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Timestamp: 2019-01-23 11:41:08+00:00

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13 FICHA Simulación
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Modelado y Simulación de Procesos: Observar para mejorar.
Por: José Rafael León Ojeda, Román Germán Castro Peña y Christopher Iván Alonzo Manzanero Asignatura: Modelado de Procesos Químicos Profesor: Ing. Fernando Rivas López Ingeniería Química Instituto Tecnológico de Mérida Introducción. El presente trabajo tiene como objetivo establecer una introducción hacia los conceptos relacionados con el modelado y simulación de procesos de la Ingeniería Química; así como mostrar un panorama general de las aplicaciones de estas disciplinas. Para lograr este cometido, el trabajo cuenta con la siguiente estructura: en primera instancia, se definirán conceptos básicos sobre el tema, tales como proceso, modelado, simulación entre otros, así como la importancia de llevar a cabo esta tarea; posteriormente, se ofrecerá una clasificación de las diferentes estrategias de modelado y simulación de procesos químicos, así como sus ventajas y desventajas principales; luego entonces, nos enfocaremos en los simuladores secuenciales, describiendo su estructura y características principales, así como una descripción de los módulos de equipos presentes en este tipo de simulador. Por último, se establecerán algunas conclusiones acerca del campo de aplicación de los simuladores, así como de la importancia de las técnicas de modelado de procesos.
Conceptos Generales sobre Modelado y Simulación de Procesos Químicos. Un proceso químico es un conjunto de operaciones ordenadas a la transformación inicial de sustancias en productos finales diferentes (McCabe, Smith, & Harriot, 2007). En la descripción general de cualquier proceso químico existen diferentes operaciones involucradas. Unas llevan inherentes diversas reacciones químicas. En cambio otros pasos son meramente físicos, es decir, sin reacciones químicas presentes. Podemos decir que cualquier proceso químico que se pueda diseñar consta de una serie de operaciones físicas y químicas. Cada una de estas operaciones es una operación unitaria dentro del proceso global (Himmelblau, 2002). Por otra parte, el modelo
de un proceso es un conjunto de ecuaciones que relacionan las variables del proceso de interés, las cuales representan adecuadamente su comportamiento: relacionan las variables de entrada con las de salida, cuya evolución dentro del proceso es conocida. En general, los modelos son representaciones abstractas (abstraídas) de la realidad, las cuales son representadas en un lenguaje matemático el cual facilita su comprensión y predicción de resultados. Dados los conceptos anteriores, podemos definir a la simulación de procesos como una técnica para evaluar en forma rápida un proceso con base en una representación del mismo, mediante modelos matemáticos. La solución de estos se lleva a cabo por medio de programas de computadora y permite tener un mejor conocimiento del comportamiento de dicho proceso. La
variables cuantitativas o cualitativas. anteriormente solo lo usaban los ingenieros que diseñaban procesos. ingenieros de proceso y hasta ingenieros de planta. . si maneja variables estocásticas o determinísticas. Predicción de los efectos de los cambios en las condiciones de operación y capacidad de la planta. Optimización de las variables de operación. puede haber necesidad de realizar simulaciones con diferentes niveles de sofisticación. En principio. 2003).simulación de procesos es una herramienta para el ingeniero químico. Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos. Transformación de un proceso para desarrollar otras materias primas. Investigación de la factibilidad de automatización de un proceso. 1999). ahora manejan simuladores los ingenieros ambientales. Análisis de condiciones críticas de operación. La variedad de aplicaciones de los simuladores de procesos es muy grande. ¿Por qué es importante la Simulación de Procesos? La Simulación de procesos químicos es una herramienta moderna que se ha hecho indispensable para la solución adecuada de los problemas de proceso. 2003):             Detección de cuellos de botella en la producción. Clasificación de los Simuladores de Procesos. Permite efectuar el análisis de plantas químicas en operación y llevar a cabo las siguientes tareas. con poca o ninguna instrucción en programación pueden modelar procesos complejos (Martínez Sifuentes. por ejemplo. si involucra el tiempo (estacionario o dinámico). Análisis de nuevos procesos para nuevos productos. Optimización del proceso cuando cambian las características de los insumos y/o las condiciones económicas del mercado. las cuales son comunes en las diversas ramas de la ingeniería química (Martínez Sifuentes. la simulación de procesos puede ser útil en todas las etapas del desarrollo de un proyecto industrial. Optimización del proceso para minimizar la producción de desechos y contaminantes. utilizada en el desarrollo de tareas mecánicas y repetitivas o en tareas de complejidad elevada que necesitan ser resueltas en tiempos relativamente cortos. etc (Scenna. En las diferentes etapas de un proyecto. Entrenamiento de operadores e ingenieros de proceso. Las herramientas de simulación pueden clasificarse según diversos criterios. Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo de energía. según el tipo de procesos.
