Universidade Federal do Rio de Janeiro
Escola de Química Introdução ao simulador de processos Hysys Evandro Alvaristo
Franklin Rangel
Thiago D’Avila
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[email protected])
Introdução – Ferramentas de simulação • Linguagem interpretada – Matlab; – Scilab; – Python.
• Pacotes analíticos – Maple; – Mathematica.
• Simuladores estacionários – Aspen Plus; – Pro II; – HYSYS.
• Simuladores dinâmicos – GProms; – EMSO; – HYSYS Dynamic.
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Introdução ao HYSYS® • O HYSYS® foi desenvolvido pela AspenTech, empresa de origem norteamericana (MIT – Massachussets Institute of Technology); • A AspenTech desenvolve softwares para a otimização de processos de produção. Atende aproximadamente 1500 empresas e reúne cerca de 100.000 usuários. • www.aspentech.com/hysys/
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Introdução ao HYSYS®
• Simulador estático e dinâmico de processos; • Realiza cálculos de trocas térmicas e balanço material para uma ampla variedade de processos químicos. 4
Principais benefícios • Otimiza a engenharia, os processos de produção e a cadeia de suprimento; • Viabiliza redução de custos e maior eficiência energética, resultando em excelência operacional.
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Configuração: Componentes e dados termodinâmicos Clique no menu File > New > Case Na aba “Component Lists” clique em “Add” para adicionar os componentes.
6
Configuração: Componentes e dados termodinâmicos Component
1
H2
2
CO
3
CO2
4
METHANE
5
ETHANE
6
PROPANE
7
IBUTANE
8
BUTANE
9
IPENTANE
10
PENTANE
11
HEXANE
12
HEPTANE
13
OCTANE
14
NONANE
15
WATER 7
Configuração: Componentes e dados termodinâmicos Clicando no botão “Fluid Packages” o usuário poderá adicionar os pacotes termodinâmicos desejados clicando em “Add”.
8
Configuração: Componentes e dados termodinâmicos Clique em “Simulation” no canto inferior esquerdo, para acessar o ambiente onde o fluxograma será construído.
9
Configuração: Criando “streams” Clique no otão “Material Streams” da paleta localizada na parte direita da tela. Corrente recém criada A caracterização da corrente é feita com um duplo clique sobre ela. Abre-se a tela a seguir:
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Configuração: Criando “streams” Stream: CARGA MOLAR FLOWRATES [KGMOL/HR]
Component 1
H2
2
CO
3
CO2
4
METHANE
5
ETHANE
6
PROPANE
7
IBUTANE
8
BUTANE
9
IPENTANE
10
PENTANE
11
HEXANE
12
HEPTANE
13
OCTANE
14
NONANE
15
WATER Temperature [Celsius]
Pressure [KG/CM2G] RATE [KG-MOL/HR]
0 0 0.0007 0.0002 28.4056 166.9168 35.7118 52.8849 13.8955 20.1775 15.8757 6.2820 0.9901 0.3305 0 73.00 17.47 11 341.48
Configuração: Criando “streams”
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Configuração: Criando “streams” Stream: C5_IN
Stream: CO MOLAR FLOWRATES [KGMOL/HR]
Component 1
H2
2
CO
3
CO2
4
METHANE
5
ETHANE
6
PROPANE
7
IBUTANE
8
BUTANE
9
IPENTANE
10
PENTANE
11
HEXANE
12
HEPTANE
13
OCTANE
14
NONANE
15
WATER Temperature [Celsius] Pressure [KG/CM2G] RATE [KG-MOL/HR]
0 0 0 0 0 0.0059 0.1389 0.7521 8.4121 15.6581 15.8732 6.2820 0.9901 0.3305 0 179.00 17.90 48.44
MOLAR FLOWRATES [KGMOL/HR]
Component 1
H2
2
CO
3
CO2
4
METHANE
5
ETHANE
6
PROPANE
7
IBUTANE
8
BUTANE
9
IPENTANE
10
PENTANE
11
HEXANE
12
HEPTANE
13
OCTANE
14
NONANE
15
WATER Temperature [Celsius] Pressure [KG/CM2G] RATE [KG-MOL/HR]
0 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 75.00 17.00 13 1.00
Configuração: Criando “streams” Stream: WATER MOLAR FLOWRATES [KGMOL/HR]
Component 1
H2
2
CO
3
CO2
4
METHANE
5
ETHANE
6
PROPANE
7
IBUTANE
8
BUTANE
9
IPENTANE
10
PENTANE
11
HEXANE
12
HEPTANE
13
OCTANE
14
NONANE
15
WATER Temperature [Celsius] Pressure [KG/CM2G] RATE [KG-MOL/HR]
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 75.00 17.00 1.00
14
Configuração: Adicionando equipamentos Para adicionar um equipamento basta clicar no equipamento desejado na paleta à direita da tela e depois clicar no fluxograma. A paleta possui equipamentos.
