simulación_01
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UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA E INDUSTRIAS ALIMENTARIAS
SIMULACION DE PROCESOS ALIMENTARIOS
ING. ALIMENTOS
SIMULACION DE PROCESOS
• Consiste en representar una parte del mundo que nos rodea utilizando expresiones matemáticas que sirvan para predecir su comportamiento y de esta forma facilitar su estudio.
SIMULACION DE PROCESOS
• Para crear un modelo es necesario tener informacion sobre :- Los compuestos químicos presentes en el sistema, para poder calcular sus propiedades químicas y la de sus mezclas.- Las operaciones unitarias presentes y sus parámetros de diseño.- La conectividad de las operaciones unitarias- Las especificaciones de las corrientes de entrada y salida
SIMULACION DE PROCESOS
• Para crear un modelo es necesario tener informacion sobre :- Los compuestos químicos presentes en el sistema, para poder calcular sus propiedades químicas y la de sus mezclas.- Las operaciones unitarias presentes y sus parámetros de diseño.- La conectividad de las operaciones unitarias- Las especificaciones de las corrientes de entrada y salida
SIMULACION DE UN PROCESO
Los problemas de modelamiento predicen las condiciones de salida en función de las de entrada. En este sentido para resolver un problema de simulación este debe estar completamente especificado (conocer todos los grados de libertad)
DIAGRAMA DE FLUJO
Entradas Salidas
Condiciones de
operación
Parámetros de diseño de equipos
PARA QUE SIRVEN LOS SIMULADORES DE PROCESOS
Los simuladores de procesos comerciales como Chemcad, Hysys, ProII, Superpro designer son herramientas que permiten resolver, una vez fijados los grados de libertad, el balance de materia y energia. Su ventaja radica en que utiliza modelos termodinámicos complejos que prevén el equilibrio de fases y las propiedades físicas (entalpia, densidad, viscosidad, etc) y utilizan modelos rigurosos del comportamiento de las operaciones unitarias, por lo que se obtiene un importante ahorro de tiempo durante el diseño.
PARA QUE SIRVEN LOS SIMULADORES DE PROCESOS
La lógica interna de un simulador requiere de una serie de etapas que es preciso realizar en cierto orden y que requiere que el usuario tome alguna decisión, respaldada por criterios técnicos. Es por ello que resulta fundamental comenzar recopilando la información, sin necesidad de utilizar el ordenador.
PARA QUE SIRVEN LOS SIMULADORES DE PROCESOS
Inicio :Unidades,
tipo de informes
Establecimiento de la
estrategia de control
Dimensionado de equipos
Establecimiento del diagrama de
flujo
Definición de bloques : grados de libertad
Definición de corriente : q, T, p y xi o qj,
T y P.
Componentes :
Nuevos o de la base de
datos
Modelado de estimación de
propiedades fisicas:EDE o Yi
Mapa de ruta en simulación de procesos. EDE : ecuaciones de estado; yi: coeficiente de actividad de la fase liquida.
ESTRATEGIAS DE SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO
Los simuladores de procesos se puede dividir en función de la estrategia de calculo :
Simuladores modulares-secuenciales : Es la estrategia de calculo que primero aparece y continua siendo la mas utilizada como por ejemplo por los simuladores : Aspen Plus, Hysys. Los cálculos se realizan por bloques, obteniendo los valores de saluda en función de los valores de entrada, los parámetros de diseño y las condiciones de operación.
ESTRATEGIAS DE SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO
Esto significa que para resolver un diagrama de flujo es necesario descomponer el proceso en trozos (particionado) y determinar su orden de resolución.
En Caso de que existan bucles, es necesario seleccionar corrientes de ruptura. Los valores de las sucesivas iteraciones se obtienen a partir de métodos numéricos.
ESTRATEGIAS DE SIMULACION EN ESTADO ESTACIONARIO
Simuladores basados en ecuaciones : Todas las operaciones unitarias del diagrama de flujo se representan en forma de sistema de ecuaciones, que se resuelven simultáneamente.
Ejemplos de este tipo de simuladores : gPROMS o SPEED-UP . Esta estrategia de calculo es altamente dependiente del problema en particular que se va a resolver, por lo que su formación es una tarea compleja.
Los aspectos mas importantes son el tamaño del problema, el análisis del grado de libertad y la determinación de los sistemas no lineales.
DESCRIPCION DE LOS DIAGRAMASDE FLUJO
Para resolver un diagrama de flujo es necesario determinar la secuencia en que se va a resolver un problema.
Para ello el primer paso es determinar el numero de bucles y particiones del diagrama de flujo, aplicando algoritmo de Sargent y Westerberg.
DESCRIPCION DE LOS DIAGRAMASDE FLUJO
1. Siguiendo la direccion de las corrientes de salida, ir de un equipo al siguiente. Parar cuando :
Un equipo reaparezca. En este caso todas las unidades forman un bucle.
