Software de Simulacion Para Ingenieria Quimica-1

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Software de Simulaci ón para Ingeniería Ingeniería Quími ca

Software de Simulación para I n ge n i e r í a Química Software de Simulación para la Ingenierí a Quí mica

In tr oducción

La necesidad de nuevos productos, así como una nueva cultura del cuidado del medio ambiente, del ahorro y optimización de energía, el uso racionalizado de combustibles, etc., hace necesario que la ingeniería química busque alternativas económicas y factibles para la solución de estos nuevos retos. La simulación de procesos es una herramienta eficaz y efectiva para el análisis, la síntesis y la optimización de proceso lo que ayuda a preponer las diferentes alternativas para resolver estos retos modernos. El desarrollo de simuladores de procesos a nivel mundial se ha desenvuelto a pasos agigantados. Principalmente debido a tres aspectos: a)

Computadoras con procesadores de mayor velocidad, interfaces gráficas gr áficas que facilitan el manejo de gráficos, gr áficos, almacenamiento de gran cantidad de datos.

b)

Lenguajes de programación estructurados que facilitan que pocas sentencias se realicen de forma más eficiente la solución de sistemas de ecuaciones y la misma simulación.

c)

El cálculo de propiedades de mezclas y componentes con menor desviación de los datos obtenidos experimentalmente.

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Software de Simulaci ón para Ingeniería Quími ca

La ventaja que presenta la simulación de procesos es debido a que a partir de datos reales (los que se utilizaran para obtener un modelo matemático si no existe y/o validar los resultados obtenidos al resolver el modelo o la simulación en sí) se pueden obtener información que permitirán el análisis, la síntesis y la optimización, además no se requiere una gran cantidad de experimentos (lo que incrementa el costo y desestabiliza la operación de cualquier planta de proceso) ya que si el modelo utilizado es adecuado, la reproducibilidad de resultados es excelente. La simulación es una herramienta importante para la ayuda de toma de decisiones en el diseño, operación y optimización de procesos químicos. Ahora bien, desde el punto de vista de la ingeniería química es la solución de las ecuaciones de balance de materia y energía para procesos químicos en estado estacionario o dinámico. Así como del dimensionamiento y la obtención de costos de los equipos involucrados en un proceso. Por último el efectuar la evaluación preliminar del proceso. Es sabido que en la simulación convergen diversas corrientes del saber, como es el análisis de los métodos numéricos para la simulación de ecuaciones tanto algebraicas como diferenciales, el modelado de proceso, operaciones unitarias y fenómenos de transporte, estimación de propiedades fisicoquímicas, etc. Los simuladores se pueden clasificar en:

Simuladores en estado estacionario (las propiedades de reactivos, productos o mezclas no varían con el tiempo) o también llamados Simuladores en estado dinámico (las propiedades varían con el tiempo). Simuladores de uso específico (los elaborados para una operación unitaria específica y un determinado rango de operación, ejemplo Madsed, Reformación, FCC, etc.) o Simuladores de uso general (contienen en su estructura varias operaciones unitarias las cuales pueden ser interrelacionados entre sí para simular un proceso, ejemplo: Aspen, Hysys, Chemcad, PRO II , etc.).

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Es importante mencionar que 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. En la toma crítica de decisiones se prueban diferentes alternativas de procesos y condiciones de operación. La simulación proporciona todos los datos de procesos 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. De acuerdo a Martínez et al (200) hay tres tipos de modelos que pueden resolverse por medio de la simulación: 1. Análisis de un proceso. 2. Diseño del proceso. 3. Optimización del proceso.

PRO II

El software de simulación de PRO/II® es un simulador en estado estacionario que permite el diseño de procesos y el análisis operacional mejorados. Se diseña para realizar balance de masa y los cálculos rigurosos del balance energético para una amplia gama de procesos químicos. En especial en productos químico, petróleo, gas natural, a los sólidos que procesan y a las industrias del polímero permitiendo la solución más comprensiva de la simulación. Capacidades Principales entre otras: Aplicaciones de refinación: procesamiento de crudo pesado, precalentamiento del crudo, destilación de crudo, FCC fraccionador principal y coker, separador de nafta y separador, separador de agua, sulfúrico y alquilación ácida HF.

