Simulação de Processos com COCO Simulator - Guia e Metodologia

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Química UC 7451 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS UNIDADE 4 SIMULAÇÃO MODULAR SEQUENCIAL UNIDADE 5 SIMULADORES DE PROCESSOS Diadema SP Profa Dra Laura Plazas Tovar Prof Dr José Plácido Prof Dr Carlos Alexandre Moreira da Silva AULA 9 AMBIENTE COMPUTACIONAL COCO SIMULATOR 2 Referências bibliográficas COCO the CAPEOPEN to CAPEOPEN simulator Disponível em httpwwwcocosimulatororg 2020 CROWE C M Chemical plant simulation an introduction to computeraided steadystate process analysis PrenticeHall Englewood Cliffs N J 1971 DIMIAN A C Integrated design and simulation of chemical processes Volume 13 in Computer Aided Chemical Engineering 1 ed Amsterdam Elsevier 2003 714 p ISBN 9780080534800 3 Conteúdo 1 Introdução 11 Elementos em um simulador 12 Arquitetura de um simulador 2 Objetivos 3 Coco simulator 31 Complementos 4 Ambiente computacional COCO 5 Caracterizando um processo 51 Análise do processo 52 Definição do diagrama do processo 53 Graus de liberdade de unidades operacionaisdfo 54 Graus de liberdade das correntesdfs 55 Graus de liberdade em fluxograma de processos df 56 Etapa executiva 4 11 Elementos em um simulador UNIDADE OPERACIONAL Entradas Calor Trabalho Saídas Calor Trabalho Especificações Parâmetros Geometria Simulação Dimensionamento Otimização Subrotinas internas 1 Introdução 5 2 Objetivos Desenvolver o raciocínio de aplicação da estratégia modular na simulação de processos permitindo ordenar as os equipamentos identificar ciclos e determinar as variáveis de abertura de ciclos Conhecer as principais características do simulador COCO SIMULATOR Aplicar o método de SargentWesterberg do traçado de percursos para identificar as possíveis sequências de cálculo de equipamentos na simulação de processos e a presença de ciclos 21 Geral 22 Específicos Equação Geral Abordagem do problema de simulação 6 PFD Análise Input Execução Resultados e Análise Convergência Dimensionamento e otimização 7 COCO CAPEOPEN to CAPEOPEN é um ambiente gratuito de simulação no estado estacionário que suporta o protocolo CAPEOPEN CAPE é a abreviação de Computer Aided Process Engineering É uma norma para escrever as interfaces de software de computador É aplicada principalmente na engenharia de processos e permite uma comunicação padronizada entre os simuladores de processo por exemplo Aspen Plus e produtos desenvolvidos por terceiros Mais informações CAPEOPEN Laboratories Network httpwwwcolanorg Protocolos CAPEOPEN 3 Coco simulator 8 COCO CAPEOPEN to CAPEOPEN é um ambiente gratuito de simulação no estado estacionário que suporta o protocolo CAPEOPEN consistindo nos seguintes componentes httpwwwchemsepcomdownloadsdocsAIChEM2011LuybenProcesseswithCOCOChemSeppdf 31 Complementos 3 Coco simulator 9 4 Ambiente computacional COCO Iniciar Todos os programa COCO 4 Ambiente computacional COCO COFE Flowsheet1 File Edit Insert Flowsheet Plot View Addins Window Help default Document Explorer Flowsheet1 Flowsheet Settings added stream type default initializing document Log 1 warning 11 4 Ambiente computacional COCO Fuente original Jasper van Baten AmsterCHEM 2011 httpwwwchemsepcomdownloadsdocsAIChEM2011LuybenProcesseswithCOCOChemSeppdf 12 4 Ambiente computacional COCO Região do fluxograma de processos ou operações unitárias Características e informações do fluxograma e da simulação Ações executadas 13 4 Ambiente computacional COCO Ferramentas Equação Geral Abordagem do problema de simulação 14 PFD Análise Input Execução Resultados e Análise Convergência Dimensionamento e otimização 15 Estudo de caso 1A Primeira lei da termodinâmica A cogeração é normalmente utilizada em processos industriais que apresentam consumo de vapor de água a várias pressões Considere que uma turbina movimenta um gerador elétrico conforme apresentado na Figura 1 A turbina consta de