Curso_HYSYS_10out2013

Universidade Federal do Rio de Janeiro

Escola de Química

Introdução ao simulador de

processos Hysys

Evandro Alvaristo ([email protected])

Franklin Rangel ([email protected])

Thiago D’Avila ([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 norte-

americana (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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http://www.aspentech.com/hysys/






Introdução ao HYSYS®

• Simulador estático e dinâmico de processos;

• Realiza cálculos de trocas térmicas e balanço material para uma ampla variedade de processos químicos.

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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.

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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

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Configuração: Componentes e dados termodinâmicos Clicando no botão “Fluid Packages” o usuário poderá adicionar os pacotes termodinâmicos desejados clicando em “Add”.

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Clique em “Simulation” no canto inferior esquerdo, para acessar o ambiente onde o fluxograma será construído.

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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

Component MOLAR FLOWRATES [KG-MOL/HR]

1 H2 0

2 CO 0

3 CO2 0.0007

4 METHANE 0.0002

5 ETHANE 28.4056

6 PROPANE 166.9168

7 IBUTANE 35.7118

8 BUTANE 52.8849

9 IPENTANE 13.8955

10 PENTANE 20.1775

11 HEXANE 15.8757

12 HEPTANE 6.2820

13 OCTANE 0.9901

14 NONANE 0.3305

15 WATER 0

Temperature [Celsius] 73.00

Pressure [KG/CM2G] 17.47

RATE [KG-MOL/HR] 341.48 11

Configuração: Criando “streams”

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Configuração: Criando “streams” Stream: C5_IN


1 H2 0

2 CO 0

3 CO2 0

4 METHANE 0

5 ETHANE 0

6 PROPANE 0.0059

7 IBUTANE 0.1389

8 BUTANE 0.7521

9 IPENTANE 8.4121

10 PENTANE 15.6581

11 HEXANE 15.8732

12 HEPTANE 6.2820

13 OCTANE 0.9901

14 NONANE 0.3305

15 WATER 0



RATE [KG-MOL/HR] 48.44

Stream: CO


1 H2 0

2 CO 1.00

3 CO2 0

4 METHANE 0

5 ETHANE 0

6 PROPANE 0

7 IBUTANE 0

8 BUTANE 0

9 IPENTANE 0

10 PENTANE 0

11 HEXANE 0

12 HEPTANE 0

13 OCTANE 0

14 NONANE 0

15 WATER 0




Configuração: Criando “streams” Stream: WATER


1 H2 0

2 CO 0

3 CO2 0

4 METHANE 0

5 ETHANE 0

6 PROPANE 0

7 IBUTANE 0

8 BUTANE 0

9 IPENTANE 0

10 PENTANE 0

11 HEXANE 0

12 HEPTANE 0

13 OCTANE 0

14 NONANE 0

15 WATER 1




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 abas que agrupam os equipamentos.

Abas disponíveis: “Upstream”, “Refining”, “Custom”, “Dynamics”, “Common” e “Columns”.

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Parte 1 – Exemplos Estáticos

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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.

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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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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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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:

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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.

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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.

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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

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.

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Stream: R_OUT_V_1


1 H2 1.00

2 CO 1.00

3 CO2 1.00

4 METHANE 0

5 ETHANE 0

6 PROPANE 0

7 IBUTANE 0

8 BUTANE 0

9 IPENTANE 0

10 PENTANE 0

11 HEXANE 0

12 HEPTANE 0

13 OCTANE 0

14 NONANE 0

15 WATER 1.00



RATE [KG-MOL/HR] 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 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.

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Exemplo 02: Reator - Reciclo Especifique “Reaction Set” e “Reaction”, criados nas etapas anteriores, na aba “Reactions” em “Details”.

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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).

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Exemplo 02: Reator - Reciclo Com isso, a simulação do reator sem reciclo fica com a seguinte forma:

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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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O subsistema reator-reciclo deverá ficar da seguinte forma:

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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:

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A saída será a corrente “T_01_IN”.

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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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• 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).

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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”.

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• Altere a especificação de vazão de refluxo para 0.7613 kgmol/h.

• Adicione uma especificação de temperatura do prato 15 como 141.8ºC.

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• Especificações da coluna. Confirme se as duas especificações estão ativas!

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Esquema parcial da simulação com a coluna, sem integração energética.

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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:

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Especificação do reciclo da integração energética:

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Simulação completa (reciclo + integração energética):

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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!

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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”.

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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”.

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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”!

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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).

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Exemplo 01: Flash dinâmico Aparecerá esta tela indicando que as alterações foram executadas.

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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:

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Exemplo 01: Flash dinâmico Configure a variável de saída (OP) da seguinte forma:

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Exemplo 01: Flash dinâmico Finalize a configuração na aba “Parameters” selecionando as opções conforme abaixo:

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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:

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Exemplo 01: Flash dinâmico Configure a variável de saída (OP) da seguinte forma:

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Exemplo 01: Flash dinâmico Finalize a configuração na aba “Parameters” selecionando as opções conforme abaixo:

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Exemplo 01: Flash dinâmico Esquema parcial da simulação. Note que a cor vermelha dos controladores indica que ainda não convergiram.

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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:

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Exemplo 01: Flash dinâmico De modo similar adicione mais variáveis para acompanhamento conforme abaixo:

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Quadro final de “Strip Charts” criadas:


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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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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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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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Clique duas vezes nos ícones dos controladores PIC-100 e LIC-100 e certifique-se de que os controladores estão no modo automático.


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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.


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Os SP também podem ser alterados pelos “Face Plates”, que são adicionados pelo botão na parte superior da tela.

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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Documents

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