Unidad 1 Fundam de simulación.pptx

Unidad 1. Fundamentos de simulación

Heriberto Orozco Román

Una Operación Unitaria es la secuencia básica de un proceso que implica un cambio físico o químico, como separación, cristalización, evaporación, filtración, polimerización, isomerización y otras reacciones.

Un proceso unitario es una o más operaciones agrupadas en un sistema de manufactura que pueden ser definidas y separadas de otras.

La simulación, 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.

La simulación de procesos

• Simulación de procesos es una técnica que permite representar, a través de un modelo o réplica, las operaciones sucesivas e interrelacionadas de cualquier proceso real, ya sea de carácter natural o artificial, para conocer el comportamiento del sistema ante el cambio de las variables del proceso.
• se define como el uso de modelos informáticos para probar virtualmente los métodos y procedimientos de fabricación, incluidos procesos como la producción, el montaje, el inventario y el transporte.
• Una simulación imita el funcionamiento de los procesos o sistemas del mundo real con el uso de modelos. El modelo representa los comportamientos y las características clave del proceso o sistema seleccionado, mientras que la simulación representa cómo evoluciona el modelo en diferentes condiciones a lo largo del tiempo.

La simulación de procesos químicos es una herramienta digital muy importante para la evaluación y el análisis de cualquier tipo de sistema de procesos industriales, ya sea que éste exista o no. Su importancia radica en que permite anticiparse al sistema para estudiarlo, validarlo y obtener la mejor configuración que se pueda de dicho sistema

DISEÑO:consiste en la elección de la secuencia de transformaciones físicas y/o químicas de un material con el fin de obtener otro de mayor valor o utilidad.

El modelado de procesos químicos es una técnica de modelado por computadora utilizada en el diseño de procesos de ingeniería química. Por lo general, implica el uso de software diseñado específicamente para definir un sistema de componentes interconectados,

RESULTADOS

RESULTADOS

TODO DEBE DE VERIFICARSE CON LOS DATOS DE CAMPO CHECAR CON DATOS RELAES

LAZOS

NUMERO DE CORRIENTES DE CORTE = AL MENOS AL NUMERO DE LAZOS

LAS CORRIENTES DE CORTE DEBEN DE APARECER AL MENOS UNA VES EN CADA LAZO

El modelo matemático para la simulación

• El modelo matemático de un proceso consiste en una serie de relaciones que se establece para cada equipo que forma parte del sistema.
• Para cada equipo de proceso existe un modelo básico el cual es el siguiente:

1. Balance de cantidad de movimiento. 2. Balance de materia. 3. Balance de energía. 4. Ecuaciones de diseño. 5. Relaciones termodinámicas. 6. Ecuaciones cinéticas. 7. Especificaciones de algunas variables o restricciones particulares.

Consideraciones:

• El primer tipo de balance no es de importancia para muchos equipos de procesos, tales como: sistemas de reacción y de separación.
• Por otra parte, las ecuaciones básicas de balance de materia y energía se establecen en estado estable para fines de diseño. O en estado no estacionario para fines de estudio dinámicos y de control. Los balances necesarios para el análisis y diseño de procesos se establecen en estado estable.

Grados de libertad

• Para analizar y diseñar procesos se requiere de modelos que describan el comportamiento de esos sistemas. Esos modelos matemáticos que gobiernan el sistema consisten en M-ecuaciones independientes que involucran N-Variables. Se visualizan 3 casos:
• 1. M>N
• En este caso el sistema está sobre especificado y no tiene solución, debe revisarse el modelo del sistema.
• 2. M=N
• El sistema está totalmente definido y tiene solución, si el sistema es lineal, la solución es única. Si el sistema no es lineal pueden existir soluciones múltiples para el problema en cuestión.
• 3. M
• El problema cae en el caso 1 y es sobreespecificado y por lo tanto no tiene solución. ¿Porque?, porque se tienen 5 relaciones independientes y 4 variables

Grados de libertad

• Se dice que en estos 3 casos el sistema tiene F grados de libertad dado por la siguiente ecuación:
• F=N−M … .(1)
• Esta situación conduce a problemas de optimización. El ajuste de esas variables dadas por los grados de libertad deberá hacerse de acuerdo a una función objetivo Que se establece, por lo tanto, se requiere de técnicas de optimización para la solución de este tipo de problemas.

