Guia de Simulacin de Proceso_ Unidad n 3

UNIVERSIDADNACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA

DE LAS FUERZAS ARMADAS

“UNEFA”

NÚCLEO ZULIA

UNIDAD CURRICULAR: SIMULACIÓN DE PROCESOS

SEMESTRE: IX

PROF: ING. NECTALI RINCÓN

Suponemos que el texto o manual que utilice el estudiante contendrá una exposición y un análisis más detallado de los conceptos, beneficios, síntesis de proceso químicos y su modelado, modos de simulación, características de un simulador, técnicas para simular, y otras aplicaciones, así como también conocer qué métodos fisicoquímicos utilizar para cada problema, cuándo se podrían esperar múltiples estados estacionarios en la simulación de torres de destilación, etc.; lo que hace indispensable una adecuada formación teórica, que es uno de los objetivos de esta Unidad Curricular, por lo que solo se hará una breve exposición de la misma, resaltando que la simulación es una etapa más dentro del ciclo de actividades secuenciales para el diseño del proceso, y no como la herramienta para el diseño.

UNIDAD III

SIMULADORES COMERCIALES

Como se planteo anteriormente, un simulador es una herramienta fundamental de apoyo

al análisis de sistemas en Ingeniería, permitiendo la evaluación del mismo, fuera de

línea con la finalidad de verificar los efectos que ocasionan determinados cambios

operativos.

El elemento esencial de un simulador comercial de procesos químicos, es el Módulo de

los Modelos Matemáticos (ley de conservación de la materia, principios y leyes

termodinámicas con sus restricciones de control y diseño), con sus respectivos sistemas

de ecuaciones algebraicas y diferenciales, dándole forma al modelo matemático del

proceso completo.

Determinados simuladores dan su resolución a través de un Modelo Secuencial

Modular, es decir, cálculos con subrutinas para cada unidad de proceso, cálculos de las

variables de salida en función de las de entrada, con procedimientos iterativos (reciclos).

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Algunos hacen su resolución simultánea por medio de Métodos Orientados a

Ecuaciones y otros la hacen a través de Métodos Modulares Simultáneos, es decir, con

sistema de ecuaciones simplificado, modelos de ingeniería aproximados o

representaciones lineales de los modelos rigurosos.

La simulación es dinámica, es decir, pretenden reflejar el comportamiento del sistema

en su evolución transitoria entre los estados en los cuales pueda estar el mismo

(arranque, parada, procesos por lote, perturbaciones).

Poseen bancos de propiedades físicas, termodinámicas y de transporte. Permiten la

elección del modelo con alternativas como, intervalos específicos de condiciones, tipos

de sustancias, manejando los siguientes criterios: Naturaleza de los componentes

(polaridad), mezclas ideales y no ideales, intervalos de composición, temperatura y

presión; aplicaciones de (equilibrio líquido-valor, líquido-líquido y una fase).

A continuación se presenta una tabla con algunas Ecuaciones de Estados, Modelos de

Coeficientes de Actividad y Modelos Especiales para algunos sistemas.

Situación MARGULES VAN LAAR WILSON NRTL UNIQUAC

Sistema Binario

L-V A A A A A

Sistema

Multicomponente

L-V

AL AL A A A

Equilibrio L-L A A NA A A

Azeótropos A A A A A Sistemas

Diluidos ¿ ¿ A A A

Extrapolación ¿ ¿ B B B

A: aplicable. AL: aplicación limitada. NA: no aplicable. B: buena ¿: cuestionable



Otras ecuaciones y modelos presentes en simuladores comerciales:

