EQM042-Introdução ao Aspen Plus

Prévia do material em texto

INTRODUÇÃO A SIMULAÇÃO DE
PROCESSOS QUÍMICOS – ASPEN PLUS
Prof.ª Gisele Rabelo
Belo Horizonte
2011
UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAIS
ESCOLA DE ENGENHARIA
EQM042– Otimização e Análises de Processos
ASPEN PLUS
 ASPEN (Advanced System for Process Engineering)
 Desenvolvido pelo Instituto de Tecnologia de 
Massachusetts (MIT).
 Principais características: 
 Análise de sensibilidade
 Geração de gráficos e tabelas 
 Estimativa e regressão de propriedades físico-químicas
 Ajuste de modelos de simulação a dados operacionais 
 Dimensionamento de equipamentos 
 Análise de custos
 Otimização de processos. 
ELEMENTOS DE UM SIMULADOR DE
PROCESSO
Fluxograma 
(gráfico)
Gerador de 
dados
Resolução 
Modelos da 
operações 
unitárias
Métodos de 
cálculos 
termodinâmicos
Banco de dados 
dos compostos
DIAGRAMA DE BLOCOS
 Representa as seções do processamento principal 
em termos de blocos funcionais.
DIAGRAMA DE FLUXO DE PROCESSO (PFD)
 Visão mais detalhada do processo.
 Exibem todas as unidades do processamento
principal, fornecem informações de fluxo.
 Muitas vezes, PFDs são construídos utilizando os
simuladores de processo.
 Posteriormente, PFDs mais detalhados são
preparados usando softwares como AUTOCAD e
VISIO.
PFD NO ASPEN PLUS
 A estrutura do processo 
 Construção de um diagrama semelhante a o
fluxograma de processo.
S04
S07
 
S12
 
S13
S15
 
S01
 
E02
R01
F01
E01
A02
S EP
SP1
A01
E03
MIXER
M01
ESPECIFICAÇÕES- ASPEN PLUS
 Especificações das correntes e 
equipamentos necessárias à 
simulação.
 Matérias primas, produtos e 
correntes intermediárias são 
expressas em termos de 
componentes químicos. 
ASPEN PLUS
 Os componentes são de dois tipos: 
 Componentes convencionais: 
 Compostos puros ou pseudocompostos, que podem ser 
caracterizados em termos de propriedades físicas 
padrões. 
 massa molecular;
 temperatura e pressão crítica; 
 pressão de vapor e capacidade calorífica. 
Bancos de dados foram projetados para facilitar a inclusão 
de novos componentes puros. 
ASPEN PLUS
 Componentes não convencionais
 São aqueles que não podem ser caracterizados pelas 
propriedades padrões dos componentes puros. 
 Percentuais de constituintes, umidade, cinzas e compostos voláteis
 Exemplo: carvão.
ASPEN PLUS
 As correntes de processo podem ser subdivididas 
em uma ou mais correntes.
 Correntes convencionais
 Fluxo de componentes convencionais;
 Correntes não convencionais
 Fluxo de componentes não convencionais
 Correntes de informações que não envolvem fluxo de 
material
 Fluxo de energia na forma de calor ou trabalho.
ASPEN PLUS- DESCRIÇÃO DA CORRENTE
CONVENCIONAL
 Dados de processos:
 Fluxo molar, temperatura, pressão, entalpia e entropia 
específica, densidade, massa molar e fração molar de 
líquido e vapor. 
 Atributos:
 Especificam uma informação adicional de uma corrente, 
como por exemplo, a distribuição granulométrica de 
sólidos.
ASPEN PLUS
 As operações unitárias são representadas por
blocos.
 Possui uma ou mais correntes de entrada e saída, 
além de modelos que referem à sub-rotina. 
 Mesmo bloco pode ser usado para simulação de
diferentes equipamentos, ou, um único
equipamento pode requerer mais de um bloco.
5
CARACTERÍSTICAS DO ASPEN
 Desenvolvido em linguagem FORTRAN 
 Permite que se forneça sub-rotinas
 Pode ser adicionado propriedades ao banco de 
dados
 Embora a estrutura básica computacional seja 
sequencial modular, 
 Permite extensões a novos tipos de técnicas de 
convergências. 
