Ejemplos de simulación de procesos químicos

1. Simulación de Procesos
2018
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2. Lo escuché y lo olvidé
Lo vi y lo entendí
Lo hice y lo aprendí
Confucio
551-479 a.c.

3. Un proceso industrial es un conjunto
interconectado de corrientes y unidades de proceso
capaz de transformar materias primas en
productos valiosos en un marco de sustentabilidad.

4. Provecho
económico
Sustentabilidad

5. Síntesis
de
Procesos
Análisis
de
Procesos
?
?

6. Problema
especifico
Caso Base
Benefi-
cio?
Rechazar
proyecto
Síntesis Simulación
Diseño
conceptual
de
procesos
Diseño
conceptual de
procesos
Métodos
algorítmi-
cos
No
Necesidad
(Problema primitivo)
SI
NO

7. Problema
especifico
Caso Base
Benefi-
cio?
Óptimo?
Rechazar
proyecto
Optimi-
zación
Aceptar
proyecto
Síntesis Simulación
Diseño
conceptual
de
procesos
Diseño
conceptual de
procesos
Métodos
algorítmi-
cos
Necesidad
(Problema primitivo)
SI
SINO
NO

8. Vista global de un proceso
PLANTA DE
PROCESAMIENTO
SERVICIOS
AUXILIARES
SISTEMA
DE
RECUPERACION
DE
CALOR
Productos
Subproductos
Corrientes
calientesCorrientes
frias
Potencia
Electricidad
Materias
Primas
Combustible
Aire
Agua
Calor

9. ¿Qué es un simulador de
procesos?
 Es una herramienta de ingeniería, que
realiza cálculos en forma automática
sobre balances de materia, balances de
energía y propiedades físicas y
químicas.
NO ES UN INGENIERO
DE PROCESOS !

10. Qué es la Simulación?
 La simulación es el acto de representar
algunos aspectos del mundo real por
números o símbolos que pueden
manipularse fácilmente para facilitar su
estudio.
Ello implica la representación del sistema
mediante un MODELO MATEMATICO

11. Implementación del
modelo...
Sistema Físico
Modificaciones
Modelo del Sistema
Fïsico
Comportamiento
de la Solución
Comparación del Modelo
y del Sistema Físico
Sistema Real
El Modelo se acepta

12. Un proceso industrial es nuestro mundo real
Diseño y análisis a través de
simulación/optimización del proceso

13. Defina el
Problema
Etapas principales en la simulación de procesos

14. Defina el
Problema
Desarrolle un
modelo del
proceso
Etapas principales en la simulación de procesos

15. Defina el
Problema
Desarrolle un
modelo del
proceso
Etapas principales en la simulación de procesos
Consiga
datos
adicionales

16. Defina el
Problema
Desarrolle un
modelo del
proceso
Etapas principales en la simulación de procesos
Consiga
datos
adicionales
Resuelva las
ecuaciones del
modelo

17. Defina el
Problema
Desarrolle un
modelo del
proceso
Etapas principales en la simulación de procesos
Consiga
datos
adicionales
Resuelva las
ecuaciones del
modelo
Analice
resultados

18. Defina el
Problema
Consiga
datos
adicionales
Analice
resultados
Desarrolle un
modelo del
proceso
Simulación de estado estacionario - resuelva las ecuaciones
algebraicas
h(x, y) = 0
Resuelva las
ecuaciones del
modelo -AE solver

19. Defina el
Problema
Consiga
datos
adicionales
Analice
resultados
Desarrolle un
modelo del
proceso
Optimización de Procesos: minimizar función
objetivo sujeta a restricciones
h(x, y) = 0
Resuelva las
ecuaciones del
modelo -AE solver +
métodos NLP
Min ϕ (x, y)
s.t g(x, y) ≤ 0
h (x,y) = 0

20. Defina el
Problema
Consiga
datos
adicionales
Analice
resultados
Desarrolle un
modelo del
proceso
Simulación Dinámica – Resuelva ecuaciones
diferenciales ordinarias
h(x, y) = 0
dx/dt = f(x,y)
Resuelva
equaciones
modelo -
DAE solver

21. La definición del problema
¿Qué información necesitamos?
Componentes
Operaciones
unitarias
Flowsheet Datos
Corrientes
Equipos
Condiciones
de operación

22. La definición del problema
Qué necesitamos seleccionar? (para un
simulador)
Componentes
Operaciones
unitarias
Flowsheet Bibioteca
Modelos
Termo-
modelos
Métodos de
solucion

23. Acciones a realizar en un simulador
1. Seleccionar los componentes de la base de
datos y reacciones químicas si hubiera
2. Elegir el paquete termodinámico (verificar los
coeficientes de interacción binaria BIP)
3. Dibujar el flowsheet interconectando las
corrientes, eligiendo nombres representativos
para ellas
4. Especificar las corrientes de entrada (no las de
salida)
5. Recorrer secuencialmente el flowsheet,
especificando parámetros de equipo
6. Es preferible especificar datos por defecto que
en exceso

25. Modelo
termodinámico

26. 9/8/2018 26
Importancia de seleccionar un modelo
apropiado de predicción
 Se obtienen predicciones correctas de las
propiedades físicas de la mezcla como función de la
temperatura y presión.
 Cada método de predicción es adecuado solamente
para los componentes utilizados y limitados a
ciertas condiciones de operación.
 Elegir un método equivocado producirá resultados
de la simulación incorrectos.
 Particularmente importante para cálculos confiables
de operaciones asociadas con separación (distilación,
extracción L-L, etc.).