dois estágios um de alta pressão e outro de baixa pressão O vapor na proximidade da turbina está a 422 kgfcm2 e 4267 oC Antes de entrar na turbina passa por uma válvula de estrangulamento que origina que a pressão se reduza até 35 kgfcm2 A vazão de vapor na turbina de alta pressão é de 45 360 kgh O vapor sai da turbina de alta pressão e entra à turbina de baixa pressão como vapor saturado a 28 kgfcm2 Neste ponto é realizada uma extração de 9 100 kgh para usarse em um processo químico e o resto de vapor vai para a turbina de baixa pressão O vapor sai da turbina de baixa pressão a 014 kgfcm2 com um título de 98 Determine a potência que entrega a turbina 5 caracterizando um processo Equação Geral Abordagem do problema de simulação 16 PFD Análise Input Execução Resultados e Análise Convergência Dimensionamento e otimização 17 V 1 T A P S 1 T B P F 1 2 3 4 5 6 7 8 Figura 1 Fluxograma da cogeração de vapor de água 5 caracterizando um processo Estudo de caso 1A Primeira lei da termodinâmica Equação Geral 3 Abordagem do problema de simulação 18 PFD Análise Input Execução Resultados e Análise Convergência Dimensionamento e otimização 19 Unidade Número de equações dfo Válvula c1 c3 Turbina c2 c4 Divisor de corrente sc2s1 sc1 Tanque flash 2c3 c4 Turbina c2 c4 Total c1 1720 c1 2223 53 Graus de liberdade de unidades operacionaisdfo 5 caracterizando um processo 20 54 Graus de liberdade em correntes de processodfs V 1 T A P S 1 T B P F 1 2 3 4 5 6 7 8 s1 s2 s3 s4 s5 s6 s7 s8 s9 s10 s11 s12 5 caracterizando um processo 21 54 Graus de liberdade em correntes de processodfsc2 Corrente dfs s1 3 s2 3 s3 2 s4 3 s5 12 s6 3 Corrente dfs s7 3 s8 1 s9 3 s10 3 s11 2 s12 3 Total 3031 5 caracterizando um processo Aberto Estacionário 22 55 Graus de liberdade em fluxograma de processos df 31dfs 20Eqs unidade 11df 5 caracterizando um processo Equação Geral 3 Abordagem do problema de simulação 23 PFD Análise Input Execução Resultados e Análise Convergência Dimensionamento e otimização 24 1 Inserir os componentes envolvidos no processo 5 caracterizando um processo 56 Etapa executiva 5 caracterizando um processo Flowsheet configuration Stream types Flowsheet Options Appearance Stream order Unit Operation order Property packages Phase Info Thermosystems and pro Select Package or Package Show CAPEOPEN 11 Add ChemSep Property Package Manager DATS Property Package Manager CAPEOPEN IEN CAPEOPEN 11 Water About Select Cancel Description 5 caracterizando um processo Flowsheet configuration Stream types Flowsheet Options Appearance Stream order Unit Operation order Property packages Reaction packages Compounds Properties Phase Info Thermosystems and property packages Water Add Remove Edit Rename Info Property package added Assign property package to the default stream type Yes No Never ask again 5 caracterizando um processo Flowsheet configuration Stream types Flowsheet Options Appearance Stream order Unit Operation order Property packages Reaction packages Compounds Properties Phase Info Water Add Remove Edit Rename Info Description 28 2 Inserir uma corrente Corrente de informação Corrente energética Corrente mássica 5 caracterizando um processo 29 Selecionar a corrente mássica Levo o mouse até a região do fluxograma Clique na região do fluxograma Arrastar para introduzir a corrente 5 caracterizando um processo Socrative 1 of 4 Um fluxo uma corrente pode ser considerado um sistema fechado True False Vizinhança Sistema 31 3 Especificações da corrente de entrada corrente 1 Dois cliques Temos um único componente Água Que conhecemos da corrente 1 A PRESSÃO 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo atmosphere atm bar bar bar gage barg inch Mercury inHg inch Water inH2O kiloPascal kPa MegaPascal MPa millimeter Water mmH2O milliPascal mPa Pascal Pa pound per square inch psi PSI gage psig Torr mmHg Force Area Energy Volume Mass Distance Time² 5 caracterizando um processo View Window Help