Republica Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular Para La Defensa
Universidad Nacional Experimental Politécnica De La Fuerza Armada UNEFA, Núcleo Zulia
Profesor: Ing. Marlon Arteaga
Profesor: Ing. Marlon Arteaga
Profesor: Ing. Marlon Arteaga
Tlf: 0414-9704199
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Blog: simulaciondeprocesos.wordpress.com
Profesor: Ing. Marlon Arteaga
Horario de Clases
Aplicar las Herramientas de
Simulación en Procesos Químicos
y Petroquímicos de Importancia
Industrial.
OBJETIVO GENERAL:
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Contenido Programático
Unidad I: Simulación de Procesos
Unidad II: Simuladores.
Unidad III: Simulación de Procesos
Químicos.
Unidad IV: Otras Aplicaciones
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6
4
Conceptos Básicos
Procesos:
Serie de acciones, operaciones
o tratamientos que producen
un resultado (productos). La
ingeniería Química se centra
en operaciones como
reacciones químicas,
transporte de fluido, reducción
o ampliación del tamaño de los
equipos, generación y
transporte de calor,
destilación, absorción de gases,
bioreactores, etc.
Conceptos Básicos
Sistema:
Se refiere a cualquier porción arbitraria o totalidad
de un proceso establecido específicamente para su
análisis.
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La simulación de procesos es una de las
más grandes herramientas de la ingeniería,
la cual se utiliza para representar un
proceso mediante otro que lo hace mucho
más simple e entendible. Esta simulación es
en algunos casos casi indispensable, como
nos daremos cuenta continuación. En otros
casos no lo es tanto, pero sin este
procedimiento se hace más complicado.
Simulación de Procesos
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Dentro de la estrategia general
de la ingeniería de procesos,
diseño de procesos debe
considerarse constituido por tres
etapas: Síntesis de procesos,
simulación de procesos y
optimización.
Diseño de Procesos
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Síntesis de proceso:
Es la etapa en la cual se crea la estructura
básica de un diagrama de flujo; esto es, se
seleccionan ser utilizados, con sus
correspondientes interconexiones, y se
establecen sus valores iniciales de las
condiciones de operación.
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Simulación de Procesos:
Es la etapa en la cual se requiere
solucionar balances de materia y
energía para un proceso en estado
estacionario, calcular dimensiones y
costos de los equipos y efectuar una
evaluación económica preliminar
del proceso.
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La optimización:
Puede ser paramétrica,
modificando parámetros tales
como la presión y temperatura, o
estructural cuando se hacen
modificaciones al diagrama de
flujo involucrado a los equipos
y/o sus interconexiones.
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El resultado de estas tres etapas es el
diagrama de flujo de proceso en una
forma no definida puesto que se
continuara ahora con lo que se conoce
como la ingeniería de detalle, la cual
implica aun una enorme cantidad de
trabajo.
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Puede ser definida como la técnica para evaluar
de forma rápida un proceso con base a una
presentación del mismo mediante modelos
matemáticos. La solución de estos se lleva a
cabo por medio de programas de computadoras
y permite tener un mejor conocimiento del
comportamiento de dicho proceso. El número de
variables que aparecen en la descripción
matemática de una planta de procesos química
puede ser tan grande como 100000, y el
número de ecuaciones no lineales que deben
resolverse puede ser del orden de miles, por lo
tanto la única forma viable de resolver el
problema es por medio de una computadora.
Simulación de Procesos
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La simulación de procesos químicos es una
herramienta moderna que se ha hecho
indispensable para la solución adecuada de
los problemas de proceso. Permite efectuar
el análisis de plantas químicas en operación
y llevar a cabo las siguientes tareas, las
cuales son comunes en las diversas ramas de
la industria química:
Aplicaciones de la
Simulación de procesos
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Detección de cuellos de botella en la producción.
Predicción de los efectos de cambios en las
condiciones de operación y capacidad de la planta.
Optimización de las variables de operación.
Optimizar el proceso cuando cambian las
características de los insumos y/o las condiciones
económicas del mercado.
