INTRODUCCION A LA SIMULACION DE PROCESOS

1. INTRODUCCION A LA SIMULACION DE PROCESOS

2. 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.

3. Simulación de Procesos • En general se lleva acabo con dos propósitos: • Diseño • Operación bajo nuevas condiciones

4. SIMULADORES COMERCIALES • ASPEN Plus • PRO II/PROVISION • CHEMCAD • HYSYS • DESIGN II: Rigorous Process Simulation for Chemical and Hydrocarbon Processes including Refining, Refrigeration, Petrochemical, Gas Processing, Gas Treating, Pipelines, Fuel Cells, Ammonia, Methanol, Sulfur and Hydrogen Facilities.

5. SIMULADORES COMERCIALES • UniSim Design: is an intuitive and interactive process modeling offering that enables engineers to create steady-state and dynamic models for plant design, performance monitoring, troubleshooting, operational improvement, business planning and asset management. • ProSim Plus: Chemical, pharmaceutical, specialty chemical, petrochemical, gas treatment, refining, and in engineering companies. performs rigorous mass and energy balance calculations for a wide range of industrial steady-state processes. It is used in design as well as in operation of existing plants for process optimization, units troubleshooting or debottlenecking, plants revamping or performing front-end engineering analysis. • PetroPlan: is a software system for simulating a petroleum refinery operation.  By performing block by block calculations, all streams (crude oils, intermediate products and blended products) flowing between refinery blocks (e.g. crude unit, FCC) are calculated • CADSim Plus: pulp and paper, mining, waste water treatment and food processing. • HYSIM: Steady state process simulator for the PC from Hyprotech. Incorporates a wide range of unit operations, heat exchanger design, compressors, valves, and extensive thermophysical property data.

6. SIMULADORES COMERCIALES • PD Plus: simulating chemical processes, including refinery systems and non-ideal chemicals. It handles multiple-operation flowsheets with recycle streams • Kemisoft: program for chemical process material balance simulation with an option for parametric optimization. It is adequate mainly for the inorganic chemistry • QUICK HYDRAULICS: flowsheet simulation, heat and mass balances and pressure drop applications. The simulation modules include: Piping, elbows and tees, reducers, valves (gate, globe, butterfly, plug), check valves, pumps, heating/cooling coils, compressors/expanders, vertical and horizontal vessels (gravity settlers), axial and radial flow packed beds, shell and tube heat exchangers, air cooler heat exchangers, fired tubular heaters, restriction orifices, relief valves, control valves, strainers, steam traps, stream modifiers, stream splitters (including flashing) and component splitters.

7. ESTRUCTURA TIPICA DE UN PROGRAMA DE SIMULACION Programa Principal Interfase De Usuario Subrutinas de equipos Entrada de datos Subrutinas Termodinámica Subrutinas De convergencia Bases de datos de propiedades físicas Salida De Datos Bases de datos de costos

8. Arquitectura de los simuladores • Secuencial-Modular Los cálculos se realizan unidad por unidad, secuencialmente. Los procesos con reciclos debe ser descompuestos en varias secuencias de calculo hasta lograr convergencia, usando los balances de masa y energía como criterio para terminar el calculo.

9. Secuencial-Modular • 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:

10. 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. El sistema de ecuaciones algebraicas no lineales debe ser compatible y determinado Secuencial-Modular

11. Parámetros Especificaciones Geometría Corrientes de entrada Corrientes de salida Modelo Operación Unitaria Calor Calor Trabajo Trabajo Tamaño Secuencial-Modular • Esquema general de un Modelo de Operación Unitaria

12. Arquitectura de los simuladores • Orientada a Ecuaciones En este caso todas las ecuaciones del modelo, algebraicas no lineales y diferenciales, se integran en un único conjunto y se resuelven simultáneamente. Este esquema es mas flexible que el Secuencial-Modular, sin embargo requiere mas esfuerzo de programación y se consumen mas recursos de computación.

13. Orientada a Ecuaciones • Las corrientes de reciclo no representan una dificultad en la resolución del modelo. • Esta arquitectura esta mas orientada a la solución de modelos dinámicos • El modelo desarrollado tiene la forma:

14. Orientada a Ecuaciones • El estado estacionario se obtiene haciendo el termino derivativo igual a cero • En general los resultados se muestran como tablas o graficas, donde se muestra el comportamiento de las variables en función del tiempo. • Aspen Dynamics y Simulink utilizan esta arquitectura.

15. Arquitectura de los simuladores • Módulos Simultáneos Esta estrategia de solución combina los Módulos Secuenciales y Solución Orientada a Ecuaciones. Modelos rigurosos de las operaciones unitarias son resueltos secuencialmente, mientras que modelos lineales son resueltos globalmente para interconectar los resultados de cada modulo. Este parece ser el enfoque que a futuro se dará en los simuladores comerciales

16. Análisis de Grados de Libertad • Permite determinar el número de variables a ser especificadas para ejecutar una simulación. • El numero de grados de libertad se calcula como: • Nv número de variables • Neq número de ecuaciones independientes

17. Grados de Libertad para una Corriente de Proceso

18. DOF para un Flash