UNIVERSIDAD TCNICA DE AMBATO

SIMULACIN DE PROCESOSIng. Mg. Andrs Snchez

FACULTAD DE CIENCIA E INGENIERA EN ALIMENTOS

Si buscas resultados

distintos, no hagas

siempre lo mismo

"La educacin es lo

que queda una vez

que olvidamos todo

lo que aprendemos

en las aulas"

Nunca consideres el estudio como una

obligacin, sino como una

oportunidad para

penetrar en el

bello y maravilloso mundo

del saber

http://www.slideshare.net/JORGECASI1/simulacin-y-optimizacin-avanzadas-en-la-industria-

qumica-y-de-procesos-hysys

SIMULACIN

"La simulacin es el proceso de disear un modelo de un sistema real y llevar a trminoexperiencias con l, con la finalidad de comprender el comportamiento del sistema o evaluarnuevas estrategias dentro de los lmites impuestos por un cierto criterio o un conjunto de ellospara el funcionamiento del sistema". La simulacin tiene como principal objetivo la prediccin, esdecir, puede mostrar lo que suceder en un sistema real cuando se realicen determinadoscambios bajo determinadas condiciones.

SIMULACIN DE PROCESOS

Consiste en el diseo de un modelo matemtico deun sistema, y la posterior ejecucin de una serie deexperimentos con la intencin de entender sucomportamiento bajo ciertas condiciones. El modelodebe ser capaz de reproducir el comportamiento delproceso real con la mayor exactitud posible.

MODELACIN Y SIMULACIN

La Simulacin y Modelacin son las dos caras de una misma moneda, en el sentido en que ambasrepresentan o nos permiten conocer la realidad, concreta o posible, que est a nuestro alrededor.La diferencia entre simulacin y modelacin, reside en que la simulacin parte de un "sistema" encual se nos presenta una posible realidad y a travs de clculos o intercambio de valores en lasvariables podemos tomar decisiones segn el comportamiento que tenga el "sistema" en lasimulacin. La modelacin parte de un sistema netamente real y lo convierte en patrones oformulas en que los resultados o valores no varan mucho de la realidad que ya se conoce.

Conclusin: La simulacin imita la realidad y lamodelacin crea un patrn de la realidad y en amboscasos podemos usar computadores o modelosmanuales segn sea el caso de complejidad.

ETAPAS DE UN ESTUDIO DE SIMULACIN

1-Definicin del sistemaConsiste en estudiar el contexto del problema, identificar los objetivos del proyecto, especificar losndices de efectividad del sistema y objetivos especficos del modelamiento y definir el sistemaque se va a modelar.

2-Formulacin del modeloUna vez definidos con exactitud los resultados que se esperan obtener del estudio, se define yconstruye el modelo con el cual se obtendrn los resultados deseados.

SISTEMA REAL COMPUTADORMODELO

Modelamiento Simulacin

3-Coleccin de datosEs importante que se definan con claridad y exactitud los datos que el modelo va a requerir paraproducir los resultados deseados.

4-Implementacin del modelo en la computadoraCon el modelo definido, se utiliza algn lenguaje de programacin especfico o se utiliza algnpaquete de simulacin en la computadora y obtener los resultados.

5-VerificacinEl proceso de verificacin consiste en comprobar que el modelo simulado cumple con losrequisitos de diseo para los que se elabor. Se trata de evaluar que el modelo se comporta deacuerdo a su diseo del modelo.

6-Validacin del SistemaA travs de esta etapa es valorar las diferencias entre el funcionamiento del simulador y el sistemareal que se est tratando de simular.

7-ExperimentacinLa experimentacin consiste en generar los datos deseados y en realizar un anlisis de sensibilidadde los ndices requeridos.

8-InterpretacinEn esta etapa del estudio, se interpretan los resultados que arroja la simulacin y con base a estose toma una decisin.

9-DocumentacinLa primera se refiere a la documentacin del tipo tcnico y la segunda al manual del usuario, conel cual se facilita la interaccin y el uso del modelo desarrollado.

En la actualidad los simuladores lo manejan los ingenieros ambientales, ingenieros de proceso yhasta ingenieros de planta en su lugar de trabajo; ingenieros con poca o ninguna instruccin deprogramacin pueden modelar procesos complejos. Los Softwares comerciales ms utilizados enla simulacin de procesos son: ASPEN Plus, PRO II/PROVISION, CHEMCAD, HYSYS, DESIGN II, entreotros.

