UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIACENTRO DE TECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA

RELATÓRIO DE ESTÁGIO SUPERVISIONADOREALIZADO NO GIMSCOP – DEQUI – UFRGS

ACADÊMICO: RODOLFO RODRIGUES

Santa Maria, 16 de Dezembro de 2004.

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ÍNDICE

1. INTRODUÇÃO .................................................................................................................................................. 3

2. OBJETIVOS ....................................................................................................................................................... 3

3. A INSTITUIÇÃO:.............................................................................................................................................. 4

3.1 HISTÓRICO...................................................................................................................................................... 43.2 DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA QUÍMICA .................................................................................................. 4

3.2.1 GIMSCOP.............................................................................................................................................. 53.2.2 Projetos em desenvolvimento................................................................................................................. 53.3.3 Projeto ALSOC ...................................................................................................................................... 6

4. MODELAGEM E SIMULAÇÃO ..................................................................................................................... 7

4.1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................................................. 74.2 FERRAMENTAS COMPUTACIONAIS PARA SIMULAÇÃO .................................................................................... 8

4.2.1 Simuladores de Processos...................................................................................................................... 94.2.2 Simuladores de Processos Disponíveis no DEQUI/UFRGS................................................................ 10

5. MODELAGEM DE REATORES QUÍMICOS ............................................................................................. 18

5.1 MODELOS GERAIS ........................................................................................................................................ 185.1.1 RStoic ................................................................................................................................................... 185.1.2 REquil .................................................................................................................................................. 205.1.3 RYield................................................................................................................................................... 225.1.4 RGibbs ................................................................................................................................................. 22

5.2 MODELOS RIGOROSOS.................................................................................................................................. 235.2.1 RBatch.................................................................................................................................................. 235.2.2 RCSTR.................................................................................................................................................. 255.2.3 RPlug ................................................................................................................................................... 27

6. ESTRUTURA DOS MODELOS..................................................................................................................... 30

7. RESULTADOS................................................................................................................................................. 33

8. ATIVIDADES DESENVOLVIDAS................................................................................................................ 34

9. CONCLUSÕES ................................................................................................................................................ 35

9.1 CONCLUSÕES DO ESTÁGIO: ........................................................................................................................... 359.2 CONCLUSÕES DO CURSO:.............................................................................................................................. 35

10. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ........................................................................................ 36

11. BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................................ 36

12. ANEXOS ......................................................................................................................................................... 37

ANEXO 1 – MODELO PARA DESCRIÇÃO DE UM MODEL NO EMSO ...................................................................... 37ANEXO 2 – MODELO PARA DESCRIÇÃO DE UM FLOWSHEET NO EMSO .............................................................. 39ANEXO 3 – VISUALIZAÇÃO DE UM MODELO SIMPLES PARA UM REATOR CSTR.................................................. 41ANEXO 4 – SAÍDA DE DADOS DO MODELO ANTERIOR. GRÁFICO DA VARIAÇÃO TEMPORAL DE CA E CB ............. 42

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1. INTRODUÇÃO

O presente relatório descreve as atividades desenvolvidas durante o estágiosupervisionado no LASIM – GIMSCOP (LABORATÓRIO DE SIMULAÇÃO do Grupo deIntegração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de Processos) – DEQUI –UFRGS. As atividades foram desenvolvidas sob a orientação do Prof. Dr. Argimiro ResendeSecchi, no período de 02 de Agosto a 15 de Dezembro de 2004.

2. OBJETIVOS

O estágio no GIMSCOP/DEQUI/UFRGS teve como objetivo a participação no ProjetoALSOC (Ambiente Livre para Simulação, Otimização e Controle de Processos) naimplementação de uma biblioteca de modelos para o simulador genérico de processos EMSO(Environment for Modeling, Simulation and Optimization).

Para tanto, foi necessário realizar algumas atividades antecessoras, a fim de se adquirirum conhecimento mínimo necessário para o início das atividades principais. São elas:

– Aprendizado na manipulação de simuladores comerciais disponíveis noDEQUI/UFRGS. São eles, Aspen Plus v12.1 e Aspen Dynamics v12.1,HYSYS.Process v1.5 e gPROMS v2.26. Realizou-se um estudo em paralelo de cadaum deles, mas com uma ênfase maior no Aspen e, sobretudo, gPROMS, que detinhaos recursos necessários ao desenvolvimento da atividade principal. Está atividade foifundamental para o desenvolvido de todas as demais atividades posteriores, uma vezque não havia tido contato com algum tipo de simulador específico antes.

– Aprendizado no uso do simulador EMSO, no qual o foco principal das atividades sedirigiu a partir de então.

– Levantamento, entre os tutorias nas documentações do HYSYS.Process, Aspen Plus eAspen Dynamics, de especificações dos blocos de operações unitárias caracterizadospor cada simulador. Estes simuladores contêm uma hierarquia organizacional dosblocos e modelos, que pode ser explorada e classificada de acordo com ospropósitos.

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3. A INSTITUIÇÃO:

3.1 Histórico

A história da UFRGS começa com a fundação da Escola de Farmácia e Química, em1895 e, em seguida, da Escola de Engenharia. Assim iniciava, também, a educação superior noRio Grande do Sul. Ainda no século XIX, foram fundadas a Faculdade de Medicina de PortoAlegre e a Faculdade de Direito que, em 1900, marcou o início dos cursos humanísticos noEstado. Mas somente em 28 de novembro de 1934, foi criada a Universidade de Porto Alegre,integrada inicialmente pela Escola de Engenharia, com os Institutos de Astronomia,Eletrotécnica e Química Industrial; Faculdade de Medicina, com as Escolas de Odontologia eFarmácia; Faculdade de Direito, com sua Escola de Comércio; Faculdade de Agronomia eVeterinária; Faculdade de Filosofia, Ciências e Letras e pelo Instituto de Belas Artes. O terceiro grande momento de transformação dessa Universidade foi em 1947, quandopassou a ser denominada Universidade do Rio Grande do Sul, a URGS, incorporando asFaculdades de Direito e de Odontologia de Pelotas e a Faculdade de Farmácia de Santa Maria.Posteriormente, essas unidades foram desincorporadas da URGS, com a criação, daUniversidade de Pelotas e da Universidade Federal de Santa Maria. Em dezembro de 1950, aUniversidade foi federalizada, passando à esfera administrativa da União. Desde então, aUFRGS - Universidade Federal do Rio Grande do Sul, passou a ocupar posição de destaque,no cenário nacional, como um dos maiores orçamentos do Estado do Rio Grande do Sul ecomo a primeira em publicações e a segunda em produção cientifica, entre as federais,considerando o número de professores.

3.2 Departamento de Engenharia Química

O Departamento de Engenharia Química (DEQUI) faz parte da Escola de Engenharia eestá localizado no Campus Central da UFRGS. Ocupa uma área construída de mais de 2.200metros quadrados, distribuída no pavilhão tecnológico e no prédio da Ex-Química. Fazemparte do DEQUI, os seguintes laboratórios: Curtume e Tanantes, Simulação, Fenômenos deTransporte e Operações Unitárias, Tecnologia Orgânica, Tecnologia Inorgânica, Computação,Polímeros, Controle de Processos, Processos de Separação, Separação por Membranas,Reatores, Cinética e Catálise, Análises.

Desde sua fundação até 1958, a Escola de Engenharia diplomou aproximadamente 250químicos industriais e, a partir desse ano, até hoje cerca de 1.200 engenheiros químicos.

A partir da década de 1970, devido ao crescimento do parque industrial gaúcho,especialmente o petroquímico, a demanda na área de engenharia química aumentousignificativamente; nessa época observou-se um aumento no número de vagas oferecidasatravés da criação de novos cursos de Engenharia Química em diversas universidades noEstado.