Balances simples

• BALANCES SIMULTANEOS DE MASA Y CALOR.
• BALANCES DE MASA Y ENERGIA
• Los principios de conservación se aplican por igual a balances de masa y energía. Con el fin de limitar la extensión de este apunte, nos concentraremos en los balances de masa. Recordemos cómo medir Composición y Concentración Para una mezcla de varias sustancias:
• A, B, C,…
• nA : moles de A
• nB : moles de B
• nC : moles de C etc, etc
• mA : masa de A
• mB : masa de B
• mC : masa de C, etc, etc

Modelos matemáticos

L2 =

X2a = X2b =

L1 =

L3 =

X1a =

X3a = X3b =

X1b=

El balance general L1 = L2 + L3 BALANCE POR COMPONENTES X1a L1 = X2a L2 + X3a L3 X1b L1 = X2b L2 + X3b L3

Que pasa si son dos columnas

COMPONENTES EN LA DERIVACIÓN X7a L7 = X4a L4 + X8a L8 X7b L7 = X4b L4 + X8b L8

X3a = X3b =

L2 =

X2a = X2b =

L1 =

X1a =

L3 =

X1b=

COMPONENTES 1ER MEZCLA X1a L1 + X4a L4 = X2a L2 X1b L1 + X4b L4 = X2b L2 COMPÓNENTES 1ER COLUMNA X1a L2 =X3a L3 + X5a L5 X1b L2 =X3b L3 + X5b L5 COMPONENTES 2DA COLUMNA X5a L5 = X6a L6 + X7a L7 X5b L5 = X6b L6 + X7b L7

El balance general L1 = L3 + L6 + L8 BALANCE 1ER MEZCLA L1 + L4 = L2 BALANCE 1ER COLUMNA L2 = L3 + L5 BALANCE EN LA 2DA COLUMNA L5 = L6 + L7

BALANCE EN LA FRACCIONADORA O DERIVACION L7 = L4 + L8 BALANCES POR COMPONENTES GENERAL X1a L1 = X3a L3 + X6a L6 + X8a L8 X1b L1 = X3b L3 + X6b L6 + X8b L8

Balances de masa y energía

• La cantidad de moles de A se obtiene:
• nA(moles)= masa de sustancia A(grs)/ PM desustancia A(grs/mol)nA=mA/PMA
• fracción molar: YA=nA/nA+nB+Nc+…..
• fracción peso: XA= mA/mA+mB+mC….

Fracción en volúmen

• Consideremos una mezcla e varios gases: A, B, C, …
• En el caso de gases ideales, la fracción en volumen es igual al a fracción molar.
• VA : volumen del componente A puro, en las condiciones de la mezcla.
• VT : volumen total de la mezcla

BALANCES SIMPLES

• BALANCES SIMPLES
• Para entrar gradualmente al ambiente de la simulación, en esta sección se analizan procesos cuyo comportamiento queda definido con un balance de materia. El propósito de esta sección es construir el modelo matemático de cada proceso.

PROCESO DE EVAPORACION DEL AGUA DE MAR.

• Proceso de evaporación. Se aplica un balance de materia a la evaporación que sufre el agua de mar por la radiación solar, en una región tropical y en condiciones ambientales, a la temperatura promedio de 22°C. El agua se mantiene en un recipiente a cielo abierto, con dimensiones específicas dadas: ancho a, largo L y espesor de la película h. La evaporación se lleva a cabo para concentrar la solución salina hacia el punto de saturación, donde ocurra la precipitación de la sal.

PROCESO DE EVAPORACIÓN

• En el diagrama de bloques de la figura 1, la corriente 1, que puede considerarse como la corriente de entrada al diagrama, corresponde a la condición inicial del proceso (t = 0); que son datos de entrada. Donde M1 es la masa de la solución salina que se coloca en el recipiente para evaporarse, mS1 es la masa de sal que contiene inicialmente la solución salina y mA1 es la masa de agua que conforma inicialmente la solución.

PROCESO DE EVAPORACIÓN

El modelo matemático,,

El proceso de cristalización

El modelo matemático para cristalización

El modelo matemático para cristalización

Proceso de mezclado

El modelo matemático para el mezclado

Para ilustrar el proceso de mezclado

Mezcla de 3 soluciones