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7/29/2019 37533439 Simulacion de Procesos

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MODELAMIENTO Y SIMULACIONDE PROCESOS

Dr. Luis Moncada Albitres

Universidad Nacional de Trujillo

[email protected]


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Motivacin

Cuatro asuntos claves en el mundo ahora Energa

Agua

Alimentos

Medio ambiente

Polucin y residuos son cruciales para todo dioxido de carbono y otras emisiones limpio &

energa renovable polucin necesario rastrear y cuantificar

emisiones al aire, agua, terreno necesidad de informacin

Necesario para CONOCER y cuantificar Monitoreo

Entendiendo el proceso obtiene conocimiento del proceso

Entendiendo el impacto del proceso

Acciones para reducir el impacto de la Industria Modificar procesos para reducir polucin en la fuente

Prediciendo escenarios en silico

Planificando acciones


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Motivacin

El desarrollo sostenible es un proceso en el cual uno trata

de no tomar mas de la naturaleza de lo que la naturaleza

puede reabastecer en trminos de Materiales y energa

Los ingenieros reciben instrucciones de disear nuevos procesos y/o modificarprocesos existentes considerando

El uso de recursos renovables

Minimizar residuos en la fuente

Produciendo subproductos que puedan ser devueltos a la tierra

Diseando procesos que sean econmicamente convenientes

Sostenibilidad e Ingeniera Qumica Conocimiento de qumica, fsica, flujos de masa y energa, tecnologa de procesos,

ciencias computacionales, economa de procesos

Rol Tradicional: diseo y operacin de procesos qumicos

Roles Nuevos: poltica pblica tica y racional involucrando ciencia y tecnologa


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Motivacin

Enfoque sobre tcnicas de Simulacin y Optimizacin deProcesos Simulacin de Procesos como un Sistema de Soporte de Decisin para

describir y optimizar los procesos

Introduccin de la Simulacin de Procesos en el desarrollo de los pases

Simulacin de Procesos como herramienta para la toma de

decisiones Consumo de Energa

Balance de materiales e impacto de residuos sobre el Ambiente

Evaluacin de la Economa de un proceso

Nuevas perspectivas interesantes Pinch Technology y optimizacin de energa

Water pinch para ahorrar tratamiento de agua residual

Hydrogen pinch en refineras de petrleo y produccin de hidrgeno

Celdas de combustible y el hidrgeno como un transportador de energa

Integracin de procesos para minimizar emisiones

Secuestracin de CO2


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La Visin Global

Sustainable

Development

Simulacin de Procesos

Simulacin

Ambiente

Control de Procesos

Feed

DistillateReflux

Cooling

water

Steam

Bottoms

CT

PT

LT

LT

CT


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Physical Chemical

and Biologicaltransformations

1970

Information control

Product

waste

1995

Public emotion

environnemental

and societalconstraints

SUSTAINABILITY

2000

end use

property

Evolucin

1953

Energy

Raw materials

1953


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OPERANDO con PROCESOS NO CONTAMINANTES involucrando

INTENSIFICACION DE PROCESOS

AHORRANDO ALREDEDOR DE 30 % (MATERIAS PRIMAS + ENERGIA +

COSTOS DE OPERACION)

Visin como se ver una planta

del futuro vs. Una planta convencional.


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Produccin ms limpia por

Integracin de Procesos

Logrando procesos ms limpios y ms sostenibles,

ahorrando dinero en materias primas y bienes de

capital, puede parecer demasiado bueno para ser

cierto a primera vista. Sin embargo, una revisin delas tecnologas que estn disponibles ahora se ve

que esta meta es alcanzable si acudimos a las

tecnologas de integracin de procesos.

PEROIntegracin de Procesos implica Simulacin de

Procesos


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Qu es la Simulacin?

Simulacin es el acto de

representar algunos aspectosdel mundo real por nmeros

o smbolos que pueden ser

manipulados para facilitar su

estudio


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Qu es un Simulador de Procesos?

Una Herramienta de Ingeniera la cual realiza,

* Clculos automatizados

* Balances de materia y/o energa

* Estimaciones de propiedades fsicas

* Clculos de diseo/evaluacin

* Optimizacin de Procesos

* Valoracin del Impacto Ambiental

No es un Ingeniero de Procesos !


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Diseo & anlisis mediante la

simulacin/optimizacin de procesos

Divider

Mixer Reactor Separator

Una planta Qumica es nuestro mundo real


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Principales pasos en la simulacin

de procesos

Divider


DefineProblem

Analyze

results

Developprocess

model

Collect

additional

data

Solve model

equations

Chemical Plant


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Simulacin al estado estacionario

- resolver ecuaciones algebraicas

Divider


Define

Problem

Analyze

results

Developprocess

model

Collect

additional

data

Solve model

equations -

AE solver

Chemical Plant

h(x, y) = 0


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Optimizacin de procesos

- minimizar funcin sujeta a restricciones

Divider


Define

Problem

Analyze

results

Developprocess

model

Collect

additional

data

Solve model

equations -AE

solver + NLP

method

Chemical Plant

h(x, y) = 0

Min N (x, y)

s.t g(x, y) e 0

h1 (x,y) = 0


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Simulacin dinmica - resolver

ecuaciones diferenciales ordinarias

Divider


Define

Problem

Analyze

results

Developprocess

model

Collect

additional

data

Solve model

equations -

DAE solver

Chemical Plant

h(x, y) = 0

dx/dt = f(x,y)


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Definicin del Problema -

Que informacin necesitamos?

Divider


Chemical Plant

Mixturecompounds

Unitoperations

Processflowsheet

Knowndata

Stream

data

Equipment

data

Operating

data


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Definicin del Problema Que

necesitamos seleccionar (de un Simulador)?

Divider


Chemical Plant

Mixture

compounds

Unit

operations

Process

flowsheetLibrary

Unit

models

Thermo-models

Method of

solution


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Los fundamentos

Diferentes posibilidades para la simulacin de procesos Simulacin al estado estacionario

Simulacin dinmica

Estado estacionario integrado simulacin dinmica

Diferentes etapas en diseo de procesos Sntesis de procesos: identificacin de las unidades de operacin ptimas y la

conexin entre ellas, seleccin de solventes,

Diseo y simulacin de procesos: establecimiento de las condiciones deoperacin ptimas y definicin de cada unidad de operacin

Anlisis de procesos: estudia la efectividad del diseo a la luz de lasconsideraciones operacionales (flexibilidad, controlabilidad, seguridad, efectosambientales, )

Simulacin de procesos impacto sobre la industria La manera como el conocimiento de ingeniera es usado en procesos

El procedimiento de diseo del proceso (la planta)


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Simuladores al Estado Estacionario:el producto de fondo

Directamente usados endiseo de procesos evaluacin de cambios del proceso

analizar que - escenarios Anlisis de sensibilidad - Optimizacin

Y son la basa para

Simulacin dinmica sntesis de procesos diseo detallado de equipo optimizacin en base a ecuaciones off-line y on-line - aplicacin de tecnologas

para mercados verticales, por ej. polmeros


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Simulacin de procesos: el procedimiento

Analysis:identify the problem

Analysis:Obtain information

Select the softwareand the hardware

Run the base caseDegree freedom - convergency

Adjust the base caselumping, thermo, kinetic

Assign Design Spec.to each block

Sensitivity analysisGet process knowledge

Assign Design spec.to the global flowsheet

Optimize the processDefine an OF

Run the finalsimulation

With all themodifications

included

Obtener datos del proceso:razones de flujo, condiciones de operacin, concentraciones

Obtener datos termodinmicos:En el mismo lugar o pruebas de planta pilotoBancos de datos (Dechema, ) o literaturaPor mtodos de estimacin (C G o Mtodos de Medicin)

Obtener datos de cintica:

Directamente de la planta o planta pilotoDe clculos a partir de la Energa libre de Gibbs de exceso (es posible?)Evitar definicin rigurosa del modelo cinticoUse el concepto de conversin y rendimiento (si es posible)


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Anlisis de sensibilidad

Un anlisis de sensibilidad es la observacin de la condicin de un procesoconsecuente a la variacin de una variable simple de proceso (derivacinparcial) Se puede realizar una sensibilidad para cada variable

Se puede observar el efecto de la variacin en varias condiciones del proceso

El anlisis de sensibilidad es de gran importancia para determinar la variable ms sensiblepara una optimizacin del proceso

Normalmente son preparadas las grficas de los resultadosSu aliado ms til en identificar problemas y evaluar riesgos es el AnlisisDe Sensibilidad (Tony Perris) qu hacer ?

vare los datos de entrada ( y an los modelos)

explore los resultados

vare las asunciones

delimite su regin de confianza

explore combinaciones de incertidumbres

El anlisis de sensibilidad . Identifica sensibilidades claves y sus consecuencias en ingeniera (eficiencia vs. estructura)

Se enfoca en lo que es ms importante (es decir cual tiene un efecto serio)

Consecuentemente ubica mrgenes de diseo


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Optimizacin de procesos

Es el procedimiento que permite encontrar las mejorescondiciones en trminos de una funcin objetivo bien definida

La funcin objetivo puede ser: Consumo de energa Costo de operacin Costo de equipo Impacto ambiental .

El nmero de variables es ms de una

Puntos de atencin: Mnimos mltiples

Ruta factible y no factible Convergencia numrica


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Simulacin de Procesos: la receta.

Seleccione unidades

Construya el diagrama de flujo

Defina componentes

Defina el modelo termodinmico

Definicin de condiciones de alimentaciones

Defina parmetros de operacin para cada unidad de equipo

involucrada en el proceso

Especificaciones del proceso (especificaciones de diseo)

Herramientas de anlisis Anlisis de sensibilidad

Casos de estudio

Optimizacin

Anlisis de costos y evaluacin


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Simulacin de Procesos:

Software e interfase del usuario

CAPE-OPEN (CAPE Computer Aided Process Engineering) es unestndar para escribir interfaces de software. Esto es principalmenteaplicado en ingeniera de procesos donde permite una comunicacinestandarizada entre simuladores de procesos (por ej. Aspen Plus) yproductos desarrollados por nosotros. La ventaja de CAPE-OPEN es queestos productos son aplicables a ms de un solo simulador de proceso;

son aplicables a todos los simuladores de procesos CAPE-OPEN.


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ASPEN PLUS


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CHEMCAD


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Hysys


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PRO II


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Design II


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COCO


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SuperPro Designer


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Porqu la SP es importante?

Porque representa con gran exactitud al mundo real

Porque permite focalizar la atencin en la interpretacinde los resultados antes que en los mtodos para obtenerlos

Porque permite una visin global sobre la ingeniera deprocesos ensamblando las teoras y los modelos

Porque es esencial en el diseo de procesos nuevos yexistentes

Porque es esencial en el anlisis de plantas existentes entrminos del impacto ambiental

Porque es una herramienta simple para tratar casos reales

Inicialmente usado en procesos petroqumicos ahora es tilen otras reas emergentes


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Conclusiones

La simulacin de procesos puede jugar un rol importante en laoptimizacin de procesos qumicos y bioqumicos

La simulacin de procesos puede jugar un rol importante en laProduccin Limpia y actividades NCPCs

Aplicacin de simulacin de procesos puede ayudar en la

produccin a escala industrial Explorando posibilidades

Reduccin de energa

Maximizacin del rendimiento total

La simulacin de procesos es una tecnologa fundamental en la

estrategia para una produccin limpia Integrada con otras herramientas

Un amplio nmero de ejemplos y casos de estudio

en diferentes reas Sustainable

Developm

ent

Process simulation

Environment

Simulation

Process ontrol


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GRACIAS


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Glosario

Silico: In silico es una expresin que significa hechoporcomputadoroviasimulacincomputacional .

Pinch: Elanlisis pinch (en ingls Pinch Analysis, o literalmente, anlisisde "pellizco"), tambin llamado mtodopinchde diseode procesoso

tecnologapinch, esunametodologa para optimizar la recuperacinenergtica en un proceso qumico industrial, minimizando la inversinde capital

El anlisis water pinch permite optimizar el consumo del agua, busca

una integraci

n de su uso entre las distintas operaciones quecomponen un proceso productivo. Permite calcular el reuso de lasaguas industriales, la minimizacin de efluentes, y el diseo de unsistema de tratamiento de efluentes distribuido.


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Glosario

hydrogen-pinch analysis attempts to minimize the flowrate offresh hydrogen makeup and off-gas discharge while maximizingthe flowrate of hydrogen recovery and reuse, possibly throughoff-gas purification techniques.


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Glosario

La secuestracin de dixido de carbono (CO2) se est investigandodetenidamente para proporcionar maneras seguras y eficaces en funcinde los costos para mantener la calidad de la atmsfera. La secuestracinde dixido de carbono antropognico reduce las emisiones de CO2 haciala atmsfera y otros gases del efecto invernadero a travs de:

- mejores programas de recuperacin que usan la inyeccin de CO2 en las

reservas de petrleo y gas natural

- el desplazamiento del metano de estratos carbonferos profundos con CO2

- inyeccin de CO2 en las capas freticas salinas profundas

el almacenamiento en cavernas de sal


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Glosario

DECHEMA is the name of the German Gesellschaft frChemischeTechnikundBiotechnologie e.V. (OrganisationforChemicalandBiotechnology).

NCPCs: Programme for National Cleaner Production Centres


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Glosario

Flowsheeting: Processs flowsheeting is the use ofcomputer aids toperformsteady-state heatandmass balancing, sizingandcostingcalculations for a chemical process.

The process designeffortmaybe split into three basicsteps synthesis

analysis and optimization.

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