simulacion de procesos [modo de compatibilidad]

Ing. Christian Viladegut 1

HYSYS BASICO - INTERMEDIO

SIMULACION APLICADA A LA INDUSTRIA DELGAS Y PETROLEO

Simulación de Procesos

OCTUBRE 2013

INTRODUCCION

La crisis del petróleo de los años 70 obligo a laindustria en general a enfocar sus esfuerzos enser energéticamente más eficientes. Se inicia una etapa de desarrollo tecnológicobuscando mejorar los procesos existente ydiseñar otros más eficientes. Inicio lento, conceptual, experimental yacadémico, llevadas adelante por Compañías yUniversidades de EEUU, Canadá y Europa.

SIMULACION DE PROCESOS

Ing. Christian Viladegut – Octubre 2013


A partir de 1980 aparecen los primerossimuladores comerciales Formato texto ymanejo rígido.

A finales de lo 80 aparecen los simuladoresinteractivos (integración grafica) Entre 1991 y 1995 aparecen paquetes desimulación dinámica y de integración energética. A partir del 2000 aparecen paquetes de diseñoespecifico Intercambiadores de Calor; Internosde Torres; Hidráulica; Evaluadores Económicos.



La Simulación de Procesos se han convertido enuna herramienta básica y fundamental en la industria,aplicándose en:

- Producción y Procesamiento de Gas Natural

- Refinación de Petróleo

- Transporte

- Petroquímica

- Industria Farmacéutica

- Industria Alimenticia



- Diseño de Procesos Químicos.- Detección de cuellos de botella en la producción.- Evaluación del proceso por cambios en lascondiciones de operación y capacidad de la Planta(Revamps).- Optimización de las variables de operación.- Estudio de nuevos procesos.- Optimización de Energía


Los Simuladores de Procesos son utilizados para:



- Diseño y evaluación de equipos comoseparadores, columnas, intercambiadores, tubería,válvulas e instrumentación.- Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevosprocesos.- Entrenamiento de operadores e ingenieros deprocesos- Evaluar estrategias de control y elcomportamiento de lazos de control


Los Simuladores de Procesos son utilizados para:


Se pueden realizar simulaciones en EstadoEstacionario y/o Dinámico (Transiente)


{ACUMULACION} = {ENTRADA} – {SALIDA}0

La simulación de un proceso en Estado Estacionario noconsidera el efecto del tiempo sobre las variablesoperacionales.

No asume acumulación de masa y energía en elproceso.

ESTADO ESTACIONARIO


La simulación Dinámica es una extensión de lasimulación en Estado Estacionario donde ya el efecto deltiempo es considerado dentro los modelos.Si se considera la acumulación de masa y energía enel proceso.


Esta condición es ideal y se utiliza para generar elBalance de Materia y Energía, determinar cargastérmicas y dimensionar equipos.

SIMULACION DINÁMICA



A través de la simulación Dinámica se puedensimular procesos reales en tiempo real.

Una gran variedad de problemas industrialesimportantes son de carácter dinámico, como:

- Arranques y Paros de Equipos o Plantas.- Reacciones o Procesos por Lotes.- Cambios operacionales, perturbaciones en lascondiciones de operación.



La simulación Dinámica se utiliza para evaluarestrategias de control y el comportamiento de lazosde control.La simulación Dinámica maneja modelos mascomplejos y los requerimientos computacionalesson mayores.



QUE ESSIMULACION ?


• Una situacion en la cualun grupo particular decondiciones es creadaartifialmente con el fin deestudiar o experimentaralgo que podría existir enla realidad.

• El acto de fingir que algoes real cuando no lo es.

• La simulación es laimitación de algo real


• La Simulacion deProcesos es utilizadapara el diseño,desarrollo, analisis yoptimizacion deprocesos de en laindustria quimica,petrolera, petroquimica,farmaceutica, alimenticiay otras



La simulación es la representación de un proceso ofenómeno mediante un MODELO, que permiteanalizar sus características.

A través del modelo se trata de EXPLICAR elCOMPORTAMIENTO de un proceso, sistema ounidad industrial.

El modelo debe ser capaz de reproducir elcomportamiento del proceso real con la mayorexactitud posible.