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Petróleo y gas que Procesa usos: azucarar de amina, refrigeración de la cascada, trenes de compresor, deshidratación de gas, formación hidrato/inhibición. Usos de productos químicos/Petroquímico: el fraccionamiento de etileno, C3 la división, la separación aromática, ciclo hexanos, MTBE la separación, la recuperación de naftaleno, las olefinas y oxigena la cloración de propileno y la producción. Usos químicos: síntesis de amoníaco, destilación isotrópica, biocarburantes, cristalización, deshidratación, electrólitos, Inorgánicos, extracción líquida líquida, destilación de fenol, manejo de alimentos sólidos. Usos de polímero: polimerización de radical libre, polimerización de crecimiento de paso, copolímeros Usos farmacéuticos: destilación de hornada y reacción.

F O RT R A N

Este lenguaje de estilo procedural fue el primero de alto nivel, desarrollado por IBM en 1957 para el equipo IBM 704. Está fuertemente orientado al cálculo y por ende es uno de los de mayor eficiencia en la ejecución. La definición estándar del leguaje se estableció en 1966. Algunas otras versiones subsiguientes fueron:

FORTRAN IV FORTRAN 80 FORTRAN 77 FORTRAN 90

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Fortran ha sido ampliamente adoptado por la comunidad científica para escribir aplicaciones de cálculos intensivos. La inclusión en el lenguaje de la aritmética de números complejos amplio la gama de aplicaciones para las cuales el lenguaje se adopta especialmente; muchas técnicas de compilación de lenguajes se han implementado para mejorar la calidad del código generado por los compiladores de Fortran. Ventajas e inconvenientes de su sintaxis Lo que fue la primera tentativa de proyección de un lenguaje de programación de alto nivel, tiene una sintaxis considerada arcaica por muchos programadores que aprenden lenguajes más modernos. Es difícil escribir un bucle “for”, y errores en la e scritura de sólo un carácter pueden llevar a errores durante el tiempo de ejecución en vez de errores de compilación, en el caso de que no se usen las construcciones más frecuentes. Algunas de las versiones anteriores no poseían facilidades que son consideradas como útiles en las máquinas modernas, como la asignación dinámica de memoria. Se debe tener en cuenta que la sintaxis de Fortran fue afinada para el uso en trabajos numéricos y científicos y que muchas de sus deficiencias han sido abordadas en revisiones más recientes del lenguaje. Por ejemplo, Fortran 95 posee comandos mucho más breves para efectuar operaciones matemáticas con matrices y dispone de tipos. Esto no sólo mejora mucho la lectura del programa sino que además aporta información útil al compilador. Por estas razones Fortran no es muy usado fuera de los campos de la informática y el análisis numérico, pero permanece como el lenguaje a escoger para desempeñar tareas de computación numérica de alto rendimiento.

MATLAB

Es una herramienta informática que surgió para realizar cálculos matemáticos, especialmente operaciones con matrices. El usuario de MATLAB suele ser una persona que necesita algo más que una calculadora pero que no quiere “mancharse las manos” con un lenguaje de programación. P or eso el entorno de trabajo es

sencillo de manejar, casi tan fácil como una calculadora. Además de realizar cálculos, esta herramienta permite crear gráficos de muchos tipos y presenta grandes ventajas a la hora de trabajar con números complejos, con matrices, con polinomios, con funciones trigonométricas, logaritmos, etc. Con los años la herramienta ha sido modificada pasando por varias versiones. En cada versión se han incorporado otras funciones distintas y hoy en día proporciona funciones para gran cantidad de aplicaciones ingenieriles: simulación de sistemas dinámicos, visión artificial, análisis estadístico, análisis y diseño de controladores automáticos, etc.

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Desde las primeras versiones MATLAB incorpora una característica muy interesante: la capacidad para programar. En efecto, es posible crear archivos que contengan las operaciones que se desean realizar. Además es posible incorporar nuevas funciones de MATLAB realizadas por el propio usuario. La programación se lleva a cabo mediante un lenguaje que es muy parecido a lenguajes de alto nivel como BASIC o C. Esto permite que el usuario pueda agrupar sentencias que utiliza frecuentemente dentro de un programa que puede ser invocado posteriormente. De este modo se ahorra tiempo y esfuerzo en sucesivas sesiones pues no es necesario escribir todas las sentencias de nuevo como se mostrara. Pero no todo son ventajas. Como principal inconveniente hay que señalar el hecho de que MATLAB no ha sido concebido como lenguaje de programación por lo que carece de algunos elementos o características necesarias para una buena práctica de la programación. Para aliviar estos defectos se van a usar métodos que eviten los peligros derivados de dichas carencias. La forma más simple de usar MATLAB es como una calculadora. En lugar de pulsar teclas se ha de escribir la operación a realizar y pulsar Intro para que esta se lleve a cabo. Una de las características del entorno MATLAB es que permite que las órdenes puedan ser tomadas de un archivo en lugar de ser introducidas por el teclado. La idea es simple: si el usuario va a repetir a menudo un conjunto de órdenes puede escribirlas en un archivo de texto. Posteriormente le indica a MATLAB que lea dicho archivo ejecutando las órdenes una por una. El efecto es el mismo que si el usuario hubiese escrito las órdenes en el entorno de MATLAB . Ahora bien, puesto que el archivo de texto se puede guardar en disco no es preciso volver a escribir las órdenes nunca m as. Cada vez que el usuario desee ejecutar de nuevo el conjunto de órdenes podrá indicar nuevamente a MATLAB que lea el archivo. Esto supone un gran ahorro de tiempo en muchos casos. Es costumbre dar a los archivos que contienen órdenes de MATLAB una extensión predeterminada que los diferencia de otros archivos de texto. Esta extensión es.m.

Los siguientes consejos ayudaran sin duda al usuario de MATLAB a conseguir programas legibles *

Elegir nombres de variables indicativos de lo que representan.

*

No usar una misma variable para representar más que una cosa .

*

Incluir comentarios en el código para ayudar a seguir la secuencia del programa.

*

Dividir el código en trozos, de forma tal que sea posible abarcar cada trozo de un vistazo en una ventana mediana. La división no ha de ser arbitraria, sino que los trozos deben tener cada uno cometidos claros. Normalmente los diagramas de flujo desarrollados con anterioridad a la codificación indican cómo realizar esta división.

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A pesar de haber dado estos consejos hemos de ser conscientes de que la buena programación solo se logra mediante un proceso de aprendizaje por prueba y error. E l éxito o fracaso de las funciones que uno escriba estar a sin duda influenciado por el buen conocimiento de estas fases.

1. Creación de variables locales para argumentos formales. 2. Recogida del valor de los argumentos de la llamada por parte de las variables locales. 3. Cálculos incluidos en el cuerpo de la función. 4. Envío de valores de las variables resultados a las variables de la sentencia llamante.

L I N K SI MU

Simulink es un software que funciona bajo la plataforma de Matlab y es una herramienta muy útil para modelar, simular y analizar sistemas, tanto lineales como no lineales. Permite al usuario realizar sus estudios tanto en el dominio del tiempo como el de Laplace, expresar las funciones de transferencia en las diferentes formas incluyendo la del espacio de los estados y otras opciones. En una interfaz gráfica (GUI) como la que se observa en la Figura 10.1, el usuario construye un diagrama de bloques que desarrollan procedimientos que realizan las operaciones matemáticas requeridas para la solución de un modelo. Para acceder a Simulink se requiere abrir el espacio de trabajo de Matlab y presionar el icono “Simulink” o también mediante la digitación de dicha palabra clave

con letras minúsculas en el editor de comandos. Con lo an terior se despliega, solamente, la ventana de título “Simulink Library Browser”.

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ASPEN P LU S

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Características Generales

ASPEN: Sistema avanzado para procesos de Ingeniería Desarrollado por: Aspen Technology, Inc. http://www.aspentech.com/products *Flexible y fácil de usar. *Algoritmo de Cálculo: método secuencial modular (Aspen Plus 10.2) método orientado a ecuaciones (Aspen Plus 2004.1) método orientado a ecuaciones (Aspen Plus 2006)

Aspen Plus permite:

– Regresión de datos experimentales – Diseño preliminar de los diagramas de flujo usando modelos de equipos simplificados. – Realizar balance de materia y energía riguroso usando modelos de equipos detallados . – Dimensionar piezas clave de los equipos. – Optimización on-line de unidades de proceso completas o bien plantas.

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

Propiedades termo físicas:

*

Bases de datos de componentes puros y específicos de cualquier aplicación.

*

Sistemas de estimación para constantes de propiedades.

*

Bases de datos para parámetros de interacción binaria.

*

Sistemas de regresión de datos.

*

Sistemas para electrolitos.

*

Acceso a la base de datos termo física DECHEMA 

Herramientas:

*

Análisis de convergencia: rotura de ciclos, secuencia de soluciones.

*

Incluyen fortran y Excel. Acceso a Visual Basic (Aspen Plus 2004.1)

*

Análisis de sensibilidad: variaciones debidas a cambios introducidos.

*

Caso de estudio para simular con varias entradas.

*

Especificaciones de diseño para el cálculo automático de condiciones de operación y parámetros de equipos.

*

Ajustes de datos.

*

Optimizar para maximizar rendimientos, consumo de energía, pureza…

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HYSYS

Desarrollado por: Aspen Technology, Inc. http://www.aspentech.com/product 

Características Generales *

Entorno de simulación modular tanto para estado estacionario como para régimen dinámico.