name 1 unit Stream Connections Overall Dyne dyn kilogramforce kgf Newton N poundforce lbf Pressure Area Energy Distance Distance Mass Time² Reset default dimensionality 35 3 Especificações da corrente de entrada corrente 1 Dois cliques Temos um único componente Água Que conhecemos da corrente 1 A TEMPERATURA 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo Plot View Window Help default name 1 unit Stream Connections Overall pressure 42 kgf cm² temperature K mole fraction Water 1 flow NA mol s MW 00180153 kg mol Compound flows 5 caracterizando um processo Plot View Window Help default name 1 unit Stream Connections Overall pressure 42 kgf cm² temperature 426 C mole fraction Water 1 flow NA mol s MW 00180153 kg mol Compound flows 37 3 Especificações da corrente de entrada corrente 1 Dois clicks Temos um único componente Água Que conhecemos da corrente 1 O FLUXO MÁSSICO 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo Plot View Window Help default name 1 unit Stream Connections Overall pressure 422 kgfcm² temperature 4267 C mole fraction Water 1 flow 45360 kgh MW 00180153 kgmol Compound flows Phase Fractions Vapor composition Overall properties Vapor properties 38 39 PROPRIEDADES FÍSICOQUÍMICAS Com T e P caracterizo o sistema As unidades podem ser trocadas 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo COFE Flowsheet41 File Edit Insert Flowsheet Plot View Addins Window Help default Flowsheet4 Flowsheet 1 41 Socrative 2 of 4 Quais são as variáveis associadas ao fluxo A Temperatura pressão e fluxo total B Pressão temperatura entalpia total entalpias de fase entropia fluxo total frações dos componentes e frações de fase C Pressão fluxo total frações dos componentes e frações de fase D Pressão temperatura entalpia total entalpias de fase e entropia E Temperatura pressão e frações dos componentes Connections Overall pressure 422 kgfcm² temperature 4267 C mole fraction Water 1 flow 45360 kgh MW 00180153 kgmol Compound flows Water 45360 kgh Phase Fractions molar phaseFraction Vapor 1 Vapor composition mole fraction Water 1 Overall properties enthalpy 58997549 Jmol volume 00013383267 m³mol bubblePointTemperature 25238249 C bubblePointPressure NA kgfcm² dewPointTemperature 25238249 C dewPointPressure NA kgfcm² Vapor properties density 74720173 molm³ internalEnergy 5345903 Jmol enthalpy 58997549 Jmol gibbsEnergy 27296927 Jmol entropy 12330424 Jmol K heatCapacityCp 42128065 Jmol K heatCapacityCv 3460522 Jmol K thermalConductivity 006137827 WmK volume 00013383267 m³mol viscosity 25561417e05 Pas 40 42 4 Inserir a correspondente operação unitária eou equipamento 5 caracterizando um processo 43 2 Clicks sobre o nome e posso trocar o nome da unidade 5 caracterizando um processo 44 5 Conectamos a corrente 1 e adicionamos uma corrente de saída 2 5 caracterizando um processo 45 6 Especificamos a unidade 2 Clicks na unidade válvula As abas possuem informações importantes da unidade 5 caracterizando um processo 46 Posso modificar o nome da unidade 5 caracterizando um processo 47 Apresenta o estado da unidade Determinado ou Indeterminado 5 caracterizando um processo 48 Requer a definição dos parâmetros da unidade 5 caracterizando um processo 49 Aparecem as informações requeridas para especificar a unidade válvula Para o problema do caso 1 conhecemos a pressão de saída 35 kgfcm2 5 caracterizando um processo 50 A pressão de saída é 35 kgfcm2 e as unidades da aba VALVE está em PaEntão click em cerrar para introduzir o valor desde EDIT 5 caracterizando um processo Parameter Pressure spec Pressure difference Pressure Thermo Version Value Pressure 0 35 11 Unit Pa kgf cm² 52 7 Avaliar as especificações da unidade Estando VERDE a unidade está especificada corretamente 5 caracterizando um processo 53 2Clicks na corrente 2 para verificar as condições da corrente e as suas propriedades 5 caracterizando um processo 54 Em COCO Sistemas de potência baseados em líquidos