c Simulacion Dfi Intro 2012a Coatza

Simulacin de ProcesosMaestra en Ingeniera de Procesos Facultad de Ciencias Qumicas, Universidad Veracruzana

Dr. Anselmo Osorio Mirn (FCQ-UV) [email protected]

La simulacin de procesos tiene una relacin estrecha con el desarrollo de las computadoras.

Primera Computadora Electrnica Operativa: Primera Computadora Comercial: MICROPROCESADORES Invencin y desarrollo de los microprocesadores (1951)

ENIAC (1946)

Mtodos Precomputadora

Algoritmos Numricos ProgramadosFLOWTRAN (1974)

Primer Simulador de Procesos Qumicos: Simuladores Comerciales:

SPEED UP, ASPEN PLUS, PRO II, HYSYM, HYSYS, CHEMCAD, y otros


Ventajas de la Simulacin: Cuando no existe una formulacin matemtica Existe una formulacin matemtica, pero es difcil obtener una solucin analtica No existe el sistema real Los experimentos son imposibles debido a impedimentos econmicos, de seguridad, de calidad o ticos El sistema evoluciona muy lentamente o muy rpidamente Desventajas: El desarrollo de un modelo puede ser costoso, laborioso y lento Existe la posibilidad de cometer errores No se puede conocer el grado de imprecisin de los resultados.

reas de aplicacin:Procesos de manufactura Plantas industriales Sistemas pblicos Sistemas de transportes

Construccin Diseo Educacin Capacitacin


Proceso Real

INGENIERA DE PROCESOS Anlisis y Diseo de Procesos

Anlisis y/o Diseo

Desarrollo Bsico para simulacin del proceso

Mdulos de simulacin que representan los equipos del proceso - Reactores - Cambiadores de calor - Columnas de destilacin, etc.

Programas de cmputo que resuelven el equipo con referencia al balance de materia y energa

Conocimiento terico del equipoOperaciones unitarias Ing. de reactores Cintica y catalisis Termodinmica Flujo de Fluidos, etc.

Determinacin de propiedades termodinmicas

Criterios de Diseo

Paquete de propiedades termodinmicas

Banco de Datos

Modelos Predictivos para el clculo de propiedades termodinmicas

Correlaciones

Modelos de solucin

Ecuaciones de estado


Diseo de un procesoPasos a seguir en el diseo o sntesis de un proceso:Concepcin y definicin

Desarrollo del diagrama de flujo del proceso (Flowsheet)

Diseo de Equipo

Anlisis Econmico Reporte

Optimizacin


Sntesis de un proceso (cont.)



Construccin (Simulacin) de Diagramas de Flujo en la Computadora



Simulacin por Computadora:Un Simulador es un programa de cmputo llamado Programa de Simulacin ENTRADAS PROPUESTAS SIMULADOR SALIDAS ESTIMADAS

Un programa de simulacin est compuesto por las partes siguientes: UN MODELO, conjunto de ecuaciones, reglas lgicas o un modelo estadstico EL EVALUADOR, procesamiento del modelo para obtener resultados de la simulacin LA INTERFAZ, interaccin con el usuario, ingreso de datos y acceso a resultados SISTEMAS: Definicin de Sistemas para Estudios de SimulacinSISTEMA Frontera Componentes Reglas de interaccin Estticas o Estructurales Dinmicas o Funcionales

Proceso: Conjunto de 3 actividades dentro del sistema El sistema puede ser fsico o simblico Las propiedades de los componentes se denominan atributos (Variables o Parmetros). Los valores de los atributos determinan el estado del sistema. Estable Esttico o Estacionario Inestable Estado Dinmico o Transitorio

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Clasificacin de Variables: Variables de entrada o exgenas: Manipulables (U) y Perturbaciones (D). Variables de salida (Y): informacin que sale del sistema, son las variables medidas Variables internas: son variables que no son de entrada, ni de salida, ni parmetros. Variables de Estado (X): conjunto mnimo de variables internas que describen totalmente el estado interno del sistema en un momento dado.

Clasificacin de Sistemas:

Por lo predecible de su conducta: Determnistico o Estocstico

Si se involucra al tiempo: Continuo o Discreto

Por la distribucin espacial de sus atributos: Parmetros concentrados o Parmetros distribuidosUN MODELO ES UN SISTEMA


MODOS DE SIMULACIN: Cuando se simula se experimenta con un modelo para obtener ciertos resultados

ANLISIS: Las variables de salida del modelo representan alas variables de salida del sistema real. Se utiliza para estimar la respuesta del sistema real ante entradas y parmetros especificados. DISEO: Las salidas del modelo representan a los parmetros del sistema real. Se utiliza en la etapa de diseo de un equipo donde el problema es determinar los parmetros para los cuales el sistema producir las salidas deseadas para las entradas especificadas. CONTROL: Las variables de salida del modelo representan a las variables de entrada del sistema real. Sirve para determinar los valores que debern adoptar las entradas del sistema para producir los resultados deseados.

P U D U D

P U D

P

XModo Anlisis

Y

XModo Diseo

Y

XModo Control

Y

Clasificacin de los mtodos de simulacinHerramienta de SimulacinCUALITATIVA

CaractersticasEstudio de relaciones causales y tendencias temporales de un sistema, Propagacin de perturbaciones a travs de un proceso dado. Describe numricamente el comportamiento de un proceso, a travs de un modelo matemtico Implica resolver los balances de un sistema no involucrando la variable temporal +, -, 0

Valores de Trabajo

AplicacinAnlisis de tendencias, supervisin y diagnosis de fallas, anlisis e interpretacin de alarmas, control estadstico de procesos.

CUANTITATIVA

Solucin de los balances de materia, energa y cantidad de movimiento, junto a las ecuaciones de restriccin que imponen aspectos funcionales y operacionales del sistema.

Abarca principalmente la simulacin en estado estacionario y en estado dinmico.

En ESTADO ESTACIOARIO

El modelo reflejara las variaciones de las variables de inters con las coordenadas espaciales (modelos a parmetros distribuidos). Sistemas de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales (segn el numero de coordenadas espaciales consideradas). En simuladores comerciales generalmente se utilizan modelos a parmetros concentrados. Sistema de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales, abarcando tanto las coordenadas espaciales como la temporal (parmetros distribuidos)

Variacin radial de la composicin en un plato en una columna de destilacin. Variacin de las propiedades con la longitud y el radio en un reactor tubular, etc. Comportamiento de equipos batch. Analizar la evolucin del transiente entre dos estados estacionarios para un equipo o una planta completa. Separacin de mezclas multicomponentes.

DINMICA

Balances dependientes del tiempo


ContinuacinHerramienta de Simulacin DETERMINISTICA Caractersticas Valores de Trabajo Aplicacin

Las ecuaciones dependen de parmetros y variables conocidos con certeza

No existen incertidumbres ni leyes de probabilidades.

Anlisis de tendencias, supervisin y diagnosis de fallas, anlisis e interpretacin de alarmas, control estadstico de procesos.

ESTOCASTICA

Ciertas variables estarn sujetas a incertidumbre, que podr ser expresada por funciones de distribucin de probabilidad.

Los resultados del modelo estarn asociados a una ley de probabilidad.

Abarca principalmente la simulacin en estado estacionario y en estado dinmico.

CONTINUA

Las variables de inters tienen un comportamiento continuo

Las relaciones funcionales entre las variables del sistema solo permiten que el estado evolucione en el tiempo en forma continua.

Simulacin en estado estacionario

EVENTOS DISCRETOS

Existen variables de inters que no tienen un comportamiento continuo.

Existen numerosos procesos que slo pueden simularse desde este punto de vista.

La simulacin o diseo de plantas batch multiproducto o multipropsito, o ambas simultneamente, poseen caractersticas que imponen un modelo discreto para contemplar ciertos eventos de inters.


(Enfoques para la simulacin de sistemas- Ejemplos)

Arquitectura general de un sistema tpico de simulacin de procesos qumicos

Tipos de simuladoresSIMULADORES DE PROCESOS EN ESTADO ESTACIONARIOModulares secuenciales V.S. Simuladores globalesDe acuerdo al planteamiento del modelo matemtico del proceso a simular, se clasifican en:

- simuladores globales u orientados a ecuaciones - simuladores secuenciales modulares - simuladores hbridos o modular secuencial-simultneo ENFOQUE SIMULACIN GLOBAL U ORIENTADA A ECUACIONES: El modelo matemtico es un gran sistema de ecuaciones algebraicas que representa a todo el conjunto o planta a simular. El problema es resolver un gran conjunto de ecuaciones algebraicas, por lo general altamente no lineales. Por ejemplo: Problemas tpicos de destilacin multicomponente por mtodos rigurosos, el sistema puede contener mas de mil variables. Problema asociado: La convergencia del sistema y consistencia de las soluciones. Inicializaciones apropiadas. Ventaja: Se puede alcanzar velocidad de convergencia cuadrtica. Incorporar funciones de restriccin y plantear funciones de optimizacin.


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