Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Minicurso de Simulador EMSO
Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)
Jornada Acadêmica de Engenharia QuímicaIFRS, Campus Feliz, Rio Grande do Sul
23 de setembro de 2019
Rodolfo Rodrigues JAEQ, IFRS
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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 eCarboquímica (GPEC).
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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 EquipamentosPacote TermodinâmicoExemplo 2: Separação de AmôniaDocumentação e Referências
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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
Ciências Básicas
Fundamentos
Engenharia de Equipamentos
Engenharia de Processos
Figura 1: Esquema dos conhecimentos envolvidos na área de Engenharia deProcessos dentro do curso de Engenharia Química.
Fonte: adaptado de Perlingeiro (2005).
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Simuladores de Processos
Figura 2: Fluxograma de processo (PFD) de produção de ácido nítrico.Fonte: Northwestern University Chemical Process Design Open Textbook (2019).
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Simuladores de Processos
Engenharia de Processos
PERLINGEIRO, C. A. G. Engenharia deprocessos: análise, simulação, otimização esíntese de processos químicos. São Paulo:Edgar 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 emEngenharia de Processos é chamada de CAPE(Computer-Aided Process Engineering);Destacam-se os flowsheeting softwares que sãochamados de 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 (material e deenergia).
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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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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 orientado a equações;Suporte a simulações estacionárias e dinâmicas.Projeto ALSOC (2005–2010) investiu cerca de R$ 2milhões no seu aprimoramento e envolveu órgão defomento, 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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Simulador EMSO: Recursos
Linguagem de descrição de modelos voltadas àobjetos;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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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)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 deespecificações;
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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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Linguagem de Modelagem
Conceitos Básicos
Um fluxograma de processo é representado por umFlowSheet e constituído por um conjunto de DEVICES(equipamentos);A descrição matemática de cada DEVICES é representadapor um Model (modelo);Um Model abrange as seções:
PARAMETERS: constantes,VARIABLES: variáveis eEQUATIONS: equações.
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Linguagem de Modelagem
Conceitos Básicos
Um FlowSheet é a única entidade “simulável” e podeconter (além das seções anteriores):
CONNECTIONS: conexões entre equipamentos,SET: valores de constantes,SPECIFY: especificações de variáveis,INITIAL: condições iniciais eOPTIONS: tempo inicial, final e passo para simulação alémde outras opções.
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Linguagem de Modelagem: Model
using "types";
Model nomePARAMETERS# Lista de constantes
VARIABLES# Lista de variaveis
EQUATIONS# Equacoes do modelo
end
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Linguagem de Modelagem: FlowSheet
FlowSheet nomeDEVICES# Lista de equipamentos
CONNECTIONS# Conexao entre equipamentos
SET# Valores de parametros
SPECIFY# Especificacoes de variaveis
INITIAL# Condicoes iniciais
OPTIONS# Tempo de simulacao e outras opcoes
end
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Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 1: Descrição do Problema
Considere um tanque de nível com líquido e uma áreatransversal constante:
Uma válvula determina a vazão de saída do líquido.
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Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 1: Modelagem Matemática
Variáveis: Fin, Fout, h e V ;Constantes: A e k ;Equações:
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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Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 1: Descrição do Problema
Dados:Fin = 150 L/min, A = 3 m2, k = 0,01 m2,5/s, hinicial = 100 cm
Determinar:a A dinâmica da altura do nível de líquido para 15 min de
operação (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
Caso 2: Descrição do Problema
Considere um conjunto de 3 tanques de nível econectados em série:
Os tanques pode ser considerados idênticos.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Exemplo 1: Tanque de Nível
Caso 2: Descrição do Problema
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 de
operação dos 3 tanques (use: ∆t = 30 s).b As alturas do nível de líquido no estado estacionário para
cada tanque.
