Ing. Harvey Andrés Milquez Sanabria

Aplicar los modelos matemáticos fundamentales en la Ingeniería Química y resolverlos mediante la simulación digital. Aplicar las soluciones encontradas en el análisis de los procesos químicos.

Metodología y Evaluación

simulacionamerica@gmail.com

Asunto:210Nombresyapellidos_GrupoXXX

Asistencia• En los primeros 15 minutos de clase se

tomara asistencia, la puerta se cierra después de tomar asistencia de todo el grupo. Reglamento estudiantil

• La materia se pierde por fallas con 10%.• EXCUSA MEDICA NO ELIMINA LA FALLA

◦ Década de los 50◦ Mainframes (Sistemas Operativo por lotes, tarjetas perforadas,

lenguaje de máquina). ◦ Primer lenguaje de alto nivel para ingenieros y científicos

(FORTRAN, Proyecto de la IBM, 1957).◦ Poca interacción con el usuario.◦ Simuladores de operaciones unitarias y de diagramas de flujo

limitados (Primera generación de simuladores entre ésta década y comienzos de la siguiente).

◦ Creación de bibliotecas de programas para el cálculo de operaciones unitarias.

◦ Primeros Simuladores de tipo secuencial – Primera generación (KELLOGG, FLEXIBLE FLOW-SHEET, PACER de Digital Systems Co., CHEVRON HEAT AND MATERIAL BALANCING PROGRAM)

◦ Década de los 60◦ Sistemas Operativos multiusuario de tiempo compartido.◦ Primeros microcomputadores.◦ Nuevos lenguajes de programación (BASIC, PASCAL, ETC.)◦ Consolidación de los primeros simuladores secuenciales de

propósito general (ICI, Monsanto, Exxon, BASF).◦ Simuladores con módulos matemáticos estándar

interconectados en redes arbitrarias y flexibles.

◦ Década de los 70◦ Simuladores de segunda generación (Mayor efectividad y

resolviendo un mayor número de problemas). Flowtran, Monsanto, Secuencial.

◦ CACHE (Computer Aids for Chemical Engineering Education – 1972, Comité de la comisión de educación de la academia nacional de ingeniería de los Estados Unidos)

◦ Primeros simuladores experimentales orientados por ecuaciones.

◦ ASPEN (Advanced System for Process Engineering). Departamento de Energía de E.U.A - MIT

◦Década de los 80 en adelante◦ Tercera generación marcada por la aparición de empresas

dedicadas al desarrollo, mantenimiento y comercialización de software de reconocida trayectoria. HYSIM (Hysys) M.I.T. ASPEN (Advanced System for Process Engineering) DESIGN II, ChemCAD, entre otros. Primeros simuladores EO ( SPEEDUP, FLOWSIM, y otros)

◦ Lenguajes de programación no procedulares.◦ Computadores Personales. ◦ Nuevos simuladores (Cuarta generación)◦ Inteligencia Artificial.

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68 70 8684828078767472 929088

CHEOPE

SPAN

MASSBAL

ProSim

DESIGN II

FLOWSIM

SEQUEL

SPEEDUP

ASPEN

ASCEND

PROCESS

HYSIM

QUASILIN

FLOWTRAN

FLOWPACK – FLOWPACK II

ARQUITECTURA DEL SIMULADOR

Simultánea

Modular - Simultánea

Modular - Secuencial

G.B. Gran Bretaña

E.U. Estados Unidos

CAN. Canada

FRN. Francia

ITA. Italia

CONVENCIONES

SIM

ULA

DO

RP

AIS

DE

OR

IGE

N

AÑO

00 04 09

HYSYS

00 04 09

ITA.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

E.U.

G.B.

G.B.

G.B.

G.B.

FRN.

CAN.

La estrategia tiene que ver con la manera de resolver el modelo del proceso y determina el funcionamiento e implica su flexibilidad.

ESTRATEGIA SECUENCIALESTRATEGIA SIMULTÁNEAESTRATEGIA HIBRIDA

La diferencia entre las dos puede ilustrarse mediante la forma en que calcula las variables asociadas a un diagrama de flujo.

