Simulação de processo

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Captura de tela de um software de simulação de processo ( DWSIM ).

A simulação de processos é usada para o projeto, desenvolvimento, análise e otimização de processos técnicos, tais como: plantas químicas , processos químicos , sistemas ambientais, centrais elétricas , operações de fabricação complexas, processos biológicos e funções técnicas semelhantes.

Princípio principal [ editar ]

Diagrama de fluxo de processo de um processo típico de tratamento de amina usado em plantas industriais

A simulação de processo é uma representação baseada em modelo de processos químicos , físicos , biológicos e outros processos técnicos e operações unitárias em software. Pré-requisitos básicos para o modelo são propriedades químicas e físicas [1] de componentes puros e misturas, de reações e de modelos matemáticos que, combinados, permitem o cálculo das propriedades do processo pelo software.

O software de simulação de processo descreve processos em diagramas de fluxo onde as operações unitárias são posicionadas e conectadas por fluxos de produtos ou edutos. O software resolve o balanço de massa e energia para encontrar um ponto de operação estável em parâmetros especificados. O objetivo de uma simulação de processo é encontrar condições ótimas para um processo. Este é essencialmente um problema de otimização que deve ser resolvido em um processo iterativo.

No exemplo acima, o fluxo de alimentação para a coluna é definido em termos de suas propriedades químicas e físicas. Isso inclui a composição de espécies moleculares individuais no fluxo; a vazão de massa total; a pressão e a temperatura das correntes. Para sistemas de hidrocarbonetos, as relações de equilíbrio vapor-líquido (K-Values) ou modelos que são usados ​​para defini-los são especificados pelo usuário. As propriedades da coluna são definidas como a pressão de entrada e o número de pratos teóricos. O dever do refervedor e do condensador suspenso são calculados pelo modelo para atingir uma composição especificada ou outro parâmetro do produto inferior e/ou superior. A simulação calcula as propriedades químicas e físicas dos fluxos de produtos, cada um recebe um número único que é usado no diagrama de massa e energia.

A simulação de processos usa modelos que introduzem aproximações e suposições, mas permitem a descrição de uma propriedade em uma ampla faixa de temperaturas e pressões que podem não ser cobertas por dados reais disponíveis. Os modelos também permitem interpolação e extrapolação - dentro de certos limites - e possibilitam a busca de condições fora da faixa de propriedades conhecidas.

Modelagem [ editar ]

O desenvolvimento de modelos [2] para uma melhor representação dos processos reais é o núcleo do desenvolvimento do software de simulação. O desenvolvimento do modelo é feito através dos princípios da engenharia química, mas também da engenharia de controle e para o aprimoramento das técnicas de simulação matemática. A simulação de processos é, portanto, um campo onde profissionais de química , física , ciência da computação , matemática e engenharia trabalham juntos.

VLE da mistura de Clorofórmio e Metanol mais NRTL ajuste e extrapolação para diferentes pressões

Esforços são feitos para desenvolver modelos novos e aprimorados para o cálculo de propriedades. Isso inclui, por exemplo, a descrição de

  • propriedades termofísicas como pressões de vapor , viscosidades , dados calóricos, etc. de componentes puros e misturas
  • propriedades de diferentes aparelhos como reatores, colunas de destilação, bombas, etc.
  • reações químicas e cinética
  • dados ambientais e relacionados com a segurança

Existem dois tipos principais de modelos:

  1. Equações e correlações simples onde os parâmetros são ajustados aos dados experimentais.
  2. Métodos preditivos onde as propriedades são estimadas.

As equações e correlações são normalmente preferidas porque descrevem a propriedade (quase) exatamente. Para obter parâmetros confiáveis ​​é necessário dispor de dados experimentais que geralmente são obtidos de bancos de dados factuais [3] [4] ou, se não houver dados disponíveis publicamente, de medições .

