INSTITUTO TECNOLGICO DE ACAPULCO.OPERACIONES UNITARIAS III.1.1.3. SIMULACIN, CONTROL Y OPTIMIZACIN DE PROCESOSEquipo #3:Carmona Palomares Jos Balam. Rendn Robles Gustavo Germn. Ing. Carolina Pinzn Magaa.

Acapulco, Guerrero a 29 de Junio de 2015.

ndice

Introduccin3

Simulacin de procesos.4

Control de procesos....9

Optimizacin de procesos.11

Preguntas..12

Conclusin..13

Referencias bibliogrficas.14

IntroduccinEl modelamiento y la simulacin de procesos por computadora han llegado a ser herramientas ingenieriles extremadamente exitosas para el diseo y optimizacin de procesos fsicos, qumicos, y biolgicos. El uso de la simulacin se ha extendido rpidamente durante las dos dcadas pasadas debido a la disponibilidad de las computadoras de alta velocidad. En la industria de procesos qumicos, hoy en da, se resuelven ordinariamente problemas no lineales, grandes y realsticos por medio de la simulacin por computadora. Esto significa que virtualmente todos los clculos de ingeniera son procesados rpidamente.La crisis del petrleo de los aos setenta oblig a la industria en general a enfocar sus esfuerzos en ser enrgicamente ms eficientes, inicindose as una etapa de desarrollo tecnolgico encaminado a mejorar los procesos existentes y a disear otros nuevos ms eficientes. Este fue el caldo de cultivo necesario para motivar el desarroll en simulacin de procesos. El comienzo fue lento y se dio en forma conceptual, experimental y acadmica en algunas compaas y universidades en Estados Unidos, Canad y Europa. Para 1975 se haba generalizado el desarrollo de simuladores con algunas aplicaciones industriales reducidas. En 1980 empezaron a surgir compaas elaboradoras de software, que desarrollaban paquetes de simulacin para su comercializacin, pero tenan la desventaja de que la entrada y salida de la informacin eran muy rgidas y se presentaban en forma de listados de difcil interpretacin. A finales de los aos 80s se inici el desarrollo de paquetes de simulacin interactivos y su comercializacin marc el comienzo de un uso ms intensivo y generalizado en la industria y las universidades. Entre 1991 y 1995 se inicia la comercializacin de paquetes de simulacin dinmica y de integracin de energa. En los ltimos aos, la simulacin de procesos en estado estacionario ha llegado a ser una herramienta de apoyo para el diseo de procesos qumicos y adems su uso se est extendiendo en las instituciones de formacin de ingenieros qumicos. La simulacin de procesos est jugando un papel muy importante en la industra qumica, como una herramienta adecuada y oportuna para el diseo, caracterizacin, optimizacin y monitoreo del funcionamiento de procesos industriales. Aun cuando en sus inicios la simulacin de procesos estuvo enfocada principalmente a la industria petroqumica y de refinacin del petrleo, su aplicacin se ha ido extendiendo a otras industrias tales como la de combustibles sintticos, pulpa y papel, cemento, metales, minerales, alimentos, etc., en donde se involucra la fase slida. La simulacin de procesos qumicos ha involucrado ambos comportamientos de procesos estacionarios y dinmicos.

Simulacin de Procesos La simulacin de procesos puede ser definida como una tcnica para evaluar en forma rpida un proceso con base en una representacin del mismo, mediante modelos matemticos. La solucin de stos se lleva a cabo por medio de programas de computadora y permiten tener un mejor conocimiento del comportamiento de dicho proceso. El nmero de variables que aparecen en la descripcin matemtica de una planta de proceso qumica puede ser tan grande como 100 mil, y el nmero de ecuaciones no lineales que deben resolverse pueden ser del orden de miles, por lo tanto la nica forma viable de resolver el problema es por medio de una computadora.

Habilidades Necesarias para la Simulacin de Procesos El incremento del uso de tcnicas de simulacin por computadora ha ampliado la utilidad de la aproximacin cientfica a la ingeniera. El desarrollo de competencia en simulacin de procesos requiere que el ingeniero adopte las siguientes habilidades: 1. Entendimiento Claro de los Fundamentos Ingenieriles.- El ingeniero debe estar familiarizado con el sistema fsico y sus mecanismos para ser capaz de simular inteligentemente un proceso real y evaluar esa simulacin. Los procesos no pueden ser vistos como una caja negra. 2. Habilidades de Modelado.- El ingeniero tiene que ser capaz de desarrollar un conjunto de relaciones matemticas que describan adecuadamente el comportamiento significativo del proceso. 3. Habilidades Computacionales.- Se deben obtener soluciones rpidas y baratas para la simulacin de procesos. El ingeniero debe ser capaz de escoger y usar la herramienta computacional apropiada. Para problemas reales, la herramienta de inters es usualmente la computadora digital.

