SIMULADORES DE PROCESOS

Simulación de procesos

Introducción

La simulación de procesos es una de las más grandes herramientas de la ingeniería, la cual se utiliza para representar un proceso mediante otro que lo hace mucho más simple e entendible. Esta simulación es en algunos casos casi indispensable, como nos daremos cuenta a continuación. En otros casos no lo es tanto, pero sin este procedimiento se hace más complicado.

 Dentro de la estrategia general d la ingeniería de procesos, diseño de procesos puede considerarse constituido por tres etapas: Síntesis de procesos, simulación de procesos y optimización.

Síntesis de procesos, está la etapa en la cual se crea la estructura básica de un diagrama de flujo; esto es, se seleccionan a ser utilizados, con sus correspondientes interconexiones, y se establecen sus valores iniciales de las condiciones operación.

Simulación de procesos, es la etapa en la cual se requiere solucionar balances de materia y energía para un proceso en estado estacionario, calcular dimensiones y costos de los equipos y efectuar una evaluación económica preliminar del proceso.

La optimización, puede ser paramétrica, modificando parámetros tales como presión o temperatura, o estructural cuando se hacen modificaciones al diagrama de flujo involucrado a los equipos y/o sus interconexiones.

El resultado de estas tres etapas tres etapas es el diagrama flujo de proceso en una forma no definida puesto que se continuara ahora con lo que se conoce como la ingeniería de detalle, la cual implica aun una enorme cantidad de trabajo.

Definición

Puede ser definida como una técnica para evaluar en forma rápida un proceso con base en una representación del mismo, mediante modelos matemáticos. La solución de estos se lleva a cabo por medio de programas de computadora y permite tener un mejor conocimiento del comportamiento del dicho proceso. El número de variables que aparecen en la descripción matemática de una planta de proceso química puede ser tan grande como 100000, y el número de ecuaciones no lineales que deben resolverse puede ser del orden de miles, por lo tanto la única forma viable de resolver el problema es por medio de una computadora.

Aplicación de simulación de procesos         

La simulación de procesos químicos es una herramienta moderna que se ha hecho indispensable para la solución adecuada de los problemas de proceso. Permite efectuar el análisis de plantas químicas en operación y llevar a cabo las siguientes tareas, las cuales son comunes en las diversas ramas de la industria química:

Ø  Detección de cuellos de botella en la producción.

Ø  Predicción de los efectos de cambios en las condiciones de operación y capacidad de la planta.

Ø  Optimización de las variables de operación.

Ø  Optimización del proceso cuando cambian las características de los insumos y/o las condiciones económicas del mercado.

Ø  Análisis de nuevos procesos para nuevos productos.

Ø  Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo de energía.

Ø  Análisis de condiciones críticas de operación.

Ø  Transformación de un proceso para desarrollar otras materias primas.

Ø  Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevos procesos.

Ø  Optimización del proceso para minimizar la producción de desechos y contaminantes.

Ø  Entrenamiento de operadores e ingenieros de proceso.

Ø  Investigación de la factibilidad de automatización de un proceso, etc.

                                             

La variedad de aplicaciones de los simuladores de procesos es muy grande, anteriormente sólo los usaban ingenieros que diseñaban procesos, ahora manejan simuladores los ingenieros ambientales, ingenieros de proceso y hasta ingenieros de planta en su lugar de trabajo; ingenieros con poca o ninguna instrucción de programación pueden modelar procesos complejos.

En principio, la simulación de procesos puede ser útil en todas las etapas del desarrollo de un proyecto industrial. En las diferentes etapas de un proyecto, puede haber necesidad de realizar simulaciones con diferentes niveles de sofisticación. La simulación de procesos puede usarse en las siguientes etapas de desarrollo de un proyecto industrial:

1. Investigación y Desarrollo.

2. Etapa Crítica en la Toma de Decisiones.

3. Planta Piloto.

4. Diseño.

5. Simulación de Plantas Existentes.

6. Deseabilidad Económica.

7. Caracterización del Proceso.

8. Entendimiento del Comportamiento y Mecanismos Significativos del Proceso.

Hay tres tipos de problemas que pueden resolverse por medio de la simulación de procesos.

