Implementacin una gua didctica de practicas de simulacin con software hysys en laboratorio de operaciones unitarias

Por qu esta magnfica tecnologa cientfica, que ahorra trabajo y nos hace la vida mas fcil, nos aporta tan poca felicidad? La repuesta es est, simplemente: porque an no hemos aprendido a usarla con tino.

Albert Einstein

INTRODUCCIONEn la Ingeniera Qumica la Simulacion de procesos ha jugado un papel de suma importancia asi, en los primeros pasos, la simulacin de procesos se basaba principalmente en circuitos analgicos, utilizando los fenmenos de analoga. En efecto, la teora de los sistemas muestran los diversos principios fsicos tienen asociados modelos matemticos equivalentes o similares; por ejemplo, ciertos circuitos elctricos, circuitos hidrulicos, procesos de transferencia tanto de materia como energa y cantidad de movimiento, son descritos por el mismo conjunto de ecuaciones diferenciales. Es conveniente analizar (simular analgicamente) el comportamiento de un sistema (procesos qumicos) observando el comportamiento de las variables equivalente en un circuito elctrico (cuyo modelo es similar al proceso estudiado), ya que son fcilmente medibles.

A partir del uso masivo de las computadoras, y de la revolucin informtica en todos los campos de la ingeniera, se evoluciona lentamente de la simulacin analgica a la digital, habiendo prcticamente desaparecido la primera en muchas aplicaciones.

En esta gua, el objetivo es presentar a la simulacion como una herramienta importante en la toma de decisiones dentro del diseo, operacin y optimizacin de procesos qumicos. Como es conocido, la computadora se utiliza para realizar clculos ingenieriles desde hace solo unas pocas dcadas. En particular, una computadora se caracteriza simplemente por el hecho de realizar clculos velozmente luego de ser programado. Almacena, manipula y da acceso rpido a enorme cantidad de informacin, permitiendo adems realizar manipulaciones simblicas. Independientemente de la forma en que esto se ha logrado, lo importante en nuestro caso es comprender las consecuencias; es decir, las implicasiones de este fenmeno en el campo de la ingeniera .

1

Implementacin una gua didctica de practicas de simulacin con software hysys en laboratorio de operaciones unitarias

Captulo I Generalidades

2

Implementacin una gua didctica de practicas de simulacin con software hysys en laboratorio de operaciones unitarias

Al finalizar este captulo el usuario ser capaz de: 1. Ubicar la simulacin de procesos dentro del esquema de diseo de procesos. 2. Definir la Simulacin de procesos y explicar con amplitud sus aplicaciones. 3. Apreciar la enorme importancia que tiene la Simulacin de procesos en la Ingeniera qumica.

3

Implementacin una gua didctica de practicas de simulacin con software hysys en laboratorio de operaciones unitarias

1. SIMULADOR DE PROCESOS.1.1 Concepto de Simulacin. Dentro de la estrategia general de la ingeniera de procesos, el diseo de procesos puede considerarse constituido por tres etapas importantes: a) Sntesis, b) Simulacin, y c) Optimizacin. La Sntesis de procesos es la etapa en la cual se crea el diagrama de flujo; esto es, se seleccionan los equipos a ser utilizados, con sus correspondientes interconexiones y, se establecen los valores iniciales de las condiciones de operacin.

La Simulacin de procesos es la etapa en la cual se requieren solucionar los balances de materia y energa para un proceso en estado estacionario, calcular dimensiones y costos de los equipos y efectuar una evaluacin econmica preliminar del proceso.

La Optimizacin puede ser paramtrica, modificando parmetros tales como la presin o temperatura, o estructural cuando se hacen modificaciones al diagrama de flujo involucrando a los equipos y/o interconexiones.

Aunque las tres etapas estn interrelacionadas entre si, el inters de este trabajo esta dirigido a la segunda etapa: La Simulacin de procesos.

Por lo tanto, la Simulacin de procesos puede ser definida como una tcnica para evaluar en forma rpida un proceso o predecir el posible comportamiento del proceso y/o los equipos en base a una representacin del mismo, mediante modelos matemticos. La solucin de estos modelos se lleva a cabo por medio de programas de computadoras y permite tener un mejor conocimiento del posible comportamiento de dicho proceso. El numero de variables que aparecen en la descripcin matemtica de una planta de procesos qumica puedes ser tan grande como 100,000; y el numero de

4

Implementacin una gua didctica de practicas de simulacin con software hysys en laboratorio de operaciones unitarias ecuaciones no lineales que deben resolverse pueden ser del orden de miles, por lo tanto la nica forma de resolver el problema es por medio de una computadora[3].

1.2. Necesidad de la simulacin de procesos.

La crisis del petrleo de los aos 70s obligo a la industria en general a enfocar sus esfuerzos en ser energticamente mas eficientes, inicindose as una etapa de desarrollo tecnolgico encaminado a mejorar los procesos existentes y a disear otros nuevos mas eficientes. Esto fue el detonante necesario para motivar el desarrollo en simulacin de procesos. El comienzo fue lento y se dio en forma conceptual, experimental y acadmica en algunas compaas y universidades en Estados Unidos, Canad y Europa. Para 1975 se haba generalizado el desarrollo de simuladores con algunas aplicaciones industriales reducidas.