Em 1979, devido à demanda crescente por profissionais qualificados, o Departamentode Engenharia Química da UFRGS elaborou um estudo para a implantação de um curso dePós-Graduação, para formação de mestres, pois já naquela época foi detectada a necessidadede qualificar recursos humanos destinados ao desenvolvimento de setores industriais deelevada complexidade tecnológica, tais como os setores petroquímico e carboquímico.

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Entretanto, para que a implantação deste curso fosse possível, fazia-se necessária aqualificação do corpo docente, constituído na ocasião, fundamentalmente, por professores comregime de tempo parcial e em final de carreira. Em março de 1995 teve-se início do curso dePós-Graduação em Engenharia Química ao nível de mestrado.

Nos últimos anos, a interação com empresas cresceu fortemente, destacando-se asseguintes parcerias: COPESUL, REFAP, Braskem, Petrobrás, Innova, Petroquímica Triunfo,Oxiteno, COPENE, Aracruz Celulose (antiga Riocel), entre muitas outras.

A partir do ano de 2004, iniciou-se o curso de Doutorado em Engenharia Química.

3.2.1 GIMSCOP

Grupo de Integração, Modelagem, Simulação, Controle e Otimização de Processos,formado em 1995 e sob a supervisão dos Prof. Dr. Argimiro Resende Secchi e Prof. Dr. JorgeOtávio Trierweiler. Atualmente conta com uma equipe de 8 pesquisadores, 19 estudantes e 4técnicos.

Nas suas linhas de pesquisa estão:– Computação de alto desempenho na simulação de processos da Engenharia Química;– Controle e integração de processos;– Modelagem e simulação de processos e– Projeto e otimização de processos.O grupo de pesquisa mantém relações com empresas do setor produtivo, são elas:– AGCO S.A.: Fabricação de tratores e de máquinas e equipamentos para a agricultura,

avicultura e obtenção de produtos animais – E mais 8 empresas do setor petroquímico: COPENE, COPESUL, Innova, Ipiranga

Petroquímica, Braskem, P. Triunfo, REFAP e Oxiteno.

3.2.2 Projetos em desenvolvimento

– COPESUL. Otimização e controle das unidades de extração de aromáticos e deprodução de BTX (Benzeno, Tolueno e Xilenos). O objetivo principal é diminuir asuperespecificação dessas unidades visando a redução do consumo energético.

– PETROBRÁS. A unidade de FCC pode operar tanto na combustão parcialproduzindo CO (para ser usado nas caldeiras como combustível) como na combustão totalproduzindo CO2. Nem sempre a caldeira está disponível para a queima de CO obrigando aunidade a operar em combustão total. Essa troca de operação só é possível através de umaeficiente estratégia de controle.

– IPIRANGA. Otimização dos controladores visando a redução de geração de produtosfora de especificação, com a conseqüente diminuição do consumo energético e da quantidadede rejeitos industriais. Desenvolvimento de processos alternativos de polimerização comênfase na redução de sub-produtos, sendo desenvolvida pelo nosso grupo.

– Petroquímico TRIUNFO. Desenvolvimento de um simulador do processo depolimerização de etileno em alta pressão, com o objetivo de otimizar as condições de operaçãode acordo com as características do produto desejado, evitando-se assim inúmeros testes naplanta com grande consumo energético e geração de sub-produtos.

– ELEGÊ, CEVAL, Cooperativa Santa Clara. O soro do queijo é um sub-produto dafabricação do queijo e um forte agente poluidor. Através de um processo biotecnológico esse

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mesmo agente poluidor pode se transformar numa matéria-prima para a produção da enzimaLactase.

3.3.3 Projeto ALSOC

O Projeto ALSOC é um esforço para aproximar universidades e indústrias através dapadronização e distribuição sem custo de especificações e ferramentas de software entreuniversidades e empresas consorciadas.

Objetivos– Desenvolver, manter e distribuir especificações de uma linguagem de modelagem e

uma biblioteca de modelos abertos para síntese, simulação, otimização e controle de processosem geral;

– Desenvolver e manter software no estado-da-arte distribuído sem custo entre osconsorciados e entidades educacionais;

– Certificar a conformidade de soluções externas com os padrões desenvolvidos eadicionar ao Projeto contribuições externas;

– Propiciar uma interação mais efetiva entre universidades e empresas pelo uso de umaferramenta comum, facilitando a transferência de tecnologias.

O Projeto é um resultado de trabalhos desenvolvidos pelo GIMSCOP/DEQUI/ UFRGSnos últimos anos. Hoje em dia já envolve também o LMSCP/COPPE e LSCP/DEQ/USP.

Atualmente, são sete as empresas parceiras envolvidas no Projeto: Petrobrás, Braskem,COPESUL, Innova, Ipiranga, P. Triunfo e REFAP.

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4. MODELAGEM E SIMULAÇÃO

4.1 Introdução

Sempre com a preocupação de conter despesas e manter a produtividade, o interesse daindústria química por pacotes computacionais para modelagem e simulação de processos vemaumentando cada vez mais. Com a modelagem de processos permite-se verificar a integridadede um projeto e a operabilidade prática do mesmo, através da simulação de toda uma planta,mesmo ainda em fase de projeto.

Mas o que seria modelar e simular? Modelar significa descrever matematicamente umprocesso, ou seja, fazer todo o equacionamento matemático da física e química envolvida noprocesso. Define-se como processo o arranjo de unidades de operação (reatores, trocadores decalor, colunas de destilação, etc.) integradas entre si em uma maneira racional e sistemática.

Simular significa achar a solução de um sistema de equações que descrevem o modelo deum equipamento, transformação ou processo.

Ao se modelar um processo ou operação, deve-se ter em mente os seguintes elementos:descrição do processo e definição do problema, teoria e aplicação das leis fundamentais,equacionamento, considerações, análise de consistência, definição da solução desejada,matemática e computação, solução e validação.

Descrição do processo e definição do problema: talvez a parte mais importante para aanálise de um processo seja o conhecimento dos fenômenos que o envolvem e o que se desejaconhecer de suas causas e efeitos, ainda que não seja possível estabelecer regras para adefinição do problema.

Teoria e aplicação das leis fundamentais: uma vez entendido o processo, define-se ateoria que governa os seus fenômenos. Esta teoria é, usualmente, disponível através de umavariedade de fontes, publicadas ou não.

Equacionamento: o próximo passo no desenvolvimento de um modelo é escrever a teoriaem simbologia matemática.

Considerações: provavelmente o papel mais importante do engenheiro na modelagem é ojulgamento que faz em relação às considerações a serem feitas. Logicamente, um modeloextremamente rigoroso que inclui um grande detalhamento de cada fenômeno é tão complexoque tomará um longo tempo para o seu desenvolvimento, podendo até ser não irrealizável comos recursos atuais. Um compromisso deve existir entre a descrição rigorosa e chegar a umaresposta suficientemente boa.

As considerações feitas devem ser listadas e analisadas cuidadosamente para assegurar quequalquer termo omitido é de fato insignificante durante toda a simulação do processo. Elassempre impõem limitações no modelo que deve se ter em mente ao buscar valores preditos.Freqüentemente é possível eliminar equações por inteiro pelo simples fato de desprezarpequenas flutuações em certas variáveis intermediárias.

Como resultado das considerações tem-se um conjunto menos complexo de equações aserem resolvidas.

Análise de consistência: checar se o número de equações é igual ao número de variáveis adeterminar (ou grau de liberdade igual a zero) é uma tarefa importante para confirmar aconsistência matemática do modelo; isto é particularmente importante em sistemas complexos

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e grandes. Se isto não ocorrer o sistema está sub-especificado ou sobre-especificado e, àsvezes, errado com a formulação do problema.

