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Introduccion

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    05-Dec-2014

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1. OBJETIVO Manejar la interfaz de Aspen y Hysys y resolver balances de materia y energa MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 2. SIMULACIN DE PROCESOS QUMICOS Generalidades Definicin Resea Histrica Estrategias de simulacinAplicaciones Modelamiento matemtico Simuladores de procesos Comerciales Mdulos simuladores y tutoriales Programas especficos MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 3. GENERALIDADES La simulacin consiste en la representacin virtual de un proceso mediante unmodelo matemticoque describe unfenmeno fsico-qumico , de forma tal que permite obtener informacin acerca de su comportamiento. El simulador es elprogramaque permite lasolucin numrica del modelo.MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 4. BREVE RESEA HISTRICAEl inicio de la simulacin como una tarea cientfica y tecnolgica vlida fue una consecuencia natural de la aplicacin de los computadores a la solucin de problemas en el campo de la ingeniera qumica. El alcance de un simulador de procesos qumicos depende de los objetivos del grupo humano que lo disea y desarrolla. La industria busca un mayor lucro en la operacin de los procesos y por ello se buscan alternativas ms eficientes de procesamiento y nuevos productos ms competitivos. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 5. BREVE RESEA HISTRICADcada de los 50 Mainframes (Sistemas Operativo por lotes, tarjetas perforadas, lenguaje de m quina).Primer lenguaje de alto nivel para ingenieros y cientficos (FORTRAN, Proyecto de la IBM, 1957). Poca interaccin con el usuario. Simuladores de operaciones unitarias y de diagramas de flujo limitados ( Primera generacin de simuladoresentre sta dcada y comienzos de la siguiente). Creacin de bibliotecas de programas para el clculo de operaciones unitarias. Primeros Simuladores de tipo secuencial Primera generacin(KELLOGG, FLEXIBLE FLOW-SHEET, PACER de Digital Systems Co., CHEVRON HEAT AND MATERIAL BALANCING PROGRAM) MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 6. BREVE RESEA HISTRICADcada de los 60 Sistemas Operativos multiusuario de tiempo compartido. Primeros microcomputadores. Nuevos lenguajes de programacin (BASIC, PASCAL, ETC.) Consolidacin de los primeros simuladores secuenciales de propsito general (ICI, Monsanto, Exxon, BASF). Simuladores con mdulos matemticos estndar interconectados en redes arbitrarias y flexibles. Dcada de los 70 Simuladores de segunda generacin(Mayor efectividad y resolviendo un mayor nmero de problemas). Flowtran, Monsanto, Secuencial. CACHE (Computer Aids for Chemical Engineering Education 1972, Comit de la comisin de educacin de la academia nacional de ingeniera de los Estados Unidos) Primeros simuladores experimentales orientados por ecuaciones. ASPEN (Advanced System for Process Engineering). Departamento de Energa de E.U.A - MIT MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 7. BREVE RESEA HISTRICADcada de los 80 en adelante Tercera generacinmarcada por la aparicin de empresas dedicadas al desarrollo, mantenimiento y comercializacin de software de reconocida trayectoria. HYSIM (Hysys) M.I.T.ASPEN (Advanced System for Process Engineering) DESIGN II, ChemCAD, entre otros. Primeros simuladores EO ( SPEEDUP, FLOWSIM, y otros) Lenguajes de programacin no procedulares. Computadores Personales.Nuevos simuladores (Cuarta generacin) Inteligencia Artificial. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 8. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 9. ESTRATEGIAS DE SIMULACIN La estrategia tiene que ver con la manera de resolver el modelo del proceso y determina el funcionamiento e implica su flexibilidad. ESTRATEGIA SECUENCIAL ESTRATEGIA SIMULTNEA ESTRATEGIA HIBRIDA La diferencia entre las dos puede ilustrarse mediante la forma en que calcula las variables asociadas a un diagrama de flujo. Proceso Simple Hysys Proceso Simple Aspen MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 10. ESTRATEGIAS DE SIMULACIN ESTRATEGIA SECUENCIAL El programa con base en la informacin disponible determina una secuencia de clculo. Los valores calculados de las corrientes de salida de una unidad se utilizan como valores para las entradas a la siguiente unidad. Esto determina un orden de clculo perfectamente consecutivo hasta cuando se encuentra que una corriente retorna a una unidad y que corresponde a un reciclo, o un equipo operando en contracorriente. Esto implica clculo iterativo sobre alguna(s) corriente(s).De una manera similar, las unidades en modo de diseo, o con especificaciones de diseo, involucran procesos iterativos. sta estrategia resulta cada vez ms difcil de aplicar a medida que aumenten los reciclos o unidades en modo diseo. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 11. ESTRATEGIAS DE SIMULACIN ESTRATEGIA SECUENCIAL Un Modulo ejecutor toma la informacin de definicin del diagrama de flujo y de las especificaciones para formular una secuencia de clculo a cada modulo. Los pasos que elmodulo ejecutorsigue para detectar reciclos, seleccionar corrientes de corte y establecer unas secuencias de solucin lgica, reciben los nombres departicionado, rasgado y ordenamiento , respectivamente. Se debe disponer de bibliotecas de rutinas que contengan los modelos y los procedimientos de solucin. De esta manera cada rutina puede ser optimizada independientemente. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 12. ESTRATEGIAS DE SIMULACIN ESTRATEGIA SIMULTNEA En esta estrategia cada modulo aporta sus ecuaciones que representan su modelo matemtico, y la suma coherente de stos forman el modelo del proceso. Esta arquitectura implica la concentracin de lapericia computacionalpara resolver el sistema globalmente. Esta estrategia se ha denominado como Orientada por Ecuaciones OE. En la solucin global del modelo se plantean dos alternativas para el caso general de un modelo no lineal: - Descomposicin - Cuasilinearizacin -Otras alternativas MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 13. ESTRATEGIAS DE SIMULACIN ESTRATEGIA SIMULTNEA Descomposicin Descomponer un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales consiste en dividir o partir el problema en subproblemas lo ms pequeo posible de forma que se puedan resolver siguiendo alguna secuencia. Consta de dos fases:particionadoyordenamiento , en la primera se hayan los subsistemas y en la segunda se establece la secuencia. Cuasilinearizacin Involucra la linearizacin simultnea de todas las ecuaciones y la iteracin sobre todas las variables. Los mtodos de linearizacin de segundo o de orden inferior (NR o QN). Otras alternativas Cuando un gran porcentaje de ecuaciones son lineales, se puede resolver primero este subsistema y luego incorporar la combinacin lineal de variables con las ecuaciones no lineales restantes. Otra opcin es plantearlo como un problema de optimizacin. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 14. ESTRATEGIAS DE SIMULACIN ESTRATEGIA HIBRIDA Es una mezcla de las dos anteriores por cuanto cada iteracin consta de dos pasos; en el primero se resuelve el problema de ecuaciones del modelo de manera simultnea con cuasilinearizacin, y en el segundo, se actualizan los coeficientes no lineales mediante una solucin de los modelos rigurosos de manera secuencial. A sta estrategia tambin se le denomina modular simultnea. Cada mdulo dispone de dos modelos: uno riguroso, al estilo de los simuladores secuenciales, y otro lineal, aproximado. La simulacin se hace resolviendo los modelos en una pasada por el diagrama de flujo (fase secuencial) e inmediatamente pasa a resolver los modelos linearizados en otra pasada por el diagrama (fase simultnea). Tienen una mayor velocidad de convergencia que los simuladores secuenciales. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 15. ESTRATEGIAS DE SIMULACIN Secuencial Modular (SM) Cada bloque de operacin se resuelve de acuerdo a una secuencia determinada Empleada para resolver un gran nmero de bloques Orientada por Ecuaciones (OE) Todas las ecuaciones se resuelven de manera simultnea Es necesario un buen punto de partida Combinacin Emplear una SM para inicializar, llegando a un punto cercano a la solucin, posteriormente usar una OE para solucionar la simulacin de forma ms precisa Usar una SM para lograr un acercamiento a la solucin inicial, luego emplear una OE para realizar una optimizacin o una puesta a punto del modeloMSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 16. APLICACIONES DE LA SIMULACIN Diseo de procesos Optimizacin Solucin de problemas de operacin Comercializacin de procesos Enseanza Otras aplicaciones: Readaptacin de un proceso existente a una nueva tecnologa ( revamping ) Ajuste del modelo o parmetros del modelo ( Data reconciliation) Flexibilidad del diseo de un proceso Anlisis de operabilidad, planeacin de operaciones en planta MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 17. MODO DE CLCULO DE UNA OPERACIN MODO DE APRECIACIN O RATING Se especifica el equipo y las condiciones de entrada lo cual permite calcular las condiciones de salida. MODO DE DISEO Para este clculo se parte de algunas especificaciones de diseo o se debe configurar o dimensionar el equipo. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 18. MODELAMIENTO MATEMTICO ALGEBRAICOS Equipos por etapas. Separadores, evaporadores, torres de destilacion, etc. DIFERENCIALESEquipos continuos. Intercambiadores, reactores tubulares, torres empacadas, etc. INTEGRO-DIFERENCIALES Reactores heterogeneos cataliticos, torre de destilacion reactiva heterogenea. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 19. MODELOS MATEMTICOS Los modelosdiferencialespuedenconvertirse en modelosalgebraicos.Por medio de la discretizacin del campo continuo ( variable discreta ) Mediante aproximaciones en el modelo diferencial lo cual permite obtener la solucin integrada (modelo algebraico) MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 20. PROCESO OPERACIN UNITARIA SENCILLA Separador, mezclador, intercambiador, torre, etc. PROCESO SENCILLO Reactor, destilacin reactiva, etc. PROCESO COMPLEJO Planta de produccin de metanol, produccin de formaldehdo, etc. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 21. MODELAMIENTO Y CLCULO NUMRICO DE UNA COLUMNA DE DESTILACION COMPLEJA MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria Q D 2 1 3 U 1 V 1 V 2 N-1 j+1 N Q B L N W 2 W 3 L 1 U 2 W j+1 U j F 2 F 3 Q 3 Q j Q j+1 F j+1 F j Q N-2 Q N-1 F N-2 F N-1 V N 22. Esquema de una torre de destilacin compleja MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 23. ETAPA IDEAL MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria F j f i,j z i,j H Fj Q j L j-1 l i,j-1 x i,j-1 h j-1 V j v i,j y i,j H j V j+1 v i,j+1 y i,j+1 H j+1 L j l i,j x i,j h j ETAPA IDEAL J U j s j W j S j 24. ECUACIONES MESH EXCEL1 EXCEL2 MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 25. SIMULADORES DE PROCESOS Comerciales Necesidades de la industria qumica, no pedaggicos. Aspen Engineering Suite 12.1 (incluye ASPEN PLUS, ASPEN DYNAMICS, ASPEN PINCH, ASPEN SPLIT, BATCH PLUS, BJAC, etc.)HYSYS.Plant 3.2 CHEMCAD 5.2.1Process Engineering Suite (incluye PRO/II, HEXTRAN, etc) SUPERPRO DESIGNER 4.9 (incluye BatchPro, EnviroPro y BioPro Designer) MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 26. SIMULADORES DE PROCESOS Acadmicos Intencin de ensear, modelar, realizar clculos e interpretar. Mdulos Tutoriales Mdulos Simuladores Programas especficos para hacer anlisis de casos particulares TUTORIAL DE DESTILACIN MDULO DE REACTORES PROGRAMADE EVAPORADORES MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 27. MDULOS TUTORIALES Y SIMULADORES (1) APLICACIN INTEGRAL DE HERRAMIENTAS DE SIMULACIN, EVALUACIN Y OPTIMIZACIN DE PROCESOS QUMICOS, EN LA IMPLEMENTACIN DE PRODUCCIN XIDO DE ETILENO.En fase de realizacin, elaborado por Javier Chavarro y Marcelo Daz. 2004 MDULO TUTORIAL DE REACTORES TUBULARES EN FASE GASEOSA. MODELOS HOMOGNEO Y PSEUDOHOMOGNEO BIDIMENSIONALES.Elaborado por el estudiante Diego Caldern. 2003. MDULO BSICO DE CATLISIS HETEROGNEA . Elaborado por la estudiante Marcia Carolina Araque. 2003 MDULO SIMULADOR DE INTERCAMBIADORES DE PLACAS . Elaborado por el estudiante Juan Pablo Len. 2003 DESARROLLO E IMPLEMENTACIN DE UN MDULO SIMULADOR DE REACTORES TUBULARES EN FASE GASEOSA, BAJO MODELOS HOMOGNEO Y PSEUDOHOMOGNEO.Donifan Barahona y Angela Rodrguez. 