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analisis
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Tema 5
Análisis de Procesos
Simulación
La simulación es una herramienta que permite:
- Realizar balances de masa y energía en forma rápida y precisa a partir del diagrama de flujo, para lo cual es necesario conocer las propiedades de algunas corrientes.
- Diseñar y dimensionar equipos
- Calcular el costo de equipos diseñados, así como realizar una evaluación de los costos de los servicios.
Tipos de programas de simulación y diseño
Programas de simulación de procesos en estado estacionario
Dado un diagrama de flujo, información sobre corrientes dato e integradoras y parámetros de los equipos, el resultado final es completar la información sobre todas las corrientes del proceso y los parámetros básicos de todos los equipos de la planta.
Algunos ejemplos son: hysys, mysim, simsol, aspen, chemcad.
Se reconocen dos tipos de simulación en estado estacionario:
- Métodos globales: se resuelven todos los balances en forma simultánea para una planta en particular. Sólo se pueden modificar parámetros de equipos, condiciones de operación y propiedades de las corrientes, sin modificar el diagrama de flujo (ubicación de los equipos). Prácticamente no se usa.
- Métodos modulares: Emplean el concepto de operación unitaria. De esta forma se identifican los equipos con subrutinas computacionales que realizan los balances de masa y energía para este equipo en forma independiente del resto.
Teoría de Proyecto Final
En base al modo de operación se distinguen:
- Programas de diseño, destinados a obtener el valor adecuado de algún parámetro.
- Programas de desempeño, con los que se observan los resultados para una dada configuración de la planta y con determinados parámetros de equipos.
En base al tipo de decisiones internas que el programa pueda tomar, se clasifican en:
- Computacionales abiertos: dependen de la elección de los parámetros de diseño.
- Computacionales controlados: subrutinas que fijan tareas de equipos (equivalen a controladores).
Programas de diseño de equipos
Utilizados para realizar el diseño funcional detallado de los equipos. Se clasifican en:
- Optimización de diseño automatizado (criterio de diseño incorporado) por computadoras.
- Optimización de diseño en base a un esquema convencional (friendly).
Programas de simulación dinámica
Reproducen los estados transciendes de la planta y utilizan estos resultados para analizar:
- Políticas de puesta en marcha y detención de la planta.
- Árboles de fallo en caso de rotura de equipos.
- Políticas de control local y global de la planta.
Se clasifican también en:
- Sistemas globales.
- Sistemas modulares.
Componentes de un sistema de simulación de procesos
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Ingreso de datos
Procesamiento y diagrama de flujo
Lógica
de
control
Salida
de datos
Subrutina fisicoquímica
Subrutina de equipos
Evaluación de costos
Datos
Diagrama de flujo
Ingreso de datos
Procesamiento y diagrama de flujo
Lógica
de
control
Salida
de datos
Subrutina fisicoquímica
Subrutina de equipos
Evaluación de costos
Datos
Diagrama de flujo
Teoría de Proyecto Final
- Lógica de control.
- Subrutinas de equipos.
- Base de datos.
- Banco de propiedades fisicoquímicas.
- Estimación de costos.
Simulación modular
La simulación modular permite:
- Síntesis de diagramas de flujo alternativos.
- Disponer de distintos niveles de modelos de un mismo equipo. Esto permite el cálculo riguroso en lugar del simplificado, si se desea.
- Realizar módulos aislados para resolver equipos (diseño).
Módulos básicos característicos de equipos
- Modo (divisores o sumadores).
- Intercambiadores de calor.
- Compresores y bombas.
- Reactores químicos.
- Controladores.
- Separación (destilación, absorción, desorción, etc.).
Al equipo lo puedo modificar y calcular en la forma que quiera. Es la herramienta fundamental para hacer la síntesis de la operación, permitiéndonos probar con distintas alternativas a un costo de hora bajo.
Etapas que deben cumplirse al realizar una simulación
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Teoría de Proyecto Final
1) Procesamiento de la información del diagrama de flujo
Consiste en realizar en primer lugar un diagrama de flujo de información (DFI) a partir del diagrama de flujo del proceso. Para ello se reemplazan los equipos por bloques representativos y las cañerías por trazos que representan corrientes.
