Simulação de Processos - Energia em Dispositivos e Máquinas - UNIFESP

UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Química UC 7451 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS UNIDADE 4 Simulação modular sequencial UNIDADE 8 Simuladores de processos comerciais e regras heurísticas para seleção de modelos termodinâmicos Estudos de casos Diadema SP Profa Dra Laura Plazas Tovar Prof Dr José Plácido Prof Dr Carlos Alexandre Moreira da Silva AULA 12 ENERGIA NA PRESENÇA DE UM DISPOSITIVO DE AJUSTE OU UMA MÁQUINA 2 Referências bibliográficas COCO the CAPEOPEN to CAPEOPEN simulator Disponível em httpwwwcocosimulatororg 2020 DIMIAN A C Integrated design and simulation of chemical processes Volume 13 Elsevier Science BV Amsterdam The Netherlands 2003 714 p DAMIANI L PRATO A P Simulation of a Power Regulation System for Steam Power Plants Energy Procedia Volume 45 2014 Pages 11851194 3 Conteúdo 1 Introdução 11 Componentes dos ciclos termodinâmicos 12 Energia associada a um fluido 13 Elementos em um simulador 2 Objetivos 3 Equação de energia geral 4 Dispositivos de ajuste 41 Equação de energia em uma válvula 42 Outros dispositivos 5 Máquina na instalação 51 Tipos 52 Turbina expansor 53 Compressor 54 Bombas 6 Dispositivos de troca térmica 61 Aquecedores Resfriadores 62 Dispositivos de troca térmica 4 11 Componentes dos ciclos termodinâmicos 1 Introdução Trocadores de calor Misturadores Válvulas Bombas Compressores Turbinas Componentes 5 12 Energia associada a um fluido 1 Introdução É o estado de energia do sistema devido a sua posição no campo da gravidade em relação a um plano horizontal de referência Energia Potencial É o estado de energia determinado pelo movimento do fluido Energia Cinética Corresponde ao trabalho potencial das forças de pressão que atuam no escoamento do fluido Energia de Pressão 6 13 Elementos em um simulador UNIDADE OPERACIONAL Entradas Calor Trabalho Saídas Calor Trabalho Especificações Parâmetros Geometria Simulação Dimensionamento Otimização Subrotinas internas 1 Introdução 7 2 Objetivos Constituir e definir no simulador de processos COCO máquinas eou dispositivos cuja função é extrair ou adicionar energia depara um fluido de trabalho Reconhecer as informações e requerimentos das máquinas eou dispositivos para extrair ou adicionar energia depara um fluido de trabalho no simulador de processos COCO Simular um setor de cogeração energética de uma usina de vapor baseado nos requerimentos energéticos atuais no Brasil 21 Geral 22 Específicos 8 3 Equação de energia Trabalho agregado Energia de atrito Energia final do fluido Energia inicial do fluido Sistema considerado Trabalho agregado Energia final do fluido Energia inicial do fluido Energia de atrito 9 4 Dispositivo de ajuste Não há trabalho Equação de energia Variações de energia potencial são desprezíveis Variações de energia cinética são desprezíveis Apenas duas portas Transferência de calor é desprezível Hipóteses 10 4 Dispositivo de ajuste 41 Equação de energia em uma válvula Eq 1 Eq 2 Obtemos Eq 3 Ou 2 2 2 1 2 1 2 1 2 V V q w h h g z z 2 1 0 h h 2 1 h h V alve 1 1 2 11 4 Dispositivo de ajuste 41 Equação de energia V alve 1 1 2 12 4 Dispositivo de ajuste 41 Equação de energia 13 4 Dispositivo de ajuste 42 Outros dispositivos Mixer 1 2 3 14 4 Dispositivo de ajuste 42 Outros dispositivos S plitter 4 5 6 15 5 Máquina na instalação Máquina de fluxo Turbinas a Gás Bombas Centrífugas Turbinas Hidráulicas É uma máquina de fluido em que o escoamento flui continuamente e opera transformações do tipo mecânica cinética pressão E E E 16 5 Máquina na instalação 51 Tipos As máquinas de fluxo podem ser Motoras transformam energia do tipo mecânica cinética pressão E E E Exemplos Turbinas Hidráulicas Turbinas a Vapor Turbinas a Gás Geradoras transformam energia do tipo pressão cinética mecânica E E E Exemplos Compressor de Fluxo Bombas de Fluxo 17 521 Princípio de operação 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor Fonte httpswwwyoutubecomwatchvGF70yncAVY 18 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor Estudo de caso 10 Expansão de etileno 19 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 1 Abrir o ambiente computacional de simulação COCO simulator e salvar a simulação 