93714954 Introduccion a La Simulacion

18/04/2023FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

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INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN


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INTRODUCCIÓN

La simulación de procesos químicos está naturalmente vinculada al cálculo de balances de materia, energía y eventualmente cantidad de movimiento; de un proceso cuya estructura, y los datos preliminares de los equipos que lo componen, son conocidos.

El constituyente básico de la actividad de diseño de un proceso químico, es el ciclo iterativo; también, los simuladores de proceso son la herramienta más importante, junto a las técnicas de optimización, en la etapa de análisis.

El objetivo del presente trabajo es desarrollar los conocimientos básicos necesarios para comprender, complementar y dar conocimiento de los distintos tipos de simuladores de procesos químicos.


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I. SIMULACIÓN DE PROCESOS:

La simulación de procesos puede ser definida como una técnica para evaluar en forma rápida un proceso con base a una representación del mismo, mediante modelos matemáticos.


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•La solución de modelos matemáticos se lleva a cabo por medio de programas de computadora y permiten tener un mejor conocimiento del comportamiento de dicho proceso.

•El modelamiento y la simulación de procesos por computadora han llegado a ser herramientas ingenieriles extremadamente exitosas para el diseño y la optimización de procesos físicos, químicos y biológicos.

•El uso de la simulación se ha extendido rápidamente durante las dos décadas pasadas debido a la disponibilidad de las computadoras de alta velocidad.


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I.1.- Reseña Histórica:

1970: La crisis del petróleo obligó a la industria en general a enfocar sus esfuerzos en ser energéticamente más eficientes, iniciándose así una etapa de desarrollo tecnológico encaminado a mejorar los procesos existentes y a diseñar otros nuevos más eficientes.

1975: Desarrollo de simuladores con algunas aplicaciones industriales reducidas.

1980: Surgen compañías elaboradoras de software, que desarrollaban paquetes de simulación para su comercialización, pero tenían la desventaja de que la entrada y la salida de la información eran muy rígidas y se presentaban en forma de listados de difícil interpretación.


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1991-1995: Se inicia la comercialización de paquetes de simulación dinámica y de integración de energía.

En los últimos años, la simulación de procesos en estado estacionario ha llegado a ser una herramienta de apoyo para el diseño de procesos químicos y además su uso se está extendiendo en las instituciones de formación de ingenieros químicos.


I.2.- Habilidades Necesarias para la Simulación de Procesos:

CUADRO 1: HABILIDADES QUE DEBE ADOPTAR UN INGENIERO EN LA SIMULACIÓN DE PROCESOS.

Fundamentos Ingenieriles

Habilidades de Modelado

Habilidades Computacionales

Sistema físico y sus mecanismos para ser capaz de simular inteligentemente un proceso real y evaluar esa simulación.

Desarrollar un conjunto de relaciones matemáticas que describan adecuadamente el comportamiento significativo del proceso.

Obtener soluciones rápidas y baratas para la simulación de procesos.

Escoger y usar la herramienta computacional apropiada.


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I.3.- Aplicación de la Simulación de Procesos:

Investigación y Desarrollo o Probar la factibilidad técnica y económica del proyecto.

Etapa Critica en la Toma de Decisiones

o Se prueban diferentes alternativas de proceso y condiciones de operación y se toma decisiones.

Planta Pilotoo Simulación con modelos más sofisticados para obtener mejores

estimaciones de las condiciones de operación a escala industrial.

Diseñoo La simulación proporciona todos los datos de proceso requeridos para

el diseño detallado de los diferentes equipos.

Simulación de Plantas Existentes

o Muy útil cuando es necesario cambiar las condiciones de operación o cuando se requiere sustituir materias primas.

Deseabilidad Económicao Es usualmente barato usar técnicas de simulación incorporando datos

fundamentales del laboratorio en el modelo matemático que puedan servir para construir plantas pilotos de diferentes tamaños.

Caracterización del Procesoo Es una forma conveniente de investigar los efectos de los parámetros

del sistema y las perturbaciones del proceso en operación.

Entendimiento del Comportamiento y

Mecanismos Significativos del proceso

o Planteando rigurosamente los modelos matemáticos, el ingeniero aprende mucho acerca del proceso que está siendo simulado.

CUADRO 2: ETAPAS DE DESARROLLO DE UN PROYECTO INDUSTRIAL


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•La simulación de procesos químicos permite efectuar el análisis de plantas químicas en operación y llevar a cabo las siguientes tareas:

Detección de cuellos de botella en la producción.