Modelos de Ecuaciones de Estados

Ley de Gas Ideal Lee-Kesler (LK) Lee-Kesler-Plocker Peng-Robinson (PR) Peng-Robinson-Stryje K-Vera (PRSV) Redlich-Kwong (RK) Redlich-Kwong-Soave (RKS) API-Soave-Redlich-Kwong (API-SRK) RKS o PR con regal e mezclado Hurón-Vidal 2 modificada (MHV) RKS o PR con regla de mezclado de Wong (WS) RKS o PR con función alfa de Boston-Mathias Hayden-O’Connell Benedict-Webb-Rubin (BWR) Modelos de Coeficientes de Actividad Electrolitos NRTL Flory-Huggins NRTL UNIQUAC UNIFAC Van Laar Margules Pitzer Métodos Especiales Chao-Seader Grayson-Streed APLICACIONES DE LA SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS En principio, la Simulación de Proceso puede ser útil en todas las etapas del desarrollo de un proyecto industrial. En las diferentes etapas de un proyecto, puede haber necesidad de realizar simulaciones con diferentes niveles de sofisticación. La simulación de procesos puede usarse en las siguientes etapas de desarrollo de un proyecto:

a) Investigación y desarrollo: Una simulación sencilla se puede usar para probar la factibilidad técnica y económica de un proyecto.

b) Etapa crítica en la toma de decisiones. Se prueban diferentes alternativas de proceso y condiciones de operación y se toman decisiones. Cunado un proceso en económicamente atractivo, se deben probar diferentes alternativas de tamaño y localización de la planta industrial y determinar condiciones de operación óptima.



c) Planta piloto: Simulación con modelos más sofisticados para obtener mejores estimaciones de las condiciones de operación a escala industrial.

d) Diseño: La simulación proporciona todos los datos de proceso requeridos para el diseño detallado de los diferentes equipos.

e) Simulación de plantas existentes: Puede ser muy útil cuando es necesario cambiar las condiciones de operación, o cuando se quieren sustituir materias primas.

Entre los simuladores comerciales más usados tenemos: ASPEN-PLUS HYSYS PRO II DESING CHEMCAD ASPEN-PLUS Características Generales: ASPEN: Advance System for Process Engineering Desarrollado por Aspen Technology, Inc. Es flexible y fácil de usar, su algoritmo de cálculo está basado en Método Secuencial Modular (Aspen Plus 10.2). Método Orientado a Ecuaciones (Aspen Plus 2006). Método Orientado a Ecuaciones (Aspen Plus 2004.1). Aspen Plus permite: .- Regresión de datos experimentales .- Diseño preliminar de los diagramas de flujo usando modelos de equipos simplificados. .- Realizar balances de materia y energía rigurosos usando modelos de equipos detallados. .- Dimensionar piezas claves de los equipos. .- Optimización ON-LINE de unidades de procesos completos o bien plantas. Módulos contenidos en Aspen Plus



Aspen Plus dispone de las siguientes operaciones:



Posee un Banco de Datos que incluyen: .- Base de datos de componentes puros y específicos de cualquier aplicación .- Sistemas de estimación para constantes de propiedades. .- Base de datos para parámetros de interacción binaria. .- Sistemas de regresión de datos. .- Sistemas para electrolitos. .- Acceso a la base de datos termo física DECHEMA. Entre sus herramientas se tienen: .- Análisis de convergencia: rotura de ciclos, secuencia de soluciones. .- Incluye Fortran y Excel. Acceso a Visual Basic (Aspen Plus 2004.1). .- Análisis de sensibilidad: variaciones debidas a cambios introducidos. .- Casos de estudio para simular con varias entradas



.- Especificaciones de diseño para el cálculo automático de condiciones de operación y parámetros de equipos. .- Optimización para maximizar rendimientos, consumo de energía y pureza. DESCRIPCIÓN DE ALGUNOS MÓDULOS DE EQUIPOS PRESENTES EN ASPEN PLUS. Modelos para las unidades operacionales Mezcladores y Divisores de corrientes.

Modelo Descripción Propósito Uso

MIXER

Mezclador de corrientes

Combina varias corrientes en una sola

Mezclar flujos de operaciones. Adicionar corrientes calientes. Adicionar flujos de trabajos

FSPLIT Divisor de Corrientes

Divide la alimentación basada en especificaciones de la corriente de salida

Divisores de corrientes de flujo. Purgas de válvulas

SSPLIT

Divisor de sub- corrientes

Divide la alimentación basada en especificaciones de cada una de las sub-corrientes

Separación o división perfecta de líquido-sólido

Modelos para las unidades operacionales para la Separación de Componentes.