La simulación cualitativa tiene por objeto principalmente el estudio de las relaciones causales y las tendencias temporales cualitativas de un sistema. & Ríos Moreno. 1999). Por otra parte. Ibarra Castro. En caso contrario. en el caso de modelos a parámetros concentrados. De esta forma el problema se traduce en resolver un gran sistema de ecuaciones algebraicas. 1999). se deberá resolver un sistema de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales. o bien con relación a un valor dado o de referencia. 0). Llamamos valores cualitativos de una variable. Tipos de Simuladores de Procesos Podemos clasificar a los simuladores de procesos de la siguiente manera: Simuladores Simultáneos u Orientados por Ecuaciones. es aquella que describe numéricamente el comportamiento de un proceso. abarcando tanto las coordenadas espaciales como la temporal (parámetros distribuidos) (Scenna. La simulación cuantitativa. se plantea el modelo matemático que representa al proceso construyendo un gran sistema de ecuaciones algebraicas que representa a todo el conjunto o planta a simular. y como su nombre lo indica. a diferencia del valor numérico (cuantitativo). Félix Flores. La simulación cuantitativa abarca principalmente la simulación en estado estacionario y la simulación en estado dinámico (Scenna. Simulación estacionaria y dinámica. En estos. como así también la propagación de perturbaciones a través de un proceso dado. por lo general altamente no lineales. en cambio. entonces deberá utilizarse un sistema de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales (según el número de coordenadas espaciales consideradas) (Scenna. ya sea para representar el comportamiento de equipos batch. 2008): . la simulación dinámica plantea los balances en su dependencia con el tiempo. 1999). por lo que el sistema de ecuaciones deseara estudiar o reflejar en el modelo las variaciones de las variables de interés con las coordenadas espaciales (modelos a parámetros distribuidos). o bien para analizar la evolución que se manifiesta en el transiente entre dos estados estacionarios para un equipo o una planta completa. a su signo. La simulación en estado estacionario implica resolver los balances de un sistema no involucrando la variable temporal. a través de un modelo matemático del mismo. Sus principales características son (García González. ya sea absoluto. En este caso. el modelo matemático estará constituido por un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias cuya variable diferencial es el tiempo.Simulación cualitativa y cuantitativa. -. Por lo tanto. en general se trabaja con valores tales como (+.
