Expo Simulacion

7/28/2019 Expo Simulacion

1/27

INGENIERA DE PROCESOS.

Catedrtico:M. C. Miriam Snchez de Dios.

UNIDAD 3:SIMULACIN.

Expositores:Domnguez De La Crz Ovidio .

Teapa, Tabasco, a 11 de Abril de 2013.


2/27

UNIDAD 3. SIMULACIN.

1. Introduccin a la Simulacin.2. Criterios de estabilidad.

3. Determinacin de la sensibilidad.

4. Mtodos de convergencia.

5. Simulacin de operaciones de transferencia de materia

6. Simulacin de operaciones de transferencia de energa.

7. Simulacin de reactores qumicos.

8. Programas comerciales de simulacin.

9. Introduccin al uso de simuladores comerciales: Aspen, Hysim,

Superpro, Biopro, MathLab, Simnon, Hysys, Simulink, entre otros.

10.Aplicacin de simuladores comerciales.


3/27

SIMULACIN.

Es un proceso numrico diseado para experimentar el

comportamiento de cualquier sistema en una

computadora a lo largo del tiempo, en base a modelos

matemticos y lgicos diseados par tal fin.

Permite estudiar el sistema real sin

deformarlo, generando una visin mucho

ms profunda y detallada que cualquiermodelo analtico o numrico.

Simulacin es el proceso de disear y

desarrollar un modelo de un sistema oproceso real y conducir experimentos

con el propsito de entender el

comportamiento del sistema o evaluar

varias estrategias (dentro de lmites

impuestos por un criterio o conjunto de

criterios) para la operacin del sistema.

La simulacin es un proceso

numrico diseado paraexperimentar el comportamiento de

cualquier sistema en una

computadora a lo largo del tiempo,

en base a modelos matemticos y

lgica diseados para tal fin.


4/27

Necesidad.

Sntesis del proceso.

Simulacin del proceso.

Diagrama de flujo delproceso.

Optimizacin.

Paramtrica

EstructuralEvaluacin

econmicapreliminar

Balances demateria y energa

Dimensiones ycostos

Figura 1.DISEO DE PROCESOS.


5/27

SIMULACIN DE PROCESOS DE FABRICACION DE PASTAS Y PAPEL.


6/27

ANLISIS DE SENSIBILIDAD POR SIMULACIN DEL PROCESODE DESHIDRATACIN DE UNA PLANTA DE ACONDICIONAMIENTO DE GAS NATURAL.

PROCESO DE DESHIDRATACIN DE GAS NATURAL UTILIZANDO TRIETILENGLICOL(TEG).


7/27

Ventajas. Desventajas.

1. Una vez construido, puedeser modificado de manera

rpida.

2. Generalmente es msbarato mejorar el sistema

va simulacin, que

hacerlo directamente en el

sistema.

3. Es mucho ms sencillocomprender y visualizar.

4. En algunos casos, lasimulacin es el nicomedio para lograr una

solucin.

1. En una computadora soncostosos y requieren

mucho tiempo para

desarrollar y validarse.

2. Se requiere gran cantidadde corridos

computacionales para

encontrar soluciones

ptimas.

3. Son difciles de aceptar.

4. No dan solucionesptimas.

5. La solucin, puede dar alanalista un falso sentido

de seguridad.

Ventajas y desventajas de los modelos de simulacin.


8/27

Aplicaciones de la simulacin.

Aplicacin en Industrias: Industria petroqumica, qumica, refinado del petrleo,combustible sintticos, pulpa, papel, cemento, metales, minerales, alimentos, etc.

Aplicacin empresarial de la simulacin: Procesos de fabricacin, logstica,transporte, sanidad, negocios, servicios general (pblicos, gestin de restaurantes,

banca, empresas de seguros, etc.), etc.

Aplicacin en la Industria Qumica:Deteccin de cuellos de botella en la produccin.

Prediccin de efectos de cambio en las condiciones de operacin y capacidad de

la planta.

Optimizacin de las variables de operacin.

Optimizacin del procesos cuando cambian las caractersticas de los insumos y/o

las condiciones econmicas del mercado.Anlisis de nuevos procesos para nuevos productos.

