Parte I: Introdução Parte II: Biblioteca de Modelos
Simulador EMSOSimulação e Otimização de Processos
Prof. Rodolfo RodriguesUniversidade Federal do Pampa (UNIPAMPA)
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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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
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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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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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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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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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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 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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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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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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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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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 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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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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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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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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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: [email protected]
Website: http://rodolfo.chengineer.com
Grato pela atenção!
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