Análisis de nuevos procesos para nuevos productos.
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Evaluación alternativa de procesos para
reducir el consumo de energía.
Análisis de condiciones críticas de operación.
Transformación de un proceso para
desarrollar otras materias primas.
Análisis de factibilidad y viabilidad e nuevos
procesos.
Optimización del proceso para minimizar la
producción de desechos y contaminantes.
Entrenamiento de operadores e ingenieros de
procesos.
Investigación de factibilidad de
automatización de un proceso, etc.
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Investigación y Desarrollo.
Etapa crítica en la toma de Decisiones.
Planta Piloto.
Diseño.
Simulación de Plantas Existentes.
Deseabilidad Económica.
Caracterización del Proceso.
Entendimiento del comportamiento y
Mecanismos Sofisticados del Proceso,
Simulación de Procesos en el
desarrollo de un proceso
industrial
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Investigación y Desarrollo.
Una simulación sencilla puede usarse
para probar la factibilidad técnica y
económica del proyecto
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Etapa crítica en la toma de Decisiones.
Se prueban diferentes alternativas de
proceso y condiciones de operación y se
toman decisiones. Cuando un proceso es
económicamente atractivo, se deben probar
diferentes alternativas de tamaño y
localización de la planta industrial y
determinar condiciones de operación.
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Planta Piloto.
Simulación con modelos más
sofisticados para obtener mejores
estimaciones de las condiciones de
operación a escala industrial.
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Diseño.
La simulación proporciona todos
los datos de proceso requeridos
para el diseño detallado de los
diferentes equipos.
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Simulación de Plantas Existentes.
Puede ser muy útil cuando es
necesario cambiar las condiciones de
operación, o cuando se quiere
sustituir materias primas.
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Deseabilidad Económica.
Para propósitos de diseño, es
usualmente barato usar técnicas de
simulación incorporando datos
fundamentales de laboratorio en el
modelo matemático que puedan
servir para construir plantas pilotos
de diferentes tamaños.
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Caracterización del Proceso.
Es una forma conveniente de
investigar los efectos de los
parámetros del sistema y las
perturbaciones del proceso en
operación.
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Entendimiento del comportamiento y
Mecanismos Sofisticados del Proceso.
Planteamiento rigorosamente los modelos
matemáticos, el ingeniero aprende mucho a cerca
del proceso que esta siendo simulado. Para obtener
una simulación exitosa, se deben describir
cualitativamente los mecanismos significativos del
proceso. Resolviendo el modelo, relaciones útiles
entre el proceso y las variables del equipo son
reveladas y pueden observarse fácilmente.
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Problemas que se pueden resolver
por medio de la Simulación de
Procesos
La simulación de un proceso ( Analisis)
El problema de Diseño
En el problema de Optimización.
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Pipephase ( de Invensys, USA)
Pro II ( de Invensys, USA)
Dynsim ( de Invensys, USA)
Simuladores comerciales
Hysys ( de Hyprotech, Canada)
Aspen Plus ( de Aspen Technology, USA)
Checad ( de Chemstations, USA)
Desing II ( de WinSim Inc., USA)
Coco ( Caper open, Libre disribucion )
IQuimicad (libre Distribucion, Peru)
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Falta de buenos datos
El carácter de las herramientas
computacionales
El peligro de olvidar las
suposiciones hechas en el modelado.
Limitaciones
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Definición:
La estrategia general para la simulación de
procesos complejos sige una ruta bien
definida que consiste de los pasos de
sentido común dados en el diagrama de
bloques acompañante.
Estrategia General para la
Simulación de Procesos
Note que la información viaja en ambas
direccione, indicando la naturaleza
adaptiva del desarrollo de algunas
simulaciones exitosa.
DEFINICION DEL
PROBLEMA CALCULOS
MODELAMIENTO
MATEMATICO DEL
PROCESOS
ORGANIZACIÓN
DE ECUACIONES INTERPRETACION DE
LOS RESULTADOS
Estrategia General para la
Simulación de Procesos
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Esta es una fase muy
importante de una
simulación exitosa pero
desafortunadamente hay muy
pocas reglas generales y
precisas que se apliquen. La
clave real a la definición del
problema es un ingeniero
imaginativo. Lo que se
requiere es u pensamiento
creativo basado en
entrenamiento ingenieril.
