Tema 3: Simulación estacionaria.

1. Tema 3: Simulación estacionaria. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

2. Indice • 1. Ingeniería de procesos asistida por ordenador. • 2. Diagramas de flujo en estado estacionario • 3. Métodos de Resolución • 4. Introducción a Aspen Plus Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

3. 1. Ingeniería de procesos asistida por ordenador (CAPE). Procesos-diagramas de flujo Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

4. El modelado y simulación de procesos químicos incluye: · La planta completa, una serie de unidades de operación interconectadas en un diagrama de proceso. · Una sección de la planta, por ejemplo un tren de separación. · Una unidad de operación compleja, como puede ser un reactor de varios lechos o una columna de destilación de crudo. Reactor de amoniaco Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

5. El primer pasoes construir un modelo matemático del sistema, estará formado por: • Sistema de ecuaciones no lineales. f(y)=0 • Un conjunto de variables del sistema referidas a las cantidades que interesan al modelo. • Estas cantidades pueden ser variaciones, con lo cual las derivadas son también variables de interés (pueden ser derivadas temporales o espaciales). • Desigualdades(no lineales). Por ejemplo, presión y temperatura son positivas, la fracción molar debe de estar en el intervalo [0,1]. g(y)>0 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

6. El segundo pasoes resolver el modelopara: • Obtener el estado estacionario del modelo (simulación en estado estacionario o “process flowsheeting”). Implica resolver un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales (AEs). • Obtener el comportamiento dinámico del modelo. (simulación dinámica). Implica resolver ecuaciones diferenciales ordinarias(ODEs), ODEs junto con ecuaciones algebraicas (DAEs) o ecuaciones en derivadas parciales (PDEs). • Determinar valores de algunos parámetros o de entradas a unidades que optimizan el proceso. Optimización en estado estacionario. Implica resolución de un programa no lineal • Ajustar datos inconsistentes o redundantes de planta. Reconciliación de datos. • Emplear datos de planta para obtener parámetros del modelo. Estimación (estática o dinámica) de parámetros. • Determinar cómo deben variar ciertas variables (entradas) para optimizar el funcionamiento de alguna unidad. Optimización dinámica. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

7. El segundo pasoes resolver el modelopara: • Obtener el estado estacionario del modelo (simulación en estado estacionario o “process flowsheeting”). Implica resolver un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales (AEs). • Obtener el comportamiento dinámico del modelo. (simulación dinámica). Implica resolver ecuaciones diferenciales ordinarias(ODEs), ODEs junto con ecuaciones algebraicas (DAEs) o ecuaciones en derivadas parciales (PDEs). • Determinar valores de algunos parámetros o de entradas a unidades que optimizan el proceso. Optimización en estado estacionario. Implica resolución de un programa no lineal • Ajustar datos inconsistentes o redundantes de planta. Reconciliación de datos. • Emplear datos de planta para obtener parámetros del modelo. Estimación (estática o dinámica) de parámetros. • Determinar cómo deben variar ciertas variables (entradas) para optimizar el funcionamiento de alguna unidad. Optimización dinámica. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

8. Esto conduce a las herramientas de ingeniería de procesos asistida por ordenador Programas generales de ingeniería Programas técnicos de computación – Numérico: MATLAB, Xmath, (Excel)... – Simbólico: Maple, MathCAD, Mathematica,... – Librerías: IMSL, NAG,... Análisis estadístico Modde,Statgraph,... Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

9. Esto conduce a los entornos de modelado de procesos, son herramientas desarrolladas en • ordenador que permiten: • Construcción, desarrollo, mejora y almacenamiento de modelos. • Resolución (mediante diferentes técnicas) de estos modelos. • Visualización (e interpretación) y almacenamiento de los resultados. Normalmente NO están integradas todas las funcionalidades en un solo entorno de modelado. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

10. 2. Diagramas de flujo en estado estacionario Muy empleada en la etapa de diseño del proceso. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

11. Funcionalidades de los simuladores en estado estacionario. Problemas de simulación Dadas unas entradas y parámetros computar la salida Estudios de sensibilidad Como la simulación pero permite estudiar la influencia de ciertas variables, variándolas sistemáticamente. Problemas de diseño Estudia diferentes conjuntos de especificaciones. Se puede “quitar” un parámetro y añadir una nueva especificación. La ejecución dará un valor a ese parámetro. Más difícil de resolver, y de mal especificar. Problemas de optimización Se plantea una función objetivo para mejorar el proceso. Se añaden desigualdades. Se “quitan” especificaciones (grados de libertad para la optimización) y se resuelve el problema. Problemas de síntesis Se conocen las entradas y las salidas y se quiere obtener el diagrama de flujo, así como las condiciones de operación y los parámetros de los equipos. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

12. Simulación y análisis de sensibilidad Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

13. Diseño de especificación Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

14. Optimización Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

15. Síntesis de procesos Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

16. Arquitectura de software de un entorno de modelado y simulacion. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

17. Pasos para realizar una simulación. 1Definir la estructura del diagrama de flujo. Qué unidades participan y los flujos (corrientes) de materia y/o energía entre ellas.. 2Seleccionar un modelo para cada unidad de proceso. 3Seleccionar un conjunto de unidades consistente. 4Especificar los componentes (especies químicas) que participan en el proceso. 5Seleccionar un paquete de propiedades físicas 6Satisfacer los grados de libertad del proceso 7Seleccionar las opciones de resolución numérica 8Ejecutar el modelo 9Examinar los resultados Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

18. 1Definir la estructura del diagrama de flujo. Qué unidades participan y los flujos (corrientes) de materia y/o energía entre ellas.. Corrientes Bloques Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

19. 6Satisfacer los grados de libertad del proceso Variables de las corrientes de entrada: Flujos, temperatura, presión, composición. Química del proceso:Extensiones de reacción, coeficientes estequiométricos,... Especificaciones de diseñoCantidad del producto y pureza. Parámetros de los equiposPérdidas de carga, número de platos, plato de alimentación,... Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

20. Secuencial Modular vs. Orientado a ecuaciones · Muy empleados en la actualidad: ej.Aspen Plus (AspenTech), ChemCAD, PROII(SimSci), Hysim (Hyprotech), Hysys(Hyprotech, comprada recientemente por AspenTechnologies) · Arquitectura preferida en nuevos simuladores: ej. Aspen Custom Modeler (AspenTech), RTO-OPT (AspenTech),NOVA (Nova), gPROMS, ABACUSS. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

21. Procedimiento de resolución secuencial modular Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

22. Reciclo Problemas de convergencia. Procedimiento iterativo: “Tearing”. Para calcular la salida del mezclador es necesario “adivina” los valores de la corriente 7. Se supone un valor para la misma, se resuelve el proceso y se obtiene un valor de la corriente 7 a la salida de la purga. Se comparan y se itera según algún algoritmo de “tearing”. Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez

23. “Realizar la simulación del sistema de forma gradual”. “Utilizar resultados de simulaciones anteriores (más sencillas) para las nuevas simulación” Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez