separator) eseparador de componentes (Component Splitter);

7 Operações por estágios:Colunas de destilação (Short Cut Distillation, DistillationColumn e Three Phase Distillation), absorção (Absorber)e extração (Liquid-Liquid Extrator);

8 Operações com sólidos:Separador simples (Simple Solid Separator), (hidro)ciclone(Cyclone e Hydrocyclone), filtro rotativo à vácuo (RotaryVacuum Filter), filtro de mangas (Baghouse Filter), filtrovibratório (Screen), separador centrífugo (Centrifuge), etc;





9 Reatores químicos:Baseados em balanço (Conversion Reactor, Yield ShiftReactor), equilíbrio (Equilibrium Reactor e Gibbs Reactor)e cinética (CSTR e Plug Flow Reactor);

10 Operador lógico:Reciclo (Recycle).




Exercício: Planta de Amônia

Figura 9: Previsão de construção de planta química de fertilizantes a partir de syngasde carvão mineral de Candiota.

Fonte: RS.GOV.BR, 25/03/2015.



http://www.rs.gov.br/conteudo/213321/previsto-investimento-de-us-27-bilhoes-em-candiota



SynGas

K-100

S2

Q-Comp1MIX-100

Rec3

S3 CRV-100

S4V

S4LQ-Reac

E-100

Q-Cooler

S5

V-100

S6

NH3

TEE-100

Rec1 Purge

K-101

Rec2

Q-Comp2

RCY-1

C

R

Figura 10: Planta química bastante simplificada de síntese de amônia a partir de syngascom reciclo.

Fonte: adaptado de AspenTech (2012).





Descrição do Processo

1 Corrente inicial de syngas de 7 000 kmol/h, 280 oC, 25,5 bare composição de 73,71 mol% H2, 0,24 mol% CO, 0,27 mol%Ar, 1,03 mol% CH4 e 24,74 mol% N2;

2 A corrente é então comprimida a 274 bar em umcompressor;

3 Em um reator químico isotérmico ocorre a reação abaixo:

N2 + 3H2 −→ 2NH3

com 40% de conversão de N2 a 775 K.





Descrição do Processo

4 Em um resfriador, há uma queda de pressão de 100 bar eredução de temperatura a 300 K;

5 A seguir, a separação das fases da corrente é feita em umvaso separador gás-líquido onde NH3 é recolhida nacorrente líquida;

6 1% da corrente gasosa é descartada (purga) e o restante éretornado ao processo entre o compressor e o reator;

7 A corrente de reciclo é comprida a 274 bar em um segundocompressor antes de retornar ao processo;

8 Qual é a pureza de NH3 nos produtos?





Passo-a-passo no UniSim Design

1 Criar um novo arquivo;

2 No Basis Environment , adicionar TODAS as espéciesquímicas envolvidas, escolher o pacote termodinâmico deacordo com elas e adicionar a reação química;

3 Passar para Simulation Environment , adicionar umaMaterial Stream com as especificações da corrente desyngas;

4 Adicionar, na sequência, os equipamentos e respectivasespecificações: Compressor, Mixer, Conversion Reactor,Cooler, Separator, Tee e Compressor;





Passo-a-passo no UniSim Design

5 Procedimento Geral:Adicionar equipamento por equipamento corrigindoproblemas antes de prosseguir;Adicionar reciclos e by-pass por último.

6 Finalizar o fluxograma adicionando o Recycle e conectandoa corrente resultante ao Mixer;

7 Deve-se chegar a 95,67 mol% de amônia na corrente deprodutos.




UniSim Design

Convenções & Particularidades

1 Cores de correntes e equipamentos;2 Cores de valores obrigatórios, opcionais e calculados, e

edição de valores;3 Solver ativado e desativado;4 Modos estacionário e dinâmico;5 Unidades de medida padrões e conversão de unidades de

medidas;6 Obtendo ajuda, mensagens e janelas de erros e avisos;7 Importação e exportação de formato .HSC (Aspen HYSYS

Simulation Cases);8 Não é possível desfazer ação (Ctrl+Z).




Módulo II: Recursos Intermediários




Exercício: Planta de Amônia (Continuação)

Perguntas

1 Como exportar a figura do fluxograma do processo? Comomostrar informações relevantes diretamente nele? Comogerar um relatório?

2 Qual é o rendimento molar de NH3 por N2 do syngasutilizado?

3 Como se comporta o rendimento com a variação da fração depurga de 0 a 100%? E com a variação da temperatura doresfriador de –10 a 30 oC?




Criação de Relatórios

1.1. Como exportar a figura do fluxograma do processo?É possível exportá-lo como uma figura:

1 Clicar com o botão direito do mouse no PFD e selecionarCopy Pane to Clipboard > Scale by 100% ;

2 Pressionar Ctrl+V em um editor de imagens (Paint ou GIMP) oudiretamente em um editor de texto (MS Word ou LibreOffice).Obs.: A imagem ficará com a paleta de cores padrão. Para modificar irpara Tools > Preferences... > Resources > Colours.

