Simulacion y Optimizacion de Procesos

UNIVERSIDAD AUTONOMA JUAN MISAEL SARACHO

CARRERA DE ING. PETROQUIMICA

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SIMULACION Y OPTIMIZACION DE PROCESOS

Univ. Karen Alioska Puma Ortiz Docente: Ing. Wilfredo Villarpando 10/03/2012

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INDICE

Paginas 1. Simulación de Procesos ...............................................................................................1 1.1. Definición ...............................................................................................................1 1.2. Aplicación de la simulación de procesos .............................................................1 1.3. Ventajas de la Simulación de Procesos ...............................................................2 2. Simulación de proceso en la industria química actual .............................................2 2.1. Distintos enfoques de la simulación de procesos ................................................4 2.1.1. Enfoque modular secuencial ......................................................................5 2.1.2. Enfoque global ............................................................................................5 2.1.3. Enfoque modular simultáneo .....................................................................6 3. Simuladores de proceso ...............................................................................................6 3.1. Historia ..................................................................................................................6 3.2. Simuladores de procesos comerciales .................................................................7 3.2.1. Simulador de Procesos HYSYS .................................................................8 3.2.2. Simulador de Procesos AspenPlus.............................................................8 3.2.3. Simulador de Procesos CHEMCAD .........................................................8 3.2.4. Simulador de Procesos ProModel .............................................................9 3.2.5. Simulador SuperPro Designer ...................................................................9 3.2.6. Simulador de Procesos PRO-II ..................................................................9 3.2.7. Simulador Design II ..................................................................................10 4. Optimización de Procesos .........................................................................................10 4.1. Aplicaciones de la optimización de procesos ....................................................12 5. Bibliografía.................................................................................................................12

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1. Simulación de Procesos 1.1. Definición Simulación es la imitación de la operación de un proceso del mundo real o de un sistema en el tiempo o definido de otra forma, la simulación es una técnica, donde un modelo, tal como una hoja de cálculo, es iterado con diferentes valores de entrada, con la intención de conseguir una completa representación de todos los escenarios que podrían ocurrir en una situación incierta. La simulación de procesos ya sea a través de simuladores comerciales (Aspen Plus, Hysys, Chemcad, PRO-II, etc.) o la programación en Excel, MatLab, Visual Basic o cualquier otro lenguaje de programación, es una herramienta que proporciona innumerables facilidades a la industria química, petrolera, energética y demás, contribuyendo a convertir los objetivos de una compañía en realidad, esto ya que una planta virtual construida con simuladores es según Broussard, la mejor forma de ahorrar dinero y tiempo, y de proteger el medio ambiente y las vidas humanas de quienes trabajan en las plantas, esto se consigue puesto que es posible plantear escenarios “what if” y de ese modo evitar problemas y consecuencias desastrosas. 1.2. Aplicación de la simulación de procesos La simulación de procesos químicos es una herramienta que se ha hecho indispensable para la solución adecuada de los problemas de procesos. Permite efectuar el análisis de plantas químicas en operación, de igual forma se emplea para el diseño de nuevas plantas o equipos. El uso de los simuladores se realiza en el área ambiental, con los ingenieros de planta, en el área de alimentos, polímeros, etc. En el desarrollo de un proyecto se emplea para probar la factibilidad técnica y económica de este. La simulación proporciona todos los datos de proceso requeridos para el diseño detallado de los diferentes equipos y para la construcción de plantas a nivel banco, piloto o industrial, que después de construirlas y operarlas servirán para retroalimentar el modelo utilizado o para validarlo. La simulación no reemplaza al ingeniero en procesos sino que lo asiste en la generación de resultados. Ver Figura 1 aplicaciones de la simulación.