27. 9/8/2018 27
Principales etapas para seleccionar un
paquete termodinámico apropiado
 Elija el modelo que le parezca más
apropiado.
 Compare los resultados de la
simulación con datos de la literatura.
 Añada componentes que no estén
disponibles en la base de datos. Es
necesario utilizarlos?
 Genere si es necesario datos de
laboratorio para verificar el modelo
termodinámico.

28. Aspectos a tener en cuenta en la
selección de un modelo
termodinámico apropiado
 Naturaleza de la mezcla (e.g.,
hidrocarburos, polar,
electrolitos, etc.)
 Rango de Presión y
temperatura
 Disponibilidad de datos.
28

29. Recomendaciones para la selección
de un modelo termodinámico
apropiado
Eric Carlson, “Don’t gamble with physical
properties for simulations,” Chem. Eng.
Prog. October 1996, 35-46
29

30. 9/8/2018 30
Recomendaciones de Eric Carlson
E?
R?
P?
Polar
Real
Electrolyte
Pseudo & Real
Vacuum
Non-electrolyte
Braun K-10 or ideal
Chao-Seader,
Grayson-Streed or
Braun K-10
Peng-Robinson,
Redlich-Kwong-Soave,
Lee-Kesler-Plocker
Electrolyte NRTL
Or Pizer
See Figure 2
Polarity
R?
Real or
pseudocomponents
P? Pressure
E? Electrolytes
All
Non-polar

31. 9/8/2018 31
P?
ij?
ij?
LL?
(See also
Figure 3)
P < 10 bar
P > 10 bar
PSRK
PR or SRK with MHV2
Schwartentruber-Renon
PR or SRK with WS
PR or SRK with MHV2
UNIFAC and its
extensions
UNIFAC LLE
Polar
Non-electrolytes
No
Yes
Yes
LL?
No
No
Yes
Yes
No
WILSON, NRTL,
UNIQUAC and
their variances
NRTL, UNIQUAC
and their variances
LL? Liquid/Liquid
P? Pressure
ij? Interaction Parameters
Available

32. 9/8/2018 32
Ejemplo
Seleccionar el mejor paquete
Termodinámico para la mezcla
1-Propanol / H2O

33. 9/8/2018 33
E?Polar
Non-electrolyte
Ver Figura 2
Polarity
R?
Real or
pseudocomponents
P? Pressure
E? Electrolytes
Recomendaciones de Eric Carlson

34. 9/8/2018 34
P?
ij?
LL?
(See also
Figure 3)
P < 10 bar
UNIFAC and its
extensions
Polar
Non-electrolytes
Yes
LL?
No
No
No
WILSON, NRTL,
UNIQUAC and
their variances
LL? Liquid/Liquid
P? Pressure
ij? Interaction Parameters
Available

35. 9/8/2018 35
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
82
84
86
88
90
92
94
96
98
100
1-Propanol mol. frac.
T[
o
C]
TXY diagram for 1-Propanol, H2
O
Perry
NRTL
PRSV
UNIQUAC
Van-Laar (Built-in
Van-Laar(Perry)

37. Unas palabras sobre
especificación de corrientes…
Una corriente queda completamente
especificada si se conocen:
C-1 variables de composición
El caudal F
2 variables intensivas (generalmente T y P)
C+2 variables

38. Q
C+2 C+2
Un intercambiador de calor
(2 componentes)
Sistema de 2
componentes
Incógnitas : 2 (C+2) + 1 =9
Ecuaciones: 2 + 1 =3
Especificaciones: 6 (alimentación, Q, P salida)
Balance
masa Balance
energía

39. Un mezclador
( 2 componentes)
S1
S2
S3
Incógnitas : 3 (C+2) = 12
Ecuaciones : 2 + 1 = 3
Ecuaciones adicionales: 1
(relaciones P)
Especificaciones : 8

40. Un separador flash
Q
Incógnitas: 3(C+2) +1=3C+7
Ecuaciones: C+1
Ecuaciones adicionales:
1 (relación P)
1 (relación T)
C (equilibrio fases)
Grados de libertad: C+4
(alimentación + 2 variables
intensivas)
C+4

41. Simuladores de Procesos
...según el modelo matemático que
representa el proceso a simular...
Simuladores globales u orientados a
ecuaciones
Simuladores secuenciales modulares
Simuladores híbridos o modular
secuencial-simultáneo.

