La simulación de procesos se utiliza para el diseño, desarrollo, análisis y optimización de procesos técnicos de simulación de procesos tales como: plantas químicas , procesos químicos , sistemas ambientales, centrales eléctricas , operaciones de fabricación complejas, procesos biológicos y funciones técnicas similares.
La simulación de procesos es una representación basada en modelos de procesos y operaciones unitarias químicas , físicas , biológicas y otros procesos técnicos en software. Los requisitos básicos para el modelo son las propiedades químicas y físicas [1] de componentes puros y mezclas, de reacciones y de modelos matemáticos que, en combinación, permiten el cálculo de las propiedades del proceso mediante el software.
El software de simulación de procesos describe procesos en diagramas de flujo donde las operaciones unitarias se ubican y conectan por flujos de productos o eductos. El software resuelve el balance de masa y energía para encontrar un punto de funcionamiento estable en parámetros específicos. El objetivo de una simulación de procesos es encontrar las condiciones óptimas para un proceso. Se trata esencialmente de un problema de optimización que debe resolverse mediante un proceso iterativo.
En el ejemplo anterior, la corriente de alimentación a la columna se define en términos de sus propiedades químicas y físicas. Esto incluye la composición de especies moleculares individuales en la corriente; el caudal másico global; la presión y temperatura de las corrientes. Para los sistemas de hidrocarburos, las relaciones de equilibrio vapor-líquido (valores K) o los modelos que se utilizan para definirlos son especificados por el usuario. Se definen las propiedades de la columna como la presión de entrada y el número de platos teóricos. El modelo calcula el funcionamiento del hervidor y del condensador superior para lograr una composición específica u otro parámetro del producto inferior y/o superior. La simulación calcula las propiedades químicas y físicas de los flujos de productos; a cada uno se le asigna un número único que se utiliza en el diagrama de masa y energía.
La simulación de procesos utiliza modelos que introducen aproximaciones y suposiciones pero permiten la descripción de una propiedad en un amplio rango de temperaturas y presiones que podrían no estar cubiertas por los datos reales disponibles. Los modelos también permiten la interpolación y extrapolación (dentro de ciertos límites) y permiten la búsqueda de condiciones fuera del rango de propiedades conocidas.
El desarrollo de modelos [2] para una mejor representación de los procesos reales es el núcleo del desarrollo posterior del software de simulación. El desarrollo de modelos se realiza a través de los principios de la ingeniería química pero también de la ingeniería de control y para la mejora de las técnicas de simulación matemática. Por lo tanto, la simulación de procesos es un campo en el que trabajan juntos profesionales de la química , la física , la informática , las matemáticas y la ingeniería .
Se realizan esfuerzos para desarrollar modelos nuevos y mejorados para el cálculo de propiedades. Esto incluye, por ejemplo, la descripción de
Hay dos tipos principales de modelos:
Normalmente se prefieren las ecuaciones y correlaciones porque describen la propiedad (casi) exactamente. Para obtener parámetros confiables es necesario contar con datos experimentales que generalmente se obtienen de bancos de datos factuales [3] [4] o, si no hay datos disponibles públicamente, de mediciones .
El uso de métodos predictivos es más rentable que el trabajo experimental y también que los datos de los bancos de datos. A pesar de esta ventaja, las propiedades predichas normalmente sólo se utilizan en las primeras etapas del desarrollo del proceso para encontrar las primeras soluciones aproximadas y excluir caminos falsos porque estos métodos de estimación normalmente introducen errores más altos que las correlaciones obtenidas a partir de datos reales.
La simulación de procesos ha fomentado el desarrollo de modelos matemáticos en los campos de la numérica y la resolución de problemas complejos. [5] [6]
La historia de la simulación de procesos está relacionada con el desarrollo de la informática y del hardware y los lenguajes de programación. Las primeras implementaciones de aspectos parciales de los procesos químicos se introdujeron en la década de 1970, cuando estuvieron disponibles el hardware y el software adecuados (aquí principalmente los lenguajes de programación FORTRAN y C ). El modelado de propiedades químicas comenzó mucho antes; en particular, la ecuación cúbica de estados y la ecuación de Antoine fueron desarrollos precursores del siglo XIX.
Inicialmente, la simulación de procesos se utilizó para simular procesos en estado estacionario . Los modelos de estado estacionario realizan un balance de masa y energía de un proceso en estado estacionario (un proceso en estado de equilibrio) independiente del tiempo.
La simulación dinámica es una extensión de la simulación de procesos en estado estacionario mediante la cual la dependencia del tiempo se incorpora a los modelos mediante términos derivados, es decir, acumulación de masa y energía. La aparición de la simulación dinámica significa que es posible describir, predecir y controlar procesos reales en tiempo real en función del tiempo. Esto incluye la descripción del arranque y apagado de una planta, cambios de condiciones durante una reacción, atracos, cambios térmicos y más.
La simulación dinámica requiere un mayor tiempo de cálculo y es matemáticamente más compleja que una simulación de estado estacionario. Puede verse como una simulación de estado estable repetida y múltiple (basada en un paso de tiempo fijo) con parámetros en constante cambio.
La simