INSTITUTO TECNOLOGICO DE PARRAL. SIMULACION DE PROCESOS INSTITUTO TECNOLOGICO DE PARRAL. SIMULACION DE PROCESOS. JUAN LUIS QUIRÓZ AVILA.

Unidad 1: modelado de procesos.

Conceptos básicos de simulación MODELACION: Es aquello que sirve para representar o describir otra cosa, es decir crea prototipos (primer diseño). El modelo puede tener una forma semejante o ser totalmente distinto del objeto real. MODELO: Un modelo se puede definir como una representación simplificada de un sistema real, un proceso o una teoría, con el que se pretende aumentar su comprensión hacer predicciones y posiblemente ayudar a controlar el sistema Existen tres formas de modelos: * Icónico: versión a escala del objeto real y con sus propiedades relevantes más o menos representadas. * Analógico: modelo con apariencia física distinta al original, pero con comportamiento representativo. * Analítico: relaciones matemáticas o lógicas que representen leyes físicas que se cree gobiernan el comportamiento de la situación bajo investigación.

Simular: Es reproducir artificialmente un fenómeno o las relaciones entrada-salida de un sistema. Simulación: Es la técnica que imita el funcionamiento de un sistema del mundo real cuando evoluciona en el tiempo. Diagrama de bloques : Es una representación grafica de una idea o concepto. Variable controlada : Es la cantidad que se mide y controla. Variable manipulada : Es la cantidad o condición que el controlador modifica para afectar el valor de la variable controlada.

E-S+P-C=A BALANCES SIMPLES Entre las muchas materias que forman la carrera de Ingeniería Química, están los balances que, sin lugar a dudas, forman la base de los conocimientos de esta técnica. Ellos no son más que, como su nombre indica, un proceso contable en el que se mide tanto la materia como la energía entrante y saliente, de manera que se balanceen o igualen las entradas con las salidas. El balance de una cantidad que se conserva (masa total, masa de una especie determinada, energía)en un sistema (una sola unidad de proceso, un conjunto de unidades o un proceso completo) se puede escribir de manera general como :   E-S+P-C=A Entrada - Salida + Producto – Consumo = Acumulación

Es posible escribir dos tipos de balances:

1.BALANCES DIFERENCIALES  Indican lo que ocurre en un sistema en un instante determinado. Cada término de la ecuación de balance es una velocidad (de entrada, de generación, etc.) y se da en las unidades de la cantidad balanceada dividida entre la unidad de tiempo (personas/año, barriles/día, etc.). Éste es el tipo de balance que por lo general se aplica a un proceso continuo. 2.- Balances Integrales .  Describen lo que ocurre entre dos instantes determinados. Cada término de la ecuación es una porción de la cantidad que se balancea y tiene la unidad correspondiente (personas, barriles, etc.). Éste tipo de balance suele aplicarse a procesos intermitentes o por lotes, y los dos instantes determinados son: el momento después de que se realiza la alimentación y el momento anterior al que se retire el producto.

BALANCES SIMULTANEOS DE CALOR Y MASA. La masa es una variable dependiente fundamental de interés, y sus variables características se determinan fácilmente, ya que es común y evidente, como se de, la masa total o la masa de un componente en particular. Por lo que no se hablara mucho de ella. En los problemas en que la energía es la variable dependiente fundamental, la selección de las variables características no se hace tan rápidamente, por lo tanto, es necesario que la primero se estudiado las diversas clases de energía y considerar las variables características que se emplean para medir la energía de un sistema. Conservación de la Masa Una de las leyes de básicas de la física es la ley de la conservación de la masa. Esta expresa en forma simple que la masa no puede crearse ni destruirse solo transformarse, por consiguiente la masa total de todos los materiales que entran en un proceso debe ser igual a la masa total de todos los materiales que salen del mismo, más la masa de los materiales que se acumulan o permanecen en el proceso. Entradas = Salidas + Acumulación Expresado en otras palabras, “lo que entra debe de salir”. A este tipo de sistema se le llama proceso de estado estable.

Ejemplo: En el proceso de concentración de jugo de naranja, el zumo recién extraído y filtrado que contiene 7.08% de sólidos en peso, se alimenta a un evaporador al vacío. En el evaporador se extrae agua y el contenido de sólidos aumenta al 58% en peso. Para una entrada de 1000 kg/h; Calcular la cantidad de las corrientes de jugo concentrado y agua de salida.