INICIANDO O ASPEN PLUS
ASPEN PLUS STARTUP
 Para iniciar o uso do software, 
clicar no ícone Aspen Plus
Interface no Menu Iniciar.
 Após isso uma janela com a 
seguintes opções aparece:
 Blank Simulation
 Template
 Ao clicar nessa opção, um menu 
com diversos modelos é 
apresentado.
ASPEN PLUS- TEMPLATE
 Para cada modelo são
utilizados diferentes tipos
de unidades, métodos de
propriedades físicas,
composição das correntes.
 Cada um pode ser aplicado
em diferentes aéreas.
 Por exemplo:
 Petroleum define padrões
comumente utilizados na
indústria petroquímica.
ASPEN PLUS -SETUP
 Run type
Descrição Tipo
Assay Data Analysis Análise de dados para pseudocomponentes
Data Regression Análise de regressão de dados que 
podem estimar propriedades constantes 
e cálculos de análise da propriedade
Flowsheet Simulação em si
Properties Plus Análise de propriedades
Property Analysis Análise de dados para propriedades
Property Estimation Estimativa de propriedades
DESCRIÇÃO DA SIMULAÇÃO
Opções gerais 
da simulação
Ajuste das 
unidades
Definição dos 
componentes
Definição dos 
atributos
Definição das 
propriedades 
físico-químicas
Implementação 
do fluxograma
Sequência de 
cálculo
Especificações 
das variáveis 
(correntes)
Especificações 
dos 
Equipamentos
ASPEN PLUS -SETUP
 Especificações gerais 
 Título do projeto, usuário, unidade de medidas da 
entrada e saída, pressão e temperatura ambiente.
STATUS
Símbolos Status
ASPEN PLUS- COMPONENTES
 Devem ser inseridos todos 
os componentes presentes 
nas correntes do processo.
 Sugere-se entrar com a 
formula química, 
 Mais fácil de localizar, caso 
o componente esteja no 
banco de dados do software. 
ASPEN PLUS- COMPONENTES
Se o componente não se 
encontra no banco de 
dados do simulador.
 Escolher User Defined
 Diversas propriedades 
são exigidas de acordo 
com o tipo de 
componente:
 Formula estrutural, massa 
molar, temperatura de 
ebulição etc.
ASPEN PLUS- COMPONENTES
 Atributos dos componentes
 Representam a composição em termos de
um ou mais dos seus constituintes.
 Carvão é caracterizados em termos
de análises elementares e proximada.
 Pode ser dado atributos para sólidos não 
convencionais.
 Normalmente a distribuição granulométrica.
ASPEN PLUS- DEFINIÇÃO DAS
PROPRIEDADES
 Propriedade em que os cálculos da simulação 
serão baseados.
 Para cada tipo de processo químico recomenda-se 
certos métodos.
ASPEN PLUS- DEFININDO O FLOWSHEET
 Representar todo o fluxograma do processo .
 Blocos => operações unitárias;
 Vale destacar que para algumas operações unitárias serão 
necessários mais de um bloco.
 Correntes
 Correntes de entrada, saída e reciclo. 
 Conexões
 Indicar a sequência dos equipamentos e correntes conforme 
o processo químico. 
ASPEN PLUS- DEFININDO AS CORRENTES
 Conectam os blocos e representam o fluxo de 
material ou energia de um bloco para outro. 
Podem ser:
 Correntes de alimentação; internas; produtos e 
pseudoprodutos.
 Dados que devem ser fornecidos às correntes de 
alimentação:
 Vazão;
 Temperatura e Pressão;
 Composição;
 Distribuição granulométrica, no caso de sólidos.
BLOCOS - OPERAÇÕES UNITÁRIAS
 Os blocos são usados ​​para representar os
equipamentos, tais como trocadores de calor ou
colunas de destilação.
 Exemplo:
Misturadores/
Separadores
Aplicações
Mixer Misturas de correntes
FSplit Divisão de correntes
SSplit Divisão de subcorrentes
BLOCOS –DEFINIÇÕES
 Cada bloco exige parâmetros de especificações:
 Temperatura e pressão de operação;
 Número de fases;
 Reação química, entre outros.
