Introducción a La Simulacion

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15/05/2012FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA1

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICAESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

TEMA: INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN

INTEGRANTES: VASQUEZ BRIONES VÍCTORZAVALETA GARCÍA LUIS

CURSO: MODELAMIENTO Y SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS

CICLO: VIII-A

TRUJILLO-PERÚ


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INTRODUCCIÓN La simulación de procesos químicos está naturalmente vinculada

al cálculo de balances de materia, energía y eventualmentecantidad de movimiento; de un proceso cuya estructura, y losdatos preliminares de los equipos que lo componen, sonconocidos.

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

El objetivo del presente trabajo es desarrollar los conocimientos

básicos necesarios para comprender, complementar y darconocimiento de los distintos tipos de simuladores de procesosquímicos.



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I. SIMULACIÓN DE PROCESOS:

La simulación de procesos puede ser definida como una técnicapara evaluar en forma rápida un proceso con base a unarepresentación 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 conocimientodel comportamiento de dicho proceso.

•El modelamiento y la simulación de procesos por computadora han

llegado a ser herramientas ingenieriles extremadamente exitosas parael diseño y la optimización de procesos físicos, químicos y biológicos.

•El uso de la simulación se ha extendido rápidamente durante las dosdécadas 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 unaetapa de desarrollo tecnológico encaminado a mejorar los procesosexistentes y a diseñar otros nuevos más eficientes.

1975: Desarrollo de simuladores con algunas aplicacionesindustriales reducidas.

1980: Surgen compañías elaboradoras de software, quedesarrollaban paquetes de simulación para su comercialización, pero

tenían la desventaja de que la entrada y la salida de la informacióneran muy rígidas y se presentaban en forma de listados de difícilinterpretación.



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

En los últimos años, la simulación de procesos en estadoestacionario ha llegado a ser una herramienta de apoyo para eldiseño de procesos químicos y además su uso se está extendiendoen las instituciones de formación de ingenieros químicos.



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

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

FundamentosIngenieriles

Habilidades deModelado

HabilidadesComputacionales

Sistema físico y susmecanismos para sercapaz de simularinteligentemente unproceso real y

evaluar esasimulación.

Desarrollar unconjunto derelacionesmatemáticas quedescriban

adecuadamente elcomportamientosignificativo delproceso.

Obtener solucionesrápidas y barataspara la simulación deprocesos.

Escoger y usar la

herramientacomputacionalapropiada.



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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 Piloto

o Simulación con modelos más sofisticados para obtener mejoresestimaciones de las condiciones de operación a escala industrial.

Diseño

o La simulación proporciona todos los datos de proceso requeridos parael diseño detallado de los diferentes equipos.

Simulación de PlantasExistentes

o

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

Deseabilidad Económica

o Es usualmente barato usar técnicas de simulación incorporando datosfundamentales del laboratorio en el modelo matemático que puedanservir para construir plantas pilotos de diferentes tamaños.

Caracterización del Proceso

o Es una forma conveniente de investigar los efectos de los parámetros

del sistema y las perturbaciones del proceso en operación.Entendimiento delComportamiento y

Mecanismos Significativosdel proceso

o Planteando rigurosamente los modelos matemáticos, el ingenieroaprende 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 deplantas 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 deoperación y la capacidad de la planta.

Optimización de las variables de operación.

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

Análisis de nuevos procesos para nuevos productos.




Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo deenergía.

Análisis de condiciones críticas de operación.

Transformación de un proceso para desarrollar otras materiasprimas.

Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos.

Optimización del proceso para minimizar la producción dedesechos y contaminantes.

Entrenamiento de ingenieros y operadores de proceso.

Investigación de la factibilidad de automatización de un proceso.




I.4.- Simuladores Comerciales de Procesos:

Hysys

Pro II

AspenPlus y

Speedup

Chemcad

Design II

ESQUEMA 1. SIMULADORES DE PROCESOS DE PROPOSITOS GENERALES.




I.5.- Limitaciones: Falta de buenos datos y conocimiento demecanismos del proceso

El carácter de las herramientas computacionales

El peligro de olvidar las suposiciones hechas enel modelado del proceso

ESQUEMA 2. LIMITACIONES DEFINIDAS DE LOS SIMULADORES DE PROCESOS




II. Estrategia General para la Simulación de Procesos:

Definición delProblema ModelamientoMatemático del Proceso Organización deEcuaciones

CálculosInterpretación deResultados

ESQUEMA 3. PASOS PARA LA SIMULACION DE PROCESOSCOMPLEJOS



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II.1.- Definición del Problema:

¿Quéquiero

encontrar?

¿Cuáles son lasconsecuencias

importantes del

estudio?

¿Por qué se haráeste trabajo?

¿Qué esfuerzosingenieriles serequerirán?

¿Cuánto tiempotomará eltrabajo?

ESQUEMA 4. PREGUNTAS CLAVES PARA DEFINIR UNPROBLEMA




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II.2.- Modelamiento Matemático del Proceso:

Balance

Global

Parcial

Energía

Momentum

ESQUEMA 5. ECUACIONES DE BALANCE EN EL MODELAMIENTOMATEMÁTICO 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 sinmucho 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 lasinterrelaciones entre ecuaciones-variables. También las ecuaciones serán arregladas talque 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 desolución estable y eficiente.




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II.4.- Computación:

Computación

MétodosNuméricos

SoluciónAnalítica

SoluciónNumérica

Programación

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

ESQUEMA 6. HERRAMIENTAS PARA SOLUCIÓN DE PROBLEMAS PORCOMPUTADORA

• secc n




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Solución de Ecuaciones

Algebra Lineal

Integración Numérica

secc n• 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 lainterpretación inteligente de los resultados por parte del ingeniero.

•En este punto, el ingeniero debe acertar cuando el modelo es unarepresentación válida del proceso actual o cuando éste necesita revisióny actualización.

•El ingeniero debe asegurarse que los resultados sean razonables.

•Se deben tomar decisiones sobre el proceso simulado, se obtengan o nolos objetivos establecidos en la definición del problema.

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



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