       Cada equipo se representa por las ecuaciones que lo modelan. cada equipo: bomba. distintas variantes. Las variables de iteración se encuentran sobre los reciclos. Simuladores Híbridos. Cada iteración consta de dos pasos: un primer paso de resolución de modelos con estrategia secuencial. Los modelos individuales se resuelven de forma eficiente. Necesita una mejor inicialización (mejor cuanto mayor sea el problema a resolver). es decir. Desaparece la distinción entre variables de proceso y parámetros operativos. Éstos se basan. menor confiabilidad en los resultados y más problemas de convergencia (soluciones sin sentido físico). El modelo es la integración de todos los subsistemas. en módulos de simulación independientes que siguen aproximadamente la misma filosofía que las operaciones unitarias. & Sierra. Los problemas de diseño son más difíciles de resolver (selección de parámetros). esto es sistemas ideales.. etc. no ideales. Simuladores Modulares Secuenciales. el comportamiento del método de resolución propuesto. válvula. y un segundo paso en el cual se actualizan los coeficientes lineales para encontrar una solución con estrategia simultánea. Son de fácil comprensión para ingenieros “no especialistas en simulación”. Leguizamón. Este tipo de simuladores utilizan una estrategia. Sus principales características son (Gil. 2002):        Contienen bibliotecas de módulo y rutina de cálculo. ya que es posible analizar bajo todas las circunstancias posibles. mezcla de las estrategias secuencial y simultánea. para luego pasar a una fase simultánea a la resolución de . etc. intercambiadores. Resolución simultánea del sistema de ecuaciones algebraicas (no lineares) resultante. Castro. son modelados a través de modelos específicos para los mismos y además. A mayor complejidad. Más difícil de usar por "no especialistas". por lo tanto se simplifican los problemas de diseño. En esta filosofía se tiene como ventaja el hecho que cada sistema de ecuaciones es resuelto con una metodología que resulta adecuada para el mismo. topología diversas del equipo. debido a la correspondencia existente en el flujo de masa y la secuencia de los cálculos. el sentido de la información coincide con el “flujo físico” en la planta. La información ingresada por el usuario resulta fácilmente verificable. Mayor velocidad de convergencia. Manejan métodos de convergencia robustos. La simulación inicia con una fase secuencial en la que se resuelven los modelos que calculan las salidas a partir de las entradas y parámetros en un barrido inicial del diagrama de flujo.
1999). es decir cada uno de los módulos que representan el comportamiento de válvulas. etc. En general. 2. la topología del mismo. divisores. intercambiadores. flash. variantes operativas. Básicamente podríamos diferenciar en principio tres funciones o secciones perfectamente diferenciadas (Scenna. determinar en función de las corrientes de corte el orden en el cual serán resueltos los equipos. seleccionar sobre cuáles variables deberá iterarse. Es decir que deberá procesar el diagrama de flujos. el sistema de estimación de propiedades fisicoquímicas es prioritario. Modelado de Equipos para la Simulación de Procesos. densidad. Debido a que los cálculos ingenieriles involucran diversas propiedades tales como conductividades térmicas. Lógica General o Central. viscosidad. compresores. Sección encargada de la estimación de las propiedades fisicoquímicas. Simuladores Secuenciales en Estado Estacionario. & Sierra. . 2002). que implica los distintos conjuntos de hipótesis que definen el nivel de exactitud de los resultados provistos (Scenna. los simuladores comerciales presentan una adecuada descripción de los módulos que contienen y una indicación de los métodos de cálculo que se utilizan en los manuales correspondientes. etc. y por último la rigurosidad de cálculo. Para comprender el desempeño de un simulador modular secuencial es necesario estudiar la estructura y la arquitectura del mismo. Introducción a las características de un Simulador Modular Secuencial. En un simulador de procesos de alcance general. Sección de Propiedades Fisicoquímicas. etc. capacidades caloríficas. constantes de equilibrio. esto es diferentes variantes del mismo equipo. etc.los modelos linealizados en un segundo barrido por el diagrama de flujo (Gil.. Castro. Introducción a las características de un Simulador Modular Secuencial. La lógica central o lógica general del simulador. Leguizamón. 1999): 1. La lógica general de administración propiamente dicha es la que está encargada de administrar los distintos procesos que deben ejecutarse para lograr la simulación de un proceso dado. difusividad. es decir la cantidad de entradas y salidas. sistema de destilación. tanto para sustancias puras como para mezclas de diversa índole. esto es la operación unitaria que representa. 3. sumadores. La biblioteca de módulos de equipos. decidir si puede resolverse en una secuencia lineal o si existen reciclos. Los módulos de simulación de equipos presentan tres características fundamentales: El tipo o clase. variables adoptadas de salida.