Solução desejada: uma consideração das soluções requeridas do modelo é um passonecessário antes de suas obtenções propriamente ditas. Uma lista de vários casos requeridos ea informação que é esperada em cada caso podem revelar possíveis situações redundantes,auxiliando na etapa de simulação.

Matemática e computação: a natureza das equações do modelo é que determina ométodo para obtenção da solução a ser selecionado, seja ele analítico, numérico ou porinspeção. Embora existe uma variedade de métodos para a solução de um determinadoconjunto de equações, deve se ter uma noção básica sobre a adequabilidade de cada métodoem função das características do problema a ser resolvido.

Solução e validação: a última fase do desenvolvimento de modelos de um processo é oestudo e verificação das soluções obtidas do modelo matemático através de comparações comdados experimentais ou julgamentos de engenharia. Qualquer solução não esperada deve serracionalizada para assegurar que não ocorreram erros de computação.

4.2 Ferramentas Computacionais para Simulação

Até pouco tempo atrás, antes do desenvolvimento da computação, só era possível aresolução de modelos de processos de sistemas simples e com métodos aproximados.Entretanto, esses métodos de resolução rápida – devido ao baixo nível computacional evolume de dados físicos exigidos – são baseados em modelos físicos simplificados que geramresultados insatisfatórios em alguns casos.

Com o avanço dos recursos computacionais, hoje é possível se resolver sistemas cada vezmais complexos utilizando-se de modelos mais rigorosos. Atualmente existem softwares quepermitem simular esses processos, através de uma ampla biblioteca de modelos para uma sériede equipamentos, juntamente com um enorme banco de dados de parâmetros parapropriedades físicas. Estes softwares são chamados de simuladores.

Existe uma ampla variedade de ferramentas computacionais para a simulação. Estasferramentas apresentam diversos níveis, de acordo com sua manipulação e flexibilidade parase criar modelos.

As linguagens C++ e Fortran, assim como os softwares matemáticos Matlab e Maple,apresentam um alto grau de flexibilidade para se criar modelos, mas são de manipulação eaprendizado relativamente complexos. Já softwares como Aspen e HYSYS, apresentammodelos prontos que facilitam a manipulação e aprendizado para simulação, mas se tornalimitado aos modelos que já se dispõem.

Ferramentas de fácil uso e aprendizado são características em uso na Engenharia, uma vezque há necessidade de resultados rápidos, de fácil obtenção, para tomada de decisões emtempo hábil. Já as ferramentas de alta flexibilidade, se mostram características da Ciência daComputação e afins. Numa escala intermediária temos os software gPROMS e SpeedUp, coma liberdade de se criar os modelos, com todo o equacionamento, que se torna mais versátil parasimular modelos mais específicos e complexos.

Dentre os níveis apresentados para as ferramentas computacionais, o simulador EMSOassim como o gPROMS, também assume uma posição intermediária, sendo em alguns pontossimilar ao gPROMS. Ambos detém a possibilidade de poder-se implementar modeloscustomizados conforme as necessidades.

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Figura 1. Esquema dos diversos níveis das ferramentas computacionais para simulação.

Como visto na Figura 1, há um compromisso entre facilidade de uso/aprendizado eflexibilidade. Isto vem a tornar cada ferramenta apropriada para uma aplicação diferente.

Uma descrição detalhada dos simuladores de processos químicos, utilizados noDEQUI/UFRGS será tratada no item 4.2.2.

4.2.1 Simuladores de Processos

Há dois grupos bem claros de simuladores: os que chamaremos do tipo “arrasta e larga” eos do tipo estruturado a equações. Dentre estes, os do tipo “arrasta e larga” são os maispopulares na indústria, pela sua praticidade e interface amigável e intuitiva. Os dos tiposestruturados a equações, por serem mais versáteis e flexíveis, são mais usados em pesquisa eno meio acadêmico.

Como simuladores do tipo “arrasta e larga”, os que se sobressaem como dos maispopulares são os pacotes Aspen da norte-americana Aspen Technology, Inc. e o pacote HYSYSda canadense Hyprotech Ltd. Estes estão disponíveis na forma de inúmeros pacotes commodelos pré-definidos para vários equipamentos e processos, dos mais gerais aos maisespecíficos. Estes simuladores apresentam uma interface gráfica em que os modelos,representados por blocos, são apresentados como ícones com os quais pode-se arrastar e largarpara construir-se o fluxograma do processo desejado. Atualmente, a Aspen Technology, Inc.comprou os direitos da Hyprotech Ltd. do simulador HYSYS, prevalecendo assim como lídermundial no mercado na área de simulação de processos.

Dentre os simuladores estruturados a equações, os mais conhecidos são o gPROMS dainglesa Process Systems Enterprise Ltd. e SpeedUP, este último já em desuso. A AspenTechnology, Inc. nos seus pacotes de softwares tem o Aspen Dynamics, um simulador deprocessos dinâmicos, que segue os moldes dos simuladores estruturados a equações, pois foidesenvolvido sobre o SpeedUp.

Engenharia

Ciência da Computação Flexibilidade

Fácil uso/aprendizado

AspenHySys

gPROMSSpeedUP

Maple, MatlabC++, Fortran

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Como alternativa, tem-se o simulador nacional EMSO, desenvolvido por Rafael P. Soares,que está na sua versão de teste e avaliação, em etapas iniciais de desenvolvimento.Futuramente o software deverá unir características dos simuladores do tipo “arrasta e larga” eestruturado a equações.

4.2.2 Simuladores de Processos Disponíveis no DEQUI/UFRGS

Aspen Plus®

É o simulador de processos gerais da Aspen Tech. Ele permite criar o fluxograma(flowsheet) desejado, arrastando-se os blocos dos equipamentos na área principal e fazendo asligações entre eles por correntes materiais ou não. As simulações são realizadas sem contatodireto com o equacionamento do sistema.

Figura 2. Aspen Plus: Exemplo de um modelo simulado da Polimerização de Estireno por InicializaçãoTérmica e Química. Os blocos de equipamentos estão na porção inferior e o fluxograma, na porção central.

A partir do fluxograma montado, pode-se especificar as condições de operação do sistemabem como componentes químicos envolvidos. O simulador tem uma ampla biblioteca depropriedades físicas de componentes, bastando se escolher o modelo termodinâmico deresolução para o sistema para se chegar aos resultados do modelo simulado. Ver Figuras 2 e 3.

Os blocos de operações estão agrupados em categorias com características comuns. Sãooito as categorias:

– Misturadores/Divisores (de correntes)

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– Separadores– Trocadores de calor– Colunas– Reatores– Modificadores de pressão (bombas, compressores, válvulas e tubulações)– Manipuladores (de correntes) e– Operações com sólidos.

Figura 3. Aspen Plus: Interface de entrada de dados para a mesma simulação. No caso, temos a entrada dasespecificações dos componentes envolvidos.

O Aspen Plus, simula unicamente processos em estado estacionário. Neste caso,somente as condições iniciais e finais importam, a evolução para se chegar de uma condição aoutra não são avaliadas. Para simulação de processos dinâmicos existe o pacote AspenDynamics que será mencionado mais adiante.

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gPROMS®

É um Sistema Geral de Modelagem de Processos (general PROcess Modelling System).Simula processos estacionários e dinâmicos, fazendo-se o equaciona do modelo estruturadoem uma linguagem própria. Isto permite múltiplas possibilidades para simular processosespecíficos, sem depender de modelos pré-definidos. Ver Figura 4.

A estrutura de um modelo envolve essencialmente: tipos de variáveis, tipos de correntes,modelos e processos.

Tipos de variáveis: Declaração dos tipos de variáveis envolvidas no processo. Tipos de correntes: Declaração de todos os tipos de correntes materiais ou não

envolvidas.Modelos: Equacionamento de todos as operações envolvidas no processo a ser simulado.