Definición del Problema
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El ingeniero debe gastar suficiente tiempo en este
aspecto del problema antes de proceder. Una buena
definición viene de responder las siguientes
preguntas:
¿Que quiero encontrar?
Cuáles son las
consecuencias
importantes del estudio?
¿Porque se
hará este trabajo?
¿Que esfuerzos de ingeniería de
requieran?
¿Cuanto tiempo
tomara el trabajo?
Modelamiento Matemático del Proceso
Modelamiento Matemático del Proceso
Después de haber definido el problema, el ingeniero
esta listo para escribir las ecuaciones de balance y
relaciones mecánicas apropiadas para el proceso. Los
experimentos críticos de laboratorio (en caso de
haberlos) deben ser diseñados y ejecutados para
determinar mecanismos desconocidos y parámetros
del modelo.
El modelamiento matemático de los procesos se
obtiene de aplicar las leyes de la conservación, además
de aplicar relaciones adicionales de todas las áreas
afines con la ingeniería de procesos (termodinámica,
cinética, etc.). Estas relaciones se expresan como:
Modelamiento Matemático del Proceso
Ecuaciones de Balance Global de Materia
Ecuaciones de Balance de material para un
componente en particular
Ecuación de Balance de energía
Ecuaciones de Balance de momentum
Relaciones de equilibrio
Otras relaciones.
Organización de las Ecuaciones
Organización de las Ecuaciones
Una vez que las relaciones matemáticas se han
obtenido, tienen que ser arregladas en una
estrategia de solución, eso es, se tienen que tomar
decisiones sobre cual variable debe ser resuelta con
cual relación. Para problemas pequeños,
comúnmente llevamos este trabajo rutinariamente
sin mucho esfuerzo mental. Sin embargo para
problemas grandes se debe tener precaución. Se
recomienda arreglar las ecuaciones en una tabla
de ocurrencias o en un diagrama de bloques de
flujo de información.
Computación
Para obtener soluciones a
problemas de simulaciones de
procesos, el ingeniero tiene
disponibles varios niveles de
calculo, que van de soluciones
por inspección hasta
soluciones analíticas. Y
soluciones por computadora
de alta velocidad.
Interpretación de Resultados
El beneficio real de la
simulación de procesos recae
en la interpretación
inteligente de los resultados
por parte del ingeniero. En
este punto, el ingeniero debe
acertar cuando el modelo es
una presentación valida del
proceso actual o cuando este
necesita una revisión y
actualización. El ingeniero
debe asegurarse que los
resultados sean razonables.
DESARROLLO DEL DIAGRAMA DE
FLUJO (FLOWSHEETS):
La transformación de
materia prima disponible
en productos deseados
comienza a conceptualizarse
mediante el desarrollo de
un diagrama de flujo del
proceso que se está
estudiando o diseñando.
DESARROLLO DEL DIAGRAMA DE
FLUJO (FLOWSHEETS):
Para llevar a cabo esta transformación podemos
dividir la estrategia global en las siguientes
etapas:
Definir las reacciones involucradas
Establecer la distribución de las espacies
Diseñar los sistemas de separación
Diseñar sistemas con integración de energía
Incorporar criterios de seguridad del proceso
Analizar los aspectos ecológicos pertinentes
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Etapas para la realización de un estudio de simulación:
Formulación del problema: En este paso debe quedar
perfectamente establecido el objeto de la simulación. El
cliente y el desarrollador deben acordar la más
detalladamente posible los siguientes factores: los resultados
que se esperan del simulador, el plan de experimentación, el
tiempo disponible, las variables de interés, el tipo de
perturbaciones a estudiar, el tratamiento estadístico de los
resultados, la complejidad de la interfase del simulador, etc.
