INTRODUCCION A
LA SIMULACION DE PROCESOS
¿Qué es la simulación de procesos? Consiste en el
diseño de un modelo matemático de un sistema, y la posterior ejecución de una
serie de experimentos con la intención de entender su comportamiento bajo
ciertas condiciones.
El modelo debe ser capaz de reproducir el
comportamiento del proceso real con la mayor exactitud posible.
En general una simulación de un proceso se lleva
acabo con dos propósitos:
Diseño-
Operación bajo nuevas condiciones
Algunos
software que son comercialmente utilizados son.
UniSim
Design: es una oferta de modelado de procesos intuitiva e interactiva que
permite a los ingenieros crear modelos permanentes y dinámicos para el diseño
de plantas, monitoreo de desempeño, solución de problemas, mejora operativa,
planificación de negocios y administración de activos.
ProSim
Plus: Química, farmacéutica, química especial, petroquímica, tratamiento de
gas, refinación y en empresas de ingeniería. Realiza cálculos rigurosos de
balance de masa y energía para una amplia gama de procesos industriales de
estado estacionario. Se utiliza en el diseño, así como en la operación de las
plantas existentes para la optimización de procesos, la resolución de problemas
de unidades o el desbloqueo, la renovación de las instalaciones o la
realización de análisis de ingeniería de detalle.
PetroPlan:
es un sistema de software para simular una operación de refinería de petróleo.
Mediante la realización de cálculos bloques por bloques, se calculan todas las
corrientes (aceites crudos, productos intermedios y productos mezclados) que
fluyen entre bloques de refinería (por ejemplo unidad cruda, FCC)
CADSim
Plus: pulpa y papel, minería, tratamiento de aguas residuales y procesamiento
de alimentos.
HYSIM:
Simulador de proceso en estado estacionario para PC de Hyprotech. Incorpora una
amplia gama de operaciones unitarias, diseño de intercambiadores de calor,
compresores, válvulas y extensos datos de propiedades termofísicas.
Secuencial-Modular
o
Los
cálculos se realizan unidad por unidad, secuencialmente. Los procesos con
reciclos debe ser descompuestos en varias secuencias de cálculo hasta lograr
convergencia, usando los balances de masa y energía como criterio para terminar
el cálculo.
Esta
estrategia de cálculo es utilizada en la mayoría de los simuladores de estado
estacionario: Aspen, Chemcad, ProVision, Hysys, Prosim, Winsim
El
elemento básico es el modelo de operación unitaria, el cual es
construido a partir de balances de masa energía y momentum, hasta finalmente
obtener un conjunto de ecuaciones algebraicas no-lineales:
Donde:
u Variable de entrada o salida
x estado interno de la variable, temperatura,
presión, concentración, et.
d variable dependiente de la geometría, como volumen,
área de intercambio de calor, etc
p variables que definen propiedades físicas, como entalpías
especificas, valores de K, etc.
Análisis de grados de libertad:
Permite determinar el número de variables a ser
especificadas para ejecutar una simulación.
El
número de grados de libertad se calcula como:
Nv número de variables
Neq número de ecuaciones independientes
¿Qué tipo de
modelado se puede emplear en los procesos químicos. Determinísticos, estocásticos,
dinámicos, discretos?
Se puede simular en ingeniería química diversos procesos, de tipo dinámico
y estacionario, adaptándolas según el caso en estocásticos o discretos.
La
simulación desde el punto de vista de la ingeniería química es la solución de
las ecuaciones de balance de materia y energía para procesos químicos en estado
estacionario o dinámico. Así como del dimensionamiento y la obtención de costos
de los equipos involucrados en un proceso. Por último el efectuar la evaluación
preliminar del proceso. Es sabido que en la simulación convergen diversas
corrientes del saber, como es el análisis de los métodos numéricos para la
solución de ecuaciones tanto algebraicas como diferenciales, el modelado de
procesos, operaciones unitarias y fenómenos de transporte, estimación de
propiedades fisicoquímicas, etcétera.
Los
simuladores se pueden clasificar en; a) Simuladores en estado estacionario (las
propiedades de reactivos, productos o mezclas no varían con el tiempo) o
Simuladores en estado dinámico (las propiedades varían con el tiempo); b)
Simuladores de uso específico (los elaborados para una operación unitaria
específica y un determinado rango de operación, ejemplo Madsed, Reformación,
FCC, etc.)
Para
el planteamiento de las ecuaciones:
-
Cada equipo se representa por las ecuaciones que lo modelan. El modelo es la
integración de todos los subsistemas.
-
Desaparece la distinción entre variables de proceso y parámetros operativos,
por lo tanto se simplifican los problemas de diseño.
-
Resolución simultánea del sistema de ecuaciones algebraicas (no lineares)
resultante.
-
Mayor velocidad de convergencia.
-
Necesita una mejor inicialización (mejor cuanto mayor sea el problema a
resolver).
Referencias:
Martínez
V. H. et al. “Simulación de procesos en ingeniería Química”, Ed. Plaza y
Valdéz, 1era ed., Cap. 2, 2000. ISBN 968-856-755-8
Scenna
N. J. et al.” Modelado, Simulación y Optimización de Procesos Químicos”,
Capitulo 5 y 6. 1999
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