Deve-se declarar todas as variáveis, constantes e correntes envolvidas no equacionamento domodelo, a partir de tipos de variáveis e correntes já referenciados.

Processos: Uma vez descritos todos os modelos das operações envolvidas no processo, asligações entre as operações devem ser feitas. Os processos seriam a junção de todos osmodelos capazes de representar as respostas de um sistema.

O gPROMS conta com uma biblioteca de modelos já implementados.

Figura 4. gPROMS: Interface única para entrada e visualização de dados. Os resultados obtidos podem sergraficados com o aplicativo gRMS, incluso no pacote.

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HYSYS.Process®

Similar ao Aspen Plus. Permite-se criar os fluxogramas arrastando-se os equipamentos e osligando com correntes. Ver Figuras 5 e 6.

As operações e equipamentos também são agrupados em categorias contendo um númeroindividual de operações. São dez as categorias:

– Vasos (inclui tanques e separadores)– Equipamentos de transferência de calor– Equipamentos rotativos (compressores, expansores e bombas)– Equipamentos para tubulações (segmentos de tubulações, válvulas e etc.)– Manipulação de sólidos (ciclones, filtros e etc.)– Reatores– Colunas pré-construídas– Colunas simplificadas– Subfluxogramas– Lógicos (controladores)O HYSYS simula modelos tanto em estado estacionário quanto dinâmico.

Figura 5. HYSYS.Process: Exemplo de um modelo de coluna simples implementada. Os blocos de equipamentosestão na barra de ferramentas flutuante à direita e o fluxograma, na área central.

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Figura 6. HYSYS.Process: Interface de entrada de dados para a mesma simulação. No caso, temos a entrada dasespecificações da coluna.

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Aspen Dynamics®

Aspen Dynamics® é integrado ao Aspen Plus®, simulador de processos em estadoestacionário, de forma a complementá-lo. Este software inclui as características dinâmicas nosmodelos de processos do Aspen Plus®. Ver Figura 7.

O procedimento padrão é realizar primeiramente a simulação em estado estacionário noAspen Plus e após exportar os dados para o Aspen Dynamics, o qual necessita de algumasinformações relevantes para simular o processo todo variando no tempo.

Ele também pode ser acessado e utilizado de maneira independente ao Aspen Plus. Paraisso, o pacote conta com o Aspen Custom Modeler.

A simulação dinâmica permite acompanhar o desenvolvimento do processo em “temporeal”, com o acompanhamento de todas as variáveis. Disponibiliza o recurso de visualizaçãode gráficos indicativos em tempo real.

Figura 7. Aspen Dynamics: Interface de entrada de dados para a mesma simulação. No caso, temos a entrada dasespecificações dos componentes envolvidos.

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EMSO™

É um ambiente gráfico completo onde o usuário pode modelar processos dinâmicos ouestacionários complexos de forma simples selecionando e conectando blocos de modelos.

Apresenta características do simulador gPROMS, quanto a implementação direta demodelos. Futuramente terá recursos de criação de fluxogramas, como em simuladores do tipodo Aspen e HYSYS.

Por que usar o EMSO?– Facilidade de construção de modelos de processos complexos, chamados FlowSheets,

pela composição simplificada destes por blocos predefinidos, chamados Models, e conexõesentre eles.

– Interface gráfica integrada onde o usuário pode manipular múltiplos arquivossimultaneamente e cada qual pode conter um número ilimitado de Models, FlowSheets ouScripts. Na mesma interface o usuário pode rodar simulações e visualizar os resultados alémde várias outras facilidades de desenvolvimento.

– Tem um conjunto de modelos pré-escritos que vem a formar a EML (EMSO ModelLibrary). Assim, FlowSheets complexos podem ser montados por simples seleção de modelosEML como Devices e interligá-los. EML é uma biblioteca de código-livre e pode ser aberta oumodificada pelo usuário.

– Setup rápido e transparente. A passagem do problema proposto para uma forma possívelde ser interpretada pela máquina é chamada de fase setup. No EMSO, a fase setup não criaarquivos intermediários, compilações, lincagem ou conversão para outra linguagem, osmodelos são diretamente convertidos (na memória) para sistemas de equações. Estemecanismo reduz consideravelmente o tempo de setup.

– Resolve com eficiência sistemas dinâmicos e estacionários, em pequena ou larga escala.Faz uso de álgebra linear densa e esparsa. Não há limites quanto ao tamanho do problema anão ser a capacidade da máquina.

Numa simulação, o processo como um todo é chamado FlowSheet. Um FlowSheet éconstituído por um conjunto de componentes, chamados Devices. Os Devices seriam oequivalente aos equipamentos de um processo. A descrição matemática de cada Devices, porsua vez é chamada Model. Nos Anexos 1 e 2 encontram-se os templates para a estrutura dosModel e FlowSheet.

FlowSheet, Devices e Model são as três principais entidades numa simulação. Estas estãogeralmente todas juntas, em um único arquivo de texto com a extensão .mso. Para o caso deprocessos mais complexos não se torna vantajoso juntar estas 3 entidades num arquivo só. Asobreposição de modelos semelhantes e a interligação entre os Devices, torna o FlowSheetmuito poluído. Além do que, processos muitos semelhantes e com equipamentos semelhantes,permite-nos evidenciar todas as características comuns em Models básicos. Estes arquivos deModels básicos podem ser escritos em arquivos de modo que o FlowSheet herde estes últimos.Isto torna os Models disponíveis para outros processos numa biblioteca de modelos tornando aconstrução de modelos de processos mais práticas. Os conceitos de herança serão tratados commais ênfase no item 6 deste presente relatório.

A atividade principal no presente estágio foi exatamente a implementação de Models parareatores químicos. Para tanto, partiu-se dos modelos abordados no pacote da Aspen Tech.

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Figura 8. EMSO: Exemplo de um modelo simples de reator CSTR implementado. Este modelo serádesenvolvido mais adiante no item 7.

Na Figura 8, temos uma noção da sua interface gráfica. A disposição das informaçõesestá de maneira similar aos simuladores gPROMS e Aspen Dynamics. A área útil do simuladorestá dividida em 3 áreas:

Explorer panel: Com o indicativo de documentos abertos bem como todo a estruturahierárquica do mesmo. É painel lateral esquerdo.

Multiple Document Interface (MDI) panel: É o responsável por mostrar os arquivosabertos e edita-los, mostrar resultados na forma de gráficos, etc. Ao editar o arquivo, indica-ocom coloração de sintaxe auxiliando a visualização. É o painel central direito.

Output panel: Quando alguma tarefa está sendo realizada, as mensagens são enviadaspara cá. Mensagens de erros, de análise de consistência do sistema e inicialização eencerramento de simulações são dadas aqui.

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5. MODELAGEM DE REATORES QUÍMICOS

A atividade principal constitui-se da construção de modelos de reatores para utilizaçãona biblioteca de modelos do EMSO, a EML. Para tanto, utilizaram-se os modelos propostos nosimulador Aspen Plus que são os mesmos do Aspen Dynamics, por complementação, já queeste último faz as simulações dinâmicas dos modelos apresentados no Aspen Plus.

O pacote Aspen aborda os modelos dos reatores de acordo com as informações que sedispõem para se simular. Isto quer dizer que a simulação é feita por modelos gerais que podemser aplicados a tipos variados de reatores, interessando-se apenas as informações que sedispõem para se simular: cinética da reação, estequiometria, conversão, equilíbrio químico,número de fases, etc., e o que se espera como resultado. Claro que existem modelosespecíficos para os reatores batelada, CSTR e PFR, mas estes são modelos rigorosos quepermitem simular unicamente estes. Qualquer reator que não sege especificamente batelada,CSTR ou PFR, podem ser simulados por 4 diferentes modelos.

De um total de 7 modelos de reatores químicos, tem-se 4 modelos gerais e 3 modelosrigorosos.