20 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 2 Definir os componente s do sistema 21 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 22 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 3 Definir o pacote termodinâmico 23 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 24 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 25 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 3 Especificar uma corrente de processo 26 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 3 Especificar uma corrente de processo 27 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 4 Definir as operações unitárias envolvidas Em COCO Sistemas de potência baseados em líquidos altamente comprimidos Em COCO Sistemas de potência baseados em vapores ou gases 28 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 2 Clicks 29 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor E xpander 1 INL E T O UT L E T E NE R G Y P R O DUC E D 30 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 31 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 32 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 33 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor 34 522 Simulação em COCO 5 Máquina na instalação 52 Turbina expansor E xpander 1 INL E T O UT L E T E NE R G Y P R O DUC E D Stream W ork Material properties P ressure Temperature F low rate E ntropy E nthalpy Volume INLET 45 300 10 339605 148333 000103557 OUTLET 2 907277 10 339605 296692 00150202 ENERGY PRODUCED 422985e06 Unit W bar C kg s J mol K J mol m³ mol 35 5 Máquina na instalação 53 Compressor Fonte httpswwwyoutubecomwatchvsbbAoxZmBg 36 521 Simulação em COCO Estudo de caso 5 Máquina na instalação Estudo de caso 11 Compressão de vapor de água 53 Compressor 37 5 Máquina na instalação 1 Abrir o ambiente computacional de simulação COCO simulator e salvar a simulação 532 Simulação em COCO 53 Compressor 38 5 Máquina na instalação 2 Definir os componentes do sistema 532 Simulação em COCO 53 Compressor 39 5 Máquina na instalação 532 Simulação em COCO 53 Compressor 40 5 Máquina na instalação 532 Simulação em COCO 53 Compressor 2 Clicks 3 Especificar uma corrente de processo 41 5 Máquina na instalação 532 Simulação em COCO 53 Compressor 42 5 Máquina na instalação 532 Simulação em COCO 53 Compressor 43 5 Máquina na instalação 532 Simulação em COCO 53 Compressor 4 Definir as operações unitárias envolvidas 44 5 Máquina na instalação 532 Simulação em COCO 53 Compressor C ompressor 1 INL E T O UT L E T E NE R G Y R E Q UIR E D 4 Definir as operações unitárias envolvidas 45 5 Máquina na instalação 532 Simulação em COCO 53 Compressor 46 5 Máquina na instalação 532 Simulação em COCO 53 Compressor 47 5 Máquina na instalação 54 Bombas Fonte httpswwwyoutubecomwatchvBaEHVpKc1Q 48 5 Máquina na instalação 542 Estudo de caso 54 Bombas Estudo de caso 12 Bombeamento de fluidos 49 5 Máquina na instalação 542 Simulação em COCO 54 Bombas P UMP INL E T O UT L E T E NE R G Y INP UT Stream W ork Material properties P ressure Temperature F low rate E nthalpy E ntropy INLET 100 45 10 339618 115043 OUTLET 8600 459687 10 360237 116669 ENERGY INPUT 114452 Unit W kP a C kg s J mol J mol K Last run for unit PUMP specifications Pressure increase 8500000 Pa Adiabatic efficiency 075 optional parameters Pressure 8600000 Pa Energy demand 114452368355595 W Adiabatic efficiency 075 50 6 Dispositivos de troca térmica 61 Aquecedores Refriadores HeaterC ooler 7 8 C ooler 7 8 Heater 7 8 51 6 Dispositivos de troca térmica 61 Aquecedores Refriadores HeaterC ooler 7 8 52 6 Dispositivos de troca térmica 62 Trocadores de integração HeatE xchanger 9 10 11 12 CONTRACORRENTE 53 6 Dispositivos de troca térmica 62 Trocadores de integração COCORRENTE HeatE xchanger 9 10 11 12 54 6 Dispositivos de troca térmica 62 Trocadores de integração 55 6 Dispositivos de troca térmica 62 Trocadores de integração UNIVERSIDADE FEDERAL DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia Química UC 7451 SIMULAÇÃO DE PROCESSOS UNIDADE 4 Simulação modular sequencial UNIDADE 8 Simuladores de processos comerciais e regras heurísticas para seleção de modelos termodinâmicos Estudos de casos Diadema SP AULA 12 ENERGIA NA PRESENÇA DE UM DISPOSITIVO DE AJUSTE OU UMA MÁQUINA