MODELAMIENTO Y SIMULACION DE PROCESOSDr. Luis Moncada AlbitresUniversidad Nacional de Trujillo

lmoncada@unitru.edu.pe

MotivacinCuatro asuntos claves en el mundo ahoraEnergaAguaAlimentos Medio ambientePolucin y residuos son cruciales para todo dioxido de carbono y otras emisiones limpio & energa renovable polucin necesario rastrear y cuantificar emisiones al aire, agua, terreno necesidad de informacinNecesario para CONOCER y cuantificarMonitoreoEntendiendo el proceso obtiene conocimiento del procesoEntendiendo el impacto del proceso Acciones para reducir el impacto de la IndustriaModificar procesos para reducir polucin en la fuentePrediciendo escenarios en silicoPlanificando acciones

Motivacin El desarrollo sostenible es un proceso en el cual uno trata de no tomar mas de la naturaleza de lo que la naturaleza puede reabastecer en trminos de Materiales y energaLos ingenieros reciben instrucciones de disear nuevos procesos y/o modificar procesos existentes considerandoEl uso de recursos renovablesMinimizar residuos en la fuenteProduciendo subproductos que puedan ser devueltos a la tierraDiseando procesos que sean econmicamente convenientesSostenibilidad e Ingeniera QumicaConocimiento de qumica, fsica, flujos de masa y energa, tecnologa de procesos, ciencias computacionales, economa de procesosRol Tradicional: diseo y operacin de procesos qumicosRoles Nuevos: poltica pblica tica y racional involucrando ciencia y tecnologa

Motivacin Enfoque sobre tcnicas de Simulacin y Optimizacin de ProcesosSimulacin de Procesos como un Sistema de Soporte de Decisin para describir y optimizar los procesosIntroduccin de la Simulacin de Procesos en el desarrollo de los pasesSimulacin de Procesos como herramienta para la toma de decisionesConsumo de EnergaBalance de materiales e impacto de residuos sobre el AmbienteEvaluacin de la Economa de un procesoNuevas perspectivas interesantesPinch Technology y optimizacin de energaWater pinch para ahorrar tratamiento de agua residualHydrogen pinch en refineras de petrleo y produccin de hidrgenoCeldas de combustible y el hidrgeno como un transportador de energaIntegracin de procesos para minimizar emisionesSecuestracin de CO2

La Visin Global

Physical Chemical and Biological transformations

Evolucin

OPERANDO con PROCESOS NO CONTAMINANTES involucrandoINTENSIFICACION DE PROCESOS

AHORRANDO ALREDEDOR DE 30 % (MATERIAS PRIMAS + ENERGIA + COSTOS DE OPERACION)Visin como se ver una plantadel futuro vs. Una planta convencional.

Produccin ms limpia por Integracin de Procesos Logrando procesos ms limpios y ms sostenibles, ahorrando dinero en materias primas y bienes de capital, puede parecer demasiado bueno para ser cierto a primera vista. Sin embargo, una revisin de las tecnologas que estn disponibles ahora se ve que esta meta es alcanzable si acudimos a las tecnologas de integracin de procesos. PERO Integracin de Procesos implica Simulacin de Procesos

Qu es la Simulacin?Simulacin es el acto de representar algunos aspectos del mundo real por nmeros o smbolos que pueden ser manipulados para facilitar su estudio

Qu es un Simulador de Procesos?Una Herramienta de Ingeniera la cual realiza,* Clculos automatizados* Balances de materia y/o energa* Estimaciones de propiedades fsicas* Clculos de diseo/evaluacin* Optimizacin de Procesos* Valoracin del Impacto AmbientalNo es un Ingeniero de Procesos !

Diseo & anlisis mediante la simulacin/optimizacin de procesosUna planta Qumica es nuestro mundo real

Principales pasos en la simulacin de procesos

Simulacin al estado estacionario - resolver ecuaciones algebraicas

Optimizacin de procesos - minimizar funcin sujeta a restricciones

Simulacin dinmica - resolver ecuaciones diferenciales ordinarias

Definicin del Problema - Que informacin necesitamos?