La simulacin de procesos puede usarse en las siguientes etapas de desarrollo de un proyectoindustrial:1. Investigacin y Desarrollo2. Etapa Crtica en la Toma de Decisiones3. Planta Piloto4. Diseo5. Simulacin de Plantas Existentes6. Deseabilidad Econmica7. Caracterizacin del Proceso8. Entendimiento del Comportamiento9. Mecanismos Significativos del Proceso

La simulacin de procesos qumicos es una herramienta moderna que se ha hecho indispensablepara la solucin adecuada de los problemas de proceso. Permite efectuar el anlisis de plantasqumicas en operacin y llevar a cabo las siguientes tareas, las cuales son comunes en las diversasramas de la industria qumica.

Esta estrategia de clculo es utilizada en la mayorade los simuladores de estado estacionario: Aspen,Chemcad, ProVision, Hysys, Prosim, Winsim.

El elemento bsico es el modelo de operacinunitaria, el cual es construido a partir de balancesde masa y energa, hasta finalmente obtener unconjunto de ecuaciones algebraicas no-lineales:

u Variable de entrada o salidaX Estado interno de la variable, temperatura,presin, concentracin, et.d Variable dependiente de la geometra,como volumen, rea de intercambio de calor, etc.p Variables que definen propiedades fsicas,como entalpas especificas, valores de K, etc.El sistema de ecuaciones algebraicas no linealesdebe ser compatible y determinado

0),,,( pdxuf

El desarrollo de competencia en simulacin de procesos requiere queel ingeniero adopte las siguientes habilidades:

1.- Entendimiento Claro de los Fundamentos Ingenieriles.- El ingenierodebe estar familiarizado con el sistema fsico y sus mecanismos paraser capaz de simular inteligentemente un proceso real y evaluar esasimulacin. Los procesos no pueden ser vistos como una caja negra.

2. Habilidades de Modelado.- El ingeniero tiene que ser capaz dedesarrollar un conjunto de relaciones matemticas que describanadecuadamente el comportamiento significativo del proceso.

3. Habilidades Computacionales.- Se deben obtener soluciones rpidaspara la simulacin de procesos. El ingeniero debe ser capaz de escogery usar la herramienta computacional apropiada.

MODELOS MATEMTICOS

Los modelos matemticos son una descripcin, desde el punto de vista de las matemticas, de unhecho o fenmeno del mundo real y aplicar tcnicas bsicas para la modelacin de sistemas.

SISTEMA: Conjunto de elementos interrelacionados entre s que actan juntos para lograr unobjetivo comn.

MODELO: Es una idealizacin de la realidad utilizado paraplantear un problema, normalmente desde un punto de vistamatemtico. Es una representacin conceptual de unproceso o sistema, con el fin de analizar su naturaleza,desarrollar o comprobar hiptesis o supuestos y permitir unamejor comprensin del fenmeno real al cual el modelorepresenta. Existen tres tipos de modelos: Modelos Icnicos Modelos Anlogos Modelos Simblicos

LOS MODELOS ICNICOS: son los modelos fsicos que se asemejan al sistema real, generalmentemanejados en otra escala. Por ejemplo: Los modelos de aviones que construyen los ingenieros ylos modelos de ciudades que construyen los urbanistas.

LOS MODELOS ANLOGOS: son los modelos en los que una propiedad del sistema real se puedesustituir por una propiedad diferente que se comporta de manera similar. Ejemplo: El mapa decarreteras es un modelo anlogo del terreno correspondiente, el velocmetro de un vehculorepresenta la velocidad mediante el desplazamiento anlogo de una aguja sobre una escalagraduada.

LOS MODELOS SIMBLICOS: Son aquellos en los que se utiliza un conjunto de smbolos en lugar deuna entidad fsica para representar la realidad. Por ejemplo, los fsicos construyen modeloscuantitativos del universo y los economistas crean modelos cuantitativos de la economa. Por elhecho de que se utilizan variables cuantitativamente definidas e interrelacionadas por medio deecuaciones, es frecuente que los modelos simblicos sean conocidos como modelos matemticos.