EXECUTANDO A SIMULAÇÃO
 Só poderá ser realizada quando os seguintes itens 
estiverem devidamente preenchidos.
 Flowsheet;
 Correntes; 
 Propriedades e especificações padrões.
 A situação pode ser verificada no canto inferior 
direito.
Required Input Complete.
 As mensagens geradas durante a execução da 
simulação podem ser verificadas ao se clicar em
 Podem ser verificados o grau de convergência, 
correntes e um quadro resumo das correntes. 
ANÁLISE DE RESULTADOS E GERAÇÃO DE
RELATÓRIOS
 Os resultados podem ser visualizados em
ANÁLISE DE RESULTADOS E GERAÇÃO DE
RELATÓRIOS
 Podem ser criados relatórios de: 
 Blocos, Convergência, Sensibilidades,Correntes, 
Simulação, Tabela de conteúdo, Balanço de massa e 
energia, entre outros.
 Exemplo de relatório gerado pelo Aspen.
GERAÇÃO DE GRÁFICOS
 Gerador de gráficos autoexplicativo.
CÁLCULO DE PROPRIEDADES
CÁLCULO DE PROPRIEDADES
 Equações de estado nos permite encontrar o
volume específico de uma mistura gasosa de
produtos químicos a uma temperatura e pressão
específica.
 Sem o uso de equações de estado, seria 
praticamente impossível projetar uma planta 
química.
Imagine como seria desafiador para projetar uma 
planta sem saber esta informação importante!
 Determinar o volume específico é também o
primeiro passo no cálculo da entalpia e
propriedades de misturas líquido-vapor.
 Cálculo da entalpia é importante para balanços de 
energia.
 Para resolver equações de estado é necessário 
resolver equações algébricas.
EQUAÇÕES DE ESTADO -
FORMULAÇÃO MATEMÁTICA
 A equação do gás ideal, que relaciona a pressão, 
temperatura e volume específico:
 Esta equação é adequada quando a pressão é baixa.
 Para tratar de processos químicos a alta pressão, 
outras equações de estados têm sido desenvolvidas.
 Há duas características principais:
 a equação pode representar o comportamento real p-V-T ;
 os parâmetros devem ser facilmente encontrados, inclusive 
para misturas.
 A primeira generalização da equação de estado de 
gás ideal foi o van der Waals:
Onde, b o volume, e a força de interação entre
duas moléculas. Porém, ainda não é uma boa
aproximação para pressões altas.
 A equação de estado Redlich–Kwong é a
modificação da eq. van der Waal‟s:
Onde
 A equação de estado de Redlich-Kwong foi
modificada ainda mais por Soave para dar a
equação Redlich-Kwong-Soave, comum em
simuladores de processo:
 Os parâmetros são dados por características de
cada composto.
 A equação de Peng-Robinson é uma outra
variação:
 Todas estas equações podem ser rearranjadas
em função do volume específico. A forma da
equação de estado de Redlich-Kwong e Redlich-
Kwong-Soave é:
Equação algébrica cúbica não linear!
OS PARÂMETROS A E B
 Componentes puros
 são determinados a partir da temperatura e pressão
crítica.
 Misturas
 Combinação dos valores de a e b para cada
componente de acordo com a composição da
mistura gasosa.
 Nas equações, y é a fração molar de cada substância 
química na fase vapor:
 Onde
 ou
Para Redlich-Kwong
Para Redlich-Kwong-Soave
 A diferença entre o problema para um
componente puro e uma mistura:
 Avaliação dos parâmetros a e b.
 Aqui está o problema matemático:
 Dado um conjunto de produtos químicos, temperatura 
e pressão, encontrar o volume específico da mistura.
 Para fazer isso, deve encontrar:
 Temperatura e pressão crítica de cada produto químico.
 Resolver a equação não-linear.
COMO CALCULAR PROPRIEDADES FÍSICAS
DE COMPOSTOS
1. Cálculos de equações não lineares.
2. Calculo manual muito extenso e complexo.
3. Dificuldade de achar os parâmetros na
literatura
 Para isso, podem ser usados:
 Excel e MATLAB
 Simuladores de processos
 Vantagem: as propriedades físicas de muitos
componentes são salvos em um banco de dados.