ESTRATEGIA SECUENCIALEl programa con base en la información disponible determina una secuencia de cálculo. Los valores calculados de las corrientes de salida de una unidad se utilizan como valores para las entradas a la siguiente unidad. Esto determina un orden de cálculo perfectamente consecutivo hasta cuando se encuentra que una corriente retorna a una unidad y que corresponde a un reciclo, o un equipo operando en contracorriente. Esto implica cálculo iterativo sobre alguna(s) corriente(s).

De una manera similar, las unidades en modo de diseño, o con especificaciones de diseño, involucran procesos iterativos.

Ésta estrategia resulta cada vez más difícil de aplicar a medida que aumenten los reciclos o unidades en modo diseño.

ESTRATEGIA SECUENCIAL

Un Modulo ejecutor toma la información de definición del diagrama de flujo y de las especificaciones para formular una secuencia de cálculo a cada modulo.

Los pasos que el modulo ejecutor sigue para detectar reciclos, seleccionar corrientes de corte y establecer unas secuencias de solución lógica, reciben los nombres de particionado, rasgado y ordenamiento, respectivamente.

Se debe disponer de bibliotecas de rutinas que contengan los modelos y los procedimientos de solución. De esta manera cada rutina puede ser optimizada independientemente.

ESTRATEGIA SIMULTÁNEAEn esta estrategia cada modulo aporta sus ecuaciones que representan su modelo matemático, y la suma coherente de éstos forman el modelo del proceso. Esta arquitectura implica la concentración de la pericia computacional para resolver el sistema globalmente. Esta estrategia se ha denominado como “Orientada por Ecuaciones OE”.

En la solución global del modelo se plantean dos alternativas para el caso general de un modelo no lineal:- Descomposición- Cuasilinearización- Otras alternativas

ESTRATEGIA SIMULTÁNEADescomposiciónDescomposición Descomponer un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales consiste en dividir o partir el problema en subproblemas lo más pequeño posible de forma que se puedan resolver siguiendo alguna secuencia. Consta de dos fases: particionadoparticionado y ordenamientoordenamiento, en la primera se hayan los subsistemas y en la segunda se establece la secuencia.

CuasilinearizaciónCuasilinearización Involucra la linearización simultánea de todas las ecuaciones y la iteración sobre todas las variables. Los métodos de linearización de segundo o de orden inferior (NR o QN).

Otras alternativasOtras alternativas Cuando un gran porcentaje de ecuaciones son lineales, se puede resolver primero este subsistema y luego incorporar la combinación lineal de variables con las ecuaciones no lineales restantes.Otra opción es plantearlo como un problema de optimización.

ESTRATEGIA HIBRIDAEs una mezcla de las dos anteriores por cuanto cada iteración consta de dos pasos; en el primero se resuelve el problema de ecuaciones del modelo de manera simultánea con cuasilinearización, y en el segundo, se actualizan los coeficientes no lineales mediante una solución de los modelos rigurosos de manera secuencial. A ésta estrategia también se le denomina modular simultánea. Cada módulo dispone de dos modelos: uno riguroso, al estilo de los simuladores secuenciales, y otro lineal, aproximado.

La simulación se hace resolviendo los modelos en una pasada por el diagrama de flujo (fase secuencial) e inmediatamente pasa a resolver los modelos linearizados en otra pasada por el diagrama (fase simultánea).

Tienen una mayor velocidad de convergencia que los simuladores secuenciales.

Secuencial Modular (SM)Cada bloque de operación se resuelve de acuerdo a una

secuencia determinadaEmpleada para resolver un gran número de bloques

Orientada por Ecuaciones (OE)Todas las ecuaciones se resuelven de manera simultáneaEs necesario un buen punto de partida

CombinaciónEmplear una SM para inicializar, llegando a un punto cercano a

la solución, posteriormente usar una OE para solucionar la simulación de forma más precisa

Usar una SM para lograr un acercamiento a la solución inicial, luego emplear una OE para realizar una optimización o una puesta a punto del modelo

Diseño de procesos Optimización Solución de problemas de operación Comercialización de procesos Enseñanza Otras aplicaciones:

Readaptación de un proceso existente a una nueva tecnología (revamping)

Ajuste del modelo o parámetros del modelo (Data reconciliation)

Flexibilidad del diseño de un procesoAnálisis de operabilidad, planeación de operaciones en

planta

Aspen Tech Pro II ChemCad Ascend IV Desing II Super Pro Designer

Es el líder mundial en software de procesos.