Los modelos son ECUACIONES MATEMATICAS y seestablecen a través de ecuaciones basadas en LEYESFUNDAMENTALES:

Tanque AgitadoReactor CSTR

Reactor Tubular

Continuidad (Balance de Materia)


Los modelos son ECUACIONES MATEMATICAS y seestablecen a través de ecuaciones basadas en LEYESFUNDAMENTALES:


- Balance de Energía

- Balance de Cantidad de Movimiento

- Ecuaciones de Transporte

- Equilibrio de Fases (Ecuaciones de Estado /Modelos de Actividad).

- Correlacciones Propiedades Fisicoquímicas

- Cinética Química


El MODELO MATEMÁTICO constituye para cadaequipo en el proceso, un sistema de ecuacionesalgebraicas y diferenciales que describen el equipo.

El MODELO MATEMÁTICO de los equipos, enconjunto dan forma al MODELO MATEMÁTICO delproceso completo.

Este debe ser resuelto por medio de algún algoritmode solución para producir los resultados requeridos.




Existen tres tipos de algoritmos: Modular Secuencial ;Orientado a Ecuaciones; Modular Simultaneo



CaudalPresiónTemperaturaComposiciónTrabajoCalor

MODULO

Parámetros

del Modulo

Corriente deEntrada

Corriente deSalida

CaudalPresiónTemperaturaComposiciónTrabajoCalorTamañoFactor de Equilibrio

Factor CinéticoPropiedades deTransferencia

Modular SecuencialSIMULACION DE PROCESOS

Los cálculos se realizan unidad por unidad,secuencialmente.

Conociéndose las alimentaciones, el modulo escalculado y sus salidas determinadas.


Implica la interpretación del diagrama de flujo delproceso como un grupo de unidades de procesos.

Resolución de los modelos de los módulos una a la vezen una determinada secuencia




En caso de haber problemas y no encontrar laconvergencia, resulta fácil encontrar el error.

Las corrientes de reciclo representan una dificultaden la resolución del modelo.

Esta estrategia de cálculo es utilizada en la mayoríade los simuladores de estado estacionario: AspenHysys, Chemcad, Winsim



Orientado a EcuacionesSIMULACION DE PROCESOS

En este caso todas las ecuaciones del modelo,algebraicas no lineales y diferenciales, se integran en unúnico conjunto y se resuelven simultáneamente.

Este esquema es mas flexible que el Secuencial-Modular, sin embargo requiere mas esfuerzo deprogramación y se consumen mas recursos decomputación.

Las corrientes de reciclo no representan unadificultad en la resolución del modelo.


Orientado a EcuacionesSIMULACION DE PROCESOS

Esta arquitectura esta mas orientada a la solución demodelos dinámicos.

En caso de haber problemas y no encontrar laconvergencia, resulta difícil encontrar el error.

Esta estrategia de cálculo es utilizada en simuladoresDinámicos: Aspen Dynamics; Aspen Custom Modeler,Las ultimas versiones de Aspen Plus utilizan estaestrategia de calculo.



Modular SimultaneoSIMULACION DE PROCESOS

Es un método combinado que aprovecha las ventajasdel método modular secuencial y el orientado aecuaciones

Modelos rigurosos de las operaciones unitarias sonresueltos secuencialmente, mientras que modeloslineales son resueltos globalmente para interconectarlos resultados de cada modulo.


Modular SimultaneoSIMULACION DE PROCESOS

La fácil incorporación de módulos unitarios al sistema,la facilidad de localización, diagnostico y solución defallas son rescatados del método Modular Secuencial.

El manejo eficiente de las ecuaciones permitiendo queel esquema de calculo modular funcione mejor enprocesos complejos (múltiples recirculaciones), esrescatado del método Orientado a Ecuaciones.


Se debe tener en cuenta que los resultados de unasimulación no son siempre fiables y estos se debenanalizar críticamente.

Hay que tener en cuenta que los resultadosdependen de:

-La calidad de los datos de entrada-De que las correlaciones empleadas sean lasapropiadas (escoger bien el paquetetermodinámico)-Elección adecuada el proceso.

SIMULACION DE PROCESOS¿Podemos creer en los Resultados de la Simulación?



