Módulo I Módulo II
Minicurso de UniSim R© DesignIntrodução e Recursos Intermediários
Prof. Rodolfo [email protected]
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Módulo I Módulo II
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
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Módulo I Módulo II
Módulo I: Introdução
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Módulo I Módulo II
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.
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Módulo I Módulo II
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).
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Módulo I Módulo II
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.
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Módulo I Módulo II
Simulação de Processos
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;
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Módulo I Módulo II
Simulação de Processos
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.
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Módulo I Módulo II
Simulação de Processos
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.
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Simulação de Processos
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.
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Módulo I Módulo II
Simulação de Processos
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.)
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Módulo I Módulo II
Simulação de Processos
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).
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Módulo I Módulo II
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.
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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.
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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.
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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
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Módulo I Módulo II
UniSim Design
Figura 4: Componentes básicos da tela inicial do UniSim Design.Fonte: Honeywell (2015).
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Módulo I Módulo II
UniSim Design
Figura 5: Relação entre os vários ambientes (Environments) do UniSim Design: Basis, Oil,PVT, Regression, Main e Column.
Fonte: Honeywell (2015).
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Módulo I Módulo II
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.
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Módulo I Módulo II
Espécies Químicas & Pacote Termodinâmico
Figura 6: Primeiros passos para selecionar um pacote termodinâmico de acordo com apolaridade das espécies envolvidas.
Fonte: Carlson (1996).
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Módulo I Módulo II
Espécies Químicas & Pacote Termodinâmico
Figura 7: Para o caso do envolvimento de espécies polares e não-eletrolíticas.Fonte: Carlson (1996).
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Espécies Químicas & Pacote Termodinâmico
Figura 8: Opções para os cálculos de fase vapor com modelos de coeficientes deatividade.
Fonte: Carlson (1996).
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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.
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Módulo I Módulo II
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;
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Principais Equipamentos (Objetos)
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;
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Principais Equipamentos (Objetos)
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).
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Módulo I Módulo II
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.
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Exercício: Planta de Amônia
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).
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Módulo I Módulo II
Exercício: Planta de Amônia
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.
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Módulo I Módulo II
Exercício: Planta de Amônia
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?
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Exercício: Planta de Amônia
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;
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Exercício: Planta de Amônia
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.
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Módulo I Módulo II
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).
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Módulo I Módulo II
Módulo II: Recursos Intermediários
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Módulo I Módulo II
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?
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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.
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Módulo I Módulo II
Criação de Relatórios
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.
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Módulo I Módulo II
Criação de Relatórios
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.
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Módulo I Módulo II
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.
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Módulo I Módulo II
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.
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Módulo I Módulo II
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.
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Módulo I Módulo II
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.
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Módulo I Módulo II
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.
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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.
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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.
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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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