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SIMULACIÓN DE PROCESOS

Profesor: Arturo Rodulfo

Febrero de 2014

CONTENIDO (de la presentación)

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Objetivos

Modelos de simulación

Programas comerciales más comunes

Ejercicios con un simulador de

procesos

Febrero de 2014

OBJETIVOS

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Reconocer las características principales

de los simuladores de procesos

Asociar los datos requeridos por el

simulador con el objetivo del modelo

Aplicar los modelos construidos en la

resolución de problemas de ingeniería

Febrero de 2014

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TIPOS DE MODELOS

Modelos a escala

Los modelos a escala son replicas en tamaño pequeño de algo que tendrá en la práctica un tamaño mas grande. Aviones, presas y plantas químicas son ejemplos comunes de modelos realizados a escala reducida. .

Modelos matemáticos

Los modelos matemáticos han existido desde que el hombre formuló una ecuación para predecir el comportamiento de un hecho cotidiano.

La aparición de las computadoras ha dado un impulso gigantesco en el desarrollo de modelos mas complejos, cuyas soluciones serían imposibles de alcanzar si las ecuaciones tuvieran que resolverse con cálculos manuales. Febrero de 2014

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MODELOS DE SIMULACIÓN

PROCESO REAL

MODELOS MATEMATICOS

f(r, Q, HP) f(r, D, L, Q) f(P, T, x)

Presión = Presión = Q liquido =

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ORIGEN DESARROLLO PROPIO (no a

la venta)

Proteger secretos

comerciales

Ecuaciones y datos de

equilibrio

Procedimientos de diseño

COMERCIALES

Operaciones unitarias y

ecuaciones estándar

Regularmente actualizados

TIPO ESTADO ESTABLE

Parámetros no varían con

el tiempo

Buena aproximación de la

realidad

Son los mas comunes

DINÁMICOS

Variación con el tiempo

Mucho más complejos

Aplicaciones de control

avanzado

MODELOS DE SIMULACIÓN

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VENTAJAS

CÁLCULOS

Mas rápidos

Más precisos

ESTO PERMITE:

Rápida solución de cálculos por tanteo ó iterativos

Fácil evaluación de diseños alternos

DESVENTAJAS

El hardware y software puede ser muy costoso

Requiere tiempo para:

Desarrollar un programa o

Aprender a usar programa comercial

MODELOS DE SIMULACIÓN

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USOS MÁS FRECUENTES

• Predicción de propiedades

• Equilibrio liq-vap, liq-liq-vap

• Sistemas o procesos complejos

•Lazos o redes

•Cálculos iterativos

• Evaluación de muchas alternativas

• Estudios de sensibilidad

•Efecto de una variable sobre un sistema

MODELOS DE SIMULACIÓN

Febrero de 2014

¿Para que se va a hacer una

simulación?

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El objetivo no es la simulación

El modelo de la simulación es una herramienta

para obtener una respuesta

SimulaciónProblema

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1. TIPO DE ENFOQUE: SIMPLE O RIGUROSO

0 10 20 30 40 50 60

CAUDAL

PR

ES

ION

Eff

SISTEMA

BOMBA

MODELO RIGUROSO

Q = 200 gpm

Ps = 10 psig

20 HP

Eff = 80%

Pdesc = ? psig

SISTEMA REAL

MODELO SIMPLIFICADO

HP 1714 effpsi=

gpm

CALIDAD DE LA RESPUESTA

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2. ECUACIONES TERMODINÁMICAS

-200 -100 0 100

10

20

30

50

100

200

300

500

1,000

PRESION (psia) PENG-ROBINSON

EXPERIMENTALES

DIAGRAMA

PRESION vs.

ENTALPIA DEL

ETILENO

CALIDAD DE LA RESPUESTA

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-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100

3

10

30

100

300

1000

3000PRESION (psia)

PENG ROBINSON

EXPERIMENTAL

DIAGRAMA

PRESION vs.