É possível exportá-lo como uma figura “editável”:

1 Clicar com o botão direito do mouse no PFD e selecionarPrint PFD to File > Print to DXF File...: arquivo de CAD;

2 Clicar com o botão direito do mouse no PFD e selecionarPrint PFD to File > Print to SVG File...: arquivo do Inkscape.





1.2. Como mostrar informações relevantes diretamente nofluxograma do processo?É possível adicionar informações de correntes (material e de energia)diretamente no fluxograma do processo:

1 Clicar com o botão direito do mouse no PFD e selecionarAdd Workbook Table;

2 Selecionar Compositions;

3 Diminuir a largura da tabela com duplo clique e reduzindoMaximum number of columns.





1.3. Como gerar um relatório do fluxograma do processo?É possível criar um relatório com informações selecionadas dofluxograma do processo:

1 Selecionar Tools > Reports ou pressionar Ctrl+R;

2 Selecionar Create... > Insert Datasheet... e adicionar Objects eAvailable Datablocks pretendidos com o botão Add e finalizarcom Done;

3 Clicar em Preview... para visualizar, Print Setup para selecionarexportar como arquivo PDF e após clicar em Print para salvar.

Obs1: É possível exportar como arquivo CSV (MS Excel ou LibreOffice Calc) aomarcar Text to File e clicar em Print .Obs2: Para mudar logo e informações da companhia ir Tools > Preferences... >Reports > Company Info. Logo: arquivo BMP de 256 cores.




Operadores Lógicos

2. Qual é o rendimento molar de NH3 por N2 do “syngas”utilizado?É possível criar novas variáveis de processo a partir de um operadorlógico chamado Spreadsheet (planilha):

1 Adicionar o objeto Spreadsheet ao PFD ;

2 Em Imported Variables, da aba Connections de SPRDSHT-1,clicar em Add Import... e adicionar:• Em A1, variável Comp Molar Flow (Nitrogen) do objeto SynGas• Em A2, variável Comp Molar Flow (Ammonia) do objeto NH3

3 Na aba Spreadsheet , clicar na célula A3 e digitar: =A2/A1;

4 Na mesma aba, no campo Variable da célula A3 digitar:Rendimento NH3.

Dica: Nomear novas variáveis torna mais fácil encontrá-las mais tarde.




Operadores Lógicos

Operadores Lógicos Disponíveis

Recycle:Realiza o reciclo de uma corrente material;Adjust :Ajusta o valor de uma variável de corrente (variávelindependente) para atender o valor ou especificação (variáveldependente) de outra corrente/operação;Set :Fixa o valor de uma variável em relação a outra a partir de umarelação linear;Spreadsheet :Permite a realização de cálculos em planilhas a partir devariáveis do processo e associar a especificações do mesmo.




Estudos de Caso

3.1. Como se comporta o rendimento com a variação da fração depurga de 0 a 20%?É possível realizar simulações em sequência com o recurso de CaseStudies (estudos de caso):

1 Selecionar Tools > Databook ou pressionar Ctrl+D;

2 Na aba Variables, clicar em Insert... e adicionar todas as variáveisque se quer estudar:• A3: Rendimento NH3 do objeto SPRDSHT-1 e• Flow Ratio (Steady State)_2 do objeto TEE-100 .

3 Na aba Case Studies, clicar em Add. Marcar A3: RendimentoNH3 como Dep e Flow Ratio (Steady State)_2 como Ind:• Dep é a variável dependente: que se quer observar e• Ind é a variável independente: que se quer manipular.




Estudos de Caso

3.1. Como se comporta o rendimento com a variação da fração depurga de 0 a 100%?É possível realizar simulações em sequência com o recurso de CaseStudies (estudos de caso):

4 Clicar em View...;

5 Especificar Low Bound como 0, High Bound como 1 eNo. of Points como 11;

6 Clicar em Start e visualizar os resultados em Results...;

7 A visualização padrão é na forma de gráfico (botão Graph).Ao selecionar o botão Transpose Table é possível copiar ascolunas e colar, p. ex., em uma planilha do MS Excel ouLibreOffice Calc.




Estudos de Caso

3.2. Como se comporta o rendimento com a variação datemperatura do resfriador de –10 a 30 oC (Mantenha a purgaem 1%)?

-10,00 -5,000 0,0000 5,000 10,00 15,00 20,00 25,00 30,00

S5 - Temperature (C)

1,942

1,944

1,946

1,948

1,950

1,952

1,954

1,956

SP

RD

SH

T-1

- A

3: R

endi

men

to N

H3

Figura 11: Variação do rendimento molar de NH3 com a temperatura do resfriador.



Exercício: Planta de Amônia (Continuação)

Perguntas Adicionais

4 Como ajustar automaticamente a purga para se chegar aexatos 96 mol% de NH3 nos produtos?Usar o operador lógico Adjust .

5 Como dimensionar o vaso separador?Usar o recurso Vessel Sizing de Utilities. Selecionar Tools> Utilities... ou pressionar Ctrl+U.



Referências Consultadas I

ASPENTECH. Ammonia Synthesis with Aspen HYSYS V8.0.Part 2: Closed Loop Simulation of Ammonia Synthesis.Module Design-003H, Massachusetts, 2012.

CARLSON, E. C. Don’t gamble with physical properties forsimulations. Chemical Engineering Progress, p. 35-46, 1996.

GANI, R. & HOSTRUP, M. Lecture Notes of Computer AidedProcess Engineering. Technical University of Denmark,Lyngby, 1999.

HONEYWELL. UniSim R© Design Operations Guide. VersãoR440 release. London, Canada, 2015.

HONEYWELL. UniSim R© Design User Guide. Versão R440release. London, Canada, 2015.



Referências Consultadas II

PANNOCCHIA, G. Lecture Notes of Process SimulationTechniques. University of Pisa, Italy, 2015.

PERLINGEIRO, C. A. G. Engenharia de Processos: Análise,Simulação, Otimização e Síntese de Processos Químicos.São Paulo: Blucher, 2005.



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