Ecuación global : 1000 = W + C balance de componentes con base en el sólido: C= 70.8/0.58= 122.1 Kg/h Sustituyendo el valor de C en la global: 1000 = W + 122.1 100= W + 122.1 W = 1000 – 122.1 = 877.9 kg/h de agua evaporada. Para comprobar los cálculos, puede escribirse un balance del componente agua. 1000(92.92/100) = 877.9 + 122.1(42/100)

Algoritmos de solución de los modelos Los modelos matemáticos son el elemento esencial en un simulador de procesos. Los modelos de un proceso son todas las relaciones matemáticas derivadas de las leyes de conservación, las leyes de la termodinámica y las restricciones de control y de diseño. En el caso de simulación de procesos en estado estacionario, el modelo matemático del proceso está constituido, en general, por un enorme sistema de ecuaciones algebraicas no lineales para cuya solución existen tres estrategias: el método modular secuencial, el método orientado a ecuaciones y el método modular simultaneo.

Método modular secuencial

Este procedimiento se puede ilustrar con base en el conocido diagrama de flujo de Lee y Rudd (1966). G = (G 1+ G3)+ (G5 + G 2+ G 4) / G5 ( G2 + G4 )

Método orientado a Ecuaciones. Consiste básicamente en la solución simultanea de las ecuaciones que describen el diagrama de flujo. Es decir, consiste en resolver el enorme sistema de ecuaciones algebraicas no-lineales que constituye el modelo matemático del proceso completo, por algún procedimiento de solución de sistemas de ecuaciones. Cuando se consideran subsistemas pequeños de plantas químicas, el número de relaciones descriptoras son pequeñas y el desarrollo de una estrategia computacional es fácil. Usualmente las relaciones pueden ser resueltas partiendo directamente de las ecuaciones, después, resolviendo cada ecuación del conjunto para una variable desconocida simple de una manera ordenada. Cuando los conjuntos de ecuaciones llegan a ser acoplados, principalmente, cuando cada relación involucra la mayoría de las variables desconocidas, la probabilidad de que un conjunto de ecuaciones pueda ser partido decrece. Cuando un conjunto de ecuaciones no puede ser partido, las ecuaciones deben ser resueltas simultáneamente o un esquema iterativo debe ser desarrollado.

Rasgado de Ecuaciones (Tearing Equations) Suponga que queremos resolver el siguiente conjunto de cuatro ecuaciones en cuatro Incógnitas.

Unidad 2 : SIMULACIÓN MODULAR

2.1 desarrollo de módulos de simulación

Desarrollo de módulos generales para un simulador general Esquema de funcionamiento de un modulo generalizado. Interrelación modulo de equipo- base de datos. Niveles de calculo Interrelaciones de modulo de equipo – fisicoquímica.

2.1.1 Equipos individuales

2.2 construcción de un simulador

2.3 interpretación de resultados

Unidad 3: simulación comercial.

3.1 manejo de un simulador comercial HYSYS El Hysys es una herramienta informática que nos va a permitir diseñar o modelar procesos químicos mediante la ayuda de un software. HYSYS es un software, utilizado para simular procesos en estado estacionario y dinámico, por ejemplo, procesos químicos, farmacéuticos, alimenticios, entre otros. Posee herramientas que nos permite estimar propiedades físicas, balance de materia y energía ,equilibrios liquido-vapor y la simulación de muchos equipos de ingeniería Química. “HYSYS simula y el ingeniero diseña”.

Para poder utilizar el HYSYS se necesita aplicar una ingeniería básica del proceso para lo cual se necesita. Documentos que describan la secuencia de las operaciones que conforman el proceso. Un diagrama entrada salida, lo cual incluye como esta conformado estequiometricamente la reacción, el numero de moles. Un diagrama básico del bloque del proceso, lo cual incluye las condiciones principales de la operación, información de rendimientos, conversaciones, balances de materia y energía preliminares. Hojas de datos los cuales especifican los equipos.