TIPO DE MODELO

CARACTERTICAS EJEMPLOS

FSICO

TangibleComprensin y posibilidad de compartirlo: difcilModificacin y manipulacin: difcilAlcance de utilizacin: la ms baja

Modelo de unaeroplano, modelado deuna casa,modelo de una ciudad

ANALGICO

IntangibleComprensin: ms difcilDuplicacin y posibilidad de compartirlo: ms fcilModificacin y manipulacin: ms fcilAlcance de utilizacin: ms amplia

Mapa de carreteras,velocmetro, grfica derebanadas de pastel

SIMBLICO

IntangibleComprensin: la ms difcilDuplicacin y posibilidad de compartirlo: las ms fcilesModificacin y manipulacin: las ms fcilesAlcance de su utilizacin: el ms amplio

Modelo de simulacin,modelo algebraico,modelo de hoja declculo electrnica.

Los Modelos Simblicos se clasifican a su vez en: Modelos determinsticos Modelos estocsticos o probabilsticos Modelos dinmicos Modelos estticos Modelos continuos Modelos discretos

Estos ltimos modelos, los modelos dinmicos, son de mayor inters en el estudio de esta unidad,por tal razn nos enfocaremos ms en ellos. Una de las caractersticas principales de los modelosdinmicos, es el cambio que presentan las variables en funcin del tiempo.

Esta presentacin aproximada de la realidad en forma de un modelo numrico permite laresolucin del problema. Los diversos coeficientes del modelo son automticamente calculadospor el ordenador a partir de la geometra y propiedades fsicas de cada elemento. Sin embargoqueda en manos del usuario decir hasta que punto la discretizacin utilizada en el modelorepresenta adecuadamente el modelo de la estructura.

La discretizacin correcta depende de diversos factores como son el tipo de informacin que sedesea extraer del modelo o tipo de solicitacin aplicada. Actualmente el mtodo de los elementosfinitos ha sido generalizado hasta constituir un potente mtodo de calculo numrico, capas deresolver cualquier problema de la fsica formulable como un sistema de ecuaciones, abarcando losproblemas de la mecnica de fluidos, de la transferencia de calor, del magnetismo, etc.

En la transferencia de calor, puede abordarse problemas de conduccin, conveccin o radiacin,en rgimen estacionario o transitorio. Los resultados son bsicamente las distribuciones detemperatura y los fluidos de calor.

TRANSFERENCIA DE CALOR

Termodinmica: estudia la cantidad de transferencia de calor medida que un sistema pasa por unproceso de un estado de equilibrio a otro y no hace referencia a cuanto durar el proceso.

Transferencia de calor: estudia la razn o la rapidez de la transferencia.

Calor: forma de energa que se puede transferir de una sistema a otro como resultado de ladiferencia de temperatura.

El estudio de los fenmenos fsicos comprende dospasos importantes: Identificacin de todas las variables que afectan los

fenmenos (suposiciones, aproximaciones yinterdependencia de las variables). Se plantea elmodelo matemtico.

Se resuelven las ecuaciones matemticas y seinterpretan los resultados.

TRANSFERENCIA DE LA ENERGA

La energa se puede transferir hacia una masa dada, o de sta, por dos mecanismos: calor Q ytrabajo W.

Calor Q: la energa es transferida en forma de calor si la fuerza impulsora es una diferencia detemperatura.

Trabajo W: (Un pistn que sube, una flecha rotatoria, y un alambre elctrico) que crucen lafrontera del sistema son formas de trabajo W.

La energa no se puede crear ni destruir solo transformar. El principio de conservacin de laenerga para cualquier sistema se puede expresar como sigue: El cambio neto en la energa totalde un sistema en el curso de un proceso es igual a la diferencia entre la energa total que entra yque sale en el desarrollo de ese proceso.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA DE CALOR

Existen tres formas diferentes en que el calor puede pasar de la fuente a un recibidor, aun cuandoen muchas aplicaciones de la ingeniera existen combinaciones de dos o tres de estosmecanismos. Conduccin Conveccin Radiacin

CONDUCCIN: La conduccin es el mecanismo de transferencia de calor en escala atmica atravs de la materia por actividad molecular, por el choque de unas molculas con otras, donde laspartculas ms energticas le entregan energa a las menos energticas, producindose un flujo decalor desde las temperaturas ms altas a las ms bajas. Los mejores conductores de calor son losmetales. El aire es un mal conductor del calor. Los objetos malos conductores como el aire oplsticos se llaman aislantes.