Aplicacin de la Simulacin de Procesos Debido a que la simulacin recae dentro de una aproximacin cientfica a la ingeniera y no en una aproximacin emprica, ha servido para simular procesos en reas interdisciplinarias tales como ingeniera biolgica e ingeniera ambiental. Los ingenieros han encontrado que la simulacin ha sido capaz de hacer contribuciones significativas a la sociedad a travs de simulaciones exitosas de sistemas biolgicos y ambientales. Los esfuerzos futuros caern en el modelamiento de sistemas polticos y sociales. La variedad de aplicaciones de los simuladores de procesos es muy grande, anteriormente slo los usaban ingenieros que diseaban procesos, ahora manejan simuladores los ingenieros ambientales, ingenieros de proceso y hasta ingenieros de planta en su lugar de trabajo; ingenieros con poca o ninguna instruccin de programacin pueden modelar procesos complejos. En principio, la simulacin de procesos puede ser til en todas las etapas del desarrollo de un proyecto industrial. En las diferentes etapas de un proyecto, puede haber necesidad de realizar simulaciones con diferentes niveles de sofisticacin. La simulacin de procesos puede usarse en las siguientes etapas de desarrollo de un proyecto industrial: 1. Investigacin y Desarrollo. Una simulacin sencilla puede usarse para probar la factibilidad tcnica y econmica del proyecto. 2. Etapa Crtica en la Toma de Decisiones. Se prueban diferentes alternativas de proceso y condiciones de operacin y se toman decisiones. Cuando un proceso es econmicamente atractivo, se deben probar diferentes alternativas de tamao y localizacin de la planta industrial y determinar condiciones de operacin ptima. 3. Planta Piloto. Simulacin con modelos ms sofisticados para obtener mejores estimaciones de las condiciones de operacin a escala industrial. Las simulaciones son una forma razonable de extrapolar la ejecucin y escalamiento de los procesos. Incorporando mecanismos fundamentales en la simulacin de procesos, la ejecucin de los sistemas puede ser predicha en regiones de operaciones nuevas y diferentes. 4. Diseo. La simulacin proporciona todos los datos de proceso requeridos para el diseo detallado de los diferentes equipos. 5. Simulacin de Plantas Existentes. Puede ser muy til cuando es necesario cambiar las condiciones de operacin, o cuando se quiere sustituir materias primas. 6. Deseabilidad Econmica. Para propsitos de diseo, es usualmente barato usar tcnicas de simulacin incorporando datos fundamentales del laboratorio en el modelo matemtico que puedan servir para construir plantas piloto de diferentes tamaos. 7. Caracterizacin del Proceso. Es una forma conveniente de investigar los efectos de los parmetros del sistema y las perturbaciones del proceso en operacin. Usualmente es muy fcil desarrollar aproximaciones alternativas de operacin y evaluar esas alternativas con un modelo matemtico en lugar de hacerlo por mtodos experimentales. Para verificar los resultados de la simulacin usualmente algunos experimentos son realizados, pero solamente los experimentos realmente crticos son necesarios.8. Entendimiento del Comportamiento y Mecanismos Significativos del Proceso. Planteando rigorosamente los modelos matemticos, el ingeniero aprende mucho a cerca del proceso que est siendo simulado. Para obtener una simulacin exitosa, se deben describir cualitativamente los mecanismos significativos del proceso. Resolviendo el modelo, relaciones tiles entre el proceso y las variables del equipo son reveladas y pueden observarse fcilmente. La simulacin de procesos qumicos es una herramienta moderna que se ha hecho indispensable para la solucin adecuada de los problemas de proceso. Permite efectuar el anlisis de plantas qumicas en operacin y llevar a cabo las siguientes tareas, las cuales son comunes en las diversas ramas de la industria qumica: Deteccin de cuellos de botella en la produccin. Prediccin de los efectos de cambios en las condiciones de operacin y capacidad de la planta. Optimizacin de las variables de operacin. Optimizacin del proceso cuando cambian las caractersticas de los insumos y/o las condiciones econmicas del mercado. Anlisis de nuevos procesos para nuevos productos. Evaluacin de alternativas de proceso para reducir el consumo de energa. Anlisis de condiciones crticas de operacin. Transformacin de un proceso para desarrollar otras materias primas. Anlisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos. Optimizacin del proceso para minimizar la produccin de desechos y contaminantes. Entrenamiento de operadores e ingenieros de proceso. Investigacin de la factibilidad de automatizacin de un proceso, etc. Simuladores Comerciales de Procesos Existe una gran variedad de simuladores comerciales de procesos, algunos de los cuales son poderosas herramientas de clculo en procesos industriales, con enormes bases de datos y un fuerte respaldo de bibliotecas para clculos de equipos y bibliotecas de modelos para clculos termodinmicos, que le dan al simulador la ventaja de una gran versatilidad. Algunos de estos simuladores de procesos de propsitos generales son:1. Aspen Plus y Speedup (de Aspen Technology, USA)