RESOLVENDO EQUAÇÕES DE ESTADO
USANDO O EXCEL
 Existe pelo menos dois métodos para resolução de 
equações algébricas usando o Excel.
 Atingindo meta (Goal Seek) 
 Solver
 Ambos serão ilustrados para resolver a equação 
abaixo:
SOLUÇÃO USANDO “ATINGIR META”
 Abra uma planilha e colocar a seguinte 
declaração na célula B1:
= A1 x 2 x A1-A1-8 
A Célula B1 deve ser zero, e célula A1 contém a 
variável que é ajustada para que isso aconteça.
 Em Ferramentas, escolher Atingir meta.
 Na próxima janela, preencher:
Definir célula: B1
Para o valor: 0
Ao alterar a célula: A1
SOLUÇÃO USANDO “ATINGIR META”
 Clicar em OK. A resposta aparecerá na planilha:
-1,76556 2,06E-06
 Assim a solução encontrada é -1,7. Na célula B1 
nota-se que o número é muito pequeno, próximo
de zero.
 Se você quiser diminuir a tolerância, uma
solução mais precisa, vá em Ferramentas ou
Opções de Cálculo. Então, em Alterar número
máximo de iterações.
SOLUÇÃO USANDO SOLVER
 No menu Ferramentas, clique em Solver.
 Quando a janela abrir,
 Escolha a opção para fazer uma célula igual a um 
valor alterando outra célula.
 Se você inserir as células corretas, obterá a mesma 
resposta que no Atingir Meta.
EXEMPLO DE UM PROBLEMA DE ENGENHARIA
QUÍMICA USANDO „ATINGIR META‟
Encontrar o volume específico de n-
butano a 500K e 18 atm usando a equação de
estado de Redlich Kwong.
1. Encontrar a temperatura e pressão crítica
• Handbook Perry (Tc=425,2 K e pc=37,5 atm).
2. Calcular os valores de a e b usando a equação
não linear. O valor da constante de gás nessas 
unidades é 0,08206 atm l/ gmolK.
3. Preparar a planilha.
PLANILHA PARA CÁLCULO
 Entrar com os parâmetros Tc, pc, T, e p.
Dessa forma, a equação para f (v) será mais 
fácil de entender.
 Use o comando Atingir Meta para fazer f 
(v) (célula F32) igual a zero, mudando célula v 
(F31).
RESULTADO
 O volume específico do n-butano é:
 2,03 L/g mol.
CÁLCULO DE PROPRIEDADES NO
SIMULADOR ASPEN PLUS
 Encontre o volume específico de n-butano a 
500 K e 18 atm usando a equação de estado 
de Redlich-Kwong no Aspen Plus.
PASSO 1
(1) Iniciar Aspen Plus e escolher Template.
(2) Selecione as unidades métricas.
(3) Em tipo de execução (canto inferior direito), 
escolher Análise de propriedades.
(4) Clique em OK quando a janela seguinte 
aparecer Aspen Plus.
PASSO 2
 Em Componentes/especificações, digite os nomes 
ou as fórmulas dos produtos químicos.
 Se o Aspen Plus não reconhecer o seu composto, 
aparecerá uma janela para procura avançada. 
PASSO 3
 Na lista Propriedade/Especificações. Defina o 
método de propriedades, RK-Soave.
PASSO 4
 Para finalizar a análise, ir ao Menu na parte 
superior da tela:
 Ferramentas/Análise/Propriedade/Pure.
PASSO 5
Entrar com os dados: 
 Tipo de propriedade: 
termodinâmica
 Propriedade: V 
 Fases: Apenas vapor
 Unidades: ml/mol
 Componentes: n-
butano
 Temperatura: K 
entre com 500 e 510K
 Pressão: 18 atm
 Método: RK-Soave
 Clique em 'Go'.
PASSO 6
 Um gráfico será gerado.
 O resultado é 2.058 ml/mol, ou 2.058 cm3 mol/g.