expo simulacion

Author: ovidio-dguez-dc

Post on 03-Apr-2018

225 views

Category:

Documents


0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    1/27

    INGENIERA DE PROCESOS.

    Catedrtico:M. C. Miriam Snchez de Dios.

    UNIDAD 3:SIMULACIN.

    Expositores:Domnguez De La Crz Ovidio .

    Teapa, Tabasco, a 11 de Abril de 2013.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    2/27

    UNIDAD 3. SIMULACIN.

    1. Introduccin a la Simulacin.2. Criterios de estabilidad.

    3. Determinacin de la sensibilidad.

    4. Mtodos de convergencia.

    5. Simulacin de operaciones de transferencia de materia

    6. Simulacin de operaciones de transferencia de energa.

    7. Simulacin de reactores qumicos.

    8. Programas comerciales de simulacin.

    9. Introduccin al uso de simuladores comerciales: Aspen, Hysim,

    Superpro, Biopro, MathLab, Simnon, Hysys, Simulink, entre otros.

    10.Aplicacin de simuladores comerciales.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    3/27

    SIMULACIN.

    Es un proceso numrico diseado para experimentar el

    comportamiento de cualquier sistema en una

    computadora a lo largo del tiempo, en base a modelos

    matemticos y lgicos diseados par tal fin.

    Permite estudiar el sistema real sin

    deformarlo, generando una visin mucho

    ms profunda y detallada que cualquiermodelo analtico o numrico.

    Simulacin es el proceso de disear y

    desarrollar un modelo de un sistema oproceso real y conducir experimentos

    con el propsito de entender el

    comportamiento del sistema o evaluar

    varias estrategias (dentro de lmites

    impuestos por un criterio o conjunto de

    criterios) para la operacin del sistema.

    La simulacin es un proceso

    numrico diseado paraexperimentar el comportamiento de

    cualquier sistema en una

    computadora a lo largo del tiempo,

    en base a modelos matemticos y

    lgica diseados para tal fin.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    4/27

    Necesidad.

    Sntesis del proceso.

    Simulacin del proceso.

    Diagrama de flujo delproceso.

    Optimizacin.

    Paramtrica

    EstructuralEvaluacin

    econmicapreliminar

    Balances demateria y energa

    Dimensiones ycostos

    Figura 1.DISEO DE PROCESOS.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    5/27

    SIMULACIN DE PROCESOS DE FABRICACION DE PASTAS Y PAPEL.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    6/27

    ANLISIS DE SENSIBILIDAD POR SIMULACIN DEL PROCESODE DESHIDRATACIN DE UNA PLANTA DE ACONDICIONAMIENTO DE GAS NATURAL.

    PROCESO DE DESHIDRATACIN DE GAS NATURAL UTILIZANDO TRIETILENGLICOL(TEG).

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    7/27

    Ventajas. Desventajas.

    1. Una vez construido, puedeser modificado de manera

    rpida.

    2. Generalmente es msbarato mejorar el sistema

    va simulacin, que

    hacerlo directamente en el

    sistema.

    3. Es mucho ms sencillocomprender y visualizar.

    4. En algunos casos, lasimulacin es el nicomedio para lograr una

    solucin.

    1. En una computadora soncostosos y requieren

    mucho tiempo para

    desarrollar y validarse.

    2. Se requiere gran cantidadde corridos

    computacionales para

    encontrar soluciones

    ptimas.

    3. Son difciles de aceptar.

    4. No dan solucionesptimas.

    5. La solucin, puede dar alanalista un falso sentido

    de seguridad.

    Ventajas y desventajas de los modelos de simulacin.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    8/27

    Aplicaciones de la simulacin.

    Aplicacin en Industrias: Industria petroqumica, qumica, refinado del petrleo,combustible sintticos, pulpa, papel, cemento, metales, minerales, alimentos, etc.

    Aplicacin empresarial de la simulacin: Procesos de fabricacin, logstica,transporte, sanidad, negocios, servicios general (pblicos, gestin de restaurantes,

    banca, empresas de seguros, etc.), etc.

    Aplicacin en la Industria Qumica:Deteccin de cuellos de botella en la produccin.

    Prediccin de efectos de cambio en las condiciones de operacin y capacidad de

    la planta.

    Optimizacin de las variables de operacin.

    Optimizacin del procesos cuando cambian las caractersticas de los insumos y/o

    las condiciones econmicas del mercado.Anlisis de nuevos procesos para nuevos productos.

    Optimizacin del procesos para minimizar la produccin de desechos y

    contaminantes.

    Anlisis de condiciones crticas de operacin.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    9/27

    Programas comerciales de simulacin.

    La tendencia de actual va hacia el desarrollo de nuevas

    tcnicas que permitan una mayor economa, una mayor

    seguridad y fiabilidad de operacin, una mayor dinmica deoperacin y, sobre todo ahorro de energa, y una menor

    contaminacin.

    Los mtodos de simulacin han evolucionado de tal manera en los

    ltimos aos que la mayora de las grandes empresas qumicas ypetroqumicas disponen de un sistema de simulacin propio o lo

    usan de una firma comercial externa.

    Dentro de los programas de simulacin comercialmente se encuentran los siguientes:

    Aspen plus, Hysim, Superpro, BASIC, COBOL, FORTRAN, Biopro, MathLab, Simnon,Hysys, PASCAL, Gproms, Speedup, EMSO, ALGOL, ProII, Chemcad, Petro-SIM, Dymola,PL/I, Design II, SysCAD, ASCEND, SIMULA, SIMPL/I, SIMULATE, SIMSCRPT, DYNAMO,CSMP, etc.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    10/27

    Criterios de estabilidad.

    Se entiende por estabilidad de un mtodo numrico

    el nivel de garanta de convergencia, y es quealgunos mtodos numricos no siempre convergen

    y, por el contrario divergen; es decir; se alejan cada

    vez ms y ms del resultado deseado.

    Criterios de Estabilidad: es el conjunto denormas que debe cumplir un buque para que

    su estabilidad alcance valores mnimos que

    garanticen su seguridad.

    La estabilidad es una propiedad cualitativa de los sistemas

    dinmicos a la que cabe considerar como la ms importante de

    todas. Ello es debido a que, en la prctica todo sistema debe ser

    estable. Si un sistema no es estable, normalmente carece de todo

    inters y utilidad.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    11/27

    Estos criterios pueden clasificarse segn los parmetros que controlan en:

    Criterios en funcin de la altura metacntrica.Criterios en funcin de la estabilidad esttica.

    Criterios en funcin de la estabilidad esttica y dinmica.Criterios en funcin de la estabilidad esttica y la accin del viento.Criterios en funcin del perodo y amplitud del balance.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    12/27

    Determinacin de la sensibilidad.

    El anlisis de sensibilidad es el proceso de modificar las

    hiptesis de los valores de las Constantes en el modelo yexaminar los resultados debidos al cambio en esos valores.

    El anlisis de sensibilidad manual requiere el cambio del

    valor de una Constante (o varias Constantes de una vez) y

    simular, cambiar el valor de la Constante de nuevo y simularnuevamente y repetir esta accin muchas veces para lograr

    un espectro de valores de salida.

    La simulacin de Montecarlo, tambin conocida como Simulacin de Sensibilidad

    Multivariable (MVSS), realiza este procedimiento automticamente. Se puedenrealizar cientos o miles de simulaciones con las Constantes modificadas a lo largo

    de un rango de valores y despus guardar los resultados para anlisis posterior. El

    muestreo Latin Hypercube es una forma particular de anlisis de sensibilidad que

    permite una prueba ms rpida en modelos muy grandes.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    13/27

    Mtodos de convergencia.

    Se entiende por convergencia de un mtodonumrico la garanta de que, al realizar un buennmero de repeticiones (iteraciones), las

    aproximaciones obtenidas terminan por acercarse

    cada vez ms al verdadero valor buscado.

    El modelamiento matemtico de los procesos se obtiene de aplicar las leyes de

    conservacin, adems de aplicar relaciones adicionales de todas las reas afines con

    la Ingeniera de Procesos (termodinmica, Cintica, etc.). Estas relaciones estas

    expresan como:

    Ecuaciones de balance global del material.Ecuaciones de balance de material para un componente en particular.Ecuacin de balance de energa.Ecuacin de balance del momentum.Relaciones de equilibrio.

    Otras operaciones.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    14/27

    Estrategias general para la simulacin de procesos.

    1. Mtodos Numricos:

    Ecuaciones algebraicas.Ecuaciones diferenciales ordinarias.

    Ecuaciones parciales.

    2. Mtodos de optimizacin:A) Solucin analtica: Problemas sencillos

    (Problemas lineales).

    B) Solucin numrica: Problemas de alta

    dificultad (Problemas no lineales).

    Solucin de ecuaciones (biseccin, falsaposicin, secante, Newton, etc.).

    Algebra lineal (eliminacin Gaussiana,Gauss-Seidel, Jacobi, etc.).

    Mtodos de regresin. Integracin numrica (trapecio, Simpson,

    Romberg, Cuadratura Gaussiana, etc.).

    Solucin numrica EDO (Euler,Runge-Kutta, Heun, etc.).

    Solucin de EDP (Separacin devariables, mtodos espectrales,

    diferencias finitas, etc.).

    Optimizacin (simplex, seccindorada, gradiente, Newton, etc.).

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    15/27

    Simulacin de operaciones detransferencia de energa y materia.

    El balance de materia es un mtodo matemtico utilizado principalmente enIng. Qumica. Se basa en la Ley de la Conservacin de la Materia, que

    establece que la masa de un sistema cerrado permanece constante. La masa

    que entra a un sistema debe, por lo tanto salir del sistema o acumularse

    dentro de l, es decir:

    Entradas = Salidas + Acumulacin

    Los balances de materia se desarrollan comnmente para la masa total que

    cruza los lmites de un sistema. Tambin pueden enfocarse a un elemento o

    compuesto qumico. Cuando se escriben balances de materia para

    compuestos especficos en lugar de para la masa total del sistema, seintroducen un termino de produccin:

    Entradas + Produccin = Salidas + Acumulacin

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    16/27

    El balance de energa es la aplicacin de la primera Ley d ela Termodinmicaque establece que en un proceso (fsico o qumico), la energa no se crea ni se

    destruye.

    La ecuacin general del balance de energa se expresa de la siguiente forma:}

    Acumulacin de energa dentro del sistema = Transferencia de energa atravs de la frontera del sistema + transferencia de energa fuera de lafrontera del sistema + Energa generada dentro del sistema Energa

    consumida dentro del sistema

    Esta ecuacin puede ser aplicada a un equipo individual o a toda planta. En la

    ecuacin anterior se pueden introducir algunas simplificaciones:

    No hay acumulacin de energa dentro del sistema.

    No hay generacin de energa dentro del sistema.

    No se consume energa dentro del sistema.

    Si introducimos esas simplificaciones a la ecuacin anterior se reduce a:

    Transferencia de energa atravs de la frontera del sistema

    = Transferencia de energa fuerade la frontera del sistema

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    17/27

    Simulacin de operaciones detransferencia de energa y materia.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    18/27

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    19/27

    Simulacin de operaciones de reactoresqumicos.

    Un reactor qumico es una unidad procesadora diseada

    para que en su interior se lleve a cabo una o varias

    reacciones qumicas.

    Esta constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta

    con lneas de entrada y salida para sustancias qumicas, y

    esta gobernado por un algoritmo de control.

    Funciones.

    Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del

    tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

    Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador,

    para conseguir la extensin deseada de la reaccin.

    Permitir condiciones de presin, temperatura y composicin de modo que la reaccin

    tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos

    termodinmicos y cinticos de la reaccin.

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    20/27

    Reactor qumico.

    Se basa en:

    Ecuacin de Rendimiento.Es aquella expresin

    matemtica que relaciona la

    salida con la entrada en un

    reactor qumico, para diversascinticas y diferentes modelos

    de contacto.

    Modelo de Contacto.Est referido a como los materiales circulan a

    travs del reactor y se contactan unos con

    otros dentro de este, adems del tiempo que

    necesitan para mezclarse, y las condiciones ycaractersticas de la incorporacin de

    material.

    Cintica.Est referido a cuan rpido ocurren las reacciones,

    el equilibrio dentro del reactor, y la velocidad de la

    reaccin qumica; estas factores estn

    condicionados por la transferencia (balance) de

    materia y energa.

    El balance de masas esta dado por la relacin:

    ENTRASALE + GENERADESAPARECE = ACUMULA

    El balance de energa esta dado por la relacin:

    ENTRASALEGENERATRANSMITE = ACUMULA

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    21/27

    Agitacin mecnica de lquidos y de sistemas lquido-gas.1. Calcular la potencia disipada por una turbina Rhushton de 6 aspas girando a400 rpm en un tanque que contiene un lquido de densidad D= 1.1g/cm, =

    1.2 cP, el cual se aerea a razn de 0.02 m/m.s. El dimetro del tanque es de

    0.90 m, la altura del lquido 0.9 m y el dimetro del agitador Da= 0.3 m. El

    tanque contiene deflectores.

    Tabla 9.1. Valores de KL, KT en tanques estndar con 4 deflectores, Wb=0.1 DT.

    Tipo de impulsor KL KT

    Propela de 3 aspas,

    paso cuadrado

    41 0.32

    Paleta plana vertical, 2

    aspas, W/Da = 0.2

    36.5 1.7

    Turbina 6 aspas planas

    verticales W/Da = 0.2

    71 6.3

    Ancla 300 0.35

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    22/27

    Datos.

    N= 400 rpm

    D= 1.1 g/cm

    = 1.2 cPDt= 0.90 m

    Da= 0.3 m

    H= 0.9 m

    Aereacin= 0.02 m/m. sg

    1 cP = 1x10 Kg /m.sg

    1 min= 60 sg

    1/cm = 1000 Kg/m

    Conversiones.

    RPM = 400 rv X 1 min = 6.666 rv/sg1 min 60 sg

    = 1.2 cP X 1x10 Kg /m.sg = 1.2x10 Kg /m.sg1 cP

    D = 1.1 g/cm X 1000 Kg/m = 1100 Kg/m1 g/m

    Da= 0.3 m

    H= 0.9 m

    Dt= 0.90 m

    D= 1.1 g/cm

    = 1.2 cP

    Aereacin

    0.02 m/m. sg

    N= 400 rpm

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    23/27

    A) Potencia en ausencia de aire:

    ReaG = N x Da x D = (6.66 rv/sg) (0.3 m) (1100 Kg/m) =

    1.2 x 10 Kg /m.sg

    ReaG = 659.34 = 549,4501.2 x 10

    De la tabla 9.1 : Po = 6.3 = PotNDa5D

    Po = 6.3 = Pot por lo tanto Pot = Po x N x Da5 x DNDa5D

    Pot = Po x N x Da5 x D

    Pot = (6.3) (6.666 rv /sg) (0.3m)5 (1100 Kg/m)

    Pot = 4988. 10327 Kg m/ sg

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    24/27

    B) En presencia de aire:

    rea A = . D4

    Volumen del lquido Vlq = Dt x H4

    Vlq = (0.9 m) x 0.9 m = 0.81 m x 0.9 m = 0.6361 m x 0.9 m = 0.57249 m4 4

    Gasto de gas QG = aire x Vlquido

    Nota: Se aerea = 0.02 m/ m. sg

    QG = (0.02 m/ m. sg ) (0.57 m) = 0.0114 m/ sg

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    25/27

    Pg = 0.706 ( Pot x N x Da)0.45

    QG0.56

    Ecuacin de Michel- Miller(Ec. De Hughmark).

    Pot = Potencia necesaria para la agitacin del lquido.Pg = Potencia necesaria para el lquido aereado.N = Velocidad del agitador o rotacin.Da = Dimetro del agitador.QG = Gasto del gas.

    Pg = 0.706 (4988 W) (6.666 rev/ sg) (0.3m)(0.011 m/sg) 0.56

    0.45

    [ ]

    Pg = 0.706 (24880144 W) (6.666 rev/ sg) (0.027 m)(0.080016564 m/sg)

    0.45

    [ ]

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    26/27

    Pg = 0.706 4477978.0770.080016564[ ]

    0.45

    Pg = 0.706 55963138.8

    [ ]

    0.45

    Pg = 0.706 3065.885484

    [ ]

    Pg = 2, 164.515151 W

    Pg 2, 164.515151 W = 3797.395002 W/ mVlq 0.57 m

    =( )

  • 7/28/2019 Expo Simulacion

    27/27

    Bibliografa.

    1. Denbigh,K.G., Turner,J.C.R (1990). Introduccin a la teora de los reactores

    qumicos. Limusa. Mxico.

    2. Dnde Castro, Mario Jos. (2005). Transporte de momentum y calor: Teora y

    aplicaciones a la ingeniera de proceso. Ediciones de la Universidad

    Autonoma de Yucatn. Mxico, D. F. Pgs. 317-325.