Herramientas de trabajo Base de datos: HYSYS en su amplía base de datos contiene lo siguiente: Mas de 1500 componentes solidos , líquidos y gaseosos. Las propiedades fisicoquímicas de las sustancias puras. Parámetros de interacción binaria para el calculo del coeficiente de actividad. Electrolitos. Base de crudo: Contiene propiedades de muchos crudos a partir de datos experimentales

Operaciones unitarias: HYSYS posee una integración grafica que permite modelar mas de 40 diferentes operaciones unitarias. Acumuladores Flash Columnas de destilación, azeotropica Columnas de extracción Reactores continuos y batch Compresores Turbinas Bombas Intercambiadores de calor Tuberías Separadores Mezcladores ,válvulas de bloqueo y control Controladores

VENTAJAS DEL SOFTWARE: Nos ayuda a examinar varias configuraciones de una planta. Disminuye el tiempo de diseño de una planta. Nos permite mejorar el diseño de una planta Determina las condiciones optimas del proceso UTILIDADES EL PROGRAMA NOS PERMITE: Utilizar modelos termodinámicos, componentes y propiedades paquete fluido, corrientes y mezclas( propiedades de las mezclas). Simular unidades de proceso con corrientes: división, mezcla y fraccionamiento, ciclo de refrigeración, separador de tres fases. Simular procesos con corrientes de recirculación, procesos con reciclo, compresión en tres etapas y ajuste de variables.

Simular reactores, utilizar reactores de conversión, relación no lineal entre variables, reactor de mezcla completa, reactor de flujo pistón, reactor catalítico heterogéneo. Establecer balances de materia y calor. Simular columnas de destilación y absorción, columna de destilación simplificada y columna despojadora.

3.2 solución para casos de estudio 3.2.1 . Diseño de procesos. Ejemplo: Endulzamiento de Gas Natural con Solventes Químicos Hasta la fecha se han desarrollado un sin número de procesos de endulzamiento caracterizados principalmente por el tipo de absorbente que se emplee, físicos o químicos. En estos últimos, el gas que se va a tratar se pone en contacto en contracorriente con una solución de un componente activo que reacciona con los gases ácidos para formar compuestos inestables solubles en el solvente. El componente activo de la solución puede ser una alcanolamina o una solución básica, con o sin aditivos.

El contacto se realiza en una torre conocida como contactora en la cual la solución ingresa por la parte superior, y el gas por la parte inferior. Las reacciones que se presentan entre la solución y los gases ácidos son reversibles y por lo tanto la solución al salir de la torre se envía a regeneración. Los procesos con aminas son los más frecuentemente usados de esta categoría y en segundo lugar los procesos con carbonato. En estos procesos, la torre contactora debe trabajar en condiciones de baja temperatura y alta presión de manera que se favorezca la reacción entre el gas y el solvente químico. Por otro lado, en la regeneración se debe trabajar en condiciones contrarias a las mencionadas (alta temperatura y baja presión) de manera de favorecer la liberación de los gases ácidos. Las principales desventajas de este método son la demanda de energía, la naturaleza corrosiva de las soluciones y la limitada carga de gas ácido en la solución, debido a la estequiometria de las reacciones. En el tratamiento de gas se utilizan soluciones acuosas de aminas para remover H2S y CO2.

Las aminas son compuestos derivados del amoniaco (NH3), son bases orgánicas donde uno, dos o tres grupos alquilo pueden sustituir los hidrógenos de la molécula de amoniaco para dar aminas primarias, secundarias y terciarias, respectivamente. En un principio la monoetanolamina (MEA) era la más utilizada en cualquier aplicación de endulzamiento, de a poco fue sustituida por la dietanolamina (DEA) ya que daba mejores resultados y en los últimos años el uso de metil dietanolamina (MDEA) así como las mezclas de aminas han ganado popularidad. El uso de estas aminas depende de su grado de selectividad para la remoción de los contaminantes ácidos.

SIMULACIÓN ESTACIONARIA EN HYSYS. Se realiza la simulación estacionaria del proceso de Endulzamiento de Gas Natural con DEA mediante el uso del simulador comercial Aspen Hysys 7.3

Diagrama de Flujo del Proceso El diagrama de flujo empleado en simulación del proceso de endulzamiento se presenta en Fig. 2, está conformado principalmente por una torre absorbedora y una torre regeneradora (Erdmann et al. 2008).

Se empleó el paquete propiedades Amines Pkg, este paquete permite simular las reacciones que se llevan a cabo en el proceso obteniendo resultados confiables. Datos de Entrada: El gas a tratar tiene las condiciones mencionadas en la sig. Tabla el cual, presenta la composición de un gas típico del norte argentino. En cuanto a las condiciones correspondientes a la corriente de amina que ingresa por cabeza, están dadas por la Tabla 2.

