Desenvolvimento de uma ferramenta educacional direcionada a simulação de reatores químicos

Assunto: Reator quimico,Modelagem matematica,Python (Linguagem de programacao de computador),Tecnologia educacional,Simulacao computacional,Chemical reactors,Mathematical modeling,Python (Computer program language),Educational technology,Computer simulation

Resumo: Resumo: Esta pesquisa tem como objetivo o desenvolvimento de uma ferramenta educacional de simulação de reatores químicos, batelada, CSTR e PFR, operando isotermicamente, adi- abaticamente e com troca térmica utilizando a linguagem de programação Python. Para o desenvolvimento desta ferramenta foram utilizados os softwares Jupyter Notebook v3.6 para codificação da modelagem matemática, Qt v5 para desenho da interface gráfica, e, PyCharm 2018.1 para integração do código em Python com a interface. Além destes, o software Aspen Plus e Excel/método de Runge-Kutta de 4a ordem foram aplicados para verificação da modelagem matemática. O aplicativo foi desenvolvido mediante as etapas de planejamento, modelagem, construção e emprego do Processo Ágil, assim como a prática de desenvolvimento orientado a testes, como forma de organizar a elaboração e execução do mesmo. O algoritmo do projeto de reatores químicos foi baseado naquele proposto por Fogler (2009) utilizando como base a montagem da lógica da resolução dos sistemas de equações não-linear e equações ordinárias diferenciais compostos por leis de velocidade, balanços molares e de energia. Além disso, houve a adição de etapas para determinação do volume e tempo reacional anteriores a estes sistemas e cálculos termodinâmicos da constante de equilíbrio e concentração não utilizados por este autor. Já para a validação do software, foi criado um questionário sobre sua usabilidade aos estudantes de engenha- ria química. Como resultado deste projeto, o software possui uma interface principal que introduz ao objetivo e funcionalidades do software através de imagens, textos e botões e, a partir dessa, tem-se o acesso aos três módulos do simulador (módulo isotérmico, adiabático e com troca térmica). Todos estes módulos possuem dois módulos de cálculos termodinâmicos que determinam a concentração inicial e a constante de equilíbrio e um módulo de cálculo cinético que determina a constante de velocidade de reação. Ao final dos preenchimentos dos campos de entrada, é apresentada uma tela contendo gráficos comparativos de concentração, temperatura e conversão em função do volume e do tempo de reação, permitindo ao usuário escolher a melhor opção dentre os reatores simulados. Para conferir a confiabilidade da modelagem feita, foram realizados testes de verificação no Jupyter Notebook através da replicação de 36 casos de estudo, como a reação de Diels-Alder e isomerização do n-butano, retirados de livros didáticos clássicos de reatores químicos. Os resultados destes testes foram comparados com os exercícios de livros didáticos, valores da literatura e através do Aspen Plus e planilha Excel mediante o erro relativo. Para a modelagem matemática utilizada, obtiveram-se erros relativos menores que 5%, o que confere confiabilidade, porém quando comparados com o Aspen ou valores da literatura, alguns erros ficaram maiores que 10%, os quais são justificados pelas simplificações feitas para fins didáticos. Os testes de usabilidade referente ao módulo isotérmico foram aplicados no minicurso da 21ª Semana de Engenharia Química da UNICAMP e na disciplina eletiva Tópicos em Processos Químicos, a qual nesta também foi avaliado o módulo adiabático. Mediante análise da avaliação do questionário, inferiu-se que o software é uma ferramenta simples e intuitiva que poderia ser utilizada como complemento dentro de sala de aula, pois facilitou o entendimento dos conteúdos relacionados a cinética e reatores químicos, pode-se considerar uma ferramenta de êxito

Abstract: Abstract: This research aims to develop an educational tool for simulation of chemical reactors, batch, CSTR and PFR, operating isothermically, adiabatically and with thermal exchange using the Python programming language. For the development of this tool we used Jupyter Notebook v3.6 software for coding mathematical modeling, Qt v5 for graphic interface design, and, PyCharm 2018.1 for integration of Python code with the interface. In addition, the software Aspen Plus and Excel/Runge-Kutta 4th order method were applied to verify the mathematical modeling. The application was developed through the stages of planning, modeling, construction and employment of the Agile Process, as well as the practice of testdriven development, as a way to organize the elaboration and execution of the same. The algorithm of the design of chemical reactors was based on that proposed by Fogler (2009) using as base the assembly of the logic of the resolution of the systems of nonlinear equations and ordinary differential equations composed by laws of velocity, molar and energy balances. In addition, there were addition of steps to determine the volume and reaction time prior to these systems and thermodynamic calculations of the equilibrium constant and concentration not used by this author. In order to validate the software interface, a questionnaire was created on the usability of the simulator to be applied to chemical engineering students. As a result of this project, the software has a main interface that introduces the objective and functionalities of the software through images, texts and buttons and, from this, one has access to the three modules of the simulator (isothermal, adiabatic and exchange module thermal). All these modules have two modules of thermodynamic calculations that determine the initial concentration and the equilibrium constant and a kinetic calculation module that determines the reaction rate constant. At the end of the input field fills, a screen containing comparative graphs of concentration, temperature and conversion is presented, depending on the volume and the reaction time, allowing the user to choose the best option among the simulated reactors. To verify the reliability of the modeling, verification tests were performed in Jupyter Notebook through the replication of 36 case studies, such as the Diels-Alder reaction and isomerization of n-butane, taken from classic didactic books of chemical reactors. The results of these tests were compared with the textbook exercises, literature values and through the Aspen Plus and Excel spreadsheet using the relative error. For the mathematical modeling used, relative errors of less than 5 % were obtained, which confers reliability, but when compared with the Aspen or literature values, some errors were greater than 10 %, which are justified by the simplifications made for educational purposes. The usability tests for the isothermal module were applied in the mini-course of the 21st Week of Chemical Engineering of UNICAMP and in the elective discipline Topics in Chemical Processes, which also evaluated the adiabatic module. Based on the evaluation of the questionnaire evaluation, it was inferred that the software is a simple and intuitive tool that could be used as a complement in the classroom, since it facilitated the understanding of contents related to kinetics and chemical reactors, it can be considered a tool was successful

Referência: SAWAKI, Rafaela Vianna. Desenvolvimento de uma ferramenta educacional direcionada a simulação de reatores químicos. 2019. 1 recurso online (204 p.). Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Química, Campinas, SP.

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