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Fig. 1 Aplicaciones de la simulación 1.3. Ventajas de la Simulación de Procesos 

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Mejor comprensión de los procesos: Con la simulación de procesos es posible responder preguntas del tipo “por qué” reconstruyendo la escena y examinando microscópicamente el sistema para determinar el por qué ocurren los fenómenos. Mayor comprensión de conceptos: Se puede proceder a variar con el simulador las condiciones de un sistema y con esto responder preguntas del tipo “what if” (que pasaría si se varía la presión,…). La simulación permite estudiar los efectos interactivos de los componentes individuales o variables para determinar las más importantes. Dentro de la industria, los simuladores son útiles en investigación y desarrollo al agilizar los ensayos en laboratorios y plantas pilotos porque permite predecir resultados o rangos de trabajo optimo. En la etapa de diseño es una herramienta que ofrece una manera rápida de diseñar un proceso para establecer comparaciones entre diferentes alternativas. Minimizan el tiempo necesario de realizar cálculos y las fuentes de error humano generando de este modo resultados precisos que permiten al ingeniero ocuparse en análisis de datos, modificación de las condiciones de operación, etc.

2. Simulación de proceso en la industria química actual El proceso suele constar de una serie de etapas de transformación intermedias que involucran, por ejemplo, reacción, separación, mezcla, calentamiento, enfriamiento, cambio de presión, reducción o aumento del tamaño de partícula, etc. Una vez que se han seleccionado las etapas individuales, es necesario interconectarlas para llevar a cabo la transformación global. 2

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El diseño de un proceso involucra una descripción abstracta de lo que se quiere, y otra descripción más detallada (esto es, más refinada) en cada una de las etapas del diseño, construcción y operación del proceso. Denominamos síntesis al proceso de transformar la descripción abstracta en otra más detallada, y comprende varias etapas como se indica en la figura 2.

Fig. 2 Etapas en la síntesis de un proceso químico La primera etapa es la generación del concepto, donde se identifican las claves principales en que se basará el diseño. En la siguiente etapa consideramos la generación de alternativas, para ello se suele partir de fuentes bibliográficas (patentes, artículos científicos, enciclopedias de tecnología).

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La siguiente etapa es el análisis de cada una de las alternativas propuestas para evaluar su funcionamiento. Típicamente, esto significa llevar a cabo los balances de materia y energía del proceso para calcular los flujos, temperaturas, presiones, composiciones, etc. En la siguiente etapa tenemos que evaluar el funcionamiento del proceso, tanto desde el punto de vista de su rentabilidad económica, como flexibilidad, seguridad, de impacto medio ambiental, etc. Finalmente, se requiere llevar a cabo una optimización para mejorar el diseño. Al final de todo este proceso se espera tener el mejor diseño que satisface nuestro objetivo inicial, y habremos transformado una descripción abstracta en una más detallada que da lugar al diagrama de flujo del proceso. Por tanto, una vez que se ha definido la estructura del diagrama, es posible llevar a cabo un ANALISIS y SIMULACIÓN del proceso. La simulación requiere un modelo matemático del proceso que intenta predecir el comportamiento del proceso si éste se construyese (Figura 3).

Fig. 3 Flujo de información en la simulación de procesos Una vez que se tiene un modelo del proceso, suponiendo conocidos unos caudales, composiciones, temperaturas y presiones de las corrientes correspondientes a las materias primas, la simulación permite predecir caudales, composiciones, temperaturas y presiones de las corrientes producto. También permite el dimensionado de equipos y el cálculo del consumo de materias primas y energía. De esta forma se puede evaluar el diseño. Una vez que se ha evaluado el diseño básico, es posible mejorar éste realizando cambios, es decir, optimizándolo. La OPTIMIZACIÓN puede involucrar la síntesis de estructuras alternativas (optimización estructural) en cuyo caso se realizaría una nueva simulación y evaluación, y así sucesivamente. O, alternativamente, se puede realizar una optimización paramétrica de una estructura, modificando las condiciones de operación. 2.1. Distintos enfoques de la simulación de procesos En la simulación de procesos por computadora, cada equipo es representado mediante un sistema de ecuaciones que corresponden a los balances de materia y energía, las ecuaciones de equilibrio, ecuaciones de propiedades fisicoquímicas, etc. De acuerdo a cómo se plantee este sistema de ecuaciones para todos los equipos de la planta se tienen los distintos enfoques para la resolución del problema de simulación de procesos, cada uno con sus ventajas y desventajas. Las diferencias están fundadas en la forma de seleccionar las incógnitas del problema, o de otro modo, en la forma de cubrir los 4

