Tema 3: Simulación estacionaria.

1. Tema 3: Simulación estacionaria.

2. ÍNDICE • Diagramas de flujo de procesos • Diagramas de flujo en estado estacionario: Secuencial-Modular • Métodos de Resolución • Introducción a Aspen Plus

3. DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS FLOWSHEET SOFTWAREARCHITECTURES Secuencial Modular · Se calcula la salida de cada unidad a partir de la entrada y los parámetros. · Muy empleados en la actualidad: ej.Aspen Plus (AspenTech), ChemCAD, PROII(SimSci), Hysim (Hyprotech), Hysys(Hyprotech, comprada recientemente por AspenTechnologies) Basado (orientado) en ecuaciones · Se calculan todas las ecuaciones que describen el modelo de forma simultánea. · Arquitectura preferida en nuevos simuladores: ej. Aspen Custom Modeler (AspenTech), RTO-OPT (AspenTech),NOVA (Nova), gPROMS, ABACUSS.

4. DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS El modelado y simulación de procesos químicos incluye: · La planta completa, una serie de unidades de operación interconectadas en un diagrama de proceso.. · a manufacturing facility - several plants and utilities with integrated materialand energy flows. · Una sección de la planta, por ejemplo un tren de separación. · Una unidad de operación compleja, como puede ser un reactor de varios lechos o una columna de destilación de crudo. Reactor de amoniaco

5. DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS El primer pasoes construir un modelo matemático del sistema, estará formado por: • Sistema de ecuaciones no lineales. f(y)=0 • Un conjunto de variables del sistema referidas a las cantidades que interesan al modelo. • Estas cantidades pueden ser variaciones, con lo cual las derivadas son también variables de interés (pueden ser derivadas temporales o espaciales). • Desigualdades(no lineales). Por ejemplo, presión y temperatura son positivas, la fracción molar debe de estar en el intervalo [0,1]. g(y)>0

6. DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS El segundo pasoes resolver el modelopara: • Obtener el estado estacionario del modelo (simulación en estado estacionario o “process flowsheeting”). Implica resolver un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales (AEs). • Obtener el comportamiento dinámico del modelo. (simulación dinámica). Implica resolver ecuaciones diferenciales ordinarias(ODEs), ODEs junto con ecuaciones algebraicas (DAEs) o ecuaciones en derivadas parciales (PDEs). • Determinar valores de algunos parámetros o de entradas a unidades que optimizan el proceso. Optimización en estado estacionario. Implica resolución de un programa no lineal • Ajustar datos inconsistentes o redundantes de planta. Reconciliación de datos. • Emplear datos de planta para obtener parámetros del modelo. Estimación (estática o dinámica) de parámetros. • Determinar cómo deben variar ciertas variables (entradas) para optimizar el funcionamiento de alguna unidad. Optimización dinámica.

7. DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS El segundo pasoes resolver el modelopara: • Obtener el estado estacionario del modelo (simulación en estado estacionario o “process flowsheeting”). Implica resolver un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales (AEs). • Obtener el comportamiento dinámico del modelo. (simulación dinámica). Implica resolver ecuaciones diferenciales ordinarias(ODEs), ODEs junto con ecuaciones algebraicas (DAEs) o ecuaciones en derivadas parciales (PDEs). • Determinar valores de algunos parámetros o de entradas a unidades que optimizan el proceso. Optimización en estado estacionario. Implica resolución de un programa no lineal • Ajustar datos inconsistentes o redundantes de planta. Reconciliación de datos. • Emplear datos de planta para obtener parámetros del modelo. Estimación (estática o dinámica) de parámetros. • Determinar cómo deben variar ciertas variables (entradas) para optimizar el funcionamiento de alguna unidad. Optimización dinámica.

8. DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS • Esto conduce a los entornos de modelado de procesos, son herramientas desarrolladas en • ordenador que permiten: • Construcción, desarrollo, mejora y almacenamiento de modelos. • Resolución (mediante diferentes técnicas) de estos modelos. • Visualización (e interpretación) y almacenamiento de los resultados. Normalmente NO están integradas todas las funcionalidades en un solo entorno de modelado.

9. DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO Se calcula la salida de cada unidad a partir de la corriente de entrada y los parámetros de la unidad. Muy empleada en la etapa de diseño del proceso.

10. DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO Arquitectura de software de un entorno de modelado y simulacion.

11. DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO Pasos para realizar una simulación. 1Definir la estructura del diagrama de flujo. Qué unidades participan y los flujos (corrientes) de materia y/o energía entre ellas.. 2Seleccionar un modelo para cada unidad de proceso. 3Seleccionar un conjunto de unidades consistente. 4Especificar los componentes (especies químicas) que participan en el proceso. 5Seleccionar un paquete de propiedades físicas 6Satisfacer los grados de libertad del proceso 7Seleccionar las opciones de resolución numérica 8Ejecutar el modelo 9Examinar los resultados

12. DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO 1Definir la estructura del diagrama de flujo. Qué unidades participan y los flujos (corrientes) de materia y/o energía entre ellas.. Corrientes Bloques

13. DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO 6Satisfacer los grados de libertad del proceso Variables de las corrientes de entrada: Flujos, temperatura, presión, composición. Química del proceso:Extensiones de reacción, coeficientes estequiométricos,... Especificaciones de diseñoCantidad del producto y pureza. Parámetros de los equiposPérdidas de carga, número de platos, plato de alimentación,...

14. DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO Reciclo Problemas de convergencia. Procedimiento iterativo: “Tearing”. Para calcular la salida del mezclador es necesario “adivina” los valores de la corriente 7. Se supone un valor para la misma, se resuelve el proceso y se obtiene un valor de la corriente 7 a la salida de la purga. Se comparan y se itera según algún algoritmo de “tearing”.

15. DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO Funcionalidades de los simuladores en estado estacionario. Problemas de simulación Dadas unas entradas y parámetros computar la salida Estudios de sensibilidad Como la simulación pero permite estudiar la influencia de ciertas variables, variándolas sistemáticamente. Problemas de diseño Estudia diferentes conjuntos de especificaciones. Se puede “quitar” un parámetro y añadir una nueva especificación. La ejecución dará un valor a ese parámetro. Más difícil de resolver, y de mal especificar. Problemas de optimización Se plantea una función objetivo para mejorar el proceso. Se añaden desigualdades. Se “quitan” especificaciones (grados de libertad para la optimización) y se resuelve el problema.

16. DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO “Realizar la simulación del sistema de forma gradual”. “Utilizar resultados de simulaciones anteriores (más sencillas) para las nuevas simulación”

17. MÉTODOS DE RESOLUCIÓN Ecuaciones algebraicas lineales • Ecuaciones algebraicas no lineales • Métodos para una variable • Métodos para multivariable