Predicción de los efectos de cambios en las condiciones de operación y la capacidad de la planta.

Optimización de las variables de operación.

Optimización del proceso cuando cambian las características de los insumos y/o las condiciones económicas del mercado.

Análisis de nuevos procesos para nuevos productos.


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Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo de energía.

Análisis de condiciones críticas de operación.

Transformación de un proceso para desarrollar otras materias primas.

Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos.

Optimización del proceso para minimizar la producción de desechos y contaminantes.

Entrenamiento de ingenieros y operadores de proceso.

Investigación de la factibilidad de automatización de un proceso.


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I.4.- Simuladores Comerciales de Procesos:

Hysys

Pro II

Aspen Plus y

SpeedupChemcad

Design II

ESQUEMA 1. SIMULADORES DE PROCESOS DE PROPOSITOS GENERALES.


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I.5.- Limitaciones:

Falta de buenos datos y conocimiento de mecanismos del proceso

El carácter de las herramientas computacionales

El peligro de olvidar las suposiciones hechas en el modelado del proceso

ESQUEMA 2. LIMITACIONES DEFINIDAS DE LOS SIMULADORES DE PROCESOS


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II. Estrategia General para la Simulación de Procesos:

Definición del Problema

Definición del Problema

Modelamiento Matemático del Proceso

Modelamiento Matemático del Proceso

Organización de Ecuaciones

Organización de Ecuaciones

CálculosCálculosInterpretación de

ResultadosInterpretación de

Resultados

ESQUEMA 3. PASOS PARA LA SIMULACION DE PROCESOS COMPLEJOS


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II.1.- Definición del Problema:

¿Qué quiero

encontrar?

¿Cuáles son las consecuencias

importantes del estudio?

¿Por qué se hará este trabajo?

¿Qué esfuerzos ingenieriles se requerirán?

¿Cuánto tiempo tomará el trabajo?

ESQUEMA 4. PREGUNTAS CLAVES PARA DEFINIR UN PROBLEMA


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II.2.- Modelamiento Matemático del Proceso:

Balance

Global

Parcial

Energía

Momentum

ESQUEMA 5. ECUACIONES DE BALANCE EN EL MODELAMIENTO MATEMÁTICO DE LOS PROCESOS


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II.3.- Organización de las Ecuaciones:•Tomar decisiones sobre cuál variable debe ser resuelta con cuál relación.

•Para problemas pequeños, comúnmente llevamos este trabajo rutinariamente sin mucho esfuerza mental. •Para problemas grandes, se debe tener precaución. •Se recomienda arreglar las ecuaciones en una tabla de ocurrencias o en un diagrama de bloques de flujo de información.

•Estas herramientas son útiles para propósitos de organización e ilustran las interrelaciones entre ecuaciones-variables. También las ecuaciones serán arregladas tal que la estrategia de solución sea paralela a la relación lógica de causa y efecto del sistema físico. •Este ordenamiento natural de las ecuaciones usualmente tiende a estrategias de solución estable y eficiente.


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II.4.- Computación:

Computación

Métodos Numéricos

Solución Analítica

Solución Numérica

Programación

Fortran, C++, Matlab, Math-Cad.

ESQUEMA 6. HERRAMIENTAS PARA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS POR COMPUTADORA


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Solución de Ecuaciones

Algebra Lineal

Integración Numérica

• Bisección• Secante• Posición falsa• Newton

• Eliminación Gaussiana• Gauss-S.• Jacobi

• Trapecio• Simpson• Cuadratura Gaussiana

Solución Numérica de EDO

Solución Numérica de EDP

Optimización

• Euler• Runge-Kutta• Heun

• Separacion de variables• Métodos espectrales• Diferencias finitas

• Simplex• Sección dorada• Gradiente• Newton


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II.5.- Interpretación de Resultados:

•El beneficio real de la simulación de procesos recae en la interpretación inteligente de los resultados por parte del ingeniero.

•En este punto, el ingeniero debe acertar cuando el modelo es una representación válida del proceso actual o cuando éste necesita revisión y actualización.

•El ingeniero debe asegurarse que los resultados sean razonables.

•Se deben tomar decisiones sobre el proceso simulado, se obtengan o no los objetivos establecidos en la definición del problema.

•También, se investigarán alternativas razonables en un esfuerzo para mejorar la ejecución del proceso.

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