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grados de libertad del modelo, y de la posterior forma en que se resuelve el sistema de ecuaciones a partir de la estructura resultante. Este tema ya fue tratado anteriormente, pero conviene repasarlo bajo la perspectiva de la optimización de procesos, pues, siendo éste de algún modo un problema que contiene a la simulación, y por lo tanto de una mayor complejidad, todas las ventajas y desventajas de los distintos enfoques se potencian. Tal como se señalaba anteriormente, teniendo en cuenta la forma en que se resuelve el sistema de ecuaciones, pero además la manera en que se cubren los grados de libertad del sistema y el nivel de detalle del modelo, surgen los distintos enfoques para la simulación y la optimización de procesos en estado estacionario. Se pueden distinguir tres enfoques distintos: modular secuencial, global u orientado a las ecuaciones y modular simultáneo (Westerberg et al. (1979), Evans (1981), etc.). 2.1.1. Enfoque modular secuencial Desde que se comenzaron a utilizar los simuladores de procesos, este método ha sido el más usado. Se puede afirmar que prácticamente todos los simuladores comerciales e industriales se ajustan a este enfoque. En él se desarrolla una subrutina para cada tipo de equipo, la cual calcula sus corrientes de salida teniendo como datos las de entrada y los parámetros del mismo. Se habla en este caso de modelos orientados a la simulación por su sentido de resolución. Las principales características son:  Biblioteca de módulos  Flowsheet: Equivale a un grafo orientado o dígrafo.  Orden de resolución fijo.  Tres niveles de iteración 1. Cálculos fisicoquímicos. 2. Módulos en sí (ej. flash, columna, etc). 3. Variables de iteración (reciclos). 4. Optimización  Modelos individuales resueltos eficientemente.  Fácilmente comprendido por ingenieros "no especialistas en simulación".  Métodos de convergencia robustos  La información ingresada por el usuario resulta fácilmente accesible e interpretable.  Los problemas de diseño son más difíciles de resolver.  Se incrementa la dificultad cuando se plantea un problema de optimización ya que funcionan como cajas negras. 2.1.2. Enfoque global En el enfoque global, o también denominado orientado a las ecuaciones, se modela el proceso resumiendo todas las ecuaciones que describen la planta en un gran sistema (Shacham et al. (1982); Perkins (1983); Biegler (1983)). 5

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La primera etapa en la resolución de una simulación con el enfoque global es la generación de las ecuaciones que describen el flowsheet. En general se trabaja con una estructura modular, con una subrutina que escribe las ecuaciones para cada tipo de equipo. Las principales características de los simuladores globales u orientados a ecuaciones son:  Cada equipo se representa por las ecuaciones que lo modelan. El modelo es la integración de todos los subsistemas.  Desaparece la distinción entre variables de proceso y parámetros operativos, por lo tanto se simplifican los problemas de diseño.  Resolución simultánea del sistema de ecuaciones algebraicas (no lineares) resultante.  Mayor velocidad de convergencia.  Necesita una mejor inicialización (mejor cuanto mayor sea el problema a resolver).

2.1.3. Enfoque modular simultáneo Es aquel que se forma de combinar la estrategia modular secuencial y la global u orientada a ecuaciones. El objetivo del mismo es aprovechar los robustos módulos del método modular secuencial, unidos al mejor planteo de los problemas de diseño y optimización, y la mayor velocidad de convergencia del enfoque global.

3. Simuladores de proceso 3.1. Historia Entre los años 1966 y 1968, aparecieron los primeros paquetes de simulación de procesos, encaminados a la realización de balances de materia y de energía para redes de procesos en estado estacionario. Los primeros paquetes medianamente difundidos fueron el PACER y el CHESS (desarrollados en universidades norteamericanas) y el FLOWTRAN (desarrollado por Monsanto). En los años 1970s los investigadores del Laboratorio de Energía del Instituto Tecnológico De Massachusetts (MIT) desarrollaron un prototipo para la simulación de proceso. Le llamaron Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos - Advanced System for Process Engineering (ASPEN). Este software ha sido comercializado en 1980 por la fundación de una compañía denominada AspenTech. AspenTech es ahora una compañía comercial pública que utiliza 1800 personas en todo el mundo y ofrece una solución integral completa para industrias de procesos químicos.