SIMULADORESCOMERCIALES

Existe un número grande de simuladores de procesos comerciales,siendo los mas utilizados:

- ASPEN HYSYS (Aspen Technology Inc. – Antes Hyprotech)

- ASPEN PLUS (Aspen Technology Inc.)- CHEMCAD (Chemstation)

- PROMAX (Bryan Research & Engineering, Inc.)- UNISIM (Honeywell)

- Design II (Win Sim Inc.)- PRO II/DYSIN (SimSci-Esscor)

- PETROSIM (KBC)- PETROX (Petrobras)

SIMULADORES DE PROCESOS

SIMULADORES COMERCIALES


SIMULADORES COMERCIALES

Subrutinasde equipos

Bases de datosde propiedades físicas

ProgramaPrincipal

InterfaseDe

Usuario

Entradade datos

SalidaDe Datos

SubrutinasDe convergencia

Bases de datosde costos

SubrutinasTermodinámicas

Estructura Típica


ASPEN HYSYS

Desarrollado por Aspen Technology Inc.

HYSYS es un simulador de Procesos, secuencial modular.

Permite realizar simulaciones en estado estacionario ydinámico, calculo de propiedades Fisicoquímicas, balance demateria y energía, dimensionamiento de equipos, calculo decargas de calor, requerimientos de energía, equilibrioquímicos y de fases.

La interacción entre los módulos en estado estacionario ydinámico le dan una ventaja significativa en la industria desoftware de ingeniería.

ASPEN HYSYS



Tiene la Base de Datos mas amplia y completa junto conAspen Plus .

- Hysys DataBanks (Base de Datos Standard)- Aspen Properties DataBanks (Aspen Plus)

Tiene la Base Termodinámica mas amplia y completajunto con Aspen Plus .

- Hysys- Aspen Properties (Utiliza datos experimentales parasus correlaciones- COMThermo

ASPEN HYSYS




Tiene una librería de Operaciones Unitarias completa

ASPEN HYSYS


Materials MateriaEnergy EnergiaCorrientes

2 Phase Separador Flash - 2 fases3 Phase Separador Flash - 3 fasesTankComponent Splitter Separador de Componentes

Separadores

MIXER Mezclador de CorrientesTEE Divisor de CorrientesMezcladores y Divisores

Calentador/Enfriador Intercambiador de utilidades

Tubo y Coraza Intercambiador de proceso - 2corrientes

Aeroenfriador Intercambiador de procesoLNG Intercambiador de multi-pasosFire Heater Horno

Intercambiadores de Calor



ASPEN HYSYS


Pump Bomba genericaCompresor Compresor genericoExpander Turbina (Turboexpoander)

Equipos Rotantes

Conversion Reactor Base Estequiometrica

Equlibrium Reactor Base Relación de Equilibrio.Reacciones Reversibles

Gibbs Reactor Reacciones de EquilibrioMultifasica

CSTR Mezcla CompletaPFR Flujo Pistón

Reactores

Pipe Segment Tuberia flujo Mono/MultifasicoCompresible Gas Pipe Flujo de Gas

Pipesys Extension Flujo Mono/Multifasico(Ductos)

Valve Regulacion de Presión / JTRelief Valve Valvulas de Alivio

Tuberías



ASPEN HYSYS


Short Cut Column Diseño Fenske-Underwood

DistillationConvencional. IncluyeCondensador, Reboiler, SideStrippers, Reflujo intermedio

Absorber Abosrción, DesorcionThree Phase Distillation Destilacción ExtractivaLiquid Liquid Extractor Extracción Liquido Liquido

Columnas



Hidráulica (Pipesys, Pipesim, Olga)

Intercambio de Calor (Aspen HTFS+, HTRI)

Estimación de Costos (Aspen Economic Evaluation –Apen Icarus)

Gestión de Ingeniería (Aspen Basic Engineering)

ASPEN HYSYS


La interacción con herramientas de aplicación especifica(Suite) lo hace único en el mercado:


Refinación de Petróleo (Aspen RefSYS que incluyemódulos para: Caracterización, Blending, ReformaciónCatalítica, FCC, Hidrocracking, Isomerización,Hidrotratamiento.

Excel (Aspen Simulation Workbook)

ASPEN HYSYS


La interacción con herramientas de aplicación especifica(Suite) lo hace único en el mercado:


Interfase gráfica de fácil uso (orientado a objeto),con una arquitectura de “Entornos” que facilita sumanejo.

Se cuenta con la información de la simulación altoque de un boton.