Se debe establecer si el simulador será operado por el
usuario o si el usuario solo recibirá los resultados.
Finalmente, se debe establecer si el usuario solicita un
trabajo de simulación o un trabajo de optimización.
Definición del sistema: El sistema a
simular debe estar perfectamente
definido. Se debe establecer o
acordar dónde estará la frontera del
sistema y las interacciones con el
medio ambiente que serán
consideradas.
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Formulación del modelo: Comienza
con el desarrollo de un modelo simple
que captura los aspectos relevantes del
sistema real, los cuales dependerán de
la formulación del problema.
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Recolección de datos: La naturaleza y la
cantidad de datos necesarios están
determinadas por la formulación del
problema y del modelo. Los datos
pueden ser provistos por registros
históricos, experimentos de laboratorio
o mediciones realizadas en el sistema
real. Los mismos deberán ser
procesados adecuadamente para darles
el formato exigido por el modelo.
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Implementación del modelo en la
computadora: El modelo es implementado
utilizando algún lenguaje de computación.
Existen lenguajes específicos de
simulación que facilitan esta tarea;
también, existen programas que ya
cuentan con modelos implementados para
casos especiales.
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Verificación: En esta etapa se
comprueba que no se hayan cometido
errores durante la implementación del
modelo. Para ello, se utilizan las
herramientas de depuración provistas
por el entorno de programación
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Validación: En esta etapa se comprueba la
exactitud del modelo desarrollado. Esto se
lleva acabo comparando las predicciones
del modelo con: mediciones realizadas en
el sistema real, datos históricos o datos de
sistemas similares. Como resultado de
esta etapa puede surgir la necesidad de
modificar el modelo o recolectar datos
adicionales.
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Diseño de experimentos: En esta etapa
se decide las características de los
experimentos a realizar: el tiempo de
arranque, el tiempo de simulación y el
número de simulaciones. No se debe
incluir aquí la elaboración del conjunto
de alternativas a probar para
seleccionar la mejor, la elaboración de
esta lista y su manejo es tarea de la
optimización y no de la simulación.
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Experimentación: En esta
etapa se realizan las
simulaciones de acuerdo al
diseño previo. Los resultados
obtenidos son debidamente
recolectados y procesados.
Interpretación: Se analiza la
sensibilidad del modelo con
respecto a los parámetros que
tienen asociados la mayor
incertidumbre. Si es necesario,
se deberá recolectar datos
adicionales para afinar la
estimación de los parámetros
críticos.
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Implementación: Conviene
acompañar al cliente en esta
etapa para evitar el mal
manejo del simulador o el mal
empleo de los resultados del
mismo.
Documentación: Incluye la
elaboración de la
documentación técnica y
manuales de uso. La
documentación técnica debe
contar con una descripción
detallada del modelo.
MODELADO DE PROCESOS QUÍMICOS
Como ya se planteó anteriormente,
cuando se simula se experimenta con un
modelo para obtener ciertos resultados.
Un modelo es también un sistema, y de
acuerdo al tipo de variables de salida
del modelo el modo de simulación será:
MODOS DE SIMULACIÓN
Análisis: Es el modo más empleado, en él las variables
de salida del modelo representan a las variables de
salida del sistema real. Este modo se utiliza para
estimar la respuesta del sistema real ante entradas
especificadas. Debido a que imita un sistema que
realmente funciona, el modelo es matemáticamente más
estable y se asegura la existencia de una solución.
MODOS DE SIMULACIÓN
Diseño: En este modo las salidas del modelo
representan a los parámetros del sistema real. Se
utiliza en la etapa de diseño de un equipo donde
el problema es determinar los parámetros para
los cuales el sistema producirá las salidas
deseadas para las entradas especificadas.
MODOS DE SIMULACIÓN
Control: Las variables de salida del modelo
representan a las variables de entrada del sistema
real. Este modo sirve para determinar los valores
que deberán adoptar las entradas del sistema
para producir los resultados deseados. Se utiliza
cuando se desea determinar las condiciones de
operación de un sistema.
MODOS DE SIMULACIÓN