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Este paquete de software sofisticado puede ser usado en casi todos los aspectos de ingeniería de proceso desde la etapa del diseño hasta el análisis de costos y rentabilidad. Tiene una biblioteca modelo incorporada para columnas de destilación, separadores, intercambiadores de calor, reactores, etc. Los modelos de comportamiento o propiedades pueden extenderse dentro de su biblioteca de modelos. Estos modelos del usuario son creados con subrutinas Fortran u hojas de trabajo Excel y se suman a su biblioteca modelo. Usando Visual Basic para añadir formas de entrada para el modelo del usuario lo hacen indistinguible de las incorporadas. Tiene un banco de datos de propiedades incorporado para los parámetros termodinámicos y físicos. Durante el cálculo del diagrama de fabricación cualquier parámetro faltante puede ser estimado automáticamente por diversos métodos de contribución de grupos. Por esta razón los simuladores están dedicados fundamentalmente a la industria con el objetivo de mejorar e incrementar la eficiencia de las mismas a permitir hacer simulaciones de diferentes procesos antes de que ocurran en realidad, las cuales producen resultados que pueden ser analizados para una futura realización de los mismos. 3.2. Simuladores de procesos comerciales Existe una gran variedad de simuladores de procesos comerciales, algunos de las cuales son poderosas herramientas de cálculo, con inmensos bancos de datos que contienen las propiedades físicas de miles de compuestos y sustancias químicas, selección de modelos termodinámicos, cálculos de equipos (teórico y real), análisis de costo, estado de agregación y condiciones de operación, que le dan al simulador la ventaja de una gran versatilidad. Los principalmente usados en la industria química son:             

HYSYS (Hyprotech Ltd.) AspenPlus (Aspen Technology, Inc) CHEMCAD (ChemStations, Inc) ProModel SuperPro Designer PRO-II Petro-SIM Design II ASCEND ProMax GIBBSim UniSim Desig SIMDINUC

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3.2.1. Simulador de Procesos HYSYS Utilizado fundamentalmente en la esfera industrial, HYSYS es un programa interactivo enfocado en la ingeniería de procesos y la simulación. Este simulador cuenta con una interfaz muy amigable para el usuario, además de permitir el empleo de operadores lógicos y herramientas que facilitan la simulación de diversos procesos. Fue adquirido por AspenTech en el 2004 por lo que es desarrollado en la actualidad por Aspen Technology. Es un simulador bidireccional, ya que el flujo de información va en dos direcciones (hacia delante y hacia atrás). De esta forma, puede calcular las condiciones de una corriente de entrada a una operación a partir de las correspondientes a la corriente de salida sin necesidad de cálculos iterativos. Posee un entorno de simulación modular tanto para estado estacionario como para régimen dinámico. Es un software para la simulación de plantas petroquímicas y afines.

3.2.2. Simulador de Procesos AspenPlus AspenPlus es un simulador estacionario, secuencial modular (en las últimas versiones permite la estrategia orientada a ecuaciones). Se ha utilizado para modelar procesos en industrias: química y petroquímica, refino de petróleo, procesamientos de gas y aceites, generación de energía, metales y minerales, industrias del papel y la pulpa y otros. Aspen Plus tiene la base de datos más amplia entre los simuladores de procesos comerciales, e incluye comportamiento de iones y de electrolitos. Además modela y simula cualquier tipo de proceso para el cual hay un flujo continuo de materiales y energía de unidad de proceso a otra. Posee herramientas para cálculos de costes y optimizaciones del proceso, generación de resultados en forma gráfica y en tablas y otros. AspenPlus permite:  Regresión de datos experimentales.  Diseño preliminar de los diagramas de flujo usando modelos de equipos simplificados.  Realizar balance de materia y energía rigurosos usando modelos de equipos detallados.  Dimensionar piezas clave de los equipos.  Optimización on-line de unidades de proceso completas o bien plantas. 3.2.3. Simulador de Procesos CHEMCAD CHEMCAD nace en 1984 cuando un profesor universitario formo un equipo para desarrollar un simulador de procesos para computadoras personales PC. El simulador fue vendido a la sección de software de McGraw Hill (COADE) y luego siguió siendo desarrollado y distribuido por Chemstations Inc. CHEMCAD ha venido evolucionando durante estos años para convertirse en un paquete de módulos que abarca:  Cálculo y diseño de intercambiadores de calor (CC-THERM).  Simulación de destilaciones dinámicas (CC-DCOLUMN). 8