abas
que
agrupam
os
Abas disponíveis: “Upstream”, “Refining”, “Custom”, “Dynamics”, “Common” e “Columns”. 15
Parte 1 – Exemplos Estáticos
16
Exemplo 01: Trocador de calor Adicione um trocador de calor do tipo “LNG Exchanger”.
Depois de adicioná-lo, crie mais duas correntes chamadas “C5_OUT” e “CARGA_OUT”. Clique duas vezes no ícone do trocador para iniciar a especificação. 17
Exemplo 01: Trocador de calor As correntes “CARGA”, “C5_IN”, “CARGA_OUT” e “C5_OUT” devem ser configuradas nos terminais do trocador conforme a seguir: (Pressure Drop = 0)
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Exemplo 01: Trocador de calor Especifique a temperatura da corrente “CARGA_OUT” em 76 Celsius. O programa sugere o nome “ExchSpec” para a especificação, mas pode ser alterado. Specs (SS) > Add
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Exemplo 01: Trocador de calor Enquanto a opção “Active” estiver selecionada, a simulação vai calculando automaticamente à medida em que as correntes e equipamentos são adicionados ao flowsheet (desde que não haja inconsistência). Sendo assim, após a configuração do LNG Exchanger a imagem do sistema será a seguinte:
20
Exemplo 01: Trocador de calor Note que a temperatura da corrente “CARGA_OUT” foi calculada em 76 Celsius, porém é mais conveniente especificar o UA do trocador. Para isso, faça o seguinte: Dê um duplo clique sobre o trocador e vá para a guia “Performance”. Lá estará o valor do UA. Anote este valor.
21
Exemplo 01: Trocador de calor Em seguida altere a especificação para o valor do UA. Confira se o valor da temperatura da corrente “CARGA_OUT” foi mantido em 76 Celsius.
22
Exemplo 02: Reator Inicialmente o usuário terá que configurar a reação de interesse. Clique em “Properties” e depois em “Reactions” Clique em “Add” e em seguida “Add Reaction” Na tela que aparecerá, selecione “Equilibrium” e confirme em “Add Reaction”.
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Exemplo 02: Reator Após a adição da reação de equilíbrio, clique em “Set-1”, da reação que acabou de adicionar, localizado na parte esquerda da tela.
Clique na parte esquerda onde se vê um triângulo e aparecerá uma subpasta “Rxn-1”. Clique sobre essa pasta. Selecione a guia “Library” na parte central da tela. Clique em “Add Library Rxn”
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Exemplo 02: Reator Clique em “Set-1”, e em seguida no botão “Add to FP”.
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Exemplo 02: Reator - Reciclo
Stream: R_OUT_V_1 MOLAR FLOWRATES [KGMOL/HR]
Component
Crie uma corrente com o nome “R_OUT_V_1” com composição, temperatura e pressão conforme indicado ao lado: Serão necessárias as correntes “CO” e “WATER” já criadas anteriormente.
1
H2
2
CO
3
CO2
4
METHANE
5
ETHANE
6
PROPANE
7
IBUTANE
8
BUTANE
9
IPENTANE
10
PENTANE
11
HEXANE
12
HEPTANE
13
OCTANE
14
NONANE
15
WATER
Temperature [Celsius] Pressure [KG/CM2G]
RATE [KG-MOL/HR]
1.00 1.00 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 75.00 17.00 26 4.00
Exemplo 02: Reator - Reciclo Adicione um mixer, localizado na paleta do lado esquerdo da tela, na aba “common”. Clique duas vezes sobre o mixer, para abrir a tela de detalhes do equipamento, e adicione as correntes conforme esquema abaixo:
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Exemplo 02: Reator - Reciclo
28
Exemplo 02: Reator - Reciclo Adicione um reator de equilíbrio, localizado na paleta do lado esquerdo da tela, na aba “column”. Configure o reator de forma que a entrada será a corrente “R_IN” e as saídas “R_OUT_V” e “R_OUT_L”.