Inicio en los 80 desde le MIT y el Departamento de Energía (USA)

PRO II• Invensys Process Systems (IPS) es una

empresa tecnologica, que esta a la vanguardia de los cambios en los procesos de Manufactura, optimización de plantas. Entre sus productos se encuentra PRO II.

Es el simulador de procesos químicos de la empresa Chemstations.

Origen de ChemCad hace mas de 40 años, en la Universidad de Houston con el apoyo de la Marina de los Estados Unidos.

Ascend IVAscend es un ambiente de simulación

flexible para resolver problemas de ingeniería y ciencias.

Originario de la Universidad Carnegie Mellon en los 80.

Software libre.

WinSim ha desarrollado y comercializado DESING II para Windows desde 1995.

Métodos rigurosos para la simulación de procesos Químicos y de la industria de Hidrocarburos, incluyendo refinación, refrigeración, petroquímica, procesamiento de gases.

Super Pro DesignerSimulador de la Empresa Intelligen. Facilita

el moldelamiento, evaluación y optimización de procesos integrados en un amplio rango de industrias (Farmacéutica, Biotecnología, Química Fina, Alimentos, Procesos de Minerales, Purificación de Agua, Tratamiento de Aguas residuales, Control de la Contaminación del Aire, etc.

Ingeniería de Procesos◦ Aspen Basic Engineering◦ Aspen Economic Evaluation◦ Aspen Exchanger Desing & Rating◦ Aspen HYSYS◦ Aspen Plus

Distribución◦ Aspen Fleet Optimizer◦ Aspen Inventory Management and Operation

Scheduling◦ Aspen Petroleum Supply Chain Planner

◦ Advance Process Control Aspen DCMplus

◦ Planning and Scheduling Aspen Collaborative demand manager Aspen Petroleum Scheduler Aspen PIMS Aspen Plant Scheduler Family Aspen Supply Chain Planner Aspenone Planning & Scheduling for Olefins

◦ Product Management & Execution AspenInfoPlus.21

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Ventana delDiagrama delProceso

Las hojas de diagramas de procesos son el lenguaje de los procesos químicos.

La simulación es una herramienta para interpretar procesos, encontrar puntos de falla, y para predecir el comportamiento del proceso.

El corazón de la simulación es el modelo matemático, colección de ecuaciones que relacionan las variables de proceso.

Diferentes niveles de complejidad, estado estacionario – estado dinámico. Balances de Materia y de Energía, Dimensionamiento de equipos, análisis de rentabilidad, optimización.

1. Investigación previa del proceso a simular.

2. Propiedades Físicas/Químicas. Interacciones (¿IDEAL?)

3. Corrientes de Proceso. ¿Qué conozco?, grados de libertad

4. Modelamiento secuencial o Orientado a ecuaciones

5. Revisión de errores. SENTIDO COMÚN!!!!!!

6. Comparación con la “verdad”.7. Resultados, conclusiones, preguntas. Lo

mas divertido de la simulación

Modelo Termodinámico

http://www.youtube.com/watch?v=CcV8WBJ5b5E

O buscar el youtube.com:◦ Video de instalación de Aspen One Versión 7

¿Qué se instala?◦ Aspen Plus◦ Aspen Exchanger Design and Rating◦ Aspen Economic Evaluation◦ Aspen Hysys

E. Carlson. Don’t gamble with physical properties for simulations. Chemical engineering progress. 35 – 46. 1996

E. Tarifa, E. Erdmann, D. Humana, M. Vicente, L. Cari, L. Fuentes. Análisis de una red de transporte de gas. Revista ingeniería e investigación. 89 – 97, 2007.