Unidades de Operações Lógicas
em Simuladores de Processos
Prof. Dr. Félix Monteiro Pereira
Unidades de Operações Lógicas
Os simuladores de processos utilizam unidades de operações lógicas para facilitar a
resolução de problemas, como por exemplo, operações de ajuste, reciclo e de
especificação.
Operação de Ajuste
Considere a destilação flash 1000 mol/s de uma mistura equimolar de etanol água
entrando no separador a 101325 Pa. Deseja-se calcular o valor de temperatura para o
qual a fração molar de etanol na corrente de vapor seja igual a 0,60. Para casos desse
tipo deve-se utilizar a função ajuste, a fim de evitar o tedioso processo de tentativa e
erro utilizado para testar o valor da temperatura que faça com que a fase vapor a
101325 Pa saia com uma fração molar de etanol de 0,60.
A fim de simplificar, vamos partir da última simulação realizada.
1) Abra a última simulação realizada.
Unidades de Operações Lógicas - Ajuste
2) Arraste a função de ajuste para o fluxograma e configure conforme apresentado na
aba Propriedades da figura.
Unidades de Operações Lógicas - Ajuste
3) Dê um duplo clique em ajuste e clique em |Iniciar Ajuste|
Unidades de Operações Lógicas - Ajuste
4) Verifique os resultados do ajuste. Uma observação importante sobre a função ajuste é
a sua dependência com a estimativa inicial, da tolerância e do passo (Delta). Caso o
método não convirja, deve-se tentar outros valores para esses parâmetros.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
Considere que, na destilação flash de 1000 mol/s de uma mistura equimolar de etanol
água entrando no separador a 101325 Pa. Deseja-se aumentar o fluxo de vapor com
fração molar de etanol de 0,60 (do exemplo anterior) utilizando um segundo tambor de
flash na saída de líquido, a fim de recuperar o etanol contido nessa fase. Existem várias
formas de se realizar esse procedimento, sendo uma delas apresentada a seguir.
1) Abra a última simulação realizada.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
2) Adicione um aquecedor e configure como na figura (Obs. Regule a temperatura de
saída de forma que, no vapor, a fração molar de etanol proxima de 0,5 – pode-se criar
um diagrama temperatura versus composição binário clicando em |Utilitários|).
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
3) Adicione um segundo separador e configure como na figura.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
4) Adicione outro ajuste ajustando como variável controlada a saída de vapor (V1) uma
fração molar de etanol igual a 0,5 e como variável manipulada a temperatura de saída
do trocador de calor. Realize o ajuste com um duplo clique e clicando em iniciar ajuste,
como realizado anteriormente.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
5) Verifique se a fração molar de etanol na saída de vapor é 0,5.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
6) Antes de colocar a função Reciclo você deve adicionar um misturador, o primeiro
passo é retirar o fluxo de entrada do primeiro aquecedor.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
8) Adicione um misturador com a configuração da figura. Clique com o botão direito do
mouse no misturador e selecione recalcular.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
9) Adicione a saída do misturador (M0) à entrada do primeiro aquecedor, como na
figura.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
10) Adicione um reciclo com as configurações da Figura (Obs. Use o botão direito do
mouse para inverter a figura do reciclo). Clique com o botão direito do mouse sobre o
reciclo e selecione recalcular.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
12) Adicione a corrente de reciclado à segunda entrada do misturador e clique com o
botão direito do mouse em misturador e selecione recalcular.
Unidades de Operações Lógicas - Reciclo
13) Comparação entre os resultados
Operação sem reciclo:
Operação com reciclo:
Unidades de Operações Lógicas - Especificação
A operação Especificação é usada para atribuir o valor numérico a uma dada variável de
alvo (y) do processo tendo como base outra variável fonte (x) do processo. A relação
entre as variáveis é linear, y= m x+ b. A Especificação pode funcionar nas duas direções,
isto é, se a variável y é conhecida e a x não é, a y define a fonte por meio da
Especificação.
Considere o seguinte exemplo:
É necessário misturar uma corrente de gás natural a 200 kPa e 480 K (CH4, C2H6, C3H8, iC4H10, n-C4H10 e N2) com vapor de água (H2O) a 200 kPa e 395 K antes de a enviar para a
reforma onde reagirão para produzir CO e CO2. Não se pode simplesmente misturar as
correntes em qualquer proporção. Por meio da estequiometria das reações pode-se
sugerir a utilização de uma razão C/H2O de 1:1, mas nestas condições existe a
possibilidade de ocorrerem reações paralelas de formação de carbono, entupindo o
reator. Para evitar estas reações é necessário manter pelo menos uma razão de 3:1,
vapor para carbono (isto é, por cada átomo de carbono que entra no reator devem
existir 3 moléculas de água). A vazão da corrente de vapor deverá ser recalculado
sempre que o valor da vazão corrente de gás natural variar.
Unidades de Operações Lógicas - Especificação
1) Inicie uma nova Simulação. Adicione as sete espécies (água, metano, etano, propano,
i-butano, n-butano e nitrogênio). Escolha a equação de Peng-Robinson para a
estimativa das propriedades termodinâmicas das espécies químicas.
2) Adicione um misturador com as configurações apresentadas na figura.
Unidades de Operações Lógicas - Especificação
3) Antes de adicionar a especificação, devemos definir quais as variáveis fonte (X) e
destino (Y). A variável fonte, normalmente, refere-se à saída (X=fluxo molar na saída)
e a variável destino refere-se a uma das entradas (Y=fluxo molar de vapor).
Para obter a equação de especificação pode-se relacionar o balanço material no
misturador com a especificação (3 moléculas de água para cada átomo de carbono)
Balanço material global (1-vapor; 2-gas; 3-mistura, F-fluxo molar)
F3=F1+F2 (A)
O fluxo de água é igual a F1
O fluxo total de carbono é dado por:
FC=F2*(nyi) (B)
Onde n é o número de átomos de carbono nas moléculas de metano (i=1 e n=1), etano
(i=2 e n=2), propano (i=3 e n=3) isobutano (i=4 e n=4) e n-butano (i=5 e n=4).
A especificação do processo é:
FC/F1=1/3 (C)
Unidades de Operações Lógicas - Especificação
3) Substituindo (B) em (C):
F2=F1/(3(nyi) )
(D)
Substituindo (D) em (A):
F3=F1 + F1/(3(nyi) )
F1={3(nyi) /[3(nyi) +1]}*F3 (E)
Y=K*X (F1=Y e F3=X)
O valor de K depende das frações molares dos compostos orgânicos devendo ser
alterado no ajuste sempre que a composição for alterada.
Unidades de Operações Lógicas - Especificação
4) Criando uma planilha no DWSIM.
O DWSIM possui uma planilha de cálculo integrada que pode ser utilizada como entrada
dos valores, porém, dependendo do tipo ou versão do simulador ou das configurações
do computador essa integração pode gerar problemas. Como no problema em questão
deseja-se variar a vazão de alimentação de gás, essa integração não será realizada. A
planilha irá servir apenas para calcular o valor de K.
Unidades de Operações Lógicas - Especificação
5) Adicione a especificação com as configurações da figura clique com o botão direito no
misturador e mande recalcular.
Unidades de Operações Lógicas - Especificação
6) Conferindo a resposta:
FC=50+2*30+3*5+4*2,5+4*2,5= 145 mol/s
FC/FH2O=145/434,98823=0,333=1/3
Altere o fluxo molar do gás e simule o processo para a nova condição (pode ser
necessário recalcular os fluxos, o misturador e avaliar a especificação.