Optimizacin del procesos para minimizar la produccin de desechos y

contaminantes.

Anlisis de condiciones crticas de operacin.


9/27

Programas comerciales de simulacin.

La tendencia de actual va hacia el desarrollo de nuevas

tcnicas que permitan una mayor economa, una mayor

seguridad y fiabilidad de operacin, una mayor dinmica deoperacin y, sobre todo ahorro de energa, y una menor

contaminacin.

Los mtodos de simulacin han evolucionado de tal manera en los

ltimos aos que la mayora de las grandes empresas qumicas ypetroqumicas disponen de un sistema de simulacin propio o lo

usan de una firma comercial externa.

Dentro de los programas de simulacin comercialmente se encuentran los siguientes:

Aspen plus, Hysim, Superpro, BASIC, COBOL, FORTRAN, Biopro, MathLab, Simnon,Hysys, PASCAL, Gproms, Speedup, EMSO, ALGOL, ProII, Chemcad, Petro-SIM, Dymola,PL/I, Design II, SysCAD, ASCEND, SIMULA, SIMPL/I, SIMULATE, SIMSCRPT, DYNAMO,CSMP, etc.


10/27

Criterios de estabilidad.

Se entiende por estabilidad de un mtodo numrico

el nivel de garanta de convergencia, y es quealgunos mtodos numricos no siempre convergen

y, por el contrario divergen; es decir; se alejan cada

vez ms y ms del resultado deseado.

Criterios de Estabilidad: es el conjunto denormas que debe cumplir un buque para que

su estabilidad alcance valores mnimos que

garanticen su seguridad.

La estabilidad es una propiedad cualitativa de los sistemas

dinmicos a la que cabe considerar como la ms importante de

todas. Ello es debido a que, en la prctica todo sistema debe ser

estable. Si un sistema no es estable, normalmente carece de todo

inters y utilidad.


11/27

Estos criterios pueden clasificarse segn los parmetros que controlan en:

Criterios en funcin de la altura metacntrica.Criterios en funcin de la estabilidad esttica.

Criterios en funcin de la estabilidad esttica y dinmica.Criterios en funcin de la estabilidad esttica y la accin del viento.Criterios en funcin del perodo y amplitud del balance.


12/27

Determinacin de la sensibilidad.

El anlisis de sensibilidad es el proceso de modificar las

hiptesis de los valores de las Constantes en el modelo yexaminar los resultados debidos al cambio en esos valores.

El anlisis de sensibilidad manual requiere el cambio del

valor de una Constante (o varias Constantes de una vez) y

simular, cambiar el valor de la Constante de nuevo y simularnuevamente y repetir esta accin muchas veces para lograr

un espectro de valores de salida.

La simulacin de Montecarlo, tambin conocida como Simulacin de Sensibilidad

Multivariable (MVSS), realiza este procedimiento automticamente. Se puedenrealizar cientos o miles de simulaciones con las Constantes modificadas a lo largo

de un rango de valores y despus guardar los resultados para anlisis posterior. El

muestreo Latin Hypercube es una forma particular de anlisis de sensibilidad que

permite una prueba ms rpida en modelos muy grandes.


13/27

Mtodos de convergencia.

Se entiende por convergencia de un mtodonumrico la garanta de que, al realizar un buennmero de repeticiones (iteraciones), las

aproximaciones obtenidas terminan por acercarse

cada vez ms al verdadero valor buscado.

El modelamiento matemtico de los procesos se obtiene de aplicar las leyes de

conservacin, adems de aplicar relaciones adicionales de todas las reas afines con

la Ingeniera de Procesos (termodinmica, Cintica, etc.). Estas relaciones estas

expresan como:

Ecuaciones de balance global del material.Ecuaciones de balance de material para un componente en particular.Ecuacin de balance de energa.Ecuacin de balance del momentum.Relaciones de equilibrio.

Otras operaciones.


14/27

Estrategias general para la simulacin de procesos.

1. Mtodos Numricos:

Ecuaciones algebraicas.Ecuaciones diferenciales ordinarias.

Ecuaciones parciales.