Un equipo sea el final del proceso.
2. Contar el numero de equipos encontrados. Cada uno de los grupos detectados forma una partición.
3. Identificar los grupos formados por un único equipo. Añadir estos equipos a la lista de particiones.
CONVERGENCIA
Los modelos matemáticos que describen las operaciones unitarias son conocidos, al igual que las ecuaciones que describen los métodos termodinámicos.
Utilizando simuladores de proceso comerciales mas temprano que tarde aparecerán problemas de convergencia. Algunos de estos problemas se pueden resolver con la ayuda de los mensajes que nos proporciona el simulador cuando aparecen problemas :
CONVERGENCIA
Los simuladores de procesos utilizan algoritmos de convergencia diferentes para realizar los cálculos si en el sistema hay dos o tres fases, por lo que la eficacia del calculo se ve incrementada si se le proporciona esta información a priori.
Un caso habitual es confundir los problemas de convergencia y los derivados de problemas con las propiedades físicas.
Por ejemplo : en una columna de rectificación el mensaje del simulador es “no converge”, pese a que puede venir motivado por la presencia de un azeotropo imposible de superar.
El modelo termodinamico seleccionado debe ser adecuado para el tipo de compuestos y condiciones de trabajo. Por ejemplo el modelo Wilson no puede detectar el equilibrio liquido-liquido.
CONVERGENCIA
En caso de poder proporcionar valores estimados, la convergencia mejorará, puesto que dichos valores serán utilizados en la primera iteración . Por ejemplo en una columna de destilación normalmente basta proporcionar las temperaturas de cabeza (subestimar de 1 a 5°C) y de fondo (sobrestimar de 1 a 5°C).
SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINAMICO
Familia de Modelos Termodinámicos
Ideal
ModelosPredictivos
Modelos de estimación
del coeficiente
de actividad (Yi)
Agua/Vapor
Ecuaciones de Estado
Correlaciones
ModelosEspeciales
SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINAMICO
Comparación entre las ecuaciones de estado y los modelos de coeficientes de actividad (gi)
ECUACIONES DE ESTADO MODELOS DE ESTIMACION DE Yi
Capacidad de predicción limitada para mezclas fuertemente no ideales
Puede representar a mezclas altamente ideales (P<10 atm). Si P>10 atm, usar metodos predictivos.
Menor numero de parámetros necesarios
Requiere un elevado numero de parámetros binarios
Razonable extrapolación con la temperatura.
Parámetros binarios altamente dependientes de la temperatura
Consistente en la región critica
Inconsistente en la region critica
SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINAMICO
Seleccionar un modelo termodinámico implica que dicho modelo se utilizará para predecir absolutamente todas las propiedades, tanto de los compuestos puros como de sus mezclas, en cualquier condición de precisión y temperatura.
SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINAMICO
Hay algún componente polar en el sistema?
Utilizar un modelo de
estimación de Yi
Hay gases ligeros o modelos
supercríticos en el sistema?
Utilizar un modelo de estimación deYi, ley de
Henry
Utilizar una ecuación de
estado
Las condiciones de operación están cerca de las condiciones
criticas de la mezcla?
SI
NO
NO
NO SI
SI
Selección de modelos termodinámicos ante las situaciones mas comunes.
SELECCIÓN DEL MODELO TERMODINAMICO
Aplicabilidad de los modelos termodinámicos mas comunesMETODO APLICACION RESTRICCIONES
IDEAL Mezclas de compuestos similares, especialmente apolares, a presiones bajas (<2 atm)
No aplicable para sistemas moderadamente no ideales. No aplicable a presiones moderadas.
SOAVE REDLICH-KWONGPENG - ROBINSON
Refinerías (especialmente si hay gran cantidad de ligeros),procesado de gases, procesado de gas natural. T-P moderadas altas.
No aplicable para sistemas altamente no ideales.
SRK MODIFICADO Sistemas con ELLV con alta solubilidad. Recomendado si los gases supercríticos >5% molar.
WILSON Sistemas moderadamente no ideales a presiones moderadas.
No aplicable para ELL
VAN LAAR Sistemas moderadamente no ideales a presiones moderadas.
No aplicable para sistemas con desviaciones positivas de la Ley de Raoult.
NRTL/UNIQUAC Sistemas altamente no ideales a presiones moderadas
No aplicable si los gases supercríticos > 5% molar.
SIMULACION DINAMICA Mientras que la simulación en estado
estacionario se utiliza fundamentalmente para diseñar equipos, las aplicaciones de la simulación dinámica son mas amplias.
En procesos discontinuos se utiliza para evaluar la eficacia y la estabilidad de un proceso frente a las perturbaciones de operación típicas, mientras que en procesos continuos su función es mejorar la operación durante la puesta en marcha y parada.