*

Desarrollado para su uso con PC.

*

Interface gráfica de fácil uso (orientado a objeto)

*

Posibilidad de adicionar código de programación con VISUAL BASIC.

*

Interpreta interactivamente los comandos según se introducen en el programa. Por tanto no necesita un botón de ejecución (run), aunque existe la posibilidad de plantear el problema completo sin hacer cálculos y después ejecutarlos.

*

Es un simulador bidireccional, ya que el flujo de información va en dos direcciones (hacia adelante 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. 

Integrado:

* La información se comparte entre aplicaciones * Modelos termodinámicos comunes. * Flowsheet común * Interface * Cambio de aplicación

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Iterativo:

* Cálculos automáticos al aportar nueva información. * No límites al acceso de información útil. 

Abierto y Extensible:

* Unidades de operación en estado estacionario o dinámico. * Especificar expresiones para reacciones cinéticas. * Paquetes de propiedades especiales. * Extensión de la funcionalidad de la simulación en respuesta a posibles cambios.

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CHEMCAD

Desarrollado por: Chemstations Inc. http://www.chemstations.net 

Características Generales: * Incluye bases de datos de componentes químicos, métodos termodinámicos y unidades de operación que permiten la simulación en estado estacionario de procesos químicos continuos desde escala laboratorio a escala industrial. * Simulación en régimen dinámico y de procesos discontinuos. * Interface gráfica. * Funcionamiento bajo Windows.

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C H E M S E P

ChemSep es un software para la simulación de procesos de destilación, absorción y extracción. La versión liviana (“light”) de dicho simulador se encuentra

disponible para descargar en www.chemsep.org/downloads/index.html ChemSep integra cálculos de flash, modelo clásico de columna en la fase equilibrio y modelos de no equilibrio “base -porción”, un programa fácil de usar.

ChemSep GUI permite simular cualquier problema en minutos y exportar resultados en una gran variedad de formatos, hoja de cálculo, texto, y html. ChemSep planea un gran número de modelos de correlaciones de transferencia de masa y flujos así como modelos de extracción líquido-líquido y modelos de columnas de destilación de tres fases. Es un software excelente para la solución de problemas de separación de multicomponentes, con una gran base de datos; las cuales pueden ser muy útiles en los estudios de diferentes separaciones químicas en la Ingeniería Química .

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A R E N A

Arena es una aplicación (Creada por Rockwell Software) del sistema operativo Windows de Microsoft (totalmente compatible con otras aplicaciones de Windows) que permite la realización de modelos de simulación con un elevado nivel de detalle, tanto conceptualmente como con el uso de animaciones. Los elementos básicos para los modelos de Arena se llaman módulos. Estos son el diagrama de flujo y los objetos de datos que definen el proceso que se va a simular y se eligen de las plantillas de la barra de proyectos. Vienen en dos formas básicas: Diagrama de Flujo y datos. Los módulos de diagrama de flujo describen procesos dinámicos del modelo. Se pueden interpretar como nodos o lugares a través de los cuales fluyen las entidades o en donde se originan o dejan el modelo. Para el panel del proceso básico, los módulos de diagrama de flujo disponibles son Create, Dispose, Process, Decide, Batch, Separate, Assign y Record. Los módulos de datos definen características de varios elementos del proceso, como entidades, recursos y colas. También pueden configurar variables y otros tipos de valores y expresiones numéricas que pertenecen al modelo en su conjunto. Los iconos para los módulos de datos en la barra de proyecto parecen pequeñas hojas de cálculo. Para el panel de proceso básico, los módulos de datos disponibles son Entity, Queue, resource, Variable, Schedule y Set.

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Bibliografí a:

http://www.uaz.edu.mx/cippublicaciones/ricvol4num2tom1/Ciencias%20de%20la%20Salud/LASIMULACION.pdf http://www.argentinawarez.com/programas-gratis/783333-actualizar-esta-pagina-descargar-proii-simulador-de-procesos-ingenieria-quimica-procesos industri.html http://www.masterhacks.20m.com/custom_28.html http://www.esi2.us.es/~jaar/Datos/FIA/T9.pdf http://es.scribd.com/doc/51104349/Simuladores-ASPEN-PLUS-HYSYS-DESIGN-PRO-II-BASES-DE-DATOS http://www.ingenieriaquimica.org/software/simulacion_procesos_separacion http://es.scribd.com/doc/113605014/Simulacion-con-el-Software-Arena http://galeon.com/mcoronado/MODELAMIENTO/10SIMULINK.pdf

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