Se enumeran los equipos y cañerías desde el № 1. Luego se asigna a cada equipo un código correspondiente al tipo de equipo que representa. Lo mismo a cada corriente, para determinar si es una corriente líquida o vapor.
A partir del DFI se determinan las corrientes de corte o iteradoras (grupo de corrientes cuyas propiedades deben suponerse de antemano para iniciar la simulación).
Como resultado del procesamiento de la información, es posible proveer ahora al programa de simulación los siguientes datos:
- Lista de corrientes iteradoras.
- Lista de equipos con códigos y parámetros.
- Secuencia de resolución de equipos.
- Lista de corrientes.
- Propiedades de las corrientes iteradoras.
- Otra información (criterio de convergencia, número máximo de iteraciones).
2) Incorporación de datos al programa de simulación
La lista de equipos se incorpora junto con toda la información correspondiente a dichos equipos a través de ventanas o de una matriz de equipos. La lista de corrientes iteradoras se incorpora como un vector.
La información de las corrientes de entrada se incorpora mediante una matriz de corrientes (presión, temperatura, entalpía, caudal, etc.).
Se incorpora también la secuencia de resolución de equipos, a través de un vector secuencia.
3) Lógica de programa central de simulación
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Teoría de Proyecto Final
La lógica central del programa, toma la información y la clasifica y organiza según su propia estructura interna. Esta lógica está diseñada para recabar información en los bancos de datos y proporcionarla a las subrutinas. De la misma manera este programa central recibe el comando de operación cuando las subrutinas han completado su computación.
4) Subrutina de equipos
Permiten realizar todos los balances de los equipos integrantes del diagrama de flujo.
5) Subrutinas fisicoquímicas
Deben proveer:
- Propiedades de transporte.
- Entalpía de cada corriente.
- Temperatura de cada corriente.
- Temperatura de bulbo húmedo.
- Temperatura de ebullición.
- Densidad de mezcla.
- Concentración de equilibrio.
6) Programas de costos
7) Salida de datos
Sistematización del diagrama de flujo
La resolución en estado estacionario de una planta química, empleando un esquema modular, consta esencialmente de 2 etapas:
1) Preparación de la información (Pre-procesamiento): debe reducir el DFI con reciclos a una forma sin reciclos, identificar las zonas de retroalimentación de la información y fusionarlas en pseudonodos, luego determinar las corrientes iteradas de cada reciclo o pseudonodo y establecer el orden de resolución. Consta esencialmente de 3 etapas:
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1 2 3 4
pseudonodo
1 2 3 4
pseudonodo
I
II
1
2
3
4
5
64*
3*A
B
I
II
1
2
3
4
5
64*
3*A
B
Teoría de Proyecto Final
a) Particionado: Detección de los tramos que contienen reciclo, tal que puedan ser reducidos a pseudonodos que eliminan los reciclos (linealiza la operación). Métodos de detección de reciclos: matriz de adyacencia, matriz de índices.
b) Rasgado: definición de las corrientes iteradoras de cada pseudonodo. Las corrientes elegidas serán aquellas que posean el menor número de componentes.
El programa corta en A o en B. Si corta en A, resuelve I suponiendo 3. Luego resuelve II y obtiene 3*. Comparando 3 con 3* cierra la manipulación. El módulo 3-3* (diferencia entre 3-3*) es manipulable.
Criterios para seleccionar corrientes de corte o iteradoras:
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Teoría de Proyecto Final
- Buscar el conjunto de corrientes de corte que minimice la sumatoria de las variables independientes del conjunto de corrientes.
- Buscar el mínimo de corrientes de corte. Si todas las corrientes de corte tienen igual número de variables independientes, el criterio es único.
c) Ordenamiento: determinación del orden de procedencia de los módulos (secuencia de resolución).
- Se identifican todas las corrientes.
- Se investigan todos los equipos hasta detectar uno de ellos, en el que todas las corrientes de entrada sean conocidas.
- Cuando se halla ese equipo, se lo coloca en primer lugar del orden de precedencia, y se adicionan en la lista de corrientes conocidas las salidas de ese nodo.
- Se repiten los pasos de 1 a 3, hasta que todos los nodos (equipos) hayan sido ordenados.
2) Resolución.
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