UNIDAD I. INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN DE

PROCESOS

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL“RAFAEL MARIA BARALT”

PROGRAMA: INGENIERIA Y TECNOLOGÍAPROYECTO: INGENIERIA DE GAS

Técnica para evaluar en formar rápida un proceso con base en una representación del mismo, mediante modelos matemáticos. Martínez et al., 2003

Definición de simulación de procesos

Programa que consta de modelos matemáticos que representan las unidades de cálculo del proceso y un banco de datos con las propiedades físicas y termodinámicas de los productos que intervienen en el proceso. Creus, 2008Es la representación de un proceso mediante una computadora que permite analizar sus características, reproduciendo a partir de ecuaciones matemáticas la realidad del proceso.

Tendencias actuales de simulación de procesos

En efecto, la simulación de procesos, como parte fundamental de la ingeniería de procesos asistida por computadoras, se encuentra inmersa en la tendencia actual hacia la integración de aplicaciones:

1) Integración de procesos.

2) Reconciliación de datos.

3) Adquisición de datos.

4) Optimización en línea.

5) Cálculos económicos.

6) Análisis de sensibilidad.

7) Entrenamientos.

Clasificación de la simulación de procesos

Según tipo de proceso: Por lotes o Discontinua / Continua

Si involucra el tiempo:Estacionaria / Dinámica

Según tipo de variables que maneja: Cualitativa / Cuantitativa Estocástica / Determinística Continua / Discreta

Según función: Diseño / Evaluación / Control

Según enfoque: Modular-secuencial Orientado a ecuaciones o Global Modular-simultáneo o Híbrido

Cada uno presentatanto ventajas,

comodesventajas

Enfoque de la simulación de procesos

El enfoque orientado a ecuaciones es mucho más complejo desde el punto de vista matemático y es por ello que se han desarrollado mucho más los simuladores modulares-secuenciales siendo hoy día los más utilizados.

La fortaleza del enfoque orientado a ecuaciones radica en las nuevas áreas de aplicación de la simulación dinámica, la optimización en gran escala y los modelos de propósito especial.

Los simuladores modulares-secuenciales son mucho más fáciles de usar para problemas en estado estacionario, dentro de los atributos que definen su valor de uso es la diversidad de módulos o equipos que posean en sus bibliotecas, así como la cantidad de compuestos químicos que posean en sus bases de datos y el número de propiedades físicas y métodos de determinación de las mismas.

De ahí que, estos dos enfoques se complementan y puede obtenerse un gran beneficio de su uso combinado.

Tipos de simuladores1. MODULARES SECUENCIALES

Contienen bibliotecas de módulos y rutinas de cálculos.

Las variables de iteración se encuentran sobre los reciclos.

Los modelos individuales se resuelven de forma más eficiente.

Son de fácil comprensión para ingenieros “no especialistas en simulación”.

La información ingresada por el usuario (relacionada con equipos y corrientes) resulta fácilmente verificable.

Lee y Rudd, 1966

Tipos de simuladores2. ORIENTADO POR ECUACIONES

Cada equipo se representa por las ecuaciones que lo modelan. El modelo es la integración de todos los subsistemas.

Resolución simultánea del sistema de ecuaciones algebraicas (no lineal) resultantes.

A mayor complejidad, menor confiabilidad en los resultados y más problemas de convergencia (soluciones sin sentido físico).

Más difícil de usar por “no especialistas”.

Crower et al ., 1971

Evolución de la simulación

Paramétrica

Necesidad

Síntesis de procesos

Simulación de procesos

Balance de materia y energía

Dimensiones y costos

Evaluación económica preliminar

Diagrama de flujo de

procesos

Optimización

Fuente: Martínez et al., 2003

Estructural

Aplicaciones de simulación de procesos

1. Detección de cuellos de botella en la producción.2. Predicción de los efectos de cambios en las

condiciones de operación y capacidad de la planta.3. Optimización de las variables de operación.4. Optimización del proceso cuando cambian las

características de los insumos y/o las condiciones económicas del mercado.

5. Análisis de nuevos procesos para nuevos productos.6. Evaluación de alternativas de proceso para reducir el

consumo de energía.7. Análisis de condiciones críticas de operación.8. Transformación de un proceso para desarrollar otras

materias primas.9. Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos.10. Optimización del proceso para minimizar la

producción de desechos y contaminantes.11. Entrenamiento de operadores e ingenieros de proceso.12. Investigación de la factibilidad de automatización de

un proceso.

Paquete de propiedades

Todos los procesos químicos requieren de la disponibilidad de propiedades físicas y termodinámicas. En dependencia de la operación unitaria involucrada, las propiedades que se requieren son diferentes.

El poder y efectividad de un simulador vienen dado, entre otros aspectos, por la variedad, validez y alcance de su biblioteca, incluyendo las funciones de cálculo y evaluación de las propiedades físicas y termodinámicas de las corrientes y del equilibrio de las fases que componen el sistema objeto de estudio.

La calidad final de los resultados en la modelación de un proceso, independientemente del grado de sofisticación de las ecuaciones del modelo, depende de la calidad de las predicciones suministradas por el modelo termodinámico.

Selección de modelos termodinámicos

Tipo de mezcla Modelo recomendableCompuestos orgánicos con presencia de agua

NRTL

Alcoholes o en mezclas con fenoles WilsonAlcoholes, cetonas y éteres MargulesHidrocarburos C4 – C18 WilsonHidrocarburos aromáticos Margules

Fuente: VirtualMaterials

Aplicación Margules

Van Laar

Wilson NRTL UNIQUAC

Mezclas binarias A A A A AMezclas

multicomponentesAL AL A A A

Sistemas azeotrópicos

A A A A A

Equilibrio líquido-líquido

A A NA A A

Sistemas diluidos ? ? A A ASistemas

autoasociativos? ? A A A

Polímeros NA NA NA NA AExtrapolación ? ? B B BFuente: Honeywell

Para seleccionar el método apropiado de evaluación de propiedades se deben tener en cuenta los siguientes factores: la naturaleza de las propiedades de interés, la composición de la mezcla, los intervalos de presión y temperatura y la disponibilidad de parámetros.

Modelos termodinámicos

Fuente: Honeywell, ASPENTech

Tipo de Proceso Paquete Termodinámico recomendadoDeshidratación de TEG PRAcuoso ácido Sour PRProcesamiento de gas criogénico PR, PRSVSeparación de aire PR, PRSVTorres atmosféricas de crudo PR y sus variantes, Grayson Streed (GS)Torres a vacío PR y sus variantes, GS, Braun K10, EssoTorres de etileno Lee Kesler PlockerSistemas con alto contenido de H2 PR, Zudkevitch-Joffee (ZJ), GSReservorios PR y sus variantesSistemas de vapor ASME Steam, Chao Seader, GSInhibición de hidratos PRProductos químicos Modelos de actividad, PRSVAlquilación de HF PRSV, NRTLHidrocarburos-agua (alta solubilidad del agua en HC)

Kabadi Danner

Separaciones de hidrocarburos PR, SRKAromáticos Wilson, NRTL, UNIQUACHidrocarburos sustituidos (cloruro

de vinilo, acrilonitrilo)PR, SRK

Producción de éter (MTBE, ETBE, ter-amil metil eter TAME)

Wilson, NRTL, UNIQUAC

Plantas de etilbenceno / estireno PR, SRK o Wilson, NRTL, UNIQUAC (según la tecnología de producción)

Producción de ácido tereftálico Wilson, NRTL, UNIQUAC Planta de amoníaco PR, SRK

Simuladores comerciales

SIMSCI: PRO/II WITH PROVISION DYMSIM PIPEPHASE INPLANT VISUAL FLOW HEXTRAN ROMEO

ASPEN TECH: Aspen Plus Aspen Hysys Aspen HTFS Aspen PIPE Aspen Flare Aspen Dynamic

CHEMSTATION: Chemcad

INTELLIGEN INC Superpro Design

DWSIM WINSIM INC

DESIGN II

Simulations Sciences, USA

Aspen Technology, USA

Hyprotec, Canadá

Las corrientes del proceso pueden: Gases a baja o alta presión. Soluciones líquidas con componentes no polares,

polares y electrolitos de baja y alta presión. Sólidos en suspensión o finamente divididos.

Referencias bibliográficas

1. Martínez, V. H.; Alonso, P. A., et al. Simulación de procesos en Ingeniería Química. Primera Edición ed. México: 2000. 187 p. ISBN 968-856-755-8.

2. Virtualmaterials Group http://www.virtualmaterials.com

3. COMThermo - Reference Guide”, Hyprotech, 2002.

4. Henley, Seader, “Operaciones de Separación por Etapas de Equilibrio en Ingeniería Química”, 1988, Ed.Reverté SA.

5. AIChE. Selecting thermodynamic models for process simulation of organic VLE and LLE systems.

6. Chemical Engineering, 35, pp. 393–402 (2011).

7. Kister, Henry Z. Can we believe the simulation results?. Chem. Eng.Progress, pp. 52-58 (October 2002).