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Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Parte II: Biblioteca de Modelos
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Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Tipos de variáveis (eml/types.mso);Descrição;Unidades de medida fundamentais (S.I.) e derivadas;Unidade de medida padrão;Valores inferior, superior e padrão;
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Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Modelos de correntes (eml/streams.mso):Modelo básico de corrente material: stream;
No de componentes: NCompVazão molar: FTemperatura: T
Pressão: PEntalpia molar: h
Fração vaporizada: vFração molar: z(NComp)
Modelos de correntes limites (material ou de energia):• Fonte: source• Sumidouro: sink
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Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Modelos de equipamentos (eml/):Trocadores de calor: heat_exchangers;Misturadores e divisores de correntes:mixers_splitters;Máquinas de fluido: pressure_changers;Reatores químicos: reactors;Separação por estágios: stage_separators;Controladores: controllers;
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Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Exemplos de uso dos modelos de equipamentos edemais recursos (eml/sample/):
Trocadores de calor: heat_exchangers;Misturadores e divisores de correntes:mixers_splitters;Máquinas de fluido: pressure_changers;Reatores químicos: reactors;Separação por estágios: stage_separators;Controladores: controllers;
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Correntes e Equipamentos
Biblioteca de Modelos (EML)
Exemplos de uso dos modelos de equipamentos edemais recursos (eml/sample/):
Análise de sensibilidade: sensitivity;Estudo de caso: case_study;Estimação de parâmetros: estimation;Otimização: optimization;Processos com 2 ou + equipamentos usando, ou não, ainterface de diagrama de blocos: processes eMiscelânea de exemplos: miscellaneous.
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Pacote Termodinâmico
VRTherm: Plug-In PP
Configuração do pacote termodinâmico:
Tipo: PP (Physical Properties)Componentes: Lista de componentes
(Nome conforme base de dados)Modelo para vapor: Ideal, RK, SRK, SRK-CPA, ASRK,
PR, PR-CPA, APR ou GERG(2008)Modelo para líquido: IdealLiquid, RK, SRK,
SRK-CPA, ASRK, PR, PR-CPA,APR, GERG(2008), UNIFAC,Wilson, F-SAC, NRTL ouUNIQUAC.
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Exemplo 2: Separação de Amônia
M101
S2V101
S3
NH3
S101
R1 Purge
S1
Q1
R1
Figura 3: Processo de separação simples, com reciclo, de uma corrente de amônia.
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Exemplo 2: Separação de Amônia
Descrição do Problema
Considere uma corrente inicial de 7 000 kmol/h, 775 K,275 bar e composição de 42 mol% H2, 16 mol% N2,10 mol% CH4 e 32 mol% NH3;Esta corrente sofre redução de temperatura e pressão emum vaso separador gás-líquido (vaso flash) para 300 K e175 bar;É obtida uma corrente líquida rica em amônia e umacorrente gasosa que é enviada para reciclo;1% da corrente gasosa é descartada (purga);
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Exemplo 2: Separação de Amônia
Descrição do Problema
Determinar:a A composição de amônia na corrente final;b A composição de amônia na corrente de purga;
Utilize o pacote termodinâmico de Peng-Robinson.
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Exemplo 2: Separação de Amônia
using "mixers_splitters/mixer";using "mixers_splitters/splitter";using "stage_separators/flash";
FlowSheet separacao_amoniaPARAMETERSPP as Plugin(Type = "PP",
Components = ["hydrogen","nitrogen","methane","ammonia"],LiquidModel = "PR",VapourModel = "PR");
NComp as Integer;
SETNComp = PP.NumberOfComponents;
DEVICES# Lista de equipamentos
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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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Documentação do EMSO
Disponível online URL :Cursos e minicursos;Manuais;Documentação da EML;
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Referências Relacionadas
Referências Básicas:
SOARES, R. P.; SECCHI, A. R. EMSO: a new environment formodelling, simulation and optimization. Computer Aided ChemicalEngineering, v. 14, p. 947–952, 2003. DOI
