Elaborado por: Robert Montoya

robertmontoyar@gmail.com

OBJETIVOS

- DAR LAS BASES PARA SELECCIONAR EL SIMULADOR PARA EL DISEÑO DE PROCESOS, TOMANDO EN CUENTA CARACTERISTICAS Y LIMITACIONES

- AYUDAR A LA SELECCIÓN EN EL MODELO TERMODINAMICO.

PARADIGMAS EN EL USO DE HERRAMIENTAS DE CÁLCULO

DISEÑO DE PROCESOS

APLICACIONES DE SIMULACIÓN DE PROCESOS

�Detección de cuellos de botella en producción.

�Predicción de los efectos de cambios en las condiciones de operación y capacidad

de la planta.

�Optimización de las variables de operación.

�Entrenamiento de operadores e ingenieros de proceso.

�Optimización de l proceso cuando cambian las características de los insumos y/o

las condiciones económicas del mercado.

�Análisis de nuevos procesos para nuevos productos.

�Evaluación de alternativas de proceso para reducir el consumo de energia.

�Análisis de condiciones criticas de operación.

�Transformación de un proceso para desarrollar otras materias primas.

SIMULADORES COMERCIALES

DESING II WinSim, USA

HYSYS ASPEN TECHNOLOGY, CANADA

INTELLIGEN, GRECIA

PRO II Simulations Sciences, USA

HYSYS ASPENTECH, CANADA

Chemcad Chemstations USA

UNISIM honeywell USA

ASPEN PLUS

CHEMCAD

HYSYS

PRO II

DESIGN II

SUPERPRO DESIGNER

UNISIM

SIMULADORES COMERCIALES

Un aspecto muy importante en los simuladores de procesos, es la disponibilidad de

propiedades termodinámicas y de transporte de las corrientes del proceso, estas

propiedades son fundamentales para efectuar los balances de materia y energía al

grado de que si tenemos buenos datos o buenas correlaciones para las propiedades,

entonces los resultados de la simulación serán altamente confiables.

SIMULADORES COMERCIALES

entonces los resultados de la simulación serán altamente confiables.

Las corrientes del procesos pueden ser:

�Gases a baja y alta presión.

�Soluciones líquidas con componentes no polares, polares y electrolitos a baja y alta

presión.

�Sólidos en suspensión o finalmente divididos.

las propiedades se calculan a partir de ecuaciones de estado, Modelos de coeficiente de

actividad: modelos gama y modelos especiales

Modelos de Ecuaciones de estado

Las Ecuaciones de estado se aplican a fluidos normales (nitrógeno, oxígeno, monóxido

de carbono, hidrocarburos), CO2 H,S, H, y a sustancias de baja polaridad aun a presiones

altas, trabajan muy bien con componentes supercríticas.

Son continuas en la región de dos fases y predicen el equilibrio vapor-líquido, y se pueden

MODELOS DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

Las Ecuaciones de estado se aplican a sistemas no polares o ligeramente polares en todo el

intervalo de presión y los modelos de coeficiente de actividad se usan en sistemas que

contienen sustancias polares a presiones bajas (<10 bar).

Son continuas en la región de dos fases y predicen el equilibrio vapor-líquido, y se pueden

derivar una amplia gama de propiedades. La Ecuación de estado trabaja con los mismos

parámetros específicos en todo el intervalo de aplicación.

Una desventaja de las Ecuaciones de estado es que no se pueden aplicar a mezclas con

componentes polares, a moléculas grandes (polimeros) y electrolitos. Son muy sensibles

a las reglas de mezclado y a parámetros de interacción binaria que se deben determinar

de datos experimentales.

El uso de modelos de coeficiente de actividad en la fase liquida permite representar el

comportamiento no ideal de mezclas (especies fuertemente polares, polímeros,

electrolitos, componentes que forman enlaces de hidrógeno) a presiones bajas. Estos

modelos solamente se aplican a la fase liquida, por ello, es necesario utilizar una

ecuación de estado para representar la fase vapor (virial-Hayden-O'Connell, Redlich-

Kwong, etcétera).

Los parámetros binarios de los modelos de coeficiente de actividad son válidos únicamente

MODELOS DE COEFICIENTES DE ACTIVIDAD

Los parámetros binarios de los modelos de coeficiente de actividad son válidos únicamente

en el intervalo de temperatura y presión de los datos experimentales que se usaron para

estimarlos. Esta es una desventaja. Se debe tener mucho cuidado al aplicar estos modelos

fuera del intervalo de validez de los parámetros, especialmente en equilibrio liquido-

líquido. Si no se dispone de parámetros binarios para la mezcla se puede usar el modelo

predictivo UNIFAC.

Estos modelos se deben usar sólo a bajas presiones (<10 atm) A presiones mas altas (> 10

atm y < 20 atm) se puede utilizar una ecuación de estado válida a presiones altas para

representar la fase vapor.

MODELOS DE PROPIEDADES TERMODINÁMICAS

1) Sistemas de hidrocarburos pesados

Incluye destilación al vacio, FCC y destilación atmosferica.

HYSYS: Peng-Robinson with Lee-Kesler enthalpies, Grayson-Streed

PROVISION : Grayson-Streed, Soave RK

2) Sistema de hidrocarburos livianos:

RECOMENDACIONES BASADAS EN HYSYS Y PRO II

Esta categoria incluye plantas de recobro de gas y plantas fraccionadores de LGN

HYSYS: Peng-Robinson

PROVISION: Soave RK

3) Sistemas ricos en hidrogeno

Incluye en esta categoria Reformadores, hidrocraqueo, hidrotatamiento y plantas de

hidrogeno.

HYSYS: Peng-Robinson, Grayson-Streed

PROVISION: Soave RK (with SimSci alpha), Grayson-Streed

4) Sour Water Systems:

HYSIMI HYSYS: Peng-Robinson (Sour option)

PROVISION: Sour Method (modified Soave RK)

5) Hydrofluric Acid Systems:

HYSIMI HYSYS: Check with vendor

PROVISION: Hexamer Method

RECOMENDACIONES BASADAS EN HYSYS Y PRO II

PROVISION: Hexamer Method

6) Aromatic Extraction Systems:

A liquid phase activity coefficient model is necessary for these systems. Check with the

vendor for applicable system and necessary parameters.

8) Light Hydrocarbons Dissolved in Water:

These calculations rnay be needed for environrnental considerations. Check with the

vendor for applicability and specific recornmendations.

HYSIMI HYSYS: Kabadi-Danner SRK, Henry Constants

PROVISION: Kabadi-Danner SRK, Henry Constants

Para el diesel, crudo y compuestos pesados el numero posible de compuestos puede

ir desde 104 a 106 .

PRINCIPALES PROBLEMAS EN DEFINIR COMPONENTES

De la misma manera no existen métodos analíticos para describir con exactitud los

compuestos que se puedan derivar en las diferentes operaciones:

Cristalización.

En ASPEN TECH los sólidos pueden ser especificados como convencionales y no

convencionales dependiendo del tipo de operación unitaria que se este llevando a cabo.

En UNISIM los sólidos son identificados por componentes hipotéticos sin importar la

operación unitaria.

En los demás simuladores las corrientes de crudo se definen a través de la curva de

destilación ASTM D86, D1160 o también se puede realizar definiendo el speudo-

componente.

Cristalización.

Secado

Manejo de hidratos

Sales de minerales

RECOMENDACIONES

1. Evite utilizar métodos predictivos de contribución de grupos (UNIFAC). Procure, desde el principio de la

simulación, utilizar datos experimentales aunque parezca más atractivo hacer uso de UNIFAC.

2. Verifique que los parámetros de interacción de los compuestos involucrados en su sistema y que tal

vez estén pre-cargados en su simulador, se hayan obtenido a partir de regresión de datos que cubran

el intervalo de posibles condiciones de presión. temperatura y composición, o utilice cuantos grupos

de parámetros distintos sean necesarios para las distintas secciones de su simulación.de parámetros distintos sean necesarios para las distintas secciones de su simulación.

3. Procure utilizar todos los grupos de datos experimenta les que haya podido conseguir para realizar una

regresión, aunque no todos estén dentro del intervalo de condiciones de su aplicación.

4. Cuando utilice el coeficiente de actividad en fase liquida y no cuente con parámetros de interacción

binaria, asegúrese de realizar una regresión de datos de equilibrio liquido-vapor y entalpías de

mezclado.

6. Para sistemas altamente no ideales en fase líquida y a a altas presiones, es preferible utilizar una

ecuación de estado con corrección de la presión de vapor como función de la temperatura. No

utilizar una ecuación para el coeficiente de actividad en fase liquida y una ecuación de estado para la

fase vapor.

ANÁLISIS DE SENSIBILIDAD

Un análisis de sensibilidad es la observación de la condición de un proceso

consecuente a la variación de una variable simple de proceso (derivación

parcial)

� Se puede realizar una sensibilidad para cada variable

� Se puede observar el efecto de la variación en varias condiciones del proceso

� El análisis de sensibilidad es de gran importancia para determinar la variable

más “sensible” para una optimización del proceso

� Normalmente son preparadas las gráficas de los resultados

El análisis de sensibilidad ….

� Identifica sensibilidades claves y sus consecuencias en ingeniería (eficiencia vs.

estructura)

� Se enfoca en lo que es más importante (es decir cual tiene un efecto serio)

� Consecuentemente ubica márgenes de diseño

OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

• Es el procedimiento que permite encontrar las mejores condiciones

en términos de una función objetivo bien definida

• La función objetivo puede ser:

– Consumo de energía

– Costo de operación

– Costo de equipo– Costo de equipo

– Impacto ambiental

– ….

• El número de variables es más de una

• Puntos de atención:

– Mínimos múltiples

– Ruta factible y no factible

– Convergencia numérica

SIMULACIÓN DINÁMICA

La simulación dinámica estudia el comportamiento del sistema con

respecto al tiempo como variable independiente, es decir, es la

representación del estado de proceso en function del tiempo.

NECESIDAD

Cualquier planta química opera en estado dinamico o transitorio, Cualquier planta química opera en estado dinamico o transitorio,

debido a que uno verdaderamente estacionario nunca puede ser

alcanzado en la practica

Una gran variedad de problemas industriales importantes son de carácter dinámico, tal como los arranques y paros de equipos, reacciones o procesos por lotes, cambios de un conjunto de operaciones, perturbaciones en las condiciones de operación, etc., por esto, aquí se enfatizará el desarrollo de los modelos dinámicos de procesos y la metodología de so lución.

OTROS SIMULADORES EN DISTINTAS APLICACIONES

- Intercambiadores de calor: HEXTRAN, HTRI y HTFS

- Sistema de alivio y venteo: INPLANT, VISUAL FLOW, ASPENFLARE

-Diseño hidráulico tuberías de proceso: PIPEPHASE, HYSYS, PRO

II y PIPISIM.