se tiende a reproducir la operación real de la planta. equipos de separación flash. compresores. reactores etc (Scenna. Félix Flores. materia y cantidad de movimiento. Simula la división de una cañería (ducto) en varias y la variable de diseño será la relación de caudales de corrientes de salida a corriente de entrada. y además. Biblioteca de Módulos de Equipos. Equipos Divisores de Corrientes. temperaturas y estados de agregación por lo cual debe contemplarse para su modelado las ecuaciones representativas del equilibrio entre fases. torres. & Ríos Moreno. 1999). La adecuada selección de las variables especificadas y de los parámetros de funcionamiento para los módulos. Este nivel de equipo estima el comportamiento de los fluidos con mayor rigurosidad que los anteriores y consecuentemente sus ecuaciones de balance y relaciones funcionales serán mucho más complejas. Módulos de equipos presentes en un simulador modular. Introducción a las características de un Simulador Modular Secuencial. las distintas operaciones unitarias de transferencia de calor. generando las transformaciones necesarias para alcanzar el producto deseado.se comprende la magnitud de la tarea si se pretende contar con un sistema adecuado. Por lo general los simuladores comerciales siempre disponen de la opción de permitir al usuario incorporar sus propias correlaciones ante el caso de ausencia de métodos adecuados para el cálculo de alguna propiedad en un caso particular. sus modos de cálculo y la fisicoquímica correspondiente son los responsables de la convergencia o no del sistema y del tiempo de cómputo total utilizado. además del balance de materiales. Equipos de Intercambio Calórico. En un simulador de procesos. turbinas. definirán diversos módulos de equipos: bombas. Constituye el equipo de mayor facilidad de resolución ya que no existen relaciones de equilibrio ni transferencia. 2008). Representan la operación de conexión de cañerías cuyos fluidos pueden tener distintas composiciones. del grado de aproximación de los resultados provistos por el simulador al comportamiento de la planta real (García González. con los módulos representativos de los equipos y fisicoquímica asociada a los mismos. Ibarra Castro. En general. Equipos Sumadores o Mezcladores. .
seleccionando un componente clave y especificando la conversión final y la temperatura del producto. absorción. El principal inconveniente radica en que las reacciones químicas poseen cinéticas y estequiometría específicas y muy diversas de acuerdo al sistema a simular. por ejemplo incorporando características propias del tipo y condición del fluido y el flujo. son los más dificultosos de resolver en forma rigurosa. Equipos de separación flash. resultando por lo tanto imposible la generación de modelos que contemplen todas las posibilidades. En las versiones simplificadas se requerirá como variable especificada la presión de descarga. todo simulador debe calcular en cada etapa de simulación el estado de agregación de las corrientes (por ejemplo a la salida de un nodo sumador de varias corrientes). lo mismo que en la válvula. Todos estos cálculos tienen íntima relación con la metodología de resolución de las ecuaciones de un flash. la variable de diseño será la presión de descarga. El módulo simplificado de ambos equipos es similar. Para ambos casos. con la cual mediante algoritmos iterativos se logra el cálculo de las propiedades de las corrientes de salida y el trabajo necesario a proveer (compresores) o entregado (expansores).). etc. El mismo cuadro puede presentarse para las válvulas. se obtendrán las condiciones completas de la corriente de salida. gaslíquido (destilación. en el cual definiendo la estequiometría de la reacción. no contemplándose los cambios entálpicos de las corrientes por motivo de la variación de presión. Estos equipos son de mayor importancia en un sistema de simulación. Los equipos de separación flash simulan la evaporación súbita de una (o varias corrientes). Involucran todas las operaciones de separación por contacto directo como ser líquido. etc. Bombas y Válvulas. a partir de su composición global y su contenido energético y la presión del sistema. Compresores y Expansores.líquido (extracción). Estos equipos en la generalidad de los casos representan evoluciones de compresión y expansión politrópica.Equipo de Contacto Directo entre fases. . El modelo más simplificado (y común en todos los simuladores) es el de "caja negra". strippers. versiones más rigurosas implican cálculos más complicados. Reactores Estos equipos. En efecto. En una bomba. muy comunes en instalaciones de plantas químicas. Estos equipos resultan muy importantes desde el punto de vista práctico y conceptual.
