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Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez Tema 3: Simulación estacionaria.

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1 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez Tema 3: Simulación estacionaria.

2 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 2 1. Ingeniería de procesos asistida por ordenador. 2. Diagramas de flujo en estado estacionario 3. Métodos de Resolución 4. Introducción a Aspen Plus Indice

3 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 3 1. Ingeniería de procesos asistida por ordenador (CAPE). Procesos-diagramas de flujo

4 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 4 El modelado y simulación de procesos químicos incluye: · La planta completa, una serie de unidades de operación interconectadas en un diagrama de proceso. · Una sección de la planta, por ejemplo un tren de separación. · Una unidad de operación compleja, como puede ser un reactor de varios lechos o una columna de destilación de crudo. Reactor de amoniaco

5 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 5 El primer paso es construir un modelo matemático del sistema, estará formado por: Sistema de ecuaciones no lineales. f(y)=0 Un conjunto de variables del sistema referidas a las cantidades que interesan al modelo. Estas cantidades pueden ser variaciones, con lo cual las derivadas son también variables de interés (pueden ser derivadas temporales o espaciales). Desigualdades (no lineales). Por ejemplo, presión y temperatura son positivas, la fracción molar debe de estar en el intervalo [0,1]. g(y)>0

6 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 6 El segundo paso es resolver el modelo para : Determinar cómo deben variar ciertas variables (entradas) para optimizar el funcionamiento de alguna unidad. Optimización dinámica. Emplear datos de planta para obtener parámetros del modelo. Estimación (estática o dinámica) de parámetros. Ajustar datos inconsistentes o redundantes de planta. Reconciliación de datos. Determinar valores de algunos parámetros o de entradas a unidades que optimizan el proceso. Optimización en estado estacionario. Implica resolución de un programa no lineal Obtener el comportamiento dinámico del modelo. ( simulación dinámica ). Implica resolver ecuaciones diferenciales ordinarias(ODEs), ODEs junto con ecuaciones algebraicas (DAEs) o ecuaciones en derivadas parciales (PDEs). Obtener el estado estacionario del modelo ( simulación en estado estacionario o process flowsheeting). Implica resolver un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales (AEs).

7 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 7 El segundo paso es resolver el modelo para : Determinar cómo deben variar ciertas variables (entradas) para optimizar el funcionamiento de alguna unidad. Optimización dinámica. Emplear datos de planta para obtener parámetros del modelo. Estimación (estática o dinámica) de parámetros. Ajustar datos inconsistentes o redundantes de planta. Reconciliación de datos. Determinar valores de algunos parámetros o de entradas a unidades que optimizan el proceso. Optimización en estado estacionario. Implica resolución de un programa no lineal Obtener el comportamiento dinámico del modelo. ( simulación dinámica ). Implica resolver ecuaciones diferenciales ordinarias(ODEs), ODEs junto con ecuaciones algebraicas (DAEs) o ecuaciones en derivadas parciales (PDEs). Obtener el estado estacionario del modelo ( simulación en estado estacionario o process flowsheeting). Implica resolver un sistema de ecuaciones algebraicas no lineales (AEs).

8 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 8 Esto conduce a las herramientas de ingeniería de procesos asistida por ordenador Programas generales de ingeniería Programas técnicos de computación – Numérico: MATLAB, Xmath, (Excel)... – Simbólico: Maple, MathCAD, Mathematica,... – Librerías: IMSL, NAG,... Análisis estadístico Modde,Statgraph,...

9 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 9 Esto conduce a los entornos de modelado de procesos, son herramientas desarrolladas en ordenador que permiten: Construcción, desarrollo, mejora y almacenamiento de modelos. Resolución (mediante diferentes técnicas) de estos modelos. Visualización (e interpretación) y almacenamiento de los resultados. Normalmente NO están integradas todas las funcionalidades en un solo entorno de modelado.

10 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 10 Muy empleada en la etapa de diseño del proceso. 2. Diagramas de flujo en estado estacionario

11 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 11 Problemas de simulación Dadas unas entradas y parámetros computar la salida Estudios de sensibilidad Como la simulación pero permite estudiar la influencia de ciertas variables, variándolas sistemáticamente. Problemas de diseño Estudia diferentes conjuntos de especificaciones. Se puede quitar un parámetro y añadir una nueva especificación. La ejecución dará un valor a ese parámetro. Más difícil de resolver, y de mal especificar. Problemas de optimización Se plantea una función objetivo para mejorar el proceso. Se añaden desigualdades. Se quitan especificaciones (grados de libertad para la optimización) y se resuelve el problema. Problemas de síntesis Se conocen las entradas y las salidas y se quiere obtener el diagrama de flujo, así como las condiciones de operación y los parámetros de los equipos. Funcionalidades de los simuladores en estado estacionario.

12 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 12 Simulación y análisis de sensibilidad

13 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 13 Diseño de especificación

14 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 14 Optimización

15 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 15 Síntesis de procesos

16 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 16 Arquitectura de software de un entorno de modelado y simulacion.

17 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 17 1 Definir la estructura del diagrama de flujo. Qué unidades participan y los flujos (corrientes) de materia y/o energía entre ellas.. 2 Seleccionar un modelo para cada unidad de proceso. 3 Seleccionar un conjunto de unidades consistente. 4 Especificar los componentes (especies químicas) que participan en el proceso. 5 Seleccionar un paquete de propiedades físicas 6 Satisfacer los grados de libertad del proceso 7 Seleccionar las opciones de resolución numérica 8 Ejecutar el modelo 9 Examinar los resultados Pasos para realizar una simulación.

18 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 18 1 Definir la estructura del diagrama de flujo. Qué unidades participan y los flujos (corrientes) de materia y/o energía entre ellas.. Bloques Corrientes

19 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 19 6 Satisfacer los grados de libertad del proceso Variables de las corrientes de entrada: Flujos, temperatura, presión, composición. Química del proceso: Extensiones de reacción, coeficientes estequiométricos,... Especificaciones de diseño Cantidad del producto y pureza. Parámetros de los equipos Pérdidas de carga, número de platos, plato de alimentación,...

20 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 20 · Muy empleados en la actualidad: ej. Aspen Plus (AspenTech), ChemCAD, PROII (SimSci), Hysim (Hyprotech), Hysys (Hyprotech, comprada recientemente por AspenTechnologies) · Arquitectura preferida en nuevos simuladores: ej. Aspen Custom Modeler (AspenTech), RTO-OPT (AspenTech), NOVA (Nova), gPROMS, ABACUSS. Secuencial ModularOrientado a ecuaciones Se simula una unidad cada vezSe resuelven todas las unidades a la vez Se descompone el diagrama de flujoOrdenación de ecuaciones Iterar en las corrientes de rasgadoSe actualizan todas las incógnitas simultáneamente Menos flexible, más robustoMás flexible, menos robusto Inicialización es importanteInicialización es muy importante No necesita mucho almacenamientoRequisitos de almacenamiento grandes. Secuencial Modular vs. Orientado a ecuaciones

21 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 21 Procedimiento de resolución secuencial modular

22 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 22 Reciclo Para calcular la salida del mezclador es necesario adivina los valores de la corriente 7. Se supone un valor para la misma, se resuelve el proceso y se obtiene un valor de la corriente 7 a la salida de la purga. Se comparan y se itera según algún algoritmo de tearing. Problemas de convergencia. Procedimiento iterativo: Tearing.

23 Modelado y simulación en Ingeniería Química. Manuel Rodríguez 23 Realizar la simulación del sistema de forma gradual. Utilizar resultados de simulaciones anteriores (más sencillas) para las nuevas simulación


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