5.1 Modelos Gerais

5.1.1 RStoic

Usado quando as cinéticas das reações são desconhecidas ou sem importância; e aestequiometria e extensão ou conversão molar é conhecida para cada reação. Pode modelarreações ocorrendo simultaneamente ou seqüencialmente. Em adição, pode calcular aseletividade do produto e calor da reação. Ver esquemas das ligações das correntes na Figura9.

Figura 9. Esquema de ligações no modelo RStoic.

Correntes materiaisEntrada Pelo menos uma corrente materialSaída Uma corrente de produto

Uma corrente de água decantada (opcional)

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Correntes energéticasEntrada Qualquer número de correntes de calor (opcional)

O modelo usa a soma das correntes de entrada como a especificação docalor devido, se não especificado uma corrente de saída.

Saída Uma corrente de calor (opcional)O valor da corrente de saída é o calor livre devido (soma das correntesde entrada menos o calor devido calculado) para a reação.

Análise do modelo

Dada reação�� dDcCbBaA ���

�� DadC

acB

abA ���

Conhecem-se os reagentes e seus respectivos coeficientes estequiométricos. Aconversão ou extensão das reações envolvidas é dada:

0

0

j

jjj N

NNx

�

� , j = 1, 2, ..., n

j

jj NN�

� 0�

� , j = 1, 2, ..., n

Onde n: número de componentes químicos participantes.xj: conversão fracionária para o componente j.Nj0 e Nj: quantidade molar, inicial e final do componente j.�: extensão ou grau de avanço da reação�j: coeficiente estequiométrico, de modo que, �A = - a, �B = - b,

�C = c e �D = d.

Para múltiplas reações, onde m é número de reações, teríamos:

��

��

m

iiijjj NN

10

�� , i = 1, 2, ..., m

Este modelo calcula as composições finais a partir da estequiometria da reação e dada aconversão de um componente qualquer ou a extensão molar para a reação. Analisando-se paraos dois casos:

– xj qualquer informadoSe se informa a conversão xA para o componente A, temos:

00

0 1A

A

A

AAA N

NN

NNx ��

�

�

)1(0 AAA xNN ��

A partir da conversão xA, pode-se calcular o números de moles Nj para os demaiscomponentes sabendo-se que para cada mol de A reagido, b/a moles de B devem reagir, ouseja:

20

)( 00 AABBB NNabNNN ����� (1)

)( 00 AABB NxabNN ��

Substituindo a expressão anterior na expressão da conversão xB, chega-se:

00 AABB NxabNN ��

Generalizando para os demais, chega-se a expressão abaixo:

00j

j j A AN N x Na�

� � (2)

Onde temos xA, como conversão fornecida. Assim é possível calcular as composiçõesNj a partir de uma única conversão xj conhecida.

– � informadoDa expressão de � a partir do componente A, temos:

aNx

aNNNN AAAA

A

AA 000�

�

�

�

�

�

��

Substituindo a expressão anterior na equação (2):�� jjj NN ��

0(3)

5.1.2 REquil

Usado para modelar um reator quando a estequiometria da reação é conhecida ealgumas ou todas as reações alcançam o equilíbrio químico. Calcula simultaneamente oequilíbrio de fases e químico. Permite limitadas especificações de equilíbrio químico parareações que não alcançam o equilíbrio. Pode modelar reatores de 1 e 2 fases. Ver esquemasdas ligações das correntes na Figura 10.

Figura 10. Esquema de ligações no modelo REquil.

Correntes materiaisEntrada Pelo menos uma correnteSaída Uma corrente material para a fase vapor

Uma corrente material para a fase líquidaCorrentes energéticasEntrada Qualquer número de correntes de calor (opcional)

21

Saída Uma corrente de calor (opcional)Análise do modelo

Dada reaçãodDcCbBaA ���

Conhecem-se os reagentes e seus respectivos coeficientes estequiométricos. Estemodelo assume que as reações direta e oposta alcancem o equilíbrio químico, de forma que ascomposições finais no equilíbrio são calculadas a partir da energia livre de Gibbs.

O modelo requer: a extensão molar da reação ou uma temperatura aproximada para oequilíbrio químico da reação (se informada esta temperatura o modelo calcula a constante deequilíbrio em T + �T, isto é, numa temperatura T do reator acrescida de um �T informando).

Analisando-se para os 2 casos:

– Temperatura de equilíbrio químico informadaSabe-se que a energia livre padrão G0, se relaciona com a constante de equilíbrio Keq

pela equação abaixo:eqeq KRTKRTG log303,2ln0

����� (4)que é dependente da temperatura.

A expressão para Keq é:

bB

aA

dD

cC

eq CCCC

K � (5)

E da equação (4), temos ainda:RTG

eqK 3,2/010 ��� (6)

A energia livre padrão é calculada a partir de valores tabelados da energia livre deformação, para cada componente, fornecidos por um banco de dados do simulador.

Da equação (3), teremos �1, para reação direta e �2; para a inversa: 22110

���� jjjj NN ��� (7)Dado �1, pode-se calcular �2 substituindo a equação (7) em (5), sabendo-se que Cj =

Nj/V. Conhecendo �1 e �2, os Nj são calculados como no caso do RStoic. Chega-se desta formaas composições finais no equilíbrio.

– Extensão molar fornecidaSe a extensão molar da reação é fornecida, recai-se ao caso do modelo RStoic. Os

cálculos são feitos da mesma forma abordada anteriormente, quando a temperatura deequilíbrio química é informada. A diferença está que para a equação (4), a temperatura usadaserá a do reator (especificada pelo usuário ou calculada pelo simulador) sem acréscimos.

22

5.1.3 RYield

Usado quando a estequiometria da reação é desconhecida ou sem importância, ascinéticas das reações são desconhecidas ou sem importância e a distribuição do rendimento éconhecida. Pode-se especificar os rendimentos (por massa da alimentação total, excluindoquaisquer componentes inertes) para os produtos ou calculá-los através de uma subrotinafornecida pelo usuário. O modelo normaliza os rendimentos para manter a consistência dobalanço mássico. Pode modelar reatores de 1, 2 e 3 fases. O esquema de entrada e saída dascorrentes materiais e energéticas é o mesmo do RStoic (ver Figura 9).

Dada reaçãodDcCbBaA ���

Conhece-se a distribuição de rendimento dos produtos formados na reação. Para ocomponente C, o rendimento é dado pela expressão:

00 BA

CC NN

NY�

� (4)

5.1.4 RGibbs

Usa a minimização da energia livre de Gibbs com fase separada para calcular oequilíbrio (recaindo no caso do REquil). Não requer que se especifique a estequiometria dareação. Usado para modelar reatores com: equilíbrio químico monofásico (vapor ou líquido),equilíbrio de fase (uma fase vapor opcional e qualquer número de fases líquidas) com reaçõesnão-químicas, fase e/ou equilíbrio químico com fases de solução sólida, e simultaneamenteequilíbrio químico e de fase. Ver esquemas das ligações das correntes na Figura 11.

Figura 11. Esquema de ligações no modelo RGibbs.

Correntes materiaisEntrada Pelo menos uma correnteSaída Pelo menos uma corrente

Correntes energéticasEntrada Qualquer número de correntes de calor (opcional)Saída Uma corrente de calor (opcional)

23

5.2 Modelos Rigorosos

5.2.1 RBatch

Modelo rigoroso para reatores batelada e semibatelada. Usado quando se conhece acinética das reações em andamento. Pode-se especificar qualquer número de correntes dealimentações contínuas. Uma alimentação contínua é opcional. A reação ocorre até que sealcance um critério de parada especificado pelo usuário. Operações em batelada são processosem regime não-estacionário. O modelo usa propriedades dos tanques e seus tempos de cicloespecificados para promover uma interface entre as operações discretas do reator batelada e ascorrentes contínuas usadas por outros modelos. Pode modelar reatores de 1, 2 e 3 fases. Veresquemas das ligações das correntes na Figura 12.

