Curso de modelización y simulación de procesos. ETSII. Manuel Rodríguez

Tema 3: Simulación Tema 3: Simulación

estacionaria.estacionaria.

Curso de modelización y simulación de procesos. ETSII. Manuel Rodríguez

•Diagramas de flujo de procesos

•Diagramas de flujo en estado estacionario: Secuencial-Modular

•Métodos de Resolución

•Introducción a Aspen Plus

ÍNDICEÍNDICE

Curso de modelización y simulación de procesos. ETSII. Manuel Rodríguez

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOSDIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS

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.

FLOWSHEET SOFTWARE ARCHITECTURES

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)

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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 material and 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

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOSDIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS

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El primer paso es 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

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOSDIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS

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El segundo paso es resolver el modelo para:

•Determinar cómo deben variar ciertas variables (entradas) para optimizar el funcionamiento de alguna unidad. Optimización dinámica.

•Emplear datos de planta para obtener parámetros del modelo. Estimación (estática o dinámica) de parámetros.

•Ajustar datos inconsistentes o redundantes de planta. Reconciliación de datos.

•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

•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).

• Obtener el estado estacionario del modelo (simulación en estado estacionario o “process flowsheeting”). Implica resolver un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales (AEs).

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOSDIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS

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El segundo paso es resolver el modelo para:

•Determinar cómo deben variar ciertas variables (entradas) para optimizar el funcionamiento de alguna unidad. Optimización dinámica.

•Emplear datos de planta para obtener parámetros del modelo. Estimación (estática o dinámica) de parámetros.

•Ajustar datos inconsistentes o redundantes de planta. Reconciliación de datos.

•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

•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).

• Obtener el estado estacionario del modelo (simulación en estado estacionario o “process flowsheeting”). Implica resolver un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales (AEs).

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOSDIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS

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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 soloentorno de modelado.

DIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOSDIAGRAMAS DE FLUJO DE PROCESOS

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DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIODIAGRAMAS 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.

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Arquitectura de software de un entorno de modelado y simulacion.

DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIODIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO

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1 Definir la estructura del diagrama de flujo. Qué unidades participan y los flujos (corrientes) de materia y/o energía entre ellas..2 Seleccionar un modelo para cada unidad de proceso.

3 Seleccionar un conjunto de unidades consistente.

4 Especificar los componentes (especies químicas) que participan en el proceso.

5 Seleccionar un paquete de propiedades físicas

6 Satisfacer los grados de libertad del proceso

7 Seleccionar las opciones de resolución numérica

8 Ejecutar el modelo

9 Examinar los resultados

Pasos para realizar una simulación.

DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIODIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO

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1 Definir la estructura del diagrama de flujo. Qué unidades participan y los flujos (corrientes) de materia y/o energía entre ellas..

Bloques Corrientes

DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIODIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO

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6 Satisfacer 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 diseño Cantidad del producto y pureza.

Parámetros de los equipos Pérdidas de carga, número de platos, plato de alimentación,...

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Reciclo

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”.

Problemas de convergencia.

Procedimiento iterativo: “Tearing”.

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Problemas de simulaciónDadas unas entradas y parámetros computar la salida

Estudios de sensibilidadComo la simulación pero permite estudiar la influencia de ciertas variables, variándolas sistemáticamente.

Problemas de diseñoEstudia 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 optimizaciónSe 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.

Funcionalidades de los simuladores en estado estacionario.

DIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIODIAGRAMAS DE FLUJO EN ESTADO ESTACIONARIO

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“Realizar la simulación del sistema de forma gradual”.“Utilizar resultados de simulaciones anteriores (más sencillas) para las nuevas simulación”

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MÉTODOS DE RESOLUCIÓNMÉTODOS DE RESOLUCIÓN

Ecuaciones algebraicas lineales

Ecuaciones algebraicas no lineales

•Métodos para una variable•Métodos para multivariable