INTRODUCCION A LA SIMULACION DE PROCESOS

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INTRODUCCION A LA SIMULACION DE PROCESOS
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Simulación de Procesos

• Consiste en el diseño de un modelo matemático de
  un sistema, y la posterior ejecución de una serie
  de experimentos con la intención de entender su
  comportamiento bajo ciertas condiciones.
• El modelo debe ser capaz de reproducir el
  comportamiento del proceso real con la mayor
  exactitud posible.

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Simulación de Procesos

• En general se lleva acabo con dos propósitos
• Diseño
• Operación bajo nuevas condiciones

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SIMULADORES COMERCIALES

• ASPEN Plus
• PRO II/PROVISION
• CHEMCAD
• HYSYS
• DESIGN II Rigorous Process Simulation for
  Chemical and Hydrocarbon Processes including
  Refining, Refrigeration, Petrochemical, Gas
  Processing, Gas Treating, Pipelines, Fuel Cells,
  Ammonia, Methanol, Sulfur and Hydrogen Facilities.

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SIMULADORES COMERCIALES

• UniSim Design is an intuitive and interactive
  process modeling offering that enables engineers
  to create steady-state and dynamic models for
  plant design, performance monitoring,
  troubleshooting, operational improvement,
  business planning and asset management.
• ProSim Plus Chemical, pharmaceutical, specialty
  chemical, petrochemical, gas treatment, refining,
  and in engineering companies. performs rigorous
  mass and energy balance calculations for a wide
  range of industrial steady-state processes. It is
  used in design as well as in operation of
  existing plants for process optimization, units
  troubleshooting or debottlenecking, plants
  revamping or performing front-end engineering
  analysis.
• PetroPlan is a software system for simulating a
  petroleum refinery operation.  By performing
  block by block calculations, all streams (crude
  oils, intermediate products and blended products)
  flowing between refinery blocks (e.g. crude unit,
  FCC) are calculated
• CADSim Plus pulp and paper, mining, waste water
  treatment and food processing.
• HYSIM Steady state process simulator for the PC
  from Hyprotech. Incorporates a wide range of unit
  operations, heat exchanger design, compressors,
  valves, and extensive thermophysical property
  data.

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SIMULADORES COMERCIALES

• PD Plus simulating chemical processes, including
  refinery systems and non-ideal chemicals. It
  handles multiple-operation flowsheets with
  recycle streams
• Kemisoft program for chemical process material
  balance simulation with an option for parametric
  optimization. It is adequate mainly for the
  inorganic chemistry
• QUICK HYDRAULICS flowsheet simulation, heat and
  mass balances and pressure drop applications. The
  simulation modules include Piping, elbows and
  tees, reducers, valves (gate, globe, butterfly,
  plug), check valves, pumps, heating/cooling
  coils, compressors/expanders, vertical and
  horizontal vessels (gravity settlers), axial and
  radial flow packed beds, shell and tube heat
  exchangers, air cooler heat exchangers, fired
  tubular heaters, restriction orifices, relief
  valves, control valves, strainers, steam traps,
  stream modifiers, stream splitters (including
  flashing) and component splitters.

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ESTRUCTURA TIPICA DE UN PROGRAMA DE SIMULACION
Programa Principal Interfase De Usuario
Subrutinas de equipos
Entrada de datos
Subrutinas Termodinámica
Subrutinas De convergencia
Bases de datos de propiedades físicas
Salida De Datos
Bases de datos de costos
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Arquitectura de los simuladores

• Secuencial-Modular
• Los cálculos se realizan unidad por unidad,
  secuencialmente. Los procesos con reciclos debe
  ser descompuestos en varias secuencias de calculo
  hasta lograr convergencia, usando los balances de
  masa y energía como criterio para terminar el
  calculo.

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Secuencial-Modular

• Esta estrategia de cálculo es utilizada en la
  mayoría de los simuladores de estado
  estacionario Aspen, Chemcad, ProVision, Hysys,
  Prosim, Winsim
• El elemento básico es el modelo de operación
  unitaria, el cual es construido a partir de
  balances de masa energía y momentum, hasta
  finalmente obtener un conjunto de ecuaciones
  algebraicas no-lineales

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Secuencial-Modular

• u Variable de entrada o salida
• x estado interno de la variable, temperatura,
  presión, concentración, et.
• d variable dependiente de la geometría, como
  volumen, área de intercambio de calor, etc
• p variables que definen propiedades físicas, como
  entalpías especificas, valores de K, etc.
• El sistema de ecuaciones algebraicas no lineales
  debe ser compatible y determinado

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Secuencial-Modular

• Esquema general de un Modelo de Operación Unitaria

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Arquitectura de los simuladores

• Orientada a Ecuaciones
• En este caso todas las ecuaciones del modelo,
  algebraicas no lineales y diferenciales, se
  integran en un único conjunto y se resuelven
  simultáneamente.
• Este esquema es mas flexible que el
  Secuencial-Modular, sin embargo requiere mas
  esfuerzo de programación y se consumen mas
  recursos de computación.

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Orientada a Ecuaciones

• Las corrientes de reciclo no representan una
  dificultad en la resolución del modelo.
• Esta arquitectura esta mas orientada a la
  solución de modelos dinámicos
• El modelo desarrollado tiene la forma

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Orientada a Ecuaciones

• El estado estacionario se obtiene haciendo el
  termino derivativo igual a cero
• En general los resultados se muestran como tablas
  o graficas, donde se muestra el comportamiento de
  las variables en función del tiempo.
• Aspen Dynamics y Simulink utilizan esta
  arquitectura.

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Arquitectura de los simuladores

• Módulos Simultáneos
• Esta estrategia de solución combina los Módulos
  Secuenciales y Solución Orientada a Ecuaciones.
• Modelos rigurosos de las operaciones unitarias
  son resueltos secuencialmente, mientras que
  modelos lineales son resueltos globalmente para
  interconectar los resultados de cada modulo.
• Este parece ser el enfoque que a futuro se dará
  en los simuladores comerciales

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Análisis de Grados de Libertad

• Permite determinar el número de variables a ser
  especificadas para ejecutar una simulación.
• El numero de grados de libertad se calcula como
• Nv número de variables
• Neq número de ecuaciones independientes

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Grados de Libertad para una Corriente de Proceso
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DOF para un Flash