Clase II: Introducción a la simulación

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1 Clase II: Introducción a la simulación
Ing. (MSc) Juan E. Rodríguez C. Universidad Nacional Experimental Politécnica de la Fuerza Armada. Extensión Bejuma Noviembre, 2015

2 Simulación Etapas de la simulación.
Modelado de un sistema. Modelado para la simulación procesos químicos. Diagrama teórico (Descripción del proceso). Diagrama Conceptual (BD, PFD, PID, IFD) Recolección de los datos de las variables y parámetros del sistemas

3 Modelado (procesos químicos)
Diagrama teórico (Descripción del proceso). Define clara mente y con detalle la interacción entre los diferente entes de un sistema y materia sobre la cual los entes actúan, explicando el por que sucede. Diagrama Conceptual (BD, PFD, PID, IFD). Define clara mente y con detalle la interacción entre los diferente entes de un sistema y materia sobre la cual los entes actúan, sin explicar el por que sucede.

4 Descripción del proceso (ej.)
Diagrama teórico Descripción del proceso (ej.) La alimentación del azeótropo IPA-Agua (80% en peso de IPA) es alimentada al mezclador, donde se une a la corriente de reciclo del proceso y que contiene fundamentalmente isopropanol y agua en una proporción cercana al azeótropo. El caudal de azeótropo fresco es de 2439 kg/h La mezcla de alimentación fresca junto con la corriente de reciclo son calentadas hasta una temperatura de 350 °C para alimentar al reactor, que entra en éste a una presión de 2.16 bar-a. El fluido calefactor es vapor de alta presión (hps). El reactor es catalítico (catalizador de óxido de cobre soportado sobre alúmina) y multitubular operando en régimen isotérmico. La isotermicidad, a pesar de la reacción endotérmica, se consigue calentando el haz tubular por el lado de la carcasa en un esquema contracorriente. La pérdida de carga producida en el reactor es de 0.39 bar. El efluente del reactor es enfriado en dos etapas. En la primera se utiliza agua fría consiguiendo una temperatura de salida de la corriente de proceso de 45 °C. En la segunda etapa se utiliza un fluido refrigerante para rebajar la temperatura de la corriente de proceso hasta los 20 °C. Las pérdidas de carga producidas por estos dos cambiadores son de 0.05 y 0.14 bar respectivamente.

5 Descripción del proceso (ej.)
Tras el último intercambiador se separa, mediante una etapa flash, una corriente rica en hidrógeno (corriente de vapor) que se lleva a un absorbedor para tratar de separar la mayor cantidad de hidrógeno posible, y retener la acetona y el IPA que no ha reaccionado. El absorbedor utiliza agua (25 ºC), como líquido absorbedor en contracorriente. El grado de recuperación de acetona en la corriente líquida de cola es de aproximadamente el 58%. La corriente líquida, que puede contiene una pequeñísima parte de hidrógeno, se une a la corriente líquida procedente de la unidad flash. Ambas corrientes abandonan el mezclador del que se separa el hidrógeno sobrante en un separador ideal (“component Splitter”) y alimentan a la primera columna de destilación en la que se separa por cabeza una corriente (líquida) con un 99% (molar) de acetona. El condensador de esta columna es total. La corriente del fondo de la columna de destilación, completamente exenta de acetona alimenta a la segunda columna a una presión de 1.4 bar-a, que separa una corriente de agua (prácticamente pura) por cola que se envía a la planta de tratamiento de aguas. La corriente de cabeza del tope es reciclada al mezclador principal para cerrar el reciclo.