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Simulación de reactores por lotes (CC-ReACS) Simulación de destilaciones por lotes (CC-BATCH) Simulación de redes de tuberías (CC-SAFETY NET).

Recientemente ha sido puesta a la venta la versión 6 de CHEMCAD con una nueva interface de usuario y otras propiedades adicionales. Este sistema es muy usado en todo el mundo, para el diseño, operación y mantenimiento de procesos químicos en una gran variedad de industrias incluyendo la exploración de petróleo y gas; y naturalmente en procesos químicos, farmacéuticos, biocombustibles y procesos de fábricas industriales. 3.2.4. Simulador de Procesos ProModel Es un programa de simulación de procesos industriales, permite simular cualquier tipo e proceso de manufactura, además de procesos logísticos, procesos de manejos de materiales y contiene excelentes simulaciones de talleres, grúas viajeras, bandas de transporte y mucho mas. ProModel es un paquete de simulación que no realiza solamente el simulado, sino también optimiza los modelos ingresados. 3.2.5. Simulador SuperPro Designer SuperPro Designer es un programa computacional para realizar simulación de procesos en estado estacionario. SuperPro Designer, cuenta con modelos matemáticos para las siguientes 17 operaciones unitarias:          

Reacción estequiométrica. Reacción cinética. Reacción ambiental. Rompimiento celular. Sedimentación. Secado. Cambio de fase. Absorción/Adsorción. Almacenamiento. Cromatografía.

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Filtración. Centrifugación. Destilación. Extracción. Intercambio de calor. Cambio de presión. Mezcla y separación de corrientes

3.2.6. Simulador de Procesos PRO-II El simulador PRO-II tiene un entorno gráfico de simulación interactivo, funciona bajo entorno Windows con la posibilidad de incluir código de programación en VISUAL BASIC. Además presenta las otras características como:  Posibilidad de realizar simulación en régimen dinámico (paquete PROTISS).  Puede ser utilizado en: petróleo, refinería, petroquímica, polímeros, química fina y farmacéutica, construcciones, ingeniería, etc.

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Actualmente está disponible la versión 6.0 con nuevas características y unidades de operación:  Hornos  Cambiadores de calor de aire  Separaciones por membrana  Electrolitos para polímeros y  Aplicaciones para simular columnas. 3.2.7. Simulador Design II Es un software de simulación de procesos desarrollado y comercializado por la compañía ChemShare Corporation en 1965, luego adquirió los derechos la compañía WinSim Inc. Permite una simulación de proceso rigurosa para procesos químicos y de hidrocarburos que incluyen:       

Refinación Refrigeración Petroquímica Tratamiento de gases Tuberías Celdas de combustible Instalaciones de amoniaco, metanol e hidrogeno.