2. Mtodos de optimizacin:A) Solucin analtica: Problemas sencillos

(Problemas lineales).

B) Solucin numrica: Problemas de alta

dificultad (Problemas no lineales).

Solucin de ecuaciones (biseccin, falsaposicin, secante, Newton, etc.).

Algebra lineal (eliminacin Gaussiana,Gauss-Seidel, Jacobi, etc.).

Mtodos de regresin. Integracin numrica (trapecio, Simpson,

Romberg, Cuadratura Gaussiana, etc.).

Solucin numrica EDO (Euler,Runge-Kutta, Heun, etc.).

Solucin de EDP (Separacin devariables, mtodos espectrales,

diferencias finitas, etc.).

Optimizacin (simplex, seccindorada, gradiente, Newton, etc.).


15/27

Simulacin de operaciones detransferencia de energa y materia.

El balance de materia es un mtodo matemtico utilizado principalmente enIng. Qumica. Se basa en la Ley de la Conservacin de la Materia, que

establece que la masa de un sistema cerrado permanece constante. La masa

que entra a un sistema debe, por lo tanto salir del sistema o acumularse

dentro de l, es decir:

Entradas = Salidas + Acumulacin

Los balances de materia se desarrollan comnmente para la masa total que

cruza los lmites de un sistema. Tambin pueden enfocarse a un elemento o

compuesto qumico. Cuando se escriben balances de materia para

compuestos especficos en lugar de para la masa total del sistema, seintroducen un termino de produccin:

Entradas + Produccin = Salidas + Acumulacin


16/27

El balance de energa es la aplicacin de la primera Ley d ela Termodinmicaque establece que en un proceso (fsico o qumico), la energa no se crea ni se

destruye.

La ecuacin general del balance de energa se expresa de la siguiente forma:}

Acumulacin de energa dentro del sistema = Transferencia de energa atravs de la frontera del sistema + transferencia de energa fuera de lafrontera del sistema + Energa generada dentro del sistema Energa

consumida dentro del sistema

Esta ecuacin puede ser aplicada a un equipo individual o a toda planta. En la

ecuacin anterior se pueden introducir algunas simplificaciones:

No hay acumulacin de energa dentro del sistema.

No hay generacin de energa dentro del sistema.

No se consume energa dentro del sistema.

Si introducimos esas simplificaciones a la ecuacin anterior se reduce a:

Transferencia de energa atravs de la frontera del sistema

= Transferencia de energa fuerade la frontera del sistema


17/27

Simulacin de operaciones detransferencia de energa y materia.


18/27


19/27

Simulacin de operaciones de reactoresqumicos.

Un reactor qumico es una unidad procesadora diseada

para que en su interior se lleve a cabo una o varias

reacciones qumicas.

Esta constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta

con lneas de entrada y salida para sustancias qumicas, y

esta gobernado por un algoritmo de control.

Funciones.

Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del

tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador,

para conseguir la extensin deseada de la reaccin.

Permitir condiciones de presin, temperatura y composicin de modo que la reaccin

tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos

termodinmicos y cinticos de la reaccin.


20/27

Reactor qumico.

Se basa en:

Ecuacin de Rendimiento.Es aquella expresin

matemtica que relaciona la

salida con la entrada en un

reactor qumico, para diversascinticas y diferentes modelos

de contacto.

Modelo de Contacto.Est referido a como los materiales circulan a

travs del reactor y se contactan unos con

otros dentro de este, adems del tiempo que

necesitan para mezclarse, y las condiciones ycaractersticas de la incorporacin de

material.

Cintica.Est referido a cuan rpido ocurren las reacciones,

el equilibrio dentro del reactor, y la velocidad de la

reaccin qumica; estas factores estn

condicionados por la transferencia (balance) de

materia y energa.

El balance de masas esta dado por la relacin:

ENTRASALE + GENERADESAPARECE = ACUMULA

El balance de energa esta dado por la relacin:

ENTRASALEGENERATRANSMITE = ACUMULA


21/27

Agitacin mecnica de lquidos y de sistemas lquido-gas.1. Calcular la potencia disipada por una turbina Rhushton de 6 aspas girando a400 rpm en un tanque que contiene un lquido de densidad D= 1.1g/cm, =

1.2 cP, el cual se aerea a razn de 0.02 m/m.s. El dimetro del tanque es de

0.90 m, la altura del lquido 0.9 m y el dimetro del agitador Da= 0.3 m. El

tanque contiene deflectores.