Figura 12. Esquema de ligações no modelo RBatch.

Correntes materiaisEntrada Uma corrente de carga de batelada (requerido)

Uma ou mais correntes de alimentação contínuas para reatoressemibatelada (opcional)

Saída Uma corrente de produto (requerido)Uma corrente de abertura para reatores semibatelada (opcional)

Correntes energéticasEntrada Nenhuma correnteSaída Uma corrente (opcional)

Análise do modelo

Para reatores batelada, admite-se que não há entrada nem saída de reagentes ouprodutos no decorrer da reação. Ou seja, a vazão de entrada é igual à de saída.

Por exemplo, dada a reação direta:BA k

���

– Balanço de massa

24

Global: 0�

dtdV , uma vez que F0 = 0 e Fs = 0 (não há correntes de entrada e

saída)

Componente: AAAA VR

dtdVC

dtdCV

dt)VC(d

���

AA kCR � ; k= k0exp(– E/RT).

inicialAA

AA

C)t(C

kCdt

dC

�

�

0

– Análise de consistênciaVariáveis: CA, RA, V, k, k0, t, T, R, EConstantes: k0, R, T, EEspecificações: V, tForças motrizes: –Graus de liberdade: (9 – 4 – 2) – 3 = 0

Para reatores semibatelada, tem-se adicionalmente uma corrente F0 de entrada. Nestecaso particular tem-se para o exemplo:

– Balanço de massa

Global: 0FdtdV

� , 0�� �

Componente:� �

AAAAA VRCF

dtdVC

dtdCV

dtVCd

���� 00

AA kCR � ; k= k0exp(– E/RT).

� � VkCCCFdt

dCV AAAA

��� 00

definindo VF

D 0� (taxa de diluição)

� �

inicialAA

AAAA

C)t(C

kCCCDdt

dC

�

���

0

0

25

– Análise de consistênciaVariáveis: 0AA C,C ,F0, RA, V, k, k0, t, T, R, E, DConstantes: k0, R, T, EEspecificações: V e tForças motrizes: 0AC e F Graus de liberdade: (12 – 4 – 2 – 2) – 4 = 0

5.2.2 RCSTR

Modela rigorosamente reatores contínuos de tanque agitado. Pode modelar reatores de1, 2 e 3 fases. Assume mistura perfeita no reator, isto é, o conteúdo do reator tem a mesmaspropriedades e composição que a corrente de saída.

O modelo permite reações cinéticas e de equilíbrio bem como reações envolvendosólidos. Pode prover a cinética das reações através de modelos prontos de reatores ou porsubrotinas definidas pelo usuário. Ver esquemas das ligações das correntes na Figura 13.

Figura 13. Esquema de ligações no modelo RCSTR.

Correntes materiaisEntrada Pelo menos uma correnteSaída Uma corrente de produto

Correntes energéticasEntrada Qualquer número de correntes de calor (opcional)Saída Uma corrente de calor (opcional)

26

Análise do modelo

Reatores CSTRs são operados normalmente em regime estacionário e de forma a seobter uma mistura perfeita. Como resultado desta última, o CSTR é geralmente modeladocomo não possuindo variações espaciais na concentração, temperatura (isotérmico), ouvelocidade de reação através do tanque. Como a temperatura e a concentração são idênticasem qualquer ponto do vaso de reação, elas são a mesma no ponto de saída, tanto quanto emqualquer outro lugar do tanque. Portanto, a temperatura e a concentração na corrente de saídasão modeladas como sendo as mesmas do interior do reator.

Por exemplo, dada a reação direta:BA k

���

E considerando massa específica constante das correntes e volume do reator constante,o modelo para este bloco ficaria:– Balanço de massa

Global: 0)(00 ��� ss FF

dtVd

��� , s�� �

FFF s ��0

Componente:� �

AAsAA VRCFCF

dtVCd

��� 00

AA kCR � ; k = k0exp(– E/RT).

� � VkCCCFdt

dCV AAAA

��� 0

definindo FV

�� (tempo de residência médio)

� �

inicialAA

AAAA

C)t(C

kCCCdt

dC

�

���

0

01�

– Análise de consistênciaVariáveis: 0AA C,C , F, RA, V, k, k0, t, T, R, E, �� �Constantes: k0, R, T, E, �Especificações: V, tForças motrizes: 0AC e FGraus de liberdade: (13 – 5 – 2 – 2) – 4 = 0

27

5.2.3 RPlug

Modelo rigoroso para reatores PFR. Assume que ocorre mistura perfeita na direçãoradial e que não ocorre mistura na direção axial. Pode modelar reatores de 1, 2 e 3 fases. Podetambém ser usado para modelar reatores com corrente refrigerante (contracorrente ou não).Controla reações cinéticas, incluindo reações envolvendo sólidos. Deve se conhecer a cinéticada reação quando se usa RPlug para modelar um reator. Pode prover a cinética da reação pormodelos prontos de reatores ou por subrotinas definidas pelo usuário. Ver esquemas dasligações das correntes na Figura 14.

28

Figura 14. Esquema de ligações no modelo RPlug. O esquemasuperior sem corrente refrigerante e o inferior com correnterefrigerante.

Fluxo do reator com corrente refrigerante

Correntes materiaisEntrada Uma corrente material de alimentação

Uma corrente refrigerante (opcional)Saída Uma corrente material de produto

Uma corrente refrigerante (opcional)

Correntes energéticasEntrada Sem corrente de entradaSaída Uma corrente de calor (opcional) para o calor devido do reator.

Usa a corrente de saída somente para reatores sem uma correnterefrigerante.

Análise do modelo

Operado usualmente em regime estacionário, como é também o CSTR. Considerando-se sistemas nos quais o escoamento é altamente turbulento e o campo de fluxo pode sermodelado como fluxo uniforme. Isto é, não existe variação radial na concentração.

No reator, os reagentes são continuamente consumidos à medida que avançam noreator ao longo de seu comprimento. Na modelagem assume-se que a concentração variacontinuamente na direção axial do reator. Consequentemente, a velocidade de reação, que éuma função da concentração para todas as ordens de reação, exceto para reações de ordemzero, também variará axialmente.

A equação geral do balanço molar fica:

dtdN

dVrFF jV

j ��� �0

29

Considerando o reator dividido em um certo número de subvolumes de modo que emcada qual, a velocidade de reação possa ser considerada espacialmente uniforme. Sabe-setambém que o volume é o produto da área da seção transversal A do reator pelo seucomprimento y. E considerando, como nos demais casos, regime estacionário, temos:

jj AR

dydF

� ou jj R

dVdF

�

30

6. ESTRUTURA DOS MODELOS

O modelo nada mais é do que a abstração do problema real, do qual através da soluçãonumérica de modelos matemáticos pode-se fazer previsões. Para modelos matemáticoscomplexos, a solução numérica deste requer a programação de um modelo computacional.Então nos simuladores há a associação entre diferentes espaços de modelos: modelo doproblema (imagem virtual do problema real), modelo matemático (conjunto de equações dasquais obtém-se a solução numérica do problema real para análise) e modelo computacional(através de uma linguagem de programação).

A modelagem orientada a objetos é baseada na representação de entidades do problemareal através de entidades chamadas Model. Ao se modelar problemas, passando-os do modelomatemático para o modelo computacional, estes acabam envolvendo entidades que nãoexistem no modelo do problema ou no modelo matemático. Isto torna a modelagem doproblema muito custosa e com sérias dificuldades de reutilização. Modelos muito complexosrepresentados desta forma são de difícil readaptação quando se deseja modificá-los.