2. Pro II (de Simulations Sciences, USA)

3. Hysys (de Hyprotech, Canad)

4. Chemcad (de Chemstations, USA)

La mayora de ellos son simuladores de procesos en estado estable, que pueden expandirse a la simulacin de procesos en estado transitorio (simulacin dinmica) con la adicin de un mdulo (el modulo dinmico) que se obtiene por separado. Un aspecto muy importante en los simuladores de procesos, es la disponibilidad de los diferentes equipos usados en la industria de procesos, as como la disponibilidad de propiedades termodinmicas y de transporte de las corrientes del proceso. Las propiedades son fundamentales para efectuar los balances de materia y energa al grado de que si se tuvieran buenos datos o buenas correlaciones para las propiedades, entonces los resultados de la simulacin seran altamente confiables. Los simuladores modernos deben permitir la seleccin de los modelos de propiedades termodinmicos adecuados para la naturaleza de los componentes qumicos, estado de agregacin y condiciones de operacin.Limitaciones Hay algunas limitaciones definidas de la simulacin de procesos de las cuales el ingeniero debe estar consciente. Estas incluyen las siguientes: 1. Falta de buenos datos y falta de conocimiento de mecanismos del proceso.- el xito de la simulacin de procesos depende fuertemente de la informacin bsica que el ingeniero tiene disponible. 2. El carcter de las herramientas computacionales.- hay ciertos tipos de conjuntos de ecuaciones que todava poseen grandes dificultades pra ser resueltos por los mtodos numricos. Estos incluyen algunas ecuaciones algebraicas no lineales y ciertas ecuaciones diferenciales ordinarias y parciales no lineales. 3. El peligro de olvidar las suposiciones hechas en el modelado del proceso.- esto puede conducir a poner mucho (o poco) nfasis en ciertos resultados.Estrategia General para la Simulacin de Procesos La estrategia general para la simulacin de procesos complejos sigue una ruta bien definida que consiste de los pasos de sentido comn dados en el diagrama de bloques acompaante. Note que la informacin viaja en ambas direcciones, indicando la naturaleza adaptativa del desarrollo de alguna simulacin exitosa. Definicin del Problema Modelamiento Matemtico del Proceso Organizacin de Ecuaciones Clculos Interpretacin de los ResultadosControl de procesosEl control manual surgi simultneamente con los primeros procesos industriales, con un papel preponderante por parte del operador, encargado usualmente del accionamiento manual de los dispositivos de control (por ej., apertura y cierre de vlvulas; mediciones fuera de lnea de variables del proceso; etc.). El segundo nivel tuvo su auge con el desarrollo de la tecnologa digital, los sensores en lnea, las comunicaciones digitales, etc. La aparicin de los PLC (a comienzos de la dcada del 70), permiti la implementacin de los primeros controladores digitales con efectos combinados (proporcional + integral + derivativo). El desarrollo de las comunicaciones, de mejores interfaces (grficas) con el usuario, y de pequeos sistemas de cmputo (PCs), junto a la paulatina reduccin de sus costos, posibilitaron implementar algoritmos de control avanzado, sistemas de control distribuido (DCS) y de control supervisor (SCADA). Mayores detalles sobre estos tipos de sistemas pueden consultarse por ejemplo en Amy (1992). Con el advenimiento de sistemas de cmputo cada vez ms potentes y con mayor capacidad de soporte de datos, se posibilit la operacin del proceso (o de la planta) en forma interrelacionada con informacin proveniente de sectores diversos de la empresa, permitiendo integrar datos provenientes de los sectores de produccin, administrativo, de mantenimiento, de ventas, etc. As, la decisin sobre la operacin de toda la empresa (incluido el proceso especfico) puede ser comandada directamente desde los niveles gerenciales. Ms aun, las decisiones pueden ser tomadas no slo ya por una empresa aislada, sino por un conjunto de empresas con un inters o una poltica productiva comn. Por ltimo, la automatizacin total prevista en el nivel V, prcticamente no existe hoy en da (excepto posiblemente para aplicaciones o emprendimientos de poca envergadura, y relativamente aislados de otros emprendimientos). Sin embargo, la tendencia es alcanzar este mximo grado de automatizacin.

Clasificacin de los sistemas de control de procesosNivelNombreTipos de control y principales caracteristicas

VAutomatizacin totalSistemas informticos integrados, minima intervencin humana, control y decisin a cargo del sistema.