Tabla 9.1. Valores de KL, KT en tanques estndar con 4 deflectores, Wb=0.1 DT.

Tipo de impulsor KL KT

Propela de 3 aspas,

paso cuadrado

41 0.32

Paleta plana vertical, 2

aspas, W/Da = 0.2

36.5 1.7

Turbina 6 aspas planas

verticales W/Da = 0.2

71 6.3

Ancla 300 0.35


22/27

Datos.

N= 400 rpm

D= 1.1 g/cm

= 1.2 cPDt= 0.90 m

Da= 0.3 m

H= 0.9 m

Aereacin= 0.02 m/m. sg

1 cP = 1x10 Kg /m.sg

1 min= 60 sg

1/cm = 1000 Kg/m

Conversiones.

RPM = 400 rv X 1 min = 6.666 rv/sg1 min 60 sg

= 1.2 cP X 1x10 Kg /m.sg = 1.2x10 Kg /m.sg1 cP

D = 1.1 g/cm X 1000 Kg/m = 1100 Kg/m1 g/m

Da= 0.3 m

H= 0.9 m

Dt= 0.90 m

D= 1.1 g/cm

= 1.2 cP

Aereacin

0.02 m/m. sg

N= 400 rpm


23/27

A) Potencia en ausencia de aire:

ReaG = N x Da x D = (6.66 rv/sg) (0.3 m) (1100 Kg/m) =

1.2 x 10 Kg /m.sg

ReaG = 659.34 = 549,4501.2 x 10

De la tabla 9.1 : Po = 6.3 = PotNDa5D

Po = 6.3 = Pot por lo tanto Pot = Po x N x Da5 x DNDa5D

Pot = Po x N x Da5 x D

Pot = (6.3) (6.666 rv /sg) (0.3m)5 (1100 Kg/m)

Pot = 4988. 10327 Kg m/ sg


24/27

B) En presencia de aire:

rea A = . D4

Volumen del lquido Vlq = Dt x H4

Vlq = (0.9 m) x 0.9 m = 0.81 m x 0.9 m = 0.6361 m x 0.9 m = 0.57249 m4 4

Gasto de gas QG = aire x Vlquido

Nota: Se aerea = 0.02 m/ m. sg

QG = (0.02 m/ m. sg ) (0.57 m) = 0.0114 m/ sg


25/27

Pg = 0.706 ( Pot x N x Da)0.45

QG0.56

Ecuacin de Michel- Miller(Ec. De Hughmark).

Pot = Potencia necesaria para la agitacin del lquido.Pg = Potencia necesaria para el lquido aereado.N = Velocidad del agitador o rotacin.Da = Dimetro del agitador.QG = Gasto del gas.

Pg = 0.706 (4988 W) (6.666 rev/ sg) (0.3m)(0.011 m/sg) 0.56

0.45

[ ]

Pg = 0.706 (24880144 W) (6.666 rev/ sg) (0.027 m)(0.080016564 m/sg)

0.45

[ ]


26/27

Pg = 0.706 4477978.0770.080016564[ ]

0.45

Pg = 0.706 55963138.8

[ ]

0.45

Pg = 0.706 3065.885484

[ ]

Pg = 2, 164.515151 W

Pg 2, 164.515151 W = 3797.395002 W/ mVlq 0.57 m

=( )


27/27

Bibliografa.

1. Denbigh,K.G., Turner,J.C.R (1990). Introduccin a la teora de los reactores

qumicos. Limusa. Mxico.

2. Dnde Castro, Mario Jos. (2005). Transporte de momentum y calor: Teora y

aplicaciones a la ingeniera de proceso. Ediciones de la Universidad

Autonoma de Yucatn. Mxico, D. F. Pgs. 317-325.

Expo Simulacion

Documents

Transcript of Expo Simulacion