Interpreta interactivamente los comandos según seintroducen en el programa. Por tanto no necesita unbotón de ejecución (run), aunque existe la posibilidadde plantear el problema completo sin hacer cálculos ydespués ejecutarlo.

ASPEN HYSYS



Es un simulador bidireccional, ya que el flujo deinformación va en dos direcciones (hacia delante yhacia atrás). De esta forma, puede calcular lascondiciones de una corriente de entrada a unaoperación a partir de las correspondientes a la corrientede salida sin necesidad de cálculos iterativos.

Posibilidad de adicionar código de programación conVISUAL BASIC.

ASPEN HYSYS



Las principales desventajas de HYSYS son:

El paquete de Aminas NO cuenta con un modelocinético y de transferencia de masa. Los resultados sonpoco fiables.

Pocas o nulas aplicaciones de sólidos.

Software de optimización limitado (el optimizer no esmuy potente)

ASPEN HYSYS



ASPEN HYSYS



Al final de los 70’ investigadores del departamentode Ingenieria Quimica y Petroleo de la Universidad deCalgary (Canada) junto con una empresa llamada“Hyprotech” empiezan a desarrollar Simuladores deProcesos como el HYSIM y HYSYS.

Debido a la versatilidad de los simuladores“Hyprotech” se convierte en empresa lider a nivelmundial, estando presente en 80 paises, 17000usuarios, 50% de la Refinerias y 90% Plantas de Gas.

ASPEN HYSYS - HISTORIA



Hysys se inicia con la version 2.1 (2.1.3) y seactualiza a la V2.2 (2.2.2), V 3.01, V 3.1 y finalmenteen la V 3.2 (incluye modulo de Upstream) en el 2001.

En el 2002 Hyprotech es comprada por la AspenTechnologies Inc por 100 MM$us, dueña del simuladorde procesos “Aspen Plus”.



ASPEN “Advance System for Process Engineering”saca al mercado un producto integral denominadoAspenOne Suite,

En Octubre del 2004 AspenTech saca al mercado elAspenOne v2004 (Suite)

El Suite incluye el Aspen Hysys, Aspen Upstream,Aspen PipeSys, Aspen Plus, Aspen Pims y HTFS (TASC,ACOL) como los mas importantes.

En el transcurso de 18 meses el Suite se actualiza alas versiones V2004.1 y V2004.2.

En la V2004.2 se incluyen los paquetes TASC+ yACOL+ (Lo mejor del TASC/ACOL yHEXTRAN/AEROTRAN)




En Junio del 2007 AspenTech saca al mercadoAspenOne v2006 (Suite). Ademas del material de laV2004.2, esta version incluye:

ASPEN CatRef (Reformacion Catalitica)

Aspen Icarus (Evaluador Economico)

Aspen Zyqad (Gestion de Ingenieria)

HTFS + (que incluye el TASC+, ACOL+, HEXTRAN,AEOTRAN en un solo paquete)



En Enero del 2008 AspenTech saca al mercadoAspenOne v2006.5 (Suite).

Se hace compatible con Window Vista. Se incluye Aspen Fire Heater (Hornos de Combustión)Aspen Teams (Diseño Mecánico Intercambiadores Tubo yCoraza)




En Febrero del 2009 AspenTech saca al mercado elAspenOne v7.0 (Suite).

Hace una re-estructuracion completa. Genera GruposFuncionales y Cambia el nombre de los productos.

Se incluye la base de datos de Aspen Properties en elentorno básico.

Correlacciones nuevas y mejoradas para el Rating &Diseño de platos y empaques.

Modelos Rigurosos para la Simulación y Diseño deReboilers.

V 7.0




En Diciembre del 2009 AspenTech hace un Upgrade a laversión v7.1 (Suite).

- Modelos Adicionales a procesos de Bio-Etanol;Gasificación y Recuperación de CO2.

- Correlaciones nuevas para procesos criogénicos comoLNG




En Junio del 2010 AspenTech hace un Upgrade a laversión v7.2 (Suite).

- Se integra el paquete de estimación económica conAspen Hysys y Aspen Plus.

- Modelos Adicionales para Evaluación Económica enMega Proyectos.

- Se mejora la interacción del Aspen Basic Engineering(Zyqad) con MS-Excel.




simulacion de procesos [modo de compatibilidad]

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