ENTALPIA

DEL CO2

CALIDAD DE LA RESPUESTA

2. ECUACIONES TERMODINÁMICAS

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ECUACIONES TERMODINÁMICAS

Selección de ecuaciones termodinámicas Rango de P y T

Especies químicas involucradas

Reacciones químicas

Recomendaciones del fabricante

Bibliografía

La mas comunes son:

K-values Enthalpy Entropy

Vapor

Density

Liquid

Density

Oil Refining and Gas Processing

Soave-Redlich-Kwong (SRK) SRK SRK SRK SRK API

Peng-Robinson (PR) PR PR PR PR API

Grayson-Streed (GS) GS CP CP SRK API

Braun K-10 (BK10) BK10 JG CP Ideal API

Chemical Processing

Ideal VaporPressure Library -- Library Library

NRTL NRTL Library -- Library Library

UNIQUAC UNIQUAC Library -- Library Library

UNIFAC UNIFAC Library -- Library Library

CALIDAD DE LA RESPUESTA

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3. RANGO DE ECUACIONES

TEMPERATURA

EXTRAPOLACION DEL

MODELO LINEAL

RELACION PARA

EL PROCESO

REAL

DATOS

EXPERIMENTALES

LIMITADOS

CALIDAD DE LA RESPUESTA

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4. TOLERANCIA DE CÁLCULO

TOLERANCIA

X

Y

SOLUCION

VERDADERA

RANGO DE

MULTIPLES

SOLUCIONES

¿ PROBLEM SOLUTION REACHED ?

CALIDAD DE LA RESPUESTA

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5. CALIDAD DE LOS DATOS

DATOS RESULTADOS

LA CALIDAD DEL RESULTADO NO PUEDE SER MEJOR

QUE LA CALIDAD DEL PEOR DE LOS DATOS

CALIDAD DE LA RESPUESTA

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CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

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1ero paso. Selección de componentes

COMPONENTES PUROS

Agua, metano, etano, etc

COMPONENTES HIPOTÉTICOS

2do paso. Selección de sistema termodinámico

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3er paso. Inserción de bloques/unidades del modelo

Se extraen de la paleta de las operaciones unitarias

del programa

Usualmente se excluyen o simplifican:

Tanques o acumuladores

Arreglos de tuberías

Válvulas de bloqueo

Equipos repetidos en paralelo

Equipos auxiliares

Subsistemas de servicios (agua de enfriamiento, vapor,

etc)

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

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4to paso. CONEXIONES / CORRIENTES

Se conectan los bloques de cálculos (operaciones unitarias)

con líneas que representan las corrientes.

Las corrientes de alimentación por lo general deben

especificarse completamente: presión, temperatura, (o

fracción de vapor), flujo y composición

El resto de las corrientes es calculada por el programa

5to paso. ESPECIFICACIONES

Parámetros fijados por el usuario que el programa debe cumplir. Pueden estar ubicados en:

Corrientes: P, T, flujo, fracción vapor, composición

Operaciones unitarias: caída de presión, configuración, curvas, etc

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

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5to paso. Especificaciones y grados de libertad

Evitar sobrespecificar el problema:

Por ej. especificar simultáneamente la caída

de presión y la presión de salida de una

válvula

Muchas de las causas de no convergencia

son producto de especificaciones

inconsistentes

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

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6to paso. VALIDACIÓN Y AJUSTES

Comparación de resultados / predicciones del

programa con:

Resultados confiables

Tendencias esperadas

De necesitarse correcciones en el modelo, se

ajustan:

Ecuaciones y/o coeficientes termodinámicos

Bloques (operaciones unitarias) del modelo

CONSTRUCCIÓN DEL MODELO

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Algunos programas comerciales

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CÁLCULOS HIDRÁULICOS REDES Y TUBERÍAS

PIPEPHASE, PIPESIM, AFT Fathom (estado estacionario)

TLNET, TGNET, AFT Impulse (dinámicos)

FLARENET, INPLANT, VISUALFLOW (sistemas de alivio)

INTERCAMBIADORES DE CALOR

HEXTRAN, HTRI, B-JAC, HTFS

BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA

HYSYS, PRO/II, ASPEN PLUS, UNISIM,

PROSIM/TSWEET, CHEMCAD, DESIGN II

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