2002. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 28. MDULOS TUTORIALES Y SIMULADORES (2) MDULO TUTORIAL DE SECADO.Elaborado por los estudiantes Leonardo Rojas y Alfredo Marulanda. 2001 MDULO TUTORIAL DE TORRES DEDESTILACIN BATCH . Norman Pea y Juan Carlos Alvarado. 2001. MODELAMIENTO Y SIMULACIN DE UNA COLUMNA DE DESTILACIN REACTIVA.Ing. Mario Andrs Cspedes. Tsis de Maestra. 2000. MODULO SIMULADOR DE REACTORES QUMICOS.Elaborado por Luis Gerardo Zalamea. 2000. MODULO TUTORIAL DE TORRES DE DESTILACIN POR ETAPAS . Gustavo A. Rodrguez y Juan Carlos Rosas. 1999. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 29. BIBLIOGRAFA Seider W. D., Seader J. D., Lewin D.R. Prouct and Process Design principles. John Wiley & Sons Inc. Second Edition. 2004.Seider and Henley. Separation Process principles. John Wiley. 1998. Fogler Scott. H. Elements of Chemical Reaction Engineering. Prentice Hall International Third edition 1999. Douglas, L.T. Conceptual design of chemical processes. McGraw-Hill. Himmenblau Edgar T. F, D. M. Optimization of chemical processes. McGraw-Hill, 1988. Carnahan, B., Luther, A.Clculo numrico. Mtodos, aplicaciones. Editorial. Rueda. Madrid, 1979. Constantinides. A. Applied numerical methods with personal computers. McGraW-Hill Book Co, 1988. Doraswamy, L., Sharma, M. Heterogeneous reactions: Analysis, examples and reactor design. John Wiley & Sons. 1984.MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 30. BIBLIOGRAFA Froment, G. F., Bischoff, K. Chemicals reactors analysis and design. John Wiley & Sons, 1979. Rase, H. F. Chemical reactors design for process plants. Vol. 1, New York, John Wiley & Sons. 1977. Holland,C. Fundamentos de destilacin de mezclas multicomponentes.McGraw-Hill Book Co, 1974. Ross Taylor, Krishna R. Multicomponent mass transfer.Wiley & Sons Inc. 1993. Rangel Jara Hermes A. Anlisis Conceptual, Modelamiento y Clculo Numrico en Ingeniera Qumica. Libro en fase de correccin para publicacin. Aplicaciones correspondientes a temas de Transferencia de Calor, Masa, Reactores Qumicos y Simulacin de Procesos.2004. Adames Pablo, Stern Victor.Desarrollo de un simulador de procesos qumicos en estado estacionario orientado por ecuaciones: arquitectura del programa interfaz grfica. Universidad Nacional de Colombia. 1992. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 31. Interfaz del Usuario Barra de Herramientas Barra de Ttulo Nombre de la Corrida Barra Men BotnNext Botn deSeleccin de Modo Lnea de Ayuda rea deEstado Librera deModelos Etiquetas de la Librera deModelos Ventana del Diagrama del Proceso MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 32. SEPARADOR DE DOS FASES (FLASH_2) ALIMENTO MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria PRESIN 600 PSIA TEMPERATURA -16 F FLUJO MOLAR 144LBMOL/HR FRACCIN MOLAR METANO 0.4861 ETANO 0.1389 PROPANO 0.0694 IBUTANO 0.0625 NBUTANO 0.0556 IPENTANO 0.0486 NPENTANO 0.0417 NHEXANO 0.0486 NHEPTANO 0.0278 NOCTANO 0.0208 33. PROCESO SIMPLE RECICLO BOMBA EXPANDER SEPA_1 SEPA_2 MEZCLADOR MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria ALIME TE SEPVAP_1 SEPLIQ_1 SEPVAP_2 SEPLIQ_2 RECICLO PRODUCTO RETORNO MEZCLA ALIME 2 34. ALIMENTO MEZCLADOR : PRESIN 600 PSIA EXPANDER : PRESIN DE SALIDA 300 PSIA TE : FLUJO MOLAR DE LA CORRIENTE PRODUCTO IGUAL A 0.5 SEP_LIQ2 BOMBA: PRESIN DE SALIDA 600 PSIA IMPLEMENTACIN DE UN PROCESO SIMPLEMontaje Aspen MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria PRESIN 600 PSIA TEMPERATURA 60 F FLUJO MOLAR 2635.34 LBMOL/HR FRACCINMOLAR N2 0.0069 CO2 0.0138 METANO 0.4827 ETANO 0.1379 PROPANO 0.0690 IBUTANO 0.0621 NBUTANO 0.0552 IPENTANO 0.0483 NPENTANO 0.0414 NHEXANO 0.0345 NHEPTANO 0.0276 NOCTANO 0.0206 35. MULTIPLES RECICLOS Aspen_Tears Aspen Usuario MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 36. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria 37. Presion de descarga de los compresores: 205,505 y 1005 psia, caida de presion en los intercambiadores 5psia, temperatura de salida de los tres intercambiadores 120 F, no hay caidad de presin en los mezcladores y en los separadores, no hay carga de calor en los separadores. MSc. Harvey Andres Milquez Sanabria