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Simulación de procesos en Ingeniería Química

Capítulo 1 Fundamentos de la simulación de procesos químicos 1.0 INTRODUCCIÓN La palabra simulación proviene del latín simulatĭo, que significa acción de simular, es decir, representar algo, fingiendo o imitando lo que no es, viéndose en este contexto, como el uso de modelos simplificados para representar un determinado proceso y así poder predecir sus resultados. La simulación de procesos químicos está naturalmente vinculada al cálculo de los balances de materia, energía y eventualmente cantidad de movimiento de un proceso, cuya estructura y datos preliminares de los equipos que lo componen, se conocen, permitiendo así llevar a cabo tareas como el análisis, la evaluación y la obtención de costos estimativos de varias alternativas viables y competitivas para dicho proceso, así como también la evaluación y optimización de un diseño ya establecido para dicho proceso, en períodos de tiempo mucho más reducidos. Es así como los simuladores de procesos se han convertido en la herramienta más importante en el análisis y la síntesis de procesos químicos. En la actualidad se cuenta con la existencia de varios y eficientes simuladores comerciales como por ejemplo Aspen Plus, PRO II, HYSYS y CHEMCAD, entre otros. En el presente capítulo se pretende bosquejar los principales aspectos descriptivos de un simulador apto para la simulación de procesos químicos, como lo son los simuladores comerciales anteriormente mencionados. Se pondrá énfasis principalmente en aspectos genéricos y estructurales, y no en los principios de programación ni lenguajes específicos para el desarrollo de dichos programas. No obstante, se abordarán todos los aspectos conceptuales que deben tenerse en cuenta para un exitoso desarrollo, tanto de un simulador en general como de un equipo o proceso en particular.

1.1 OBJETIVOS DE APRENDIZAJE Una vez finalizado este capítulo, el estudiante será capaz de:  Comprender, operar y si es necesario desarrollar los componentes estructurales básicos correspondientes a distintos tipos de simuladores de procesos químicos.  Establecer diferencias entre los diversos métodos de simulación.  Establecer diferencias entre los diversos tipos de simuladores.

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Capítulo 1: Fundamentos de la simulación de procesos químicos

1.2 CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN Podemos considerar a la tarea de simulación como aquella en la cual proponemos ciertos valores de entrada al simulador o programa de simulación para obtener ciertos resultados o valores de salida, tales que se pueda estimar el comportamiento del sistema real bajo esas condiciones. Las herramientas de simulación pueden clasificarse según diversos criterios, tales como:  Si el proceso se lleva a cabo por lotes o en continuo.  Si el proceso involucra el tiempo como una de sus variables, es decir, se trata de un proceso en estado estacionario o dinámico.  Si maneja variables estocásticas o determinísticas, cualitativas o cuantitativas, etc. Las tablas 1.2.1 a 1.2.3 resumen las principales características de las clasificaciones de los métodos de simulación.

Tabla 1.2.1. Simulación cualitativa vs. Simulación cuantitativa

Simulación cualitativa

Simulación cuantitativa

Tiene por objeto principalmente el estudio de las relaciones causales y las tendencias temporales cualitativas de un sistema, así como también la propagación de perturbaciones a través de un proceso dado.

Tiene por objeto la descripción numérica del comportamiento de un proceso, por medio del uso de un modelo matemático del mismo. Para ello se procede a la resolución de las ecuaciones de conservación, junto a las ecuaciones de restricción que imponen aspectos funcionales y operacionales del sistema.

Asigna a sus variables valores cualitativos ya sean absolutos o relativos a un valor de referencia, tales como signos (+, -, 0). Abarca varios campos como lo son análisis de tendencias, supervisión y diagnosis de fallas, análisis e interpretación de alarmas, control estadístico de procesos, etc.

Asigna a sus variables un valor numérico, ya sea absoluto o relativo a uno de referencia (como en el caso de las entalpias). Abarca principalmente las simulaciones en estado estacionario y dinámicas.

Tabla 1.2.2. Simulación estacionaria vs. Simulación dinámica.

Simulación estacionaria

Simulación dinámica

Implica resolver los balances de un sistema sin involucrar la variable tiempo, por lo que el sistema de ecuaciones deseará estudiar o reflejar en el modelo las variaciones de las variables de interés con las coordenadas espaciales (modelos a parámetros distribuidos); entonces deberá utilizarse un sistema de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales (según el numero de coordenadas espaciales consideradas). Por lo general, en los simuladores comerciales se utilizan modelos a parámetros uniformes, es decir no varían con el tiempo ni en algunas de las coordenadas espaciales.

Plantea los balances con dependencia del tiempo, ya sea para representar el comportamiento de equipos batch, o bien para analizar la evolución que se manifiesta en el transiente entre dos estados estacionarios para un equipo o una planta completa. En este caso, el modelo matemático estará constituido por un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias cuya variable diferencial es el tiempo, en el caso de modelos a parámetros uniformes. En caso contrario, se deberá resolver un sistema de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales, abarcando tanto las coordenadas espaciales como la de tiempo.


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Tabla 1.2.3. Simulación determinística vs. Simulación estocástica.

Simulación determinística

Simulación estocástica

Aquella que usa un modelo determinístico, es decir, aquel en el cual las ecuaciones dependen de parámetros y variables conocidas con certeza, de tal forma que no existe incertidumbre ni leyes de probabilidad asociadas a las mismas.

Aquella que usa un modelo estocástico, es decir, aquel en el cual ciertas variables estarán sujetas a incertidumbre, que podrá ser expresada por funciones de distribución de probabilidad. En este caso los resultados del modelo estarán asociados a una ley de probabilidad.

Por último, también debe mencionarse la simulación de eventos discretos, en la cual existen variables de interés que no tienen un comportamiento continuo. Existen numerosos procesos que sólo pueden simularse desde este punto de vista, por ejemplo, la simulación o diseño de plantas batch multiproducto o multipropósito, o ambas simultáneamente, poseen características que imponen un modelo discreto para contemplar ciertos eventos de interés. En este libro sólo se abarcará lo concerniente a simulaciones cuantitativas y determinísticas, generalmente del tipo estacionario.

1.3 TIPOS DE SIMULADORES DE PROCESOS QUÍMICOS En esta sección se hablará básicamente de los tres tipos de simuladores existentes, como lo son, los simuladores globales, los simuladores secuenciales modulares y los simuladores híbridos o modulares secuencial-simultáneos. Debe diferenciarse la noción de un simulador general o global de procesos químicos de un programa de simulación de equipos o unidades operacionales aisladas. Un simulador global o general presenta muchos otros problemas adicionales a los de entrada/salida de datos y del modelo del equipo, como sucede con los programas de simulación de unidades operacionales aisladas; adicional a ello se presentan problemas como:  La contemplación de una biblioteca o librería de módulos individuales de proceso, para poder simular distintas operaciones o unidades de proceso.  Los cálculos de estimación de propiedades fisicoquímicas, pues si bien es cierto, no es lo mismo plantear el problema de un equipo procesando una mezcla determinada que plantear un sistema generalizado capaz de simular diversos procesos de separación, independientemente de la idealidad o no idealidad de las mezclas. Por lo que se hace necesario el uso de un sistema de estimación de propiedades generalizado que sea útil tanto para sustancias puras como para mezclas. En definitiva, son muchos los obstáculos que deben superarse para poder diseñar un simulador de propósitos generales. Dentro de este contexto, resulta muy importante comprender esta problemática para lograr un conocimiento más profundo de la forma de operar de los principales simuladores comerciales comúnmente utilizados para la simulación de procesos químicos. En los puntos siguientes se tratará de describir brevemente los principales aspectos estructurales vinculados a la arquitectura de un sistema típico de simulación de procesos químicos. Los simuladores de procesos pueden dividirse en los siguientes tipos según la filosofía bajo la cual se plantea el modelo matemático que representa el proceso a simular:

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 Simuladores globales u orientados a ecuaciones.  Simuladores secuenciales modulares.  Simuladores híbridos o modular secuencial-simultáneo. La tabla 1.3.1 muestra un análisis comparativo entre las principales clases de simuladores.

Tabla 1.3.1. Análisis comparativo de los dos principales tipos de simuladores.

Simuladores globales u orientados a ecuaciones

Simuladores secuenciales modulares

Se plantea el modelo matemático que representa al proceso construyendo un gran sistema de ecuaciones algebraicas que representa a todo el conjunto o planta a simular.

Se fundamenta en módulos de simulación independientes que siguen aproximadamente la misma filosofía que las operaciones unitarias, es decir cada equipo es modelado a través de un modelo especifico para el mismo y además, el sentido de la información coincide con el flujo físico en la planta.

El problema se traduce a resolver un gran sistema de ecuaciones algebraicas, que por lo general son no lineales. El principal problema de usar una filosofía de solución global u orientada a ecuaciones es la convergencia del sistema y la consistencia de las soluciones que se encuentran. Pueden producir múltiples soluciones. Si existen inconvenientes durante la simulación, resulta difícil asignar el problema a un sector especifico de la planta, o bien inicializar convenientemente.

Se debe plantear un modelo matemático para módulo de simulación. Cada sistema de ecuaciones es resuelto con una metodología que resulta apropiada para el mismo. Debido a que los módulos están orientados y definidos de una forma rígida, resulta imposible agregar restricciones y/o variables adicionales, además de la expresión analítica analítica de la función de optimización, debiéndose proceder como si fuera una caja negra, donde no se pueden manipular los modelos existentes.

Posee una velocidad de convergencia mucho mayor. Como el sistema se plantea orientado a ecuaciones, es posible incorporar las expresiones de restricción para definir problemas de optimización en forma directa, ya que solo basta con plantear las restricciones y la función de optimización.

Este enfoque supone que se conocen las variables de las corrientes de entrada, o sea las alimentaciones a los equipos, y que deben calcularse las corrientes de salida y los correspondientes parámetros de operación. Se debe plantear un orden de flujo de la información.

Básicamente los simuladores de procesos comerciales son del tipo modular secuencial, por lo cual cada vez que se asume un diagrama de flujo de proceso, se está especificando un diagrama que se conoce como diagrama de flujo de información (DFI). Este diagrama matemáticamente es un dígrafo, en el cual los nodos representan los módulos de equipos conectados uno a uno a través de las corrientes que los vinculan, las cuales se representan como arcos dirigidos. Tanto los nodos como las corrientes de información, por lo general, coinciden con los equipos y corrientes físicas de la planta, respectivamente. La Fig. 1 muestra un esquema de proceso genérico y su respectiva traducción al diagrama de flujo de información.


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PFD

DFI

Fig. 1. Diagrama de flujo de proceso vs. Diagrama de flujo de información.

En algunas oportunidades será necesario representar un equipo real de la planta mediante la conexión de varios módulos disponibles en la biblioteca de módulos del simulador. En este caso resulta poco probable encontrar en la biblioteca de módulos de un simulador comercial etapas como las del proceso, por lo cual se debe pensar en una forma de modelar el proceso tratando de reproducir el comportamiento del mismo recurriendo a los módulos disponibles. Si esto no fuera posible, deberá recurrirse a la programación de un simulador específico. El problema que sigue ahora es calcular todas las corrientes y parámetros de la planta, solucionando uno a uno los módulos en una secuencia lógica tal que aun existiendo reciclos pueda obtenerse la solución deseada. Para ello debe utilizarse un método iterativo apropiado, definiendo corrientes de corte a través del rasgado del diagrama de flujo. Las corrientes de corte son aquellas cuyos valores deben ser supuestos inicialmente por el usuario a los efectos de generar una serie; cuyos términos se obtengan iteración a iteración resolviendo toda la planta uno a uno los módulos, en una secuencia ordenada y acíclica. El criterio de convergencia estará cumplido cuando la diferencia entre los valores correspondientes de dos iteraciones consecutivas sea menor a un porcentaje de error definido por el usuario. En este caso se cumplen los balances de masa y energía, por lo cual la simulación ha terminado. Para determinar las corrientes de corte se definen las operaciones de rasgado, particionado y ordenamiento. La primera hace énfasis en la identificación de las corrientes que necesariamente deberán ser supuestas por el usuario, para declararlas como variables de iteración. Mediante el particionado y ordenamiento se transforma la secuencia cíclica en una acíclica o lineal, por lo que se determina la secuencia de equipos para el procedimiento iterativo de resolución. Finalmente nos hace falta mencionar la tercera opción de simuladores, los simuladores híbridos. En efecto, es posible plantear el desarrollo de simuladores combinando la estrategia modular y la orientada a ecuaciones de forma tal de aprovechar los aspectos positivos de ambas metodologías lo máximo posible. Para ello se selecciona un grupo de variables sobre las cuales se procederá según la filosofía global, esto es, se las resolverá simultáneamente, mientras que para el resto se mantiene la filosofía modular, es decir, se trata de encontrar una secuencia acíclica, que provea por su cálculo, en cada iteración, los valores de las variables a resolverse simultáneamente. Es por ello que a esta filosofía también se la conoce como two-tear o de dos niveles jerárquicos, ya que se trabaja en uno con las variables tratadas simultáneamente, y en el otro secuencialmente. Otro nombre con el que se conoce este enfoque es modular secuencial-simultáneo.

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Capítulo 1: Fundamentos de la simulación de procesos químicos

Con el fin de entender un poco más el funcionamiento de los simuladores comerciales, nos dedicaremos, en las secciones siguientes de este capítulo, a analizar con mayor énfasis las características de los simuladores secuencial-modulares.

1.4 ESTRUCTURA DE UN SIMULADOR SECUENCIAL MODULAR EN ESTADO ESTACIONARIO Para entender el desempeño de un simulador modular secuencial es necesario conocer un poco de la estructura y la arquitectura del mismo. Entre sus funciones o componentes, se pueden diferenciar las siguientes:   

La lógica general del simulador Una sección encargada de la estimación de las propiedades fisicoquímicas. Una biblioteca de módulos de equipos.

1.4.1 Lógica general del simulador La lógica general o central de administración del simulador comprende los siguientes ítemes:   

Un sistema de entrada de datos. La lógica general de administración. Un sistema de salida de datos o resultados.

1.4.1.1 Lógica general de administración Es la encargada de administrar los distintos procesos que deben ejecutarse para lograr la simulación de un proceso dado. Algunas de sus funciones específicas se muestran a continuación:      

 

Procesar el diagrama de flujo. Decidir si se puede resolver en una secuencia lineal o si existen reciclos. Seleccionar sobre cuales variables debe iterarse. Determinar en función de las corrientes de corte el orden en el cual serán resueltos los equipos. Manipular un banco de algoritmos que permitan las operaciones de rasgado, particionado y ordenamiento o secuencia de resolución. Al finalizar el proceso iterativo de acuerdo al criterio de convergencia definido por el usuario, procederá a detener el proceso de simulación y almacenar todos los valores convergidos (corrientes de proceso y valores o parámetros internos de los equipos) en el lugar correspondiente, es decir, un administrador de bases de datos. En caso de no lograrse la convergencia deberá detener el proceso e informar al usuario de su hallazgo. Puede o no tener en cuenta la interacción del programa con otros programas como procesadores de texto, hojas de cálculo, programas tipo CAM (Computer Aided Manufacturing) o CAD (Computer Aided Design), entre otros.


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1.4.1.2 Sistemas de entrada y salida de datos Son una parte fundamental de todo simulador en general. Debe caracterizarse por ser flexible y amigable con el usuario, es decir, que cuente con una interfaz o ventana que permita tanto introducir los datos como la interacción en general con el simulador, de una forma amena y agradable para el usuario, independientemente de la experiencia que éste tenga con el simulador. La potencialidad de este tipo de interfaces facilita enormemente la presentación de curvas y gráficas y el acceso a la información específica (parámetros de equipos, datos fisicoquímicos, etcétera).