En 1980 empezaron a surgir compaas elaboradoras de software, que desarrollaban paquetes de simulacin para su comercializacin, pero tenan la desventaja de que la entrada y salida de la informacin eran muy rgidas y se presentaban en forma de listados de difcil interpretacin. A finales de los aos ochenta se inicio el desarrollo de paquetes de simulacin interactivos y su comercializacin marco el comienzo de un uso ms intensivo y generalizado en la industria y en las universidades. A partir de all se han generado una sucesin de acontecimientos que permiten en la actualidad la existencia de varios y eficientes simuladores comerciales como por ejemplo SPEED UP, ASPEN PLUS, PRO II, HYSYM, HYSYS, CHEMCAD, y otros[3].

En el pasado la simulacin de procesos era vista como una herramienta que deba ser enseada y puesta en prctica solo en los ltimos aos de universidad. En la actualidad se plantea la idea de que los simuladores deben convertirse en una ayuda pedaggica desde los primeros aos de la educacin profesional en ingeniera qumica, permitiendo que los estudiantes aprendan no nicamente de forma inductiva, sino tambin de forma deductiva, al experimentar con el simulador.

5

Implementacin una gua didctica de practicas de simulacin con software hysys en laboratorio de operaciones unitarias

1.3 Modelos de simulacin.

La modelacin es una forma eficaz de aproximarse a una realidad compleja sustituyndola por interpretaciones fragmentarias o particularmente de sus distintas facetas o elementos integrantes. Lenguaje, filosofa y matemticas, por citar obviedades, son mbitos de modelizacin, donde fonemas vehiculizan conceptos de acuerdo con convenios idiomticos, morfolgicos y sintcticos; donde conceptos, definiciones y convenios aproximan ordenadamente a la percepcin de la realidad material e inmaterial al abrigo de teoras o principios; y donde operadores, ecuaciones, algoritmos, transformaciones y otros recursos configuran probablemente su interpretacin cuantitativa ms eficaz, abstracta, y universal.

La Termodinmica es una ciencia terica y experimental que aporta una variedad de modelos, capaces de describir las complejas relaciones de equilibrio que se producen entre las sustancias qumicas. Los modelos termodinmicos pretenden interpretar y predecir el comportamiento fisicoqumico de la materia en equilibrio esttico o dinmico.

La seleccin del modelo termodinmico tal vez sea la decisin ms importante que debe tomar el usuario a la hora de realizar una simulacin. Los errores en la simulacin por una mala seleccin del modelo de propiedades fsicas no se pueden detectar o prevenir fcilmente, los resultados parecen correctos, pero no lo son. Por lo tanto, es de vital importancia desarrollar ciertos criterios que ayuden a elegir el o los modelos ms adecuados a un problema especfico[2].

En general, las propiedades se calculan con Ecuaciones de Estado: Modelos EOS, Modelos de Coeficientes de Actividad: Modelos de Actividad y modelos especiales (correlaciones tericas, empricas o hibridas). En la tabla 1.1 se muestran algunos modelos que pueden encontrarse en un simulador comercial.

6

Implementacin una gua didctica de practicas de simulacin con software hysys en laboratorio de operaciones unitarias Tabla No. 1.1. Modelos Termodinamicos en un Simulador Comercial. [6]Modelos de Ecuaciones de Estado Benedict-Webb-Rubin(BWR)-Lee-Starling Hayden-OConnell* Ecuacion de Estado para Hydrogen-fluoride Hexamerizacion* Ley del Gas Ideal* Lee-Kesler (LK) Lee-Kesler-Plocker Peng-Robinson (PR) Perturbed-Hard-Chain Predictive SRK Rendlich-Kwong (RK) Rendlich-Kwong-Soave (RKS) RKS or PR with Wong-Sandler mixing rule RKS or PrR with modified-Huron-Vidal-2 mixing rule Sanchez-Lacombe for polymers * No usar para la fase liquida. Modelos de Coeficientes de Actividad Electrolyte NRTL Flory-Huggins NRTL Scatchard-Hildebrand UNIQUAC UNIFAC Van Laar Wilson Modelos Especiales API sour-water method Braun K-10 Chao-Seader Grayson-Streed Kent-Eisenberg Steam Tables

Los modelos EOS pueden representar fases liquidas y vapor, mientras que los modelos de coeficientes de actividad representan solamente la fase liquida del sistema. Por esta razn, se usan junto con una ecuacin de estado para representar el vapor, tal como se muestra en la tabla 1.2:

Tabla No. 1.2. Ecuaciones de Estado-Propiedades del Metodo. Coeficiente de Actividad de la Fase Liquida NRTL UNIFAC Van Laar Wilson Fugacidad de la Fase Vapor Gas Ideal Rendlich-Kwong Gas Ideal Gas Ideal

Propiedad del Metodo NRTL (Non-Random Two Liquid) UNIFAC VAN LAAR WILSON

Los criterios de seleccin se basan en el grado de no idealidad del sistema en estudio y de las condiciones de operacin. A continuacion se muestran algunos ejemplos de sus aplicaciones: Las EOS se aplican a sistemas no polares o ligeramente polares en todo el intervalo de presin. 7

Implementacin una gua didctica de practicas de simulacin con software hysys en laboratorio de operaciones unitarias Los modelos de Coeficientes de Actividad se usan en sistemas que contienen sustancias polares a presiones bajas (