42. Simulador Secuencial Modular

43. F
V
L
D
B
El sistema flash
y columna es
secuencial, pero
la resolución del
flash es
iterativa

44. F
V
L
D
B
0
i i
i i
i T
y P
K
x P
γ= =
(1 )
0
( 1) 1
i i
i
i
z K
v
K
F
−
=
− +
∑

45. Corrientes de reciclo en el algoritmo
secuencial modular
Resolver procesos conteniendo reciclos es más complicado
Se itera sobre el
flowsheet hasta
que r1 yr2 están
dentro de una
tolerancia
especificada
A FEDCB
A FEDCB
r
r1 r2

46. SIMULACION
DE
PROCESOS
Flowsheeting
Especificación
Optimización
Síntesis
{

47. Flowsheeting
Dada – toda la información de entrada
Determine – toda la información de salida y
las variables internas

48. Problema de especificación
Además de la información de entrada, se
especifican algunas variables de salida

49. Problema optimización
Dado:
Composición y
caudal de la
alimentación
Determinar:
Composición del
producto
Número de etapas,
ubicación plato
alimentación
Min función objetivo = f (rendimiento, energía, costo
capital, etc.)

50. Problema de síntesis
Las entradas y salidas son conocidas, pero
el flowsheet, los parámetros de equipo y
las condiciones de operación son
desconocidas !!!

51. Técnica de Separación - destilación, flash,
extracción, separación por membrana?
Cuántas operaciones unitarias se necesitan?
Cómo es el diseño de cada equipo?
Problema Síntesis
metanol,
agua
metanol
agua
metanol
51

52. Simuladores de proceso...
 1974 “FLOWTRAN” (Simulador de Monsanto)
 Años ´80: Simuladores comerciales
 ASPEN PLUS
 SPEEDUP
 PROCESS - PRO II
 DESIGN II
 CHEMCAD (interfase con LOTUS y Autocad)
 HYSYM (1° simulador para PC)
 HYSYS
 Años 2000: UNISIM (Simulador de Honeywell)

53. Y ahora a comenzar a
simular con UNISIM...

54. Compare para los 3 casos propuestos el caudal de vapor, la
composición del líquido y del vapor y el caudal de producto.
1. Qué opina de estos resultados? Cuál es la función del reciclo?
2. Determine la temperatura del flash para conseguir un caudal
de vapor de 850 lb/h.
3. Dibuje un gráfico del caudal de vapor en función de la
temperatura
Componente Caudal
[lb/h]
Metano 50
Etano 100
Propano 700
n-Butano 870
1-Buteno 1176
1,3,Butadieno 5130

56. UNT ©Laureano Jiménez
Ejemplo: bombeo de agua
15400 kg·h-1 de agua a 20oC y 1 atm se
enfrían en un intercambiador de calor
(3.71·106 kJ·h-1) y se bombean hasta 1.1atm
Fuente: Prof. Laureano
Jiménez Esteller
Universitat de Rovira e
Virgili, España

57. UNT ©Laureano Jiménez 57
Ejemplo: bombeo de agua
¡Pero si se
forma hielo!
Moraleja: hay que
familiarizarse con
el sistema

58. UNT ©Laureano Jiménez 58
Ejemplo: benceno+tolueno
y +
Una corriente de benceno y tolueno
(1.946·105 kmol·h-1) con 100 ppm de
hidrógeno se separa utilizando destilación.
Las especificaciones del proceso son
recuperar un 98% molar de cada uno de los
compuestos mayoritarios

59. UNT 59
Ejemplo: benceno+tolueno
y +
¡Qué diablos
sucede!
¿Cómo
resolverlo?
Propuestas...
T

60. UNT ©Laureano Jiménez 60
Ejemplo: benceno+tolueno
y +
¡Estábamos
condensando H2!
Moraleja: hay
que comprobar
los resultados

61. UNT ©Laureano Jiménez 61
Ejemplo: destilación
Separar utilizando destilación, una mezcla de
etanol y agua (50:50 mol). El objetivo es
obtener tanto por cabeza como por fondo una
pureza del 99% molar. A partir de los
resultados del método short-cut realizar la
modelización rigurosa

62. UNT ©Laureano Jiménez 62
Ejemplo: destilación

63. UNT ©Laureano Jiménez 63
Ejemplo: destilación
 El modelo riguroso no converge ¿por qué?
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
xEtOH/mol
yEtOH/mol
¡Predice un
azeótropo!
Moraleja: metodología
correcta, pero modelo
incorrecto

64. Creemos el 50% de lo que escuchamos,
el 75% de lo que vemos...
...y el 100% de lo que las
computadoras dicen
Como aconsejar es gratis...
64