1.4.2 Sistema de estimación de propiedades fisicoquímicas. Es prioritario un sistema de estimación de propiedades fisicoquímicas con el fin de poder realizar simulaciones de procesos, independientemente de su naturaleza química de las sustancias involucradas (sustancias puras, mezclas homogéneas, mezclas heterogéneas, ideales, no ideales, sólidos, líquidos, gases, electrólitos, no electrólitos, etc.) y de la situación que se tenga (reacciones, equilibrios de fases, entre otros). Por lo general los simuladores comerciales siempre cuentan con la opción de permitir al usuario la introducción de sus propias correlaciones en el caso que éste encuentre inaplicables los métodos de que dispone el simulador. No compete a este texto dar al estudiante lecciones de termodinámica de soluciones, sistemas reaccionantes, y equilibrios de fases, pues se sobreentiende que el estudio de estos temas hacen parte del quehacer de su profesión.

1.4.3 Biblioteca de módulos de equipos Si bien es cierto, los equipos de proceso (intercambiadores de calor, torres de separación, reactores, etc.) son los encargados de las transformaciones que sufren las corrientes de proceso en un proceso determinado y constituyen la maquinaria de la planta industrial. Un simulador de procesos con una biblioteca de módulos, los cuales como representativos de los equipos, tiende a reproducir el comportamiento de los equipos de proceso en la planta y la fisicoquímica asociada a éstos, generando las transformaciones necesarias para alcanzar el producto que se desea. Es importante enfatizar que en un simulador, la adecuada selección de las variables especificadas y de los parámetros de funcionamiento de los equipos, al igual que su fisicoquímica, son las principales causas de la lentitud o rapidez de la convergencia de los cálculos y de la proximidad con la que los resultados simulen lo mejor posible el comportamiento de la planta real. Aunque muchos de los simuladores comerciales cuentan con un “asistente experto” casi que automático, para la selección de los modelos termodinámicos para la predicción de las propiedades, es importante destacar que sólo el usuario del simulador sabrá si lo que está haciendo tiene sentido, asumiendo hipótesis, seleccionando los niveles de cálculo e interpretando los resultados obtenidos. La selección de los módulos apropiados en un simulador para un sistema en particular, se debe hacer con cierto criterio, el cual sólo se tiene cuando se alcanza un cabal domino de las hipótesis subyacentes a los módulos y las implicaciones que resultan de usarlos. En la tabla 1.4.3.1 se mencionan brevemente algunos de los equipos estándares que poseen los simuladores de procesos comerciales y/o académicos y sus principales características.

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Capítulo 1: Fundamentos de la simulación de procesos químicos

Tabla 1.4.3.1 Principales equipos en los simuladores comerciales

Equipo

Características

Equipos divisores de corriente

Simula la división de una tubería en varias. Su variable de diseño es la relación de caudales de corrientes de salida a la corriente de entrada. No existen relaciones de equilibrio ni transferencia. En general se trabaja isotérmico, puede o no contemplar caídas de presión.

Equipos sumadores o mezcladores

Representan la conexión de tuberías cuyos fluidos pueden tener diferentes composiciones, temperaturas y estados de agregación, por lo cual deben considerarse las ecuaciones de equilibrio de fases y balance de materia. Si fuese necesario, deben contemplarse las posibilidades de reacción, y caídas de presión.

Equipos de intercambio calórico

Representa un equipo de intercambio calórico común, dos entradas y dos salidas, un conjunto de parámetros característicos esta dado por el parámetro UA. Puede contemplarse desde simples calentamientos, enfriamientos o cambios de fase, totales o parciales.

Intercambiadores rigurosos con geometría dada

Este tipo de equipo estima el comportamiento de los fluidos con mayor rigurosidad y con ecuaciones de balance y relaciones funcionales mucho más complejas. Incluyen la determinación del coeficiente global de transferencia (U), calculando resistencias a la transferencia debido a los coeficientes peliculares, materiales de los tubos y la distribución y régimen de flujo de los fluidos circulantes.

Equipos de contacto directo entre fases

Involucran las operaciones de separación por contacto directo como lo son: extracciones líquido-líquido, absorción, desorción, destilación, etc. Existen tanto métodos aproximados como rigurosos. Se recomienda usar los métodos cortos como primera estimación para un cálculo riguroso.

Reactores

Existen varios modelos. Desde la “caja negra” donde solo se especifica la estequiometría, un componente de referencia, conversión final y temperatura del producto para obtener las condiciones de la corriente de salida. También se contemplan los modelos típicos (CSTR, PFR, etc.) permitiéndose cinéticas convencionales de primer o segundo orden y reacciones en equilibrio, etc.

Equipos de separación flash

Simulan la evaporación súbita de una o varias corrientes, lográndose así su separación, ya sea contemplando equilibrios LLE, VLE o VLLE, inclusive. Es uno de los más importantes pues permite saber el estado de agregación de cualquier corriente en cualquier instante.

Bombas y válvulas

Tanto en la bomba como en la válvula, la variable de diseño es la presión de descarga, sin contemplarse cambios entálpicos debidos al cambio de presión. También se contemplan modelos más rigurosos, dependiendo el simulador.


Simulación de procesos en Ingeniería Química

Tabla 1.4.3.1 (Continuación)

Equipo

Características

Compresores y expansores

La versión más simplificada sólo tiene como variable de diseño, la presión de descarga (salida). Existen modelos más complejos que toman en cuenta compresiones o expansiones politrópicas. La idea de éstos módulos es, al igual que muchos de los anteriores, obtener las condiciones de la corriente de salida.

Otros equipos

Algunos de los equipos, no tan comunes en los simuladores de procesos, son: hornos de procesos, equipos de separación sólido-líquido o sólido-gas, transporte de sólidos, ciclones, electrólitos, etc. Es imposible que un simulador contemple todos los módulos disponibles, dada la inmensa cantidad de posibilidades, razón por la cual se dispone de la posibilidad que el usuario incorpore nuevos modelos propios al simulador.

Equipos especiales o controladores

En ciertos simuladores existen equipos “controladores”, cuya operación será necesaria para mantener a ciertas valores elegidas en los valores deseados. En modo simulación esta operación de control puede ser reproducida en función de los siguientes procedimientos: -Módulos de equipos controlados a través especificación(es) de salida fija. -Módulos especiales o controladores “feedback”. -Módulos especiales o controladores “feedforward”.

de

una(s)

No debe confundirse esta operación con el control real de la planta a simularse, pues el control sólo tiene sentido si hay variaciones de las variables con el tiempo. Se recomienda mirar las opciones propias de cada simulador. Módulos controladores “feedback”

Los módulos de control feedback (o por retroalimentación) en un simulador secuencial modular son equipos cuyo objetivo es operar sobre un parámetro o variable de la corriente llamada variable manipulada en función de otro parámetro o variable de la corriente llamada variable controlada. Se le llama retroalimentado, pues se con base en el valor de la variable controlada en una corriente, se manipula otra variable (manipulada) en una corriente precedente a ésta. Vale la pena aclarar que no se trata de una operación unitaria, como tal, sino una operación que establece un control con el fin de lograr la convergencia hacia un valor especificado.

Módulos controladores “feedforward”

Se utilizan para fijar un parámetro de operación aguas abajo en la secuencia de resolución, de acuerdo con el valor que tomó de una variable seleccionada. Desde el punto de vista conceptual, es análogo al feedback, pero acá se manipula hacia adelante.

Como se vio en esta sección, a veces, cuando no se encuentra un módulo en la librería de módulos del simulador, y, la tarea de representarlo como la unión de varios módulos simples del simulador queda muy difícil o incluso, es casi que imposible, es mejor definir un nuevo módulo en el simulador. En la siguiente sección se plantean algunos de los conceptos generales a tener en cuenta en el desarrollo de nuevos módulos para un simulador secuencial modular.

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Capítulo 1: Fundamentos de la simulación de procesos químicos

1.5 DESARROLLO DE MODULOS GENERALES PARA UN SIMULADOR En general, los ítems a tener en cuenta para abordar el desarrollo de módulos de simulación con el objeto de utilizarlos acoplados a la estructura de un simulador de procesos de propósitos generales son los siguientes: - Esquema de funcionamiento de un módulo generalizado: Se deben considerar las posibles variantes acerca de los distintos tipos de datos conocidos (corrientes de entrada, salidas, etc.), los grados de libertad, parámetros, filosofía de cálculo, relación con el sistema general, etc. - Interrelación módulo de equipo-base de datos: Aquí analizaremos la descripción de la estructura general de conexión (intercambio de datos) entre el módulo de simulación (equipo) y el sistema de almacenamiento de datos del simulador (constantes fisicoquímicas, parámetros de equipos, sistema de entrada-salida, etc.). - Selección de parámetros de equipos: En este punto se describe la estructuración del módulo de acuerdo a las necesidades de la operación a simular. Esto es, definir los grados de libertad del sistema, los parámetros a fijar según los mismos, etc. - Niveles de cálculo: En este punto se identifica la rigurosidad del cálculo que se desea (grados de simplificación). - Interrelación módulo de equipo-fisicoquímica: Describe el esquema que relaciona los módulos de equipos con los programas de estimación de propiedades fisicoquímicas. El diagrama de intercambio de información entre los módulos (que representan la operación de los distintos equipos) y el sistema o lógica central del simulador poseen una estructura general como se muestra en la Figura 1.a En ésta se observa que las entradas al módulo consisten en los parámetros del equipo (que se describirán posteriormente), las variables de retención interna (por ejemplo: los perfiles de caudales, concentraciones y temperaturas de una torre de destilación para ser utilizados como variables de inicialización) y las corrientes de entrada al equipo. Además, deben incluirse en la salida los resultados del cálculo (por ej. calor total intercambiado en un intercambiador de calor) junto a las corrientes de salida del módulo, que a su vez serán datos de entrada para el próximo equipo en la secuencia de resolución.


Simulación de procesos en Ingeniería Química

Fig. VI. 1.a. Arquitectura de un simulador genérico, modular secuencial. Este esquema tradicional responde a la simulación clásica modular, secuencial en estado estacionario. Dado que los modelos planteados para cada operación unitaria son independientes del sistema fisicoquímico a emplearse, es posible lograr generalidad y flexibilidad de programación para los módulos de equipos, solo teniendo en cuenta una forma apropiada de interacción entre las secciones que deben realizar cálculos fisicoquímicos y las encargadas de resolver los balances y relaciones funcionales propiamente dichas. Un punto importante en la nueva generación de simuladores orientados al manejo de grandes cantidades de información es la administración y almacenamiento de la misma. En general debe definirse algún tipo de administrador de base de datos para lograr una integración entre los módulos de la lógica central, de ejecución, programas fisicoquímicos, entrada/salida de información, y el almacenamiento de los datos en sí. Las relaciones estructurales pueden consultarse en los manuales que se proveen con cada simulador comercial. En la Figura 1.b se observa un esquema general de funcionamiento en el que se indica el flujo de información al resolver un equipo o módulo.

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Capítulo 1: Fundamentos de la simulación de procesos químicos

Fig. VI.1.b. Esquema de cálculo de cada módulo o equipo del simulador.

ALGUNAS RECOMENDACIONES A TENER EN CUENTA EN LA SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS CON SIMULADORES DE PROCESOS MODULAR SECUENCIALES EN ESTADO ESTACIONARIO. 1.6

1.7 PROBLEMAS PROPUESTOS


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Capítulo 1 - Fundamentos de Simulación  

Capítulo 1 de la serie Simulación de procesos en Ingeniería Química, en el cual se describen algunos de los fundamentos de la simulación, lo...

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