Definicin del Problema Que necesitamos seleccionar (de un Simulador)?

Los fundamentosDiferentes posibilidades para la simulacin de procesosSimulacin al estado estacionarioSimulacin dinmicaEstado estacionario integrado simulacin dinmicaDiferentes etapas en diseo de procesosSntesis de procesos: identificacin de las unidades de operacin ptimas y la conexin entre ellas, seleccin de solventes,Diseo y simulacin de procesos: establecimiento de las condiciones de operacin ptimas y definicin de cada unidad de operacinAnlisis de procesos: estudia la efectividad del diseo a la luz de las consideraciones operacionales (flexibilidad, controlabilidad, seguridad, efectos ambientales, )Simulacin de procesos impacto sobre la industriaLa manera como el conocimiento de ingeniera es usado en procesosEl procedimiento de diseo del proceso (la planta)

Simuladores al Estado Estacionario: el producto de fondoDirectamente usados endiseo de procesos evaluacin de cambios del procesoanalizar que - escenarios Anlisis de sensibilidad - OptimizacinY son la basa paraSimulacin dinmica sntesis de procesos diseo detallado de equipo optimizacin en base a ecuaciones off-line y on-line - aplicacin de tecnologas para mercados verticales, por ej. polmeros

Simulacin de procesos: el procedimientoAnalysis: identify the problemAnalysis: Obtain informationSelect the software and the hardwareRun the base caseDegree freedom - convergencyAdjust the base case lumping, thermo, kineticAssign Design Spec.to each blockSensitivity analysisGet process knowledgeAssign Design spec.to the global flowsheetOptimize the processDefine an OFRun the finalsimulationWith all the modifications includedObtener datos del proceso: razones de flujo, condiciones de operacin, concentracionesObtener datos termodinmicos: En el mismo lugar o pruebas de planta piloto Bancos de datos (Dechema, ) o literatura Por mtodos de estimacin (C G o Mtodos de Medicin)Obtener datos de cintica: Directamente de la planta o planta piloto De clculos a partir de la Energa libre de Gibbs de exceso (es posible?) Evitar definicin rigurosa del modelo cintico Use el concepto de conversin y rendimiento (si es posible)

Anlisis de sensibilidadUn anlisis de sensibilidad es la observacin de la condicin de un proceso consecuente a la variacin de una variable simple de proceso (derivacin parcial)Se puede realizar una sensibilidad para cada variableSe puede observar el efecto de la variacin en varias condiciones del proceso El anlisis de sensibilidad es de gran importancia para determinar la variable ms sensible para una optimizacin del procesoNormalmente son preparadas las grficas de los resultadosSu aliado ms til en identificar problemas y evaluar riesgos es el Anlisis De Sensibilidad (Tony Perris)qu hacer ?vare los datos de entrada ( y an los modelos)explore los resultadosvare las asuncionesdelimite su regin de confianzaexplore combinaciones de incertidumbresEl anlisis de sensibilidad .Identifica sensibilidades claves y sus consecuencias en ingeniera (eficiencia vs. estructura)Se enfoca en lo que es ms importante (es decir cual tiene un efecto serio)Consecuentemente ubica mrgenes de diseo

Optimizacin de procesosEs el procedimiento que permite encontrar las mejores condiciones en trminos de una funcin objetivo bien definidaLa funcin objetivo puede ser:Consumo de energaCosto de operacinCosto de equipoImpacto ambiental.El nmero de variables es ms de una Puntos de atencin:Mnimos mltiplesRuta factible y no factibleConvergencia numrica

Simulacin de Procesos: la receta.Seleccione unidadesConstruya el diagrama de flujoDefina componentesDefina el modelo termodinmicoDefinicin de condiciones de alimentacionesDefina parmetros de operacin para cada unidad de equipo involucrada en el procesoEspecificaciones del proceso (especificaciones de diseo)Herramientas de anlisisAnlisis de sensibilidadCasos de estudioOptimizacinAnlisis de costos y evaluacin