Criando-se grupos de entidades que caracterizem a entidade real torna a modelagem fácilde ser construída e adaptada. Uma das características assumidas é possibilidade de se construirmodelos complexos a partir de modelos mais simples utilizando-se do recurso de herança.

No Aspen, os modelos dos reatores químicos estão dispostos em uma estrutura hierárquicadada pela Figura 15. No topo temos InletMixerFw, que representa o modelo de ummisturador de correntes para entrada no reator. O ReactorBase por sua vez, é o modelo básicopara os demais reatores e herda InletMixerFw. Dentro do modelo ReactorBase, há a distinçãoentre reator CSTR, PFR e Instantaneous (este último, modelo de reator estacionário básico).Os CSTR e PFR têm subdivisão quanto a ValidPhases, que seria o número de fases envolvidasque pode ser: Vapor-Only, Liquid-Only, Vapor-Liquid, Vapor-Liquid-Liquid, Vapor-Liquid-FreeWater e Liquid-FreeWater.

Os modelos RStoic, RYield, RGibbs e REquil, herdam ReactorBase com um detalhe queRStoic ainda prevê o tipo de reação: Series e Parallel. Os modelos RCSTR, RPlug e RBatch,correspondem a modelos independentes por representarem reatores específicos.

Para o EMSO, sugeriu-se a estrutura hierárquica dada pela Figura 16. A estrutura mostradavisa tornar a escolha do modelo pelo usuário mais prática e fácil. Assumindo que no finaltenhamos os modelos de reator Instantaneous, CSTR, PFR, e Batch (e Semibatch), desta formao usuário teria que escolher o tipo de reator primeiramente e depois especificar se deseja ummodelo cstr_stoic, cstr_yield, cstr_gibbs ou cstr_equil, por exemplo, de acordo com os dadosde entrada que se tem disponível.

No topo temos types, que contém todas as unidades de medida definidas, com seusrespectivos valores default e limites superiores e inferiores. No modelo streams, estácaracterizada uma corrente material que será herdada pelos modelos seguintes. Estes 2 últimosmodelos já estão implementados e são distribuídos juntamente com as últimas versões dosimulador. Na seqüência, os modelos instantaneous_basic, reactor_basic, batch_basic esemibatch_basic, dão suporte a todos os demais. O reactor_basic contém as definições iniciaiscomuns ao cstr e pfr.

31

InletMixerFw

ReactorBase

RPlug

RYield REquilRGibbs

RCSTR

RStoic

ValidPhases

CSTRInstantaneous PFR

SeriesParallel

ValidPhases

RBatch

Figura 15. Estrutura hierárquica dos modelos de reatores químicos no Aspen.

32

mixer_stream

streams

types

batch_basicinstantaneous_basic

instantaneous_stoic

instantaneous _yield

instantaneous _gibbs

instantaneous _equil

batchpfr_basic

pfr_stoic

pfr_yield

pfr_gibbs

pfr_equil

pfr

cstr_basic

cstr_stoic

cstr_yield

cstr_gibbs

cstr_equil

cstr

reactor_basic semibatch_basic

semibatch

Figura 16. Estrutura hierárquica sugerida para os modelos de reatores químicos no simulador EMSO.

33

7. RESULTADOS

Foi iniciada a implementação dos modelos de reatores químicos de acordo com aestrutura hierárquica apresentada no item anterior. No entanto, nem todos ainda foramdevidamente implementados e testados. Encontram-se disponíveis em fase de verificação, osmodelos:

– mixer_stream; – instantaneous_basic;

– instantaneous_stoic;– instantaneous_yield;– instantaneous_gibbs;– cstr_basic;– cstr_stoic;– cstr_yield;– cstr_gibbs;

Estes arquivos foram criados com base em modelos existentes no Aspen Dynamics,como foi descrito no item 6. A dificuldade enfrentada ao se adaptar os modelos existentes coma sintaxe do EMSO está na complexidade destes modelos. São modelos que tendem a preverinúmeras possibilidades de caracterização do modelo em um único arquivo.

Para exemplificação, temos a simulação de um modelo simples de CSTR, com reaçãoisotérmica do tipo A � 2B, e de primeira ordem em A. Encontra-se no Anexo 3, o modeloimplementado.

Como dados de saída, têm-se as concentrações de A e B graficadas no Anexo 4. Estemesmo problema poderia ser modelado em outros simuladores com a mesma eficiência, masnão com a mesma simplicidade.

34

8. ATIVIDADES DESENVOLVIDAS

O cronograma inicial de atividades foi o seguinte:

Atividades Ago. Set. Out. Nov. Dez.Quinzenas 1ª 2ª 1ª 2ª 1ª 2ª 1ª 2ª 1ª - Aprendizado na manipulação de softwares demodelagem e simulação: Aspen e gPROMS

X - - - - - - - - -

Familiarização com o simulador EMSO - X - - - - - - - - Início das atividades no projeto, distribuiçãodas atividades do estágio.

- X - - - - - - - -

Listar, dos simuladores disponíveis, os gruposde operações unitárias abordadas. Limita-senesta fase do projeto tratar de operaçõesenvolvendo somente fluidos

- X X - - - - - - -

Levantamento de propriedades, modelos ecaracterísticas gerais dos equipamentos.

- - X X X X X X X -

Reunião e organização de informações doestágio para elaboração do relatório.Apresentação do relatório.

- - - - - - - X X -

- - - - - - - - - -

35

9. CONCLUSÕES

9.1 Conclusões do estágio:O simulador EMSO é uma ferramenta poderosa para modelagem e simulação de

processos. A sua interface leve aliada a um sistema simples de criação e gerenciamento demodelos, o torna muito prático e de fácil manipulação.

Ao disponibilizar a inserção direta do equacionamento do problema em modeloscompletos, assim como se faria no papel, torna o EMSO uma ferramenta bastante didáticaaplicada no meio acadêmico e muito flexível para aplicações reais na indústria. Apossibilidade de se resolver sistemas complexos, os quais os simuladores tradicionais falhamem resolver, o deixa numa posição de destaque.

As atividades realizadas junto ao DEQUI/UFRGS, possibilitaram uma ambientaçãoválida junto ao curso de Pós-Graduação em Engenharia Química da UFRGS. A participaçãoem um projeto que envolve um grupo de pesquisa específico (GIMSCOP) e empresas do PóloPetroquímico, permitiu uma íntima relação entre os meios acadêmicos e industriais, com oúnico propósito de aperfeiçoar tecnologias que venham a beneficiar a todos. O projeto emquestão é o Projeto ALSOC, que tem como um dos objetivos fundamentais o desenvolvimentode tecnologia nacional que torne o Brasil auto-suficiente em Simuladores de Processos.

9.2 Conclusões do curso:O curso de Engenharia Química da UFSM necessita de uma melhor base para as

disciplinas de Análise e Simulação de Processos e Programação Aplicada, adotando-se umalista mais aprimorada de softwares matemáticos e simuladores de processos (estes últimos queatualmente o curso não contempla).

Como softwares matemáticos o curso de Engenharia Química da UFSM dispõe doMathcad®, da MathSoft, Inc. e nenhum simulador de processos. A alternativa está naintegração com o Projeto ALSOC, que prevê o acesso gratuito a uma mesma ferramenta desimulação de processos em todas as universidades brasileiras, com aumenta das interaçõesinterinstitucionais. O que teríamos é o do simulador EMSO como ferramenta computacionalpara modelagem e simulação de processos.

A base fornecida ao longo do curso possibilitou parcialmente as ferramentasnecessárias para o desenvolvimento do presente estágio. A carência de certas noções deModelagem e Simulação mostrou-se mais evidente no início das atividades do estágio, por nãose ter tido nenhum contato com simuladores de processos antes. Isto veio a atrasar o início dasatividades principais, uma vez que foi preciso adquirir uma base prévia na manipulação dealguns simuladores.

10. SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS

Futuramente espera-se continuar junto ao GIMSCOP, ao nível de mestrado, a fim dedar prosseguimento as atividades iniciadas no estágio. O Projeto ALSOC está iniciando suasprojeções para o futuro da Modelagem e Simulação no país, lançando no cenário tecnológico os

e ap eioa deu is ec

TCE

andD

Mls”.

ge,

de”.

la”.P

to”.G

k”.7

.br.D

imulador EMSO.O EMSO ainda está em versões de avaliação, mas prontas para distribuição. O qu

rimeira vista observa-se é a necessidade de uma maior divulgação deste junto ao mcadêmico, fazendo com que universidades se mostrem atentas a integrarem-se ao gruposuários. Isto com certeza virá com o lançamento de versões cada vez mais estáveompletas.

11. BIBLIOGRAFIA

FOGLER, H. S. “Elementos de Engenharia das Reações Químicas”. 3ª ed. Lditora S.A. Rio de Janeiro, Brasil. 2002.

FROMENT, Gilbert F. e BISCHOFF, Kenneth. “Chemical Reactor Analysis esign”. Editora John Wiley & Sons, Inc. New York, USA. 1979.

anuais em disco (.pdf), das documentações oficiais dos Simuladores. Aspen Technology, Inc. “Aspen Plus 12.1: Unit Operation Mode

Cambridge, USA. 2003.Aspen Technology, Inc. “Aspen Dynamics 12.1: Reference Guide”. Cambrid

USA. 2003.Hyprotech Ltd. “HYSYS: Documentation Suite”. Calgary, Canada. 1996.Process Systems Enterprise Ltd. “gPROMS: Introductory User Gui

London, UK. 2004.SOARES, Rafael de P. “EMSO: Manual”. Porto Alegre, Brasil. 2004.

SECCHI, Argimiro R. “Modelagem e Simulação de Processos: Material de Auorto Alegre. 2004. Em disco.

SOARES, Rafael de P. “Curso de Modelagem Orientada a ObjeIMSCOP/UFRGS. Porto Alegre. 2004. Em disco.

PERRY, Robert H., GREEN, Don W. et al. “Perry’s Chemical Engineers’ Handbooth ed. McGraw Hill. New York, USA. 1999. Em disco.

Página do Departamento de Engenharia Química da UFRGS. http://www.enq.ufrgsisponível On-Line. Capturado em Dezembro de 2004.

36

Anexo 1

#** Arq** Adi* obt**#

#** O c* ext* usi* usi** Com* do * Mod* dis**#using

Model

12. ANEXOS

– Modelo para descrição de um Model no EMSO

37

uivo modelo para a descrição de um Model.

cione seus comentários e modifique este arquivo paraer seu novo modelo.

omando using, faz com que identificadores declarados em arquivosernos sejam reconhecidos. Exemplos:ng "types";ng "tanks";

o comando using "types" tornam-se disponíveis os tipos padrãosistema, gravados no arquivo "types.mso".elos podem também ser descritos em arquivos em separado e entãoponibilizados com o comando using.

"types";

CustomModel

PARAMETERS#** Dentro da seção de parâmetros são declarados os parâmetros.* Cada parâmetro é baseado em um tipo normalmente já declarado no* arquivo "types.mso" ou criado pelo usuário.* Por exemplo:* Parametro1 as Real(Brief="Primeiro Parametro", Default = 0,* Lower = -100, Upper = 1e3);**#

VARIABLES#** Na seção de variáveis são declaradas as variáveis, de forma* análoga aos parâmetros.* Por exemplo:* V as Volume (Brief="Volume do atual do reator");* F as FlowRate (Brief="Alimentação");**#

EQUATIONS#** Na seção de equações são declaradas equações de igualdade,* normalmente são os fenômenos físicos e restrições que regem o* comportamento * do equipamento que se está modelando.* Por exemplo:* "Balanço Global" diff(M) = F - (V + L);**#

38

INITIAL#** Declara condições iniciais. A sintaxe é a mesma da seção* EQUATIONS, mas as equações declaradas nesta seção são utilizadas* apenas na inicialização dos sistemas dinâmicos.**#

end

39

Anexo 2 – Modelo para descrição de um FlowSheet no EMSO

#* EMSO template file for new flowsheets.** The user should edit the contents of this file in order* to develop a new flowsheet.** $ID$*#

#* The using command makes available entities declared in another files.** With this command the user can make use of the EML models. In* addition, the user can develop new models is separate files and use* them with the using command.* Examples:* using "types";* using "tanks";*#

FlowSheet NewFlowSheet#* A new flowsheet is declared with the FlowSheet keyword and a* name.* A flowhseet can have several sections presented above:*#

DEVICES#* In the DEVICES section are declared the components of the* flowsheet.* Each device is base in a previously defined mathematical model,* coming from the EML or developed by the user.* A device is declared as follows:* flash101 as Flash;* valve101 as ControlValve;**#

CONNECTIONS#* In the CONNECTIONS section the output and input device* variables are connected each other.** Exemple:* tank1.flowOut to tank2.flowIn;**#

SPECIFY#* In the SPECIFY section the user can reduce the degrees of* freedom of the system by giving expressions or fixing variables.** Exemples:* flash101.P = 6 * "atm";* flash101.T = 420 * time * "K/h";**#

40

SET#* In the SET section the user can customize the values of the* device parameters.** Most models already have default values for its parameters, but* in most cases these values are not suitable. Therefore, the user* always should supply better values in this section.* Exemple:* flash101.V = 3 * "m^3";**#

INITIAL#* In the INITIAL section are given the initial conditions for* dynamic models.** This section is used only for dynamic systems and is used to* determine the initial condition of the system. Any valid* expression involving variables, parameters, functions, etc can* be used.* Exemple:* flash101.M = 10 "kmol";*#

end# The end keyword informs that the flowsheet declaration have ended.

41

Anexo 3 – Visualização de um modelo simples para um reator CSTR

Modelo de um reator CSTR com reação isotérmica A � 2B e de primeira ordem em A.

using "types";

Model CSTRPARAMETERSk0 as frequency (Brief = "Fator pré-exponencial");CA0 as conc_mol (Brief = "Concentração inicial do componente A");CB0 as conc_mol (Brief = "Concentração inicial do componente B");V as volume (Brief = "Volume de líquido no tanque");E as energy_mol (Brief = "Energia de ativação");R as positive (Brief = "Constante dos gases", Unit="kJ/kmol/K",

Default=8.314);T as temperature (Brief = "Temperatura do reator");

VARIABLESCA as conc_mol (Brief = "Concentração do componente A");CB as conc_mol (Brief = "Concentração do componente A");tau as time_sec (Brief = "Tempo de residência");F as flow_vol (Brief = "Corrente de entrada e saída");RA as reaction_mol (Brief = "Cinética da reação");k as frequency (Brief = "Corrente de entrada e saída");

EQUATIONS"Balanço material por componente A"

diff(CA) = (CA0 - CA)/tau - RA;"Balanço material por componente B"

diff(CB) = (CB0 - CB)/tau + 2*RA;"Tempo de residência"

tau = V/F;"Cinética da reação"

RA = k*CA;"Constante de velocidade da reação"

k = k0*exp(-E/(R*T));

end

FlowSheet Reator as CSTRSET

k0 = 1e2*"1/s";CA0 = 6*"mol/m^3";CB0 = 5*"mol/m^3";V = 0.5*"m^3";E = 2500*"kJ/kmol";T = 120*"C";

INITIAL"Condições iniciais"

CA = 6*"mol/m^3";CB = 5*"mol/m^3";

SPECIFY"Vazão de entrada"

F = 10*"m^3/h";OPTIONS

time = [0:0.01:1];end

42

Anexo 4 – Saída de dados do modelo anterior. Gráfico da variação temporal de CA e CB