6 Diagrama Conceptual Diagrama de Bloque (BD)
Las operaciones son representada como bloques. Los flujos mayormente son representados por trazos de líneas y flechas que indican la dirección de los flujos, y van de derecha a izquierda siempre y cuando sea posible. Las corrientes livianas (gases) son representados en la parte superior y las corrientes pesada (solidó o liquido) en la parte inferior. Si las líneas se cruzan, entonces la línea horizontal es continua y la línea vertical de trazos. Representa una fotografía total de cómo la planta funciona y como interactúan los procesos. Solo información limitada por cada uno de la operaciones

7 Diagrama de Bloque (BD)

8 Diagrama Conceptual Diagrama de Flujo de Proceso (PFD): Contiene volumen de datos de la información de la ingeniería química necesarios para el diseño de un de proceso químico. El Contenido típico PFD contiene el siguiente: Todos los piezas importantes del equipo junto con la descripción del equipo; cada pieza del equipo tendrá un número único del equipo y un nombre descriptivo. Todos los flujos del proceso son mostrados e identificado por número; las condiciones de proceso y la composición química de cada corriente son incluidas. Todas las corrientes para usadas por el equipo importante son incluidas. Los lazos de control básico para la operación normal se muestran. Los tipos de información básica proporcionaron por un PFD. Topología de proceso. Organización de las operaciones de la unidad. Conexiones de proceso de la corriente entre las piezas de equipo. Equipo e identificación y numeración de la corriente. Convenciones para identificar corrientes de proceso y para uso general. Información de la corriente (principalmente en una tabla de la corriente; puede tener identificación simple "marca con etiqueta")

9 Diagrama Conceptual Diagrama de Flujo de Proceso (PFD)
La prioridad que se le da a la información presente en los PFDs (banderas de la información). No toda la información de proceso es de igual importancia. Información crítica a la seguridad y a la operación de la planta. Las temperaturas y las presiones se asociaron al reactor. Caudales de las corrientes de la alimentación y del producto. Presiones y temperaturas de la corriente están substancialmente por encima que el resto del proceso. PFD debes ser muy claro y fácil entender para evitar errores y malentendidos.

10 Simbología empleada para la elaboración de PFD

11 Formato de identificación de equipo

12 Criterios y nomenclatura para identificación de las corrientes

13 Criterios y nomenclatura para identificación de las corrientes

14 Etiquetas de especificación

15 Diagrama de flujo de proceso (PFD)

16 Diagrama de flujo de proceso (PFD)

17 Diagrama de flujo de proceso (PFD)

18 Diagramas de flujo de información (IFD):
A partir de la información típica del proceso como la que se genera desde un diagrama de flujo, se obtiene el diagrama de simulación, el cuál es básicamente igual al de proceso, pero en él aparecen los equipos virtuales, tales como mezcladores y divisores de corrientes. Con estos datos concluimos con el diagrama de flujo de información.

19 Sistematización de los diagramas de flujo de información
La realización de una simulación comprende dos etapas: Sistematización de la información. Resolución.  La etapa 1 es el llamado PREPROCESAMIENTO en donde se realizan las siguientes operaciones: Particionado: detección de los tramos del DFI que contienen reciclos, de manera de reducirlos a pseudocortes. Rasgado: definición de las corrientes iteradoras. Ordenamiento: determinación de la secuencia de resolución u orden de precedencia.

20 Diagramas de flujo de información (IFD):
Diagrama de flujo de proceso (PFD) Diagramas de flujo de información (IFD)

21 Diagrama de flujo de proceso (PFD)

22 Diagramas de flujo de información (IFD)

23 UNIDAD II SIMULADORES DE PROCESOS QUÍMICOS
Ing. (Msc) Juan E. Rodríguez C.

24 Esquema general de simulación

25 Selección de los compuestos químicos
Usualmente, el primer paso en la especificación de la simulación de un proceso químico es la selección de cada uno de los compuestos que son requeridos. Es importante introducir todo y cada uno de los compuestos reactivos, inertes, subproductos, productos intermedios, etc. De no contener alguno compuesto de existir de alguna manera la forma de ser agregado, para lo cual se debería investigar la propiedades mínimas requerida las estimaciones de propiedades.