O uso de métodos preditivos é mais econômico do que o trabalho experimental e também do que os dados de bancos de dados. Apesar dessa vantagem, as propriedades previstas são normalmente usadas apenas nos estágios iniciais do desenvolvimento do processo para encontrar as primeiras soluções aproximadas e excluir caminhos falsos, porque esses métodos de estimativa normalmente introduzem erros mais altos do que as correlações obtidas a partir de dados reais.

A simulação de processos tem incentivado o desenvolvimento de modelos matemáticos nas áreas numéricas e na resolução de problemas complexos. [5] [6]

História [ editar ]

A história da simulação de processos está relacionada ao desenvolvimento da ciência da computação e do hardware de computadores e linguagens de programação. As primeiras implementações de aspectos parciais de processos químicos foram introduzidas na década de 1970, quando hardware e software adequados (aqui principalmente as linguagens de programação FORTRAN e C ) se tornaram disponíveis. A modelagem de propriedades químicas começou muito antes, notadamente a equação cúbica de estados e a equação de Antoine foram desenvolvimentos precursores do século XIX.

Estado estacionário e simulação de processo dinâmico [ editar ]

Inicialmente, a simulação de processo foi usada para simular processos de estado estacionário . Modelos de estado estacionário realizam um balanço de massa e energia de um processo de estado estacionário (um processo em estado de equilíbrio) independente do tempo.

A simulação dinâmica é uma extensão da simulação de processo em estado estacionário em que a dependência do tempo é incorporada aos modelos por meio de termos derivativos, ou seja, acumulação de massa e energia. O advento da simulação dinâmica significa que a descrição, previsão e controle dependentes do tempo de processos reais em tempo real tornaram-se possíveis. Isso inclui a descrição de inicialização e desligamento de uma planta, mudanças de condições durante uma reação, atrasos, mudanças térmicas e muito mais.

As simulações dinâmicas requerem maior tempo de cálculo e são matematicamente mais complexas do que uma simulação de estado estacionário. Pode ser visto como uma simulação de estado estacionário repetida múltipla (baseada em um passo de tempo fixo) com parâmetros em constante mudança.

A simulação dinâmica pode ser usada tanto online quanto offline. O caso online é o controle preditivo do modelo, onde os resultados da simulação em tempo real são usados ​​para prever as mudanças que ocorreriam para uma mudança de entrada de controle, e os parâmetros de controle são otimizados com base nos resultados. A simulação de processo offline pode ser usada no projeto, solução de problemas e otimização da planta de processo, bem como na condução de estudos de caso para avaliar os impactos das modificações do processo. A simulação dinâmica também é usada para treinamento do operador .

Veja também [ editar ]

Referências [ editar ]

  1. ^ Rhodes CL, “The Process Simulation Revolution: Thermophysical Property Needs and Concerns”, J.Chem.Eng.Data, 41, 947-950, 1996
  2. ^ Gani R., Pistikopoulos EN, “Property Modeling and Simulation for Product and Process Design”, Fluid Phase Equilib., 194-197, 43-59, 2002
  3. ^ Marsh K., Satyro MA, “Integration of Databases and their Impact on Process Simulation and Design”, Conferência, Lake Tahoe, EUA, 1994, 1-14, 1994
  4. ^ Wadsley MW, "Thermochemical and Thermophysical Property Databases for Computational Chemical Process Simulation", Conferência, Coréia, Seul, 30 de agosto - 2 de setembro de 1998, 253-256, 1998
  5. ^ Saeger RB, Bishnoi PR, “Um algoritmo 'de dentro para fora' modificado para simulação de processos de separação de múltiplos componentes em vários estágios usando o método de contribuição de grupo UNIFAC”, Can.J.Chem.Eng., 64, 759-767, 1986
  6. ^ Mallya JU, Zitney SE, Choudhary S., Stadtherr MA, "Parallel Frontal Solver for Large-Scale Process Simulation and Optimization", AIChE J., 43(4), 1032-1040, 1997
  7. ^ "ASL: Simulação de Deposição de Vapor Físico" .