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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simulador EMSOSimulação e Otimização de Processos
Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)
rodolfo@unipampa.edu.br
Semana Acadêmica de Engenharia Químicada UNIJUÍ, Ijuí, Rio Grande do Sul
23 de maio de 2019
Rodolfo Rodrigues SAEQ, UNIJUÍ
Minicurso de EMSO 1
Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Instrutor do Minicurso
Rodolfo Rodrigues, Prof.
Graduação (UFSM), Mestrado e Doutorado (UFRGS) emEngenharia 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).
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
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;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Conteúdo Programático
1 Parte I: IntroduçãoSimuladores de ProcessosSimulador EMSOLinguagem de ModelagemExemplo 1: Tanque de Nível
2 Parte II: Biblioteca de ModelosCorrente e EquipamentosExemplo 2: Separação de AmôniaObtendo Ajuda
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Parte I: Introdução
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simuladores de Processos
Engenharia de Processos
PERLINGEIRO, C. A. G. Engenharia deProcessos: Análise, Simulação, Otimizaçãoe Síntese de Processos Químicos. SãoPaulo: Blucher, 2005.
Conteúdo do livro:• Análise de Processos;• Simulação de Processos;• Otimização de Processos;• Síntese de Processos;
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Simuladores 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 elaboração e a simulação dePFD’s (Process Flow Diagrams). Em outras palavras, umflowsheet é um PFD ou fluxograma de processo;
Um flowsheet é constituído por equipamentos (operaçõesunitárias) conectados por correntes.
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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) URL
PETROX (Petrobras SA)PRO/II (AVEVA Group plc)UniSim Design (Honeywell, Inc.)
e outros ver lista
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simulador EMSO
EMSO é a sigla para Environment for Modeling, Simulationand Optimization;
Desenvolvimento iniciado em 2001;
Modelos são escritos em uma linguagem de modelagem;
Sistema baseado em equações;
Projeto ALSOC (2005–2010) investiu cerca de R$ 2 milhõesno seu aprimoramento e envolveu órgão de fomento,empresas petroquímicas e universidades.
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Simulador EMSO: Funcionamento
O simulador EMSO pode ser pensado como um servidor demodelos matemáticos, disponibilizando-os para rotinas decálculo externas atuarem sob os mesmos.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
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 deequações;
Resolução de problema de índice diferencial;
Detecção de eventos;
Linearização de modelos em espaço de estado;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simulador EMSO: Recursos
Biblioteca de modelos aberta e personalizável;
Motor de cálculo com suporte à álgebra esparsa ediferenciação automática;
Modelagem por diagrama de blocos;
Exportação de resultados para MS Excel/LibreOfficeCalc, MATLAB/Octave e Scilab ;
Sistema de documentação automática dos modelos;
Pacote termodinâmico e base de propriedades deespécies químicas.
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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);
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Linguagem de Modelagem
Conceitos Básicos
Processo:Arranjo de unidades de operação (equipamentos) integradasentre si em uma maneira racional e sistemática;
Modelo:Descrição matemática de uma operação ou processo;
Simulação:Resolução do modelo para um determinado conjunto deespecificações;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Linguagem de Modelagem
Conceitos Básicos
Um modelo é representado por equações matemáticasdescritas por variáveis e constantes;
De maneira simples, um modelo é “simulável” quando seugrau de liberdade é igual a zero!
no de variáveis - no de equações = grau de liberdade
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Linguagem de Modelagem
Conceitos Básicos
Um fluxograma de processo é representado por umFlowSheet e constituído por um conjunto de equipamentos:DEVICES;
A descrição matemática de cada DEVICES é representada porum 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 eINITIAL.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Linguagem de Modelagem
Modelagem Orientada a Objetos (MOO)
A linguagem de modelagem do EMSO contempla algunsconceitos 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.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Definição do Problema 1
Considere um tanque de nível com líquido e uma áreatransveral constante:
Uma válvula determina a vazão de saída do líquido.
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Exemplo 1: Tanque de Nível
Modelagem Matemática: Tanque de Nível
Variáveis: Fin, Fout , h, V
Parâmetros: A , k
Conservação de massa:dVdt
= Fin − Fout (1)
Equação da válvula:Fout = k
√h (2)
Volume de líquido:V = A · h (3)
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Definição do Problema 1
Dados:Fin = 150 L/min, A = 3 m2, k = 0,01 m2,5/s, h inicial = 100 cm
Determinar:
a A dinâmica da altura do nível de líquido para 15 min deoperação (use: ∆t = 30 s).
b A altura do nível de líquido no estado estacionário.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Definição do Problema 2
Considere um conjunto de 3 tanques de nível e conectadosem série:
Os tanques pode ser considerados idênticos.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Definição do Problema 2
Dados:Fin = 150 L/min, A = 3 m2, k = 0,01 m2,5/s,h1,inicial = h3,inicial = 100 cm e h2,inicial = 200 cm.
Determinar:
a A dinâmica das alturas do nível de líquido para 15 min deoperação dos 3 tanques (use: ∆t = 30 s).
b As alturas do nível de líquido no estado estacionário paracada tanque.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Parte II: Biblioteca de Modelos
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
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
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
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;
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 2: Separação de Amônia
M101
S2V101
S3
NH3
S101
R1 Purge
R2
S1
Q1
R
Figura 1: Processo de separação simples, com reciclo, de uma corrente de amônia.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 2: Separação de Amônia
Descrição do Processo
Considere uma corrente inicial de 7 000 kmol/h, 775 K, 275bar e composição de 40 mol% H2, 15 mol% N2, 2 mol% Ar,10 mol% CH4 3 mol% CO e 30 mol% NH3;
Esta corrente sofre redução de temperatura e pressão em umvaso separador gás-líquido (vaso flash) para 300 K, 175bar;
É obtida uma corrente líquida rica em amônia e umacorrente gasosa que é enviada para reciclo;
1% (mol) da corrente gasosa é descartada (purga);
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Exemplo 2: Separação de Amônia
Descrição do Processo
Determinar:
a A composição de amônia na corrente final;
b A composição de amônia na corrente de purga;
c A fração recuperada de amônia no processo.
Utilize o pacote termodinâmico de Peng-Robinson.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
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;
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Contato
E-mail: rodolfo@unipampa.edu.br
Website: http://rodolfo.chengineer.com
Grato pela atenção!
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