altamente comprimidos Em COCO Sistemas de potência baseados em vapores ou gases 5 caracterizando um processo Expander 56 Conectamos a corrente de entrada corrente 2 Trocamos o nome Da Engenharia Química conhecemos o ícone da turbina 5 caracterizando um processo 57 Click direito sobre o ícone 5 caracterizando um processo 58 Turbina invertida 5 caracterizando um processo 59 Rotação do esquema da turbina Click direito sobre o ícone 5 caracterizando um processo 60 8 Repetimos os passos 5 7 5 caracterizando um processo 61 5 Inserimos uma corrente de saída 2 Clicks para especificar a corrente de saída da unidade 5 caracterizando um processo 62 6 Especificamos a corrente ou a unidade O que conhecemos da corrente de saída da turbina Vapor saturado Pressão de saída 28 kgfcm2 5 caracterizando um processo 63 Porém COCO precisa de outras especificações para avaliar o título de vapor na corrente de saída da turbina Para o anterior vamos colocar uma temperatura qualquer 30 oC e uma vazão mássica qualquer 5 caracterizando um processo molar phaseFraction Liquid 1 Liquid composition 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo 67 Trocando as unidades da entalpia para kJkg 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo Socrative 3 of 4 Assumindo equilíbrio de fases e químico quantas das variáveis associadas ao fluxo corrente de material devem ser especificadas para especificar completamente o fluxo 1 Composição ou frações de cada componente 2 Pressão e composição 2 Temperatura e composição 4 Pressão temperatura composição e entalpia 3 Pressão temperatura e composição Se estamos interessados em um fluxo com algumas condições específicas como líquido saturado o que deve ser especificado A Pressão ou temperatura e fração de fase B Pressão ou temperatura e entropia C Podemos especificar simultaneamente pressão e temperatura 70 9 Análise da primeira lei da termodinâmica 5 caracterizando um processo 71 Vamos agregar essa informação a COCO Se o cálculo é correto deve conservar as propriedades de saída 5 caracterizando um processo 3 2 45360 272076 3274858 69813828 TA TA TA W m h h kg kJ W h kg W kW 72 6 Especificamos a unidade 2 Clicks na unidade turbina 5 caracterizando um processo 73 Aparecem as informações requeridas para especificar a unidade TAP Quando conheço a potência gerada 5 caracterizando um processo 74 Conhecemos a pressão de saída 28 kgfcm2 A potência 5 caracterizando um processo Pressure drop Pa Outlet pressure Pa Energy generation Js Isentropic Efficiency Energy generation defined by energy stream Help 76 Inserimos as informações conhecidas 5 caracterizando um processo 77 7 Avaliar as especificações da unidade 5 caracterizando um processo molar phaseFraction Vapor 099999861 molar phaseFraction Liquid 1393555e06 79 Depois da TAP a corrente de saída fica dividida purga 5 caracterizando um processo 80 8 Repetimos os passos 4 7 para a divisão da corrente de saída da TAP 5 caracterizando um processo 81 4 Inserir a correspondente operação unitária eou equipamento 5 caracterizando um processo 82 Conectamos a corrente de entrada corrente 2 Trocamos o nome 5 caracterizando um processo 83 5 Conectamos a corrente e adicionamos AS correntes de saída 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo 85 6 Especificamos a unidade 2 Clicks na unidade SPLITTER As abas possuem informações importantes da unidade 5 caracterizando um processo 86 Requer a porcentagem da purga 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo 89 7 Avaliar as especificações da unidade Estando VERDE a unidade está corretamente especificada 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo name 5 unit Stream Connections Overall pressure 28 kgfcm² temperature 1305317 C mole fraction Water 1 flow 9100 kgh MW 00180153 kgmol Compound flows Water 9100 kgh Phase Fractions molar phaseFraction Vapor 099999861 molar phaseFraction Liquid 133355e06 Vapor composition Liquid composition