FLASH2

Separador Flash de dos salidas

Separar la alimentación en dos corrientes de salida, utilizando cálculo riguroso de equilibrio líquido-vapor o equilibrio líquido-líquido

Evaporadores. Tambor separador tipo flash, Tambores de salida conocida, Tambor separador de una etapa

FLASH3

Separador Flash de tres salidas

Separa la alimentación en tres corrientes de salida, utilizando cálculos riguroso de equilibrio vapor-líquido o líquido-líquido

Decantadores. Separadores de una etapa con dos fases líquida

DECANTER

Decantador líquido-líquido

Separar la alimentación en dos corrientes de salida líquidas

Decantadores. Separadores de una etapa con dos fases líquidas y no en fase de vapor

SEP

Separador de Componente

Separar los componentes de la corriente de entrada en múltiples corrientes de salida, basado flujos especificados

Cuando los detalles en las operaciones de separar componentes, tales como en destilación y absorción son desconocidos o poco importantes



SEP2

Separador de Componentes de dos salidas

Separar los componentes de la corriente de entrada en dos corrientes de salida, sobre la base de flujos especificados, separación en fracciones o pureza.

Cuando los detalles en las operaciones de separar componentes, tales como en destilación y absorción, son desconocidos o poco importantes

Algunos Modelos para las unidades operacionales de intercambiadores de calor.


HEATER Calentadores o Enfriadores

Determina las condiciones de la fase en la corriente de salida

Calentadores, Enfriadores, Condensadores

HEATX

Intercambiadores de calor con dos corrientes

Intercambio de calor entre dos corrientes

Intercambio de calor entre las dos corrientes, lado carcaza, lado tubo, cuando la geometría es conocida

HETRAN

Intercambiador de calor tubo, carcaza

Proporciona una interfase del intercambio de calor entre la carcaza y los tubos del intercambiador de calor

Intercambiar calor entre la carcaza y los tubos, incluyendo rehervidores de calderas

Algunos Modelos para las unidades operacionales de columna de destilación.


DSTWU

Cálculos cortos en diseño de destilador usando los métodos de Winn-Underwood- Gilliland

Determinar relación de reflujo mínimo, número de etapas mínimas, relación de reflujo real y número de etapas reales

Columnas con una alimentación y dos corrientes de productos

DISTL

Cálculos cortos en categoría de destilador usando método de Edmister

Determinar una separación basada en relación de reflujo, número de etapas y relación entre la alimentación y el destilado

Columnas con una alimentación y dos corrientes de productos

RADFRAC

Fraccionamiento Riguroso

Evaluaciones rigurosas y cálculos de diseño para columnas simples

Destilaciones ordinarias, Absorbedores, separadores, destilaciones extractivas y azeotrópicas.



SIMULADOR COMERCIAL HYSYS Características Generales Desarrollado por: Aspen Technology, Inc. y Hyprotech. Inc. Entorno de simulación modular, tanto para estado estacionario como para régimen dinámico. Desarrollado para ser usado en PC. Interfase gráfica de fácil uso (orientada a objeto). Posibilidad de adicionar código de programación con VISUAL BASIC. Interpreta iterativamente los comandos según se introducen en el programa. Por lo tanto no necesita un botón de ejecución (run), aun que exista la posibilidad de plantear el problema completo sin hacer cálculos y después ejecutarlos. Es un simulador bidireccional, ya que el flujo de información va en dos direcciones (hacía adelante y hacía atrás). De esta forma puede calcular las condiciones de una corriente de entrada de una operación a partir de las correspondientes corrientes de salidas sin necesidad de cálculos iterativos. Es un simulador integrado: La información se comparte entre aplicaciones. Modelos termodinámicos comunes. Es un simulador abierto y extensible: Unidades de operaciones en estado estacionario o dinámico. Posee paquetes de propiedades especiales



Unidades disponibles en HYSYS:



Simulador Comercial PRO II Desarrollado por SIMULATION SCIENCES. Inc. Características Generales Entorno gráfico de simulación interactivo. Posibilidad de incluir código de programación en VISUAL BASIC Posibilidad de realizar simulación en régimen Dinámico (PAQUETE PROTISS) Puede ser utilizado en: Petróleo, Refinerías, Petroquímica, Polímeros, Química fina y farmacéutica, Construcciones, Ingeniería, etc.



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