o Estos equipos se utilizan para fijar un parámetro de operación aguas abajo en la secuencia de resolución de acuerdo con el valor que tomó una variable seleccionada. Lo que obliga a su vez a saber cómo desarrollarlos. 2003): a) Investigación y desarrollo. En modo simulación esta “operación de control” puede ser reproducida en función de los siguientes procedimientos:  Módulos de equipos controlados a través de una/s especificación/es de salida fija. b) Etapa crítica en la toma de decisiones. Una simulación sencilla se puede usar para probar la factibilidad técnica y económica del proyecto. es fácilmente comprensible que es imposible disponer de una biblioteca general de módulos que los contemple a todos. La Simulación de procesos puede usarse en las siguientes etapas de desarrollo de un proyecto industrial (Martínez Sifuentes. En ciertos simuladores (en particular los que siguen la filosofía modular secuencial pura) existen equipos "controladores" cuya operación será necesaria para mantener a ciertas variables elegidas en los valores deseados. que define precisamente esa asignación. desde el punto de vista conceptual.Otros Equipos. Dada la cantidad de posibilidades y alternativas potenciales de ser simuladas al contemplar la gama de procesos químicos en general. Se prueban diferentes alternativas de proceso y condiciones de operación y se toman decisiones. . Es por ello que todo simulador de procesos modular debe contemplar la posibilidad que el usuario incorpore sus propios módulos.  Módulos especiales o controladores "Feed-forward".  Módulos especiales o controladores "Feed-back". o Los algoritmos de controladores feedback (o por retroalimentación) en un simulador estacionario modular secuencial son “equipos” cuyo objetivo es operar sobre un parámetro o variable de la corriente denominada manipulada en función de otro parámetro o variable de la corriente llamada variable controlada. o En este caso se consigue el efecto de mantener una variable en el valor deseado utilizando módulos de equipos programados para tal fin. Su modo de operación es similar al módulo “controlador” feed-back. Campos de aplicación de los simuladores. Equipos Especiales o Controladores. Esto se logra habiendo desarrollado el modelo incorporando precisamente la información de la variable especificada (que se desea fijar en un valor) como una ecuación más.
: McGraw-Hill Interamericana. A lo largo del tiempo. Leguizamón. Simulación con modelos más sofisticados para obtener mejores estimaciones de las condiciones de operación a escala industrial. e) Simulación de plantas existentes.html Himmelblau.. Martínez Sifuentes. Conclusiones. D. M.. permite obtener modelos cada vez más precisos y parecidos al sistema real.F. Tutorial de análisis y simulación de procesos en estado estable y dinámico. & Sierra. Modelado. (págs... Scenna. J.. En N. Operaciones unitarias en Ingeniería Química. poco a poco a lo largo del tiempo se ha ido adaptando a los diferentes procesos industriales hasta convertirse en una herramienta crucial para el desarrollo de la industria química. gracias a los beneficios que se obtienen de ella. J. M.. (2002). & Harriot. la importancia de la Simulación de procesos ha cobrado importancia. Gil. (2008). J. 4(2).: Plaza y Valdés. Scenna. G. Puede ser muy útil cuando es necesario cambiar las condiciones de operación o cuando se quieren sustituir las materias primas. N. J. Castro. (1999). Principios básicos y cálculos en Ingeniería Química. (2007). D. nos encontramos ante un nuevo abanico de posibilidades de mejora continua en beneficio de la industria y de la sociedad. P. 213-244). La simulación de procesos en ingeniería química. H. Pese a que en un principio la Simulación era exclusivamente para cierto ramo de la industria. Investigación Científica. M.. haciendo que se obtengan mejores resultados los cuales benefician de manera directa al sector productivo (industria química).edu. N. D.co/cursos/ingenieria/ana_sim/mod_1/html/contenido04. V. cada que se realiza una simulación diferente. México. Introducción a las características de un Simulador Modular Secuencial. W. J..: Pearson Educación. J. Simulación de Procesos Químicos.unal. Scenna. Félix Flores. Modelado. Simulación de procesos en Ingeniería Química. (2002). La Simulación es una disciplina en constante cambio.c) Planta piloto.F. Simulación y Optimización de Procesos Químicos. México. A. D. P. Ibarra Castro. P. . La formalización en el estudio de la Simulación. Obtenido de Universidad Nacional de Colombia: http://www. I. L. 191-212). Bibliografía García González. La simulación proporciona todos los datos de proceso requeridos para el diseño detallado de diferentes equipos. d) Diseño. & Ríos Moreno. G. Smith.F.virtual. (2003). D. México. (1999). Scenna. por lo que es posible innovar a cada momento. En N. McCabe. C. Simulación y Optimización de Procesos Químicos (págs.
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