26 Selección de la Termodinámica
La selección adecuada de método termodinámico es paso mas importante en la implantación de la simulación en los procesos químicos, en el cual se debe tener mucho cuidado.

27 Despliegue de diagrama de procesos
Introducción la topología Selección de las propiedades La mayoría de las ocasiones los simuladores cuenta con una extensa librería que suministra las propiedades termodinámica, fisicoquímicas, fluido dinámica requeridos a la hora de simular El camino mas viable para introducir la topología del diagrama proceso es basarse en los diagramas construidos previamente para describir y conocer los datos requeridos del sistema.

28 Resolución por bloque de las unidades de operaciones
Las especificaciones técnica de la equipos son requeridos a la hora de simular, es de esperar que para la etapa de implementación estos datos debe estar a la disposición, como por ejemplo: Columna de destilación, numero de platos, diámetro de la columna, si se requiere condensador, si hay retiro lateral, plato de alimentación etc. Resolución por bloque de las unidades de operaciones Parámetros de los equipos

29 Revolvedor del diagrama de proceso
Selección del despliegue de la salida Criterios de convergencia y simular Varias son la opciones de despliegue de los resultados, esto deben ser en concordancia con lo objetivos del estudio, ejemplo: En el estudio del comportamiento de la concertación en un reactor los resultados o perfil debe ser reportado como concentración. Es recomendable establecer un valor máximo de iteraciones para no incurrí en ciclo de calculo infinitos, también se puede estable un margen de error para lo resultados, tal que esto permita menor costo computacional, siempre y cuando no se sacrifique demasiada exactitud.

30 PRINCIPALES EQUIPOS DE PROCESOS QUÍMICOS EN SIMULADORES
Puntos de mezcla y separación, Válvulas, Bombas, Compresores, Turbinas, Tanques de separación, Intercambiadores de calor

31 PUNTOS DE MEZCLADO Y SEPARACIÓN
Puntos de mezcla o mezcladores de corrientes: representan la operación de suma de corrientes cuyos fluidos pueden tener distintas composiciones, temperaturas y estados de agregación. Requiere de una especificación adicional para completar los grados de libertad. Puntos de separación o divisor de corrientes: simula el fraccionamiento del flujo de una corriente que fluye a través de una tubería en varias corrientes. Para “n” corrientes de salida, se requieren “n – 1” relaciones de flujo.

32 VALVULAS, BOMBAS, COMPRESORES Y TURBINAS
Un caso de expansión isoentálpica de una corriente es el que se lleva a cabo en una válvula de Joule – Thompson. El paso de una corriente a través de este tipo de válvula ocasiona una disminución de la presión manteniéndose la entalpía constante. El número de variables de diseño : 1

33 VALVULAS, BOMBAS, COMPRESORES Y TURBINAS
Las bombas y compresores se simulan como unidades que aumentan la presión a corrientes líquidas y gaseosas, respectivamente, mediante la adición de una cantidad de energía, lo que requiere que realicen un trabajo sobre dichas corrientes. En las turbinas se simula recuperación de la energía que se libera cuando una corriente disminuye de presión. Se puede considerar que las funciones de un compresor y una turbina son opuestas. En condiciones ideales, las funciones realizadas por las bombas, compresores y turbinas se tratan como cambios isentrópicos y mediante la definición de un concepto de eficiencia se corrigen para los estimativos reales. El número de variables de diseño : 1 si es isentrópicas y 2 si no lo es.

34 SEPARADOR DE DOS O TRES FASES
Un separador no es mas que un recipiente diseñado con ciertas características para separar una mezcla de componentes en condiciones controladas. Un separador de dos fase permite separar una fase liquida de su fase vapor en equilibrio a las condiciones de presión y temperatura. Un separador de tres fase separa una mezcla líquida formada por componentes completamente inmiscibles, como hidrocarburos y agua, muestra dos fases líquidas, y establecerán un equilibrio con un vapor que se formará según que la suma de las presiones de vapor de las dos fases líquidas sea mayor que la presión a la que se encuentra la mezcla.