1.En la simulación de un problema (análisis), deben especificarse las variables asociadas con las corrientes de alimentación y las variables de diseño de los módulos unitarios. Las incógnitas son las variables asociadas con todas las corrientes adicionales y con las corrientes de producto que salen del proceso. Es decir, se conocen las alimentaciones y los parámetros de los equipos, y las incógnitas son las condiciones de las corrientes de salida.

2.El problema de diseño, es similar al problema de la simulación, excepto que algunas de las variables de diseño no están especificadas y se imponen restricciones a algunas variables de las corrientes (regularmente solo restricciones de igualdad). El número de restricciones es igual al número de variables de diseño sin especificar. En el diseño se conocen las alimentaciones y las condiciones principales de las corrientes de salida, i las incógnitas son las dimensiones y especificaciones de algunos parámetros de los equipos.

3.En el problema de optimización, las variables asociadas con las corrientes de alimentación y las variables de diseño pueden no estar especificadas, entonces es necesario agregar una función de costos al modelo. Las variables sin especificar se determinan de modo que se minimizan la función objetivo. En este caso se pueden especificar restricciones de igualdad y desigualdad.

Simuladores comerciales

Existe una gran variedad de simuladores comerciales de procesos, algunos de los cuales son poderosas herramientas de cálculo en procesos industriales, con enormes bases de datos y un fuerte respaldo de bibliotecas para cálculos de equipos y bibliotecas de modelos para cálculos termodinámicos, que le dan al simulador la ventaja de una gran versatilidad. Algunos de estos simuladores de procesos de propósitos generales son:

1. Pipephase (de Invensys, USA)

2. Pro II (de Invensys, USA)

3. Dynsim (de Invensys, USA)

4. Hysys (de Hyprotech, Canadá)

5. Aspen Plus (de Aspen Technology, USA)

6. Chemcad (de Chemstations, USA)

7. Design II (de WinSim Inc., USA)

8. Coco (Cape open, Libre distribución)

9. IQuimiCad (libre distribución, Peru), y otros.

La mayoría de ellos son simuladores de procesos en estado estable, que pueden expandirse a la simulación de procesos en estado transitorio (simulación dinámica) con la adición de un modulo (dinámico) que se obtiene por separado.

Un aspecto muy importante en los simuladores de procesos, es la disponibilidad de los diferentes equipos usados en la industria de procesos, así como la disponibilidad de propiedades termodinámicas y de transporte de las corrientes del proceso.

Los simuladores modernos deben permitir la selección de los modelos de propiedades termodinámicos adecuados para la naturaleza de los componentes químicos, estado de agregación y condiciones de operación.

Limitaciones  

Hay algunas limitaciones definidas de la simulación de procesos de las cuales el ingeniero debe estar consciente. Estas incluyen las siguientes:

1. Falta de buenos datos y falta de conocimiento de mecanismos del proceso.- el éxito de la simulación de procesos depende fuertemente de la información básica que el ingeniero tiene disponible.

2. El carácter de las herramientas computacionales.- hay ciertos tipos de conjuntos de ecuaciones que todavía poseen grandes dificultades pra ser resueltos por los métodos numéricos. Estos incluyen algunas ecuaciones algebraicas no lineales y ciertas ecuaciones diferenciales ordinarias y parciales no lineales.

3. El peligro de olvidar las suposiciones hechas en el modelado del proceso. esto puede conducir a poner mucho (o poco) énfasis en ciertos resultados.

Estrategia General para la Simulación de Procesos

Definición.

La estrategia general para la simulación de procesos complejos sigue una ruta bien definida que consiste de los pasos de sentido común dados en el diagrama de bloques acompañante.

Note que la información viaja en ambas direcciones, indicando la naturaleza adaptativa del desarrollo de alguna simulación exitosa.