Resultados: La Fig. 3 muestra los perfiles de concentración de CO2 y Temperatura en los platos de la torre absorbedora (el plato 1 corresponde a la cabeza y el plato 20 al fondo de la torre). En ella se observa que la extracción del CO2 de la corriente de gas se realiza progresivamente hasta extraerse la totalidad del mismo. El perfil de temperatura muestra un ascenso de la misma hacia la parte baja de la torre, esto se debe a que en ese lugar es donde se extrae la mayor cantidad de CO2. La Fig. 4 presenta el perfil de temperatura en la torre regeneradora (el plato 1 corresponde a la cabeza y el plato 18 al fondo de la torre) en la cual se observa que alcanza un valor máximo de 124 °C en el reboiler. Es importante tener en cuenta el perfil de temperatura, ya que dicha variable no se debe elevar por encima de la temperatura de descomposición de la amina que es de 124 °C.

En la Fig. 5 se representa el perfil de concentración de CO2 en la corriente de DEA, el aumento brusco de la concentración en el plato 4 se debe a que ése es el plato donde se alimenta la corriente de amina a regenerar. Análisis de Sensibilidad para optimizar el proceso: Para el análisis de sensibilidad se consideran las siguientes variables críticas: presión en el reboiler y caudal de gas a tratar. Se proponen dos casos de estudio. Caso 1. Se modifica la presión del reboiler de la torre regeneradora y se observan los efectos de esta acción. El rango de variación de la presión fue de 2–3,8 kg/cm2. Variación de la temperatura de la corriente de amina. Este análisis permite determinar el límite para el valor de la presión de trabajo tal que no se produzca la degradación de la amina. Los resultados se observan en la Fig 6. Debido a que la máxima temperatura posible es 126 °C, la presión no debería superar los 2,3 kg/cm2 de presión.

Variación de la concentración de CO2 y DEA en amina regenerada Variación de la concentración de CO2 y DEA en amina regenerada. En este caso se obtuvieron los perfiles de concentración de CO2 y DEA. En el caso de CO2 hay una disminución a medida que aumenta la presión (y la temperatura), mientras que la composición de DEA se mantiene constante, como puede verse en la Fig 7. De este resultado y del anterior, se puede concluir que la presión óptima de trabajo desde el punto de vista de la eliminación del CO2 es de 2 kg/cm2. Caso 2. El segundo caso de estudio (cuyos resultados se presentan en la Fig. 8) se realizó en la torre absorbedora variando el flujo de gas a endulzar. El objetivo de este análisis es determinar un rango de operación de flujo de gas que ingresa a la torre para un caudal de amina fijo, tal que el gas endulzado cumpla con las especificaciones en cuanto su contenido de gases ácidos.

ANÁLISIS DE RESULTADOS: Se llevó a cabo la simulación de una planta de endulzamiento de gas natural para un gas característico de la región norte de Argentina, empleando las condiciones operativas características de este tipo de planta. La temperatura de la corriente de amina regenerada y la concentración de CO2 en dicha corriente son sensibles a los cambios de presión en el reboiler. Ante un aumento de la presión, la concentración de CO2 disminuye y a su vez la temperatura aumenta de manera proporcional. Para las condiciones de trabajo establecidas en la torre absorbedora, es posible aumentar el flujo de gas a tratar hasta en un 20% y obtener valores de concentración de CO2 en el gas dulce que se encuentran dentro de las especificaciones de transporte exigidas. Al aumentar el caudal de amina disminuye la concentración de CO2 en el gas dulce en forma sustancial hasta un valor determinado a partir del cual la disminución del gas ácido no es significativa, tomado este valor como el de operación de la planta.

Bibliografía: http://gresiq.es.tl/Teor%EDa.htm https://simulasistemas.wordpress.com/about/ rigel.galeon.com/materia.doc http://datateca.unad.edu.co/contenidos/223156/MODULO_EXE/leccin_61 .html http://computacionfcq.com/Raul/SimOptim-Apuntes.pdf https://prezi.com/i0rsxw0chwap/desarrollo-de-modulos-de-simulacion/ https://prezi.com/zhxuulxq3mcc/manejo-de-simuladores-comerciales/ http://aiquruguay.org/congreso/download/TL98.pdf