35 SEPARADOR DE DOS O TRES FASES
Considerando que para cumplir con el propósito del separador de dos o tres fases se conocen las especificaciones de la corriente de entrada, resulta que el número de variables de diseño en un separador de dos o tres fases es de: 2

36 INTERCAMBIADORES DE CALOR
En los simuladores comerciales se modelan unidades de enfriamiento (Cooler) o calentamiento (Heater) en las cuales se incluye o no una corriente de energía que represente al flujo calórico requerido para el enfriamiento o calentamiento de una corriente de materia. El número de variables de diseño : 2 Las dos variables de diseño requeridas se pueden completar con varias opciones entre las cuales podemos analizar las siguientes: (1)Temperatura de la corriente de salida y (2) la caída de presión o presión de la corriente de salida.

37 INTERCAMBIADORES DE CALOR
Los simuladores contienen módulos que simulan las corrientes de materia entre las cuales ocurre la transferencia de calor y además consideran la ecuación de diseño de un intercambiador de calor de tal manera que la solución final incluya algunas especificaciones sobre su dimensionamiento, especialmente su área de transferencia de calor. Las especificaciones de las dos corrientes de entrada disminuyen el número de variables de diseño a cinco grados de libertad. Si se considera que no hay pérdidas de calor hacia los alrededores del intercambiador, esto constituye un grado de libertad menos y, por lo tanto, el diseñador dispone de cuatro grados de libertad. Las especificaciones más usuales son: (1) Las temperaturas o gradientes de temperaturas, (2) las presiones en las corrientes de salida o Caída de presión.

38 REACTORES QUIMICOS Los tipos de reactores que, comúnmente, se encuentran en los simuladores son: EL Reactor de Conversión. El Reactor de Equilibrio. El Reactor de Gibbs. El Reactor de Mezcla Completa o CSTR E El Reactor de Flujo Pistón o Tubular o PFR. Estos reactores se utilizan según el tipo de reacción.

39 Reactor de Conversión Un reactor de conversión es aquel que se modela considerando solamente las conversiones de las reacciones químicas que se desarrollan en su interior, es decir, reacciones de conversión. Un Reactor de Conversión es un recipiente en el cual se realiza, solamente, un conjunto de reacciones de conversión. Cada reacción procederá hasta que se alcance la conversión especificada o hasta que se agote el reactivo límite. Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación del reactor de conversión son la magnitud del flujo calórico y caída de presión en el reactor o la presión de la corriente de salida.

40 REACTOR DE EQUILIBRIO Un Reactor de Equilibrio es un recipiente donde se modelan reacciones en equilibrio, en serie o en paralelo. El análisis o simulación requiere que se hayan especificado completamente las reacciones reversibles para el cálculo de sus conversiones de equilibrio. Un reactor de equilibrio es un recipiente en el que se modelan reacciones en equilibrio. Las corrientes de salida del reactor se encuentran en estado de equilibrio químico y físico. Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación de la unidad son la magnitud del flujo calórico y caída de presión en el reactor o la presión de la corriente de salida.

41 REACTOR DE GIBBS El Reactor de Gibbs calcula las composiciones de las corrientes de salida correspondiente a las del equilibrio químico del sistema reaccionante y, además, calcula las composiciones en estado de equilibrio de las fases líquido y vapor correspondientes. En la simulación de este tipo de reactor, el cálculo de las composiciones de la corriente de salida, se realiza aplicando la condición termodinámica de que el cambio de energía libre de Gibbs de un sistema reaccionante debe ser un mínimo en el estado de equilibrio químico y que el equilibrio de fases se alcanza con un cambio mínimo en el cambio de energía libre de Gibbs entre las fases. Lo anterior hace que no sea completamente necesaria la especificación de la estequiometria de la reacción para la determinación del mínimo de energía libre de Gibbs para el cálculo de las respectivas composiciones en el estado de equilibrio.

