Presentaci

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Tema 3 Simulación estacionaria.
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Indice

• 1. Ingeniería de procesos asistida por ordenador.
• 2. Diagramas de flujo en estado estacionario
• 3. Métodos de Resolución
• 4. Introducción a Aspen Plus

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1. Ingeniería de procesos asistida por ordenador
(CAPE).
Procesos-diagramas de flujo
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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
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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)gt0

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El segundo paso es resolver el modelo para

• Obtener el estado estacionario del modelo
  (simulación en estado estacionario o process
  flowsheeting). Implica resolver un sistema de
  ecuaciones algebraicas no lineales (AEs).

• 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).

• 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

• Ajustar datos inconsistentes o redundantes de
  planta. Reconciliación de datos.

• Emplear datos de planta para obtener parámetros
  del modelo. Estimación (estática o dinámica) de
  parámetros.

• Determinar cómo deben variar ciertas variables
  (entradas) para optimizar el funcionamiento de
  alguna unidad. Optimización dinámica.

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El segundo paso es resolver el modelo para

• Obtener el estado estacionario del modelo
  (simulación en estado estacionario o process
  flowsheeting). Implica resolver un sistema de
  ecuaciones algebraicas no lineales (AEs).

• 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).

• 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

• Ajustar datos inconsistentes o redundantes de
  planta. Reconciliación de datos.

• Emplear datos de planta para obtener parámetros
  del modelo. Estimación (estática o dinámica) de
  parámetros.

• Determinar cómo deben variar ciertas variables
  (entradas) para optimizar el funcionamiento de
  alguna unidad. Optimización dinámica.

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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,...
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• 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.
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2. Diagramas de flujo en estado estacionario
Muy empleada en la etapa de diseño del proceso.
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Funcionalidades de los simuladores en estado
estacionario.
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.
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Simulación y análisis de sensibilidad
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Diseño de especificación
14
Optimización
15
Síntesis de procesos
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Arquitectura de software de un entorno de
modelado y simulacion.
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Pasos para realizar una simulación.
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
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1 Definir la estructura del diagrama de flujo.
Qué unidades participan y los flujos (corrientes)
de materia y/o energía entre ellas..
Corrientes
Bloques
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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,...
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Secuencial Modular vs. Orientado a ecuaciones
Secuencial Modular Orientado a ecuaciones
Se simula una unidad cada vez Se resuelven todas las unidades a la vez
Se descompone el diagrama de flujo Ordenación de ecuaciones
Iterar en las corrientes de rasgado Se actualizan todas las incógnitas simultáneamente
Menos flexible, más robusto Más flexible, menos robusto
Inicialización es importante Inicialización es muy importante
No necesita mucho almacenamiento Requisitos de almacenamiento grandes.
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.
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Procedimiento de resolución secuencial modular
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Reciclo
Problemas de convergencia. Procedimiento
iterativo Tearing.
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.
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Realizar la simulación del sistema de forma
gradual. Utilizar resultados de simulaciones
anteriores (más sencillas) para las nuevas
simulación