Overall properties enthalpy 272078 kJkg volume 0011857031 m³mol bubblePointTemperature 1305317 C bubblePointPressure 28 kgfcm² dewPointTemperature 1305317 C dewPointPressure 28 kgfcm² Vapor properties density 15193749 kgm³ internalEnergy 45759952 Jmol enthalpy 2720783 kJkg gibbsEnergy 20444676 Jmol entropy 12648626 JmolK heatCapacityCp 40618839 JmolK heatCapacityCv 32574626 JmolK thermalConductivity 0028217549 WmK volume 0011857047 m³mol viscosity 1329103e05 Pas Liquid properties 94 5 caracterizando um processo 1 2 V 1 TAP 3 S 1 4 5 F 8 TBP 6 7 95 5 caracterizando um processo COFE AULA 8PRIMEIRA LEI DA TERMODPARTE FLASH1 File Edit Insert Flowsheet Plot View Addins Window Help Stream CtrlI Energy stream CtrlShiftI Information stream CtrlShiftAltI Unit operation CtrlU Controller CtrlShiftC Flow constraint CtrlShiftF Stream report Unit parameter report Unit report Author report Object Line Text Label Hyperlink Rectangle Oval Bitmap from file Snap to grid TAP 7 TBP 6 5 F 8 S1 4 3 2 V1 1 91 Depois do S1 a corrente de saída vai para uma turbina de baixa pressão TBP 5 caracterizando um processo 92 8 Repetimos os passos 4 7 para a TBP 5 caracterizando um processo 93 5 4 3626070 254757 2720783 17446775 TB TB TB W m h h kg kJ W h kg W kW 5 caracterizando um processo 5 caracterizando um processo StreamReport properties Line Fill Format Streams Overall props Phase props Available streams Selected streams 1 2 3 5 7 4 8 6 OK Cancel 5 caracterizando um processo StreamReport properties Line Fill Format Streams Overall props Phase props Available streams Selected streams 1 2 3 5 7 4 8 6 OK Cancel 5 caracterizando um processo StreamReport properties Line Fill Format Streams Overall props Phase props Available properties Selected properties bubblePointPressure bubblePointTemperature component flow Water component flows composition Water dewPointPressure dewPointTemperature enthalpy entropy gibbsEnergy internalEnergy volume pressure temperature flow composition Show Mole fractions OK Cancel StreamReport properties Line Fill Format Streams Overall props Phase props Available properties bubblePointPressure bubblePointTemperature component flow Water component flows composition composition Water dewPointPressure dewPointTemperature enthalpy entropy gibbsEnergy internalEnergy volume Selected properties pressure temperature flow Show Mole fractions OK Cancel StreamReport properties Line Fill Format Streams Overall props Phase props Available properties composition composition Water density enthalpy entropy gibbsEnergy heatCapacityCp heatCapacityCv internalEnergy molecularWeight phase fraction thermalConductivity viscosity volume Selected properties Show Mole fractions OK Cancel StreamReport properties Line Fill Format Streams Overall props Phase props Available properties composition composition Water density gibbsEnergy heatCapacityCp heatCapacityCv internalEnergy molecularWeight thermalConductivity viscosity volume Selected properties enthalpy entropy phase fraction Show Mole fractions OK Cancel 5 caracterizando um processo Stream 1 2 3 5 7 4 8 6 Unit Pressure 422 35 28 28 28 28 28 014 kgfcm² Temperature 4267 421999 130532 130532 130532 130532 130532 521476 C Flow rate 45360 45360 45360 36260 362599 9100 00505303 362599 kgh Vapor phase Enthalpy 327486 327486 272078 272078 272078 272078 272078 259511 kJkg Entropy 123304 124791 126486 126486 126486 126486 126486 144807 Jmol K Mole phase fraction 1 1 0999999 0999999 1 0999999 0 0979997 Liquid phase Enthalpy 548659 548659 548659 548659 548659 218314 kJkg Entropy 295496 295496 295496 295496 295496 131779 Jmol K Mole phase fraction 139356e06 139356e06 0 139356e06 1 00200027 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Química UC 7451 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS UNIDADE 4 SIMULAÇÃO MODULAR SEQUENCIAL UNIDADE 5 SIMULADORES DE PROCESSOS Diadema SP AULA 7 AMBIENTE COMPUTACIONAL COCO SIMULATOR