4. Optimización de Procesos La optimización de procesos consiste en encontrar un valor óptimo (el mejor según el criterio aplicado) para una función dada o condiciones óptimas para un proceso dado. En tal sentido la optimización de procesos abarca el diseño óptimo incluyendo la selección de la mejor alternativa entre varias opciones de diseño y la operación óptima del proceso, en donde se busca las condiciones de operación que den el mejor resultado según el criterio de medida de la bondad del proceso. En ambos casos, antes de que un óptimo sea determinado correctamente, debemos seleccionar un criterio de optimización. Este puede ser una variable del proceso, tal como, el rendimiento de un producto por unidad de volumen de reactor, el costo mínimo de producción, etc. Sobre la base del criterio de optimización, se desarrolla luego una función objetivo o función retorno la cual relaciona el criterio de optimización a los parámetros dominantes. La meta de la optimización es maximizar o minimizar la función objetivo, según el caso. Ahora bien, el mejor proceso debe ajustar el flujo de tareas, entradas y salidas de manera que entregue la mejor calidad al menor costo y en el menor tiempo. Sin embargo, si queremos aumentar la calidad de un producto o servicio siempre se incurre 10

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en inversión de tecnología y personas (costos aumentan) pero a la vez podemos reducir los tiempos (de producción, soporte, time-to-market, etc.) y en el peor caso aumentarlos lo cual depende de otros factores tales como: correcta elección de la tecnología, capacitación de las personas, estrategias de gestión (gestión del cambio y gestión del conocimiento).Ver figura 4

Fig. 4 Optimización de Procesos Alternativamente, si queremos reducir los costos asociados al producto o servicio muchas veces las empresas disminuyen los tiempos pero a la vez disminuye la calidad. De este modo, si queremos reducir los tiempos asociados al producto o servicio una vez más incurrimos en costos y reducción de la calidad. Finalmente, la flexibilidad de un proceso está asociada a cuán rápido se ajusta a los cambios y dinamismo de la empresa y del entorno los cuales podemos dividir en factores internos y externos. Los factores internos son aquellas medidas e iniciativas de la empresa para realizar cambios a un proceso para mejorar su desempeño tomando en cuenta las variables de costo, tiempo, calidad y flexibilidad. Los factores externos son todos aquellos factores que provienen desde el entorno de la empresa y que son identificados por medio de Inteligencia de Negocios, área de finanzas (principalmente, factores de desempeño económico), como también desde nuevos estándares y/o normativas legales.De esta manera, los factores externos influyen directamente en los internos. Por lo tanto, la optimización de procesos debe considerar los factores internos y externos de una organización para luego llevarla a cabo. Típicamente la función objetivo representa costes de procesado, rendimiento del proceso o beneficios globales. 11

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4.1. Aplicaciones de la optimización de procesos La optimización tiene numerosas aplicaciones para el tratamiento de procesos específicos de diversas industrias como ser: petróleo, petroquímica, alimentos, farmacéutica, etc. El uso de simuladores ha permitido resolver problemas de optimización adecuadamente en distintas circunstancias. Sin duda la optimización ha sido de beneficio en distintas actividades como ser: el desarrollo de procesos, el diseño de una planta, operación de la planta, etc. La optimización tiene una amplia gama de aplicación en el desarrollo de procesos como ser:     

Optimización en transferencia de calor y conservación de energía. Optimización en los procesos de hidrocraqueo, catálisis, polimerización, etc. Optimización en columnas de destilación como ser despropanizadora, desbutanizadora, etc. Optimización en reactores químicos (reactor de tanque agitado, batch, adiabático, tubular, diseño y operación. Optimización en el diseño de los diferentes equipos de un proceso (bombas intercambiadores de calor, etc.) o de una planta completa.

5. Bibliografía  

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HENAO, C. y VÉLEZ, J. “Manual del laboratorio diseño de procesos químicos - Uso del paquete de simulación HYSYS. Process. UPB.Medellín ( 2002). Susana L. Rodríguez, Aurelio B. Vega Grande, “Simulación y optimización avanzadas en la industria química de los procesos HYSYS”, Universidad de Oviedo (2005). Scenna, Nicolás J.; Editor, “Modelado, Simulación y Optimización de Procesos Químicos”, Universidad Tecnológica Nacional, F.R. Rosario (1999). Martínez V. H. et al. “Simulación de procesos en ingeniería Química”, Ed. Plaza y Valdéz, 1era ed., Cap. 2, 2000. Luyben, W. L., Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineering, 2nd. edition, McGraw-Hill Chemical Engineering Series (1990).

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