SOARES, R. P. Desenvolvimento de um simulador genérico deprocessos dinâmicos. Dissertação (Mestrado em EngenhariaQuímica) - UFRGS. Porto Alegre, 2003. URL
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Referências Relacionadas
Aplicações Didáticas:
RODRIGUES, R.; SOARES, R. P.; SECCHI, A. R. Teaching chemicalreaction engineering using EMSO simulator. Computer Application inEngineering Education, v. 18, n. 4, p. 607-618, 2010. DOI
OSPINO, J.; SÁNCHEZ, M. E.; SECCHI, A. R. Implementation of ablock-oriented model library for undergraduate process control coursesin EMSO simulator. Education for Chemical Engineers, v. 18, p.45-57, 2017. DOI
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Referências Relacionadas
Otimização de Processos:
HENRIQUE, J. P.; SOUSA JUNIOR, R.; SECCHI, A. R.; RAVAGNANI,M. A. S. S.; COSTA, C. B. B. Optimization of chemical engineeringproblems with EMSO software. Computer Applications inEngineering Education, v. 26, n. 1, p. 141–161, 2018. DOI
CARPIO, R. R.; GIORDANO, R. C.; SECCHI, A. R. Optimization of anintegrated first- and second-generation ethanol production plant withfocus on hydrolysis parameters. Computer Aided ChemicalEngineering, v. 46, p. 241–246, 2019. DOI
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Referências Relacionadas
Processos de Separação:
PIRES, V. P.; ALMEIDA, R. N.; WAGNER, V. M.; LUCAS, A. M.;VARGAS, R. M. F.; CASSEL, E. Extraction process of the Achyroclinesatureioides (Lam) DC. essential oil by steam distillation: modeling,aromatic potential and fractionation. Journal of Essential OilResearch, v. 31, n. 4, p. 286–296, 2019. DOI
SARTOR, R. B. Modelagem, simulação e otimização de umaunidade industrial de extração de óleos essenciais por arraste avapor. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - UFRGS.Porto Alegre, 2009. URL
STAUDT, P. B. Modelagem e simulação dinâmica de colunas dedestilação. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - UFRGS.Porto Alegre, 2007. URL
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Referências Relacionadas
Trocadores de Calor:
ELIAS, A. M.; GIORDANO, R. C.; SECCHI, A. R.; FURLAN, F. F.Integrating pinch analysis and process simulation withinequation-oriented simulators. Computers & Chemical Engineering,v. 130, p. 1-8, 2019. DOI
BICCA, G. B. Modelagem hierárquica de trocadores de calor cascoe tubos. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - UFRGS.Porto Alegre, 2006. URL
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Referências Relacionadas
Reatores Químicos:
SILVA, J. I. S.; SECCHI, A. R. Model predictive control for production ofultra-low sulfur diesel in a hydrotreating process. Brazilian Journal ofChemical Engineering, v. 36, n. 1, p. 439–452, 2019. DOI
RODRIGUES, R. Modelagem e simulação de um gaseificador emleito fixo para o tratamento térmico de resíduos sólidos daindústria calçadista. Dissertação (Mestrado em Engenharia Química)- UFRGS. Porto Alegre, 2008. URL
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Referências Relacionadas
Processos Biotecnológicos:
LONGATI, A. A. Implementação de unidade de processo parageração de energia empregando vinhaça e integração nabiorrefinaria de produção de etanol. Tese (Doutorado emEngenharia Química) - UFSCar. São Carlos, 2018. URL
DEMUNER, R. B.; MAIA, J. G. S. S.; SECCHI, A. R.; MELO, P. A.;CARMO, R. W.; GUSMÃO, G. S. Modeling of catalyst deactivation inbioethanol dehydration reactor. Industrial & Engineering ChemistryResearch, v. 58, n. 8, p. 2717–2726, 2019. DOI
FRÉ, N. C. Influência das condições de cultivo da microalgaDunaliella tertiolecta na produção de carotenoides e lipídios. Tese(Doutorado em Engenharia Química) - UFRGS. Porto Alegre, 2016.
URL
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Referências Relacionadas
Sistemas Particulados:
SILVA, L. A.; SECCHI, A. R. Desenvolvimento de uma biblioteca demodelos para simulação de processos envolvendo sólidos particuladoscom o simulador EMSO. In: COBEQ-IC, 13., 2019, Uberlândia, MG.Anais [...]. Uberlândia: UFU, 2019. PDF
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Contato
E-mail: [email protected]: http://rodolfo.chengineer.com
Obrigado pela atenção!
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