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Exemplo 02: Reator - Reciclo Especifique em “Parâmeters” que o Delta P será zero.
30
Exemplo 02: Reator - Reciclo Especifique “Reaction Set” e “Reaction”, criados nas etapas anteriores, na aba “Reactions” em “Details”.
31
Exemplo 02: Reator - Reciclo Crie um “Tee” a partir do botão na paleta a direita da tela. A entrada deste Tee será a saída de topo do reator (R_OUT_V) e as saídas serão “R_OUT_RCY” e “R_OUT”.
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Exemplo 02: Reator - Reciclo Especifique em “Parameters” que a saída “R_OUT_RCY” será de 10% (isto é, 10% será reciclado).
33
Exemplo 02: Reator - Reciclo Com isso, a simulação do reator sem reciclo fica com a seguinte forma:
34
Exemplo 02: Reator - Reciclo Para fechar o reciclo, basta adicionar um reciclo localizado na paleta a direita, na categoria “common”. E especificar que a corrente “R_OUT_RCY” será reciclada para a corrente “R_OUT_V_1”, conforme abaixo.
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Exemplo 02: Reator - Reciclo O subsistema reator-reciclo deverá ficar da seguinte forma:
36
Exemplo 03: Coluna de destilação Antes de adicionar a coluna, iremos compor a carga da coluna misturando a saída fria do trocador de calor “CARGA_OUT” (Exemplo 01) com a saída do reator que não foi reciclada “R_OUT” (Exemplo 02). Adicione um mixer e faça a mistura conforme indicado: 37
Exemplo 03: Coluna de destilação A saída será a corrente “T_01_IN”.
38
Exemplo 03: Coluna de destilação Adicione uma coluna de destilação Depois de adicioná-la clique duas vezes no ícone para iniciar a especificação. Faça a seguinte configuração:
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Exemplo 03: Coluna de destilação
40
Exemplo 03: Coluna de destilação • 21 estágios, condensador total, especifique a corrente “T_01_IN” criada anteriormente com alimentação no 11º estagio. • Dê nomes para as correntes de produto de topo e fundo como GLP e C5+ respectivamente; • Carga térmica de topo e fundo deverão se chamar C_DUTY e R_DUTY. A saída de água será W. • Clicando em “next” especifique as pressões do condensador e do refervedor (1824 e 1857 kPa). 41
Exemplo 03: Coluna de destilação • Clicando em “next” aparecerá uma tela de configurações opcionais e clicando em “next” mais uma vez, aparecerá uma tela de especificação da coluna. Estas especificações podem ser realizadas em outra tela em que há maiores possibilidades de especificações. • Especifique razão de refluxo em 3 e clique em “Done”. • Feito isto uma tela da especificação da coluna aparecerá com status “unconverged”. Clicando em “Specs” apague as especificações, deixando apenas a especificação de “Reflux Rate”. 42
Exemplo 01: Coluna de destilação • Altere a especificação de vazão de refluxo para 0.7613 kgmol/h. • Adicione uma especificação de temperatura do prato 15 como 141.8ºC.
43
Exemplo 03: Coluna de destilação • Especificações da coluna. Confirme se as duas especificações estão ativas!
44
Exemplo 03: Coluna de destilação Esquema parcial da simulação com a coluna, sem integração energética.
45
Exemplo 04: Integração energética Neste momento estamos prontos para adicionar a integração energética entre o produto de fundo “C5” e a alimentação “CARGA” da coluna. Adicione um reciclo (mesmo ícone utilizado no exemplo do reator ) Especifique as correntes “C5+” e “C5_IN” da seguinte forma: 46
Exemplo 04: Integração energética Especificação energética:
do
reciclo
da
integração
47
Exemplo 04: Integração energética Simulação completa (reciclo + integração energética):
48
Parte 2 – Exemplo Dinâmico
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Exemplo 01: Flash dinâmico Crie uma nova simulação, com os componentes abaixo e modelo termodinâmico “SRK”. A corrente de alimentação será a corrente “1”. Agora em Fração molar!
50
Exemplo 01: Flash dinâmico Adicione um flash (separator) da paleta a direita na aba “common”. A entrada será a corrente “1”, a corrente de topo será “2” e a de fundo “3”.