Simulacin de Procesos: Software e interfase del usuarioCAPE-OPEN (CAPE Computer Aided Process Engineering) es un estndar para escribir interfaces de software. Esto es principalmente aplicado en ingeniera de procesos donde permite una comunicacin estandarizada entre simuladores de procesos (por ej. Aspen Plus) y productos desarrollados por nosotros. La ventaja de CAPE-OPEN es que estos productos son aplicables a ms de un solo simulador de proceso; son aplicables a todos los simuladores de procesos CAPE-OPEN.

ASPEN PLUS

CHEMCAD

Hysys

PRO II

Design II

COCO

SuperPro Designer

Porqu la SP es importante?Porque representa con gran exactitud al mundo realPorque permite focalizar la atencin en la interpretacin de los resultados antes que en los mtodos para obtenerlos Porque permite una visin global sobre la ingeniera de procesos ensamblando las teoras y los modelosPorque es esencial en el diseo de procesos nuevos y existentesPorque es esencial en el anlisis de plantas existentes en trminos del impacto ambientalPorque es una herramienta simple para tratar casos realesInicialmente usado en procesos petroqumicos ahora es til en otras reas emergentes

ConclusionesLa simulacin de procesos puede jugar un rol importante en la optimizacin de procesos qumicos y bioqumicosLa simulacin de procesos puede jugar un rol importante en la Produccin Limpia y actividades NCPCsAplicacin de simulacin de procesos puede ayudar en la produccin a escala industrialExplorando posibilidadesReduccin de energaMaximizacin del rendimiento totalLa simulacin de procesos es una tecnologa fundamental en la estrategia para una produccin limpiaIntegrada con otras herramientasUn amplio nmero de ejemplos y casos de estudio en diferentes reas

GRACIAS

GlosarioSilico: In silico es una expresin que significa hecho por computador o via simulacin computacional.

Pinch: El anlisis pinch (en ingls Pinch Analysis, o literalmente, anlisis de "pellizco"), tambin llamado mtodo pinch de diseo de procesos o tecnologa pinch, es una metodologa para optimizar la recuperacin energtica en un proceso qumico industrial, minimizando la inversin de capital

El anlisis water pinch permite optimizar el consumo del agua, busca una integracin de su uso entre las distintas operaciones que componen un proceso productivo. Permite calcular el reuso de las aguas industriales, la minimizacin de efluentes, y el diseo de un sistema de tratamiento de efluentes distribuido.

Glosariohydrogen-pinch analysis attempts to minimize the flowrate of fresh hydrogen makeup and off-gas discharge while maximizing the flowrate of hydrogen recovery and reuse, possibly through off-gas purification techniques.

GlosarioLa secuestracin de dixido de carbono (CO2) se est investigando detenidamente para proporcionar maneras seguras y eficaces en funcin de los costos para mantener la calidad de la atmsfera. La secuestracin de dixido de carbono antropognico reduce las emisiones de CO2 hacia la atmsfera y otros gases del efecto invernadero a travs de: - mejores programas de recuperacin que usan la inyeccin de CO2 en las reservas de petrleo y gas natural - el desplazamiento del metano de estratos carbonferos profundos con CO2 - inyeccin de CO2 en las capas freticas salinas profundas el almacenamiento en cavernas de sal

GlosarioDECHEMA is the name of the German Gesellschaft fr Chemische Technik und Biotechnologie e.V. (Organisation for Chemical and Biotechnology).

NCPCs: Programme for National Cleaner Production Centres

GlosarioFlowsheeting: Processs flowsheeting is the use of computer aids to perform steady-state heat and mass balancing, sizing and costing calculations for a chemical process. The process design effort may be split into three basic stepssynthesis analysis and optimization.