Este documento presenta una introducción a la simulación de procesos. Explica los objetivos de la simulación, los tipos de modelos como matemáticos y a escala, y los programas comerciales más comunes para simulación. También describe los pasos para construir un modelo de simulación, incluyendo la selección de componentes, unidad termodinámica, bloques de operación, especificaciones y validación.

1. 1
SIMULACIÓN DE
PROCESOS
Profesor: Arturo Rodulfo
Febrero de 2014

2. CONTENIDO (de la presentación)
2
 Objetivos
Modelos de simulación
Programas comerciales más comunes
 Ejercicios con un simulador de
procesos
Febrero de 2014

3. OBJETIVOS
3
 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

4. 4
TIPOS DE MODELOS
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
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. .

5. 5
MODELOS DE SIMULACIÓN
PROCESO REAL
Presión = Presión = Q liquido =
f(r, Q, HP) f(r, D, L, Q) f(P, T, x)
MODELOS MATEMATICOS
Febrero de 2014

6. 6
MODELOS DE SIMULACIÓN
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
Febrero de 2014

7. 7
MODELOS DE SIMULACIÓN
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
Febrero de 2014

8. 8
MODELOS DE SIMULACIÓN
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
Febrero de 2014

9. ¿Para que se va a hacer una
simulación?
9
 El objetivo no es la simulación
 El modelo de la simulación es una herramienta
para obtener una respuesta
Problema Simulación
Febrero de 2014

10. 10
CALIDAD DE LA RESPUESTA
1. TIPO DE ENFOQUE: SIMPLE O RIGUROSO
HP  1714 
eff
gpm
SISTEMA
BOMBA
0 10 20 30 40 50 60
CAUDAL
PRESION
Eff
psi=
MODELO RIGUROSO
Q = 200 gpm
Ps = 10 psig
Pdesc = ? psig
20 HP
Eff = 80%
SISTEMA REAL
MODELO SIMPLIFICADO
Febrero de 2014

11. 11
CALIDAD DE LA RESPUESTA
2. ECUACIONES TERMODINÁMICAS
PRESION (psia) PENG-ROBINSON
-200 -100 0 100
1,000
500
300
200
100
50
30
20
10
EXPERIMENTALES
DIAGRAMA
PRESION vs.
ENTALPIA DEL
ETILENO
Febrero de 2014

12. CALIDAD DE LA RESPUESTA
2. ECUACIONES TERMODINÁMICAS
3000 PRESION (psia)
12
1000
-250 -200 -150 -100 -50 0 50 100
300
100
30
10
3
PENG ROBINSON
EXPERIMENTAL
DIAGRAMA
PRESION vs.
ENTALPIA
DEL CO2
Febrero de 2014

13. 13
CALIDAD DE LA RESPUESTA
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
Febrero de 2014

14. 14
CALIDAD DE LA RESPUESTA
3. RANGO DE ECUACIONES
EXTRAPOLACION DEL
MODELO LINEAL
RELACION PARA
EL PROCESO
REAL
TEMPERATURA
DATOS
EXPERIMENTALES
LIMITADOS
Febrero de 2014

15. 15
CALIDAD DE LA RESPUESTA
4. TOLERANCIA DE CÁLCULO
TOLERANCIA
X
Y
SOLUCION
VERDADERA
RANGO DE
MULTIPLES
SOLUCIONES
¿ PROBLEM SOLUTION REACHED ?
Febrero de 2014

16. 16
CALIDAD DE LA RESPUESTA
5. CALIDAD DE LOS DATOS
DATOS RESULTADOS
LA CALIDAD DEL RESULTADO NO PUEDE SER MEJOR
QUE LA CALIDAD DEL PEOR DE LOS DATOS
Febrero de 2014

17. CONSTRUCCIÓN DEL MODELO
17
1ero paso. Selección de componentes
 COMPONENTES PUROS
 Agua, metano, etano, etc
 COMPONENTES HIPOTÉTICOS
2do paso. Selección de sistema termodinámico
Febrero de 2014

18. 18
CONSTRUCCIÓN DEL MODELO
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)
Febrero de 2014

19. 19
CONSTRUCCIÓN DEL MODELO
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
Febrero de 2014

20. 20
CONSTRUCCIÓN DEL MODELO
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
Febrero de 2014

21. 21
CONSTRUCCIÓN DEL MODELO
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
Febrero de 2014

22. Algunos programas comerciales
22
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
Febrero de 2014