51
Exemplo 01: Flash dinâmico Adicione as válvulas de controle. Uma ficará no topo após a corrente “2”. E a outra no fundo após a corrente “3”.
52
Exemplo 01: Flash dinâmico Adicione as válvulas de controle. Uma ficará no topo após a corrente “2”. E a outra no fundo após a corrente “3”. Não esquecer de na guia “Rating”, selecionar “User imput” e clicar em “Size Valve”!
53
Exemplo 01: Flash dinâmico Clique na aba “Dynamics” na parte superior da tela. Selecione a opção “Dynamics Assistant” . Será aberta uma janela e clique no botão “Make changes”. Com isso todas as modificações necessárias para a adequação ao modo dinâmico serão executadas pelo simulador (remoção de especificação de pressão e/ou fluxo nas correntes de entrada ou saída). 54
Exemplo 01: Flash dinâmico Aparecerá esta tela indicando que as alterações foram executadas.
55
Exemplo 01: Flash dinâmico Adicione o controlador PID da paleta a direita no grupo “Dynamics”. O primeiro controlador deverá controlar a pressão do flash. Configure da seguinte forma:
56
Exemplo 01: Flash dinâmico Configure a variável de saída (OP) da seguinte forma:
57
Exemplo 01: Flash dinâmico Finalize a configuração na aba “Parameters” selecionando as opções conforme abaixo:
58
Exemplo 01: Flash dinâmico Adicione mais um controlador PID da paleta a direita no grupo “Dynamics”. Este controlador deverá controlar o nível do flash. Configure da seguinte forma:
59
Exemplo 01: Flash dinâmico Configure a variável de saída (OP) da seguinte forma:
60
Exemplo 01: Flash dinâmico Finalize a configuração na aba “Parameters” selecionando as opções conforme abaixo:
61
Exemplo 01: Flash dinâmico Esquema parcial da simulação. Note que a cor vermelha dos controladores indica que ainda não convergiram.
62
Exemplo 01: Flash dinâmico Configurando o controle de pressão (PIC-100)
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Exemplo 01: Flash dinâmico Configurando o controle de nível (LIC-100)
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Exemplo 01: Flash dinâmico Clique em “Strip Charts” na parte superior da tela
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Exemplo 01: Flash dinâmico Ao clicar em “Edit” siga os passos abaixo:
66
Exemplo 01: Flash dinâmico De modo similar adicione mais variáveis para acompanhamento conforme abaixo:
67
Exemplo 01: Flash dinâmico
68
Exemplo 01: Flash dinâmico
69
Exemplo 01: Flash dinâmico
70
Exemplo 01: Flash dinâmico
71
Exemplo 01: Flash dinâmico Quadro final de “Strip Charts” criadas:
72
Exemplo 01: Flash dinâmico Adicionando SP para monitoramento. No quadro de “Strip Charts” selecione “Vessel Pressure” e clique em “Edit”. Adicione o SP conforme abaixo:
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Exemplo 01: Flash dinâmico Adicionando SP para monitoramento. No quadro de “Strip Charts” selecione “Vessel Level” e clique em “Edit”. Adicione o SP conforme abaixo: .
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Exemplo 01: Flash dinâmico Clique no botão “Dynamics Mode” na parte superior da tela (aba “Dynamics”)
O programa irá perguntar se realmente deseja mudar para o modo dinâmico. Confirme!
Em seguida clique no botão “Run”
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Exemplo 01: Flash dinâmico Clique duas vezes nos ícones dos controladores PIC-100 e LIC100 e certifique-se de que os controladores estão no modo automático.
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Exemplo 01: Flash dinâmico Clique “Strip Charts” selecione “Vessel Pressure” e “Vessel Level”. Clique em “Display” para mostrar os gráficos. Clique com o botão direito sobre o gráfico e selecione a opção “Legend...”. Altere as cores da variável controlada e do respectivo setpoint para as cores que desejar. Siga os passos a seguir para configurar o gráfico. 77
Exemplo 01: Flash dinâmico
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Exemplo 01: Flash dinâmico
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Exemplo 01: Flash dinâmico Os SP também podem ser alterados pelos “Face Plates”, que são adicionados pelo botão na parte superior da tela.
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Referências Tutorial • C:\Program Files (x86)\AspenTech\Aspen HYSYS V8.0\AspenHYSYSV8_0-Tutorial.pdf
Exemplos • C:\Program Files (x86)\AspenTech\Aspen HYSYS V8.0\Samples
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