42 REACTOR DE MEZCLA COMPLETA O CSTR
Un Reactor de Mezcla Completa o CSTR es un recipiente en donde se pueden realizar reacciones cinéticas y algunos otros tipos. La simulación de un reactor de mezcla completa requiere que se especifiquen las velocidades de cada una de las reacciones, además de su estequiometria y los parámetros incluidos en la ecuación de diseño del reactor. Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación del reactor de mezcla completa son la magnitud del flujo calórico, la caída de presión en el reactor o la presión de la corriente de salida y el volumen del reactor.

43 REACTOR DE FLUJO PISTÓN O TUBULAR O PFR
Un reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios en la concentración, la presión y la temperatura, en la dirección axial. Los reactores PFR, a menudo, se construyen de muchos tubos de pequeños diámetros y de grandes longitudes y se emplean con fluidos a grandes velocidades y pequeños tiempos espaciales. Esto minimiza el mezclado axial del fluido, limita los perfiles radiales de temperatura y provee el área de transferencia de calor necesaria. Los tubos se arreglan en un banco como en los intercambiadores de calor. Si no se desea intercambio calórico en la zona de reacción, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de diámetros más grandes. Las variables que generalmente se especifican para completar la especificación del reactor flujo pistón son la magnitud del flujo calórico, la caída de presión en el reactor o la presión de la corriente de salida y el volumen del reactor.

44 Herramienta de los simuladores
Contralores Calculadoras Son herramientas empleadas para llevar acabo ajuste de una variable de tal manera que se garantice en valor de un parámetro, por ejemplo, el ajuste consiste en varíar el valor de una variable corriente (la variable independiente) para satisfacer un valor requerido o especificación (la variable dependiente) en otra corriente o la operación. Son herramientas utilizadas en la simulación para llevar a cabo estimación de algunas parámetro o variables que no son reportado directamente por el simulador, utilizando para ellos información arrojada por los equipos o corriente de modelo simulado.

45 Herramienta de los simuladores
Casos de estudio Optimizadores Las simulación sirve en mucho caso, como una herramienta para visualizar el comportamiento de muchos fenómenos, para ejemplificar tal hecho, realicemos el estudio del comportamiento de la relación de separación el metano y pentano al variar la temperatura. Son herramientas utilizadas en la simulación para llevar a cabo estimación de la condiciones de funcionamiento óptimas de una operación o proceso, a través de la minimizan (o maximizar) una función objetivo y la satisfacción de restricciones de algunos parámetros.

46 COLUMNAS DE DESTILACIÓN
Una columna de destilación simple es una unidad compuesta de un conjunto de etapas de equilibrio con un solo alimento y dos productos, denominados destilado y fondo. Incluye, por lo tanto, una etapa de equilibrio con alimentación que separa dos secciones de etapas de equilibrio, denominadas rectificación y agotamiento.

47 COLUMNAS DE DESTILACIÓN
ESPECIFICACIONES GRADOS DE LIBERTAD Presión en cada etapa de equilibrio N Flujo calórico en cada etapa de equilibrio Corriente de alimentación C + 2 Cantidad de etapas de equilibrio 1 Número de la etapa de alimentación Presión en el fondo de la columna Caída de presión en el rehervidor Presión en el tope de la columna Caída de presión en el condensador Flujo calórico en el rehervidor Flujo calórico en el condensador Razón de reflujo Total C + 2N + 11

48 Ejemplo de Shortcut Columna de destilación para separar Pentano
Alimentación 100 lbmol/hr. Composición: 20 % Isopentano. 40 % Pentano 25 % Hexano 15 % Heptano. Parámetros de operación tope: 99 % N-pentano fondo: 99 % de Heptano Presión de operación: 10 atm. Temperatura de burbuja Relación de reflujo: 1.2 min

49 Simulación en Estado No Estacionario
Ing. (Msc) Juan E. Rodríguez C.

50 Sintonizar un controlador PID
Significa establecer el valor que deben tener los parámetros de Ganancia (Banda Proporcional), Tiempo Integral (Reset) y Tiempo derivativo (Rate), para que el sistema responda en una forma adecuada. La primera etapa de todo procedimiento de sintonización consiste en obtener la información estática y dinámica del lazo . Existen diversos métodos para ajustar los parámetros de controladores PID, pero todos caen dentro de dos tipos: Métodos en Lazo Abierto: la características estáticas y dinámicas de la planta (Elemento Final de Control + Proceso + Transmisor) se obtienen de un ensayo en lazo abierto, generalmente la respuesta a un escalón (Curva de Respuesta). Métodos en Lazo Cerrado: la información de las características del lazo se obtienen a partir de un test realizado en lazo cerrado, usualmente con un consolador con acción proporcional pura.

51 Controlador PID Métodos en Lazo Abierto: Métodos en Lazo Cerrado

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54 Problema Un esquema típico de los procesos de enfriamiento de gas natural se muestra en la figura. Construya la simulación de proceso descrito, utilizando los datos de las corrientes de alimentación y descripción de los equipos de las tabas 2 y 3. Use para todo el sistema el método termodinámico de Peng Robinson.

55 Problema Corriente de alimentación. Especificación de los equipos

56 CASO DE ESTUDIO Uno de los métodos para la producción de Cloruro de Alilo (AllylChloride) consiste en utilizar como materias primas propileno y cloro, y hacerlas reaccionar en un reactor de flujo en pistón trabajando en régimen adiabático. El esquema de reacción implica mecanismos en serie y paralelo. Las cinéticas de todas las reacciones siguen un mecanismo de 2º orden (orden parcial 1) respecto a los reactivos. Características del reactor (para el caso “base”): Volumen= 0.1 m3, Longitud de los tubos= 1.5 m Øi= 0.05 m, Øe= 0.06 m Fracción “hueca” (Void fraction) = 1 Flujo alimentación= 10 kmol/h Relación molar Propeno/Cloro en alimentación = 7/3 Pérdida de carga en el reactor= 0 atm Temperatura alimentación= 495 K Presión alimentación= 10 atm Determinar: La temperatura de trabajo óptima para conseguir los mejores rendimientos a cloruro de alilo. La presión de trabajo óptima para conseguir el mejor rendimiento a cloruro de alilo

57 CASO DE ESTUDIO El proceso para la producción de ciclohexano:
Diagrama de flujo La alimentación constituida por una corriente de benceno puro ( ºF y 15 psia) se mezcla con la corriente de hidrógeno fresco constituida por lbmol/h y una composición de %(molar) de hidrógeno y nitrógeno hasta completar el balance (T = 120 ºF ; P=335 psia). A este mezclador se incorporan también las corrientes procedentes de la recirculación del 1er Flash. La corriente resultante del mezclador alimenta a un reactor en el que se obtiene una conversión de benceno del 99.85% (NOTA IMPORTANTE: la presión de alimentación al reactor nunca podrá ser inferior a 335 psia). El reactor es refrigerado, de modo que su efluente se encuentra a una T= 392 ºF y su pérdida de carga es de 20 psi. Todavía se requiere una mayor refrigeración de la corriente, por lo que se envía a un intercambiador que reduce su temperatura hasta los 120 ºF. La pérdida de carga del enfriador es de 15 psi. El Flash nº 1 opera isotérmicamente. La corriente de vapor procedente de este Flash Nº 1 es purgada en un 8.16%, siendo el resto de la corriente retornado al mezclador para su reciclado. La corriente de líquido procedente de este Flash nº 1 se separa en dos corrientes: la primera de ellas (62% del caudal) alimenta al Flash nº 2, que opera a una presión reducida (atmosférica), sin pérdida ni ganancia de calor. La segunda corriente se recircula al mezclador de alimentaciones.