La conduccin de calor slo ocurre si hay diferencias de temperatura entre dos partes del medioconductor. Para un volumen de espesor x, con rea de seccin transversal A y cuyas carasopuestas se encuentran a diferentes T1 y T2, con T2 > T1, se encuentra que el calor Q transferidoen un tiempo t fluye del extremo caliente al fro. Si se llama Q (en Watts) al calor transferido porunidad de tiempo, la rapidez de transferencia de calor Q = T/t, est dada por la ley de laconduccin de calor de Fourier.

Q=

=

Donde k (en W/mK) se llama conductividadtrmica del material, magnitud que representala capacidad con la cual la sustancia conducecalor y produce la consiguiente variacin detemperatura; y dT/dx es el gradiente detemperatura. El signo menos indica que laconduccin de calor es en la direccindecreciente de la temperatura.

Conductividad trmica: La conductividad trmicaes una medida de la capacidad de un materialpara conducir calor. Un valor elevado deconductividad trmica indica que el material esun buen conductor del calor y un valor bajoindica que es un mal conductor o un aislante. Ej:Hierro (alta conductividad), agua (bajaconductividad) El diamante es un slido cristalinoque tiene la conductividad trmica conocida mselevada a temperatura ambiente.

Difusividad trmica: La difusividad trmica sepuede concebir como la razn entre el calorconducido y el calor almacenado por unidad devolumen. Un valor pequeo de la difusividadtrmica significa que, en su mayor parte, el calores absorbido por el material y una pequeacantidad de calor ser conducida a travs de l.

Si un material en forma de barra uniforme de largo L, protegida en todo su largo por un materialaislante, cuyos extremos de rea A estn en contacto trmico con fuentes de calor a temperaturasT1 y T2 > T1, cuando se alcanza el estado de equilibrio trmico, la temperatura a lo largo de labarra es constante. En ese caso el gradiente de temperatura es el mismo en cualquier lugar a lolargo de la barra, y la ley de conduccin de calor de Fourier se puede escribir en la forma.

Q= 21

CONVECCIN: La conveccin es el mecanismo de transferencia de calor por movimiento de masao circulacin dentro de la sustancia. Puede ser natural producida solo por las diferencias dedensidades de la materia; o forzada, cuando la materia es obligada a moverse de un lugar a otro,por ejemplo el aire con un ventilador o el agua con una bomba. Slo se produce en lquidos ygases donde los tomos y molculas son libres de moverse en el medio.

Conveccin natural: El movimiento del fluido se debe a losgradientes de densidad, inducidos por los gradientes detemperatura, sometidos a un campo gravitacional.

Conveccin forzada: En este caso el fluido es forzado por unmecanismo externo (bombas, ventiladores, compresores, viento,corrientes marinas, entre otras).

Conveccin por ebullicin: En este caso el movimiento del fluido sedebe en gran parte a las burbujas que se escapan hacia lasuperficie.

Conveccin por condensacin: En este caso el fluido es forzado porun mecanismo externo (bombas, ventiladores, compresores,viento, corrientes marinas, entre otras).

La rapidez de la transferencia de calor por conveccin esproporcional a la diferencia de temperatura Un modelo detransferencia de calor Q por conveccin, llamado ley deenfriamiento de Newton, es el siguiente:

Q = h A (TA T)

donde h se llama coeficiente de conveccin, en W/(m2K), A esla superficie que entrega calor con una temperatura TA alfluido adyacente, que se encuentra a una temperatura T.

RADIACION: La radiacin es la energa emitida por la materia en forma de ondaselectromagnticas como resultado de los cambios en las configuraciones electrnicas de lostomos y las molculas. La energa transferida por radiacin no requiere de medio interventor. Larazn mxima de radiacin que se puede emitir desde una superficie a una temperatura T esexpresada por la ley de Stefan-Boltzmann.

Qrad = A T4

Es la constante de Stefan-Boltzmann.

= 5.67 108 W/m2K4

Radiacin trmica: es la forma de radiacin emitida por los cuerpos debido a su temperatura. Si seencuentra, materia en su camino las ondas electromagnticas puede ser: transmitida, reflejaday/o absorbida; solamente la energa absorbida se transforma en calor. Transmitida cuerpos metlicos

Reflejada cuerpos cristalinos

Absorbida cuerpos negros