IVJerrquicoSistemas de control avanzado, bases de datos, reconciliacin de datos, politicas de produccin, relacin con facotres econmicos/financieros, sistemas de cmputo potente(mainframe), sistemas expertos y de inteligencia artificial

IIIAvanzadoInterfases grficas, interfaces hombre/maquina, Control por computadora, algoritmos de control, comunicaciones digitales por radio y telefonica.

IIClsicoMediciones en lnea, comunicaciones analgicas y digitales, control automtico a lazo cerrado, simulacin dinmica, dispositivios digitales, interfaces digitales(displays)

IManualrganos de accionamiento manual, ausencia de mediciones en lnea, interfaces con el operador inexistente o inadecuadas, dispositivos analgicos.

Nociones bsicas sobre control de procesosUn proceso es un conjunto de operaciones - simultneas o secuenciales- que producen transformaciones de la materia de carcter fsico y/o qumico. Todo proceso interacta con el resto del medio a travs de las variables de salida, de las variables manipuladas, y de las perturbaciones.Un proceso es (automticamente) controlado cuando existen componentes operativos (los controladores) que permiten recibir valores deseados de consigna (o set points), de manera tal que las variables de salida evolucionen automticamente hacia esos valores especificados, aun en presencia de perturbaciones externas.Optimizacin de procesosLa optimizacion de un proceso no es mas que definir una funcin objetivo y determinar los mejores de variables de diseo.La optimizacin optimizacin requiere de la solucin de problemas de simulacin s en cada iteracin. La optimizacin es una herramienta imprescindible en el diseo de un proceso.Tipos de Problemas de Optimizacin Tipos de Problemas de Optimizacin (Determinstica, Estado Estable) (Determinstica, Estado Estable)* Programacin Lineal (LP) * Programacin Mixta Entera Lineal (MILP) * Programacin No Lineal (NLP) * Programacin Mixta Entera No lineal (MINLP)

Tcnicas de Optimizacin* Mtodos Simplex y Puntos Interiores (LP) * Branch and Bound (Ramificacin y Acotamiento) (MILP) * Estrategia del Conjunto Activo, SQP (Programacin Cuadrtica Sucesiva) (NLP ) * Outer Approximation y Descomposicin de Benders ( Benders (MINLP )Preguntas1.- Cmo se define la simulacin de procesos?La simulacin de procesos puede ser definida como una tcnica para evaluar en forma rpida un proceso con base en una representacin del mismo, mediante modelos matemticos.2.- Mencione tres simuladores de procesos empleados en las industrias1. Aspen Plus y Speedup (de Aspen Technology, USA) 2. Pro II (de Simulations Sciences, USA) 3. Hysys (de Hyprotech, Canad)4. Chemcad (de Chemstations, USA)3.- Qu es la optimizacin de procesos?La optimizacion de un proceso no es mas que definir una funcin objetivo y determinar los mejores de variables de diseo.

Conclusiones La simulacin facilita los objetivos del diseo moderno: A) Disear para conseguir una fabricacin a costo competitivo. B) Disear en orden la utilizacin real en servicio. C) Disear bien al primer intento. La simulacin ahorra tiempo y dinero, tanto en el diseo de nuevas plantas cmo, en la optimizacin de las existentes. El costo inicial de la simulacin es alto (software y equipo de cmputo) pero a la larga es rentable y recuperable la inversin. Se requieren conocimientos en fenmenos de transporte, termodinmica y operaciones unitarias para que la persona que utiliza el simulador pueda interpretar los resultados. Los simuladores facilitan el aprendizaje de los alumnos y sus tareas.

Referencias Bibliogrficas. Martnez V. H. et al. Simulacin de procesos en ingeniera Qumica, Ed. Plaza y Valdz, 1era ed., Cap. 2, 2000. ISBN 968-856-755-8 Scenna N. J. et al. Modelado, Simulacin y Optimizacin de Procesos Qumicos, Capitulo 5 y 6. 1999 Law A. M. y Kelton W. D.., Simulation modeling and analysis, Ed. Mc. Graw Hill, 3era. Ed., Cap 1. 1999 Garca G. J. M. et. al. Antologa del Curso de Ingeniera de Procesos II, PAIQ de la UACQ de la UAZ., Captulos del 3 7, 2008 Chung C. A. Simulation Modeling Hadbook; A Practical Approach , CRC Press, 1era. Ed., 2003 ISBN 0-8493-1241-8 Luyben W.L., Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineering, Ed. Mc Graw Hill, 2da. Ed., Captulos 4 y 5. 1999 ISBN 0-07- 039159-9. http://www.iqcelaya.itc.mx/~vicente/NotasSeminario1.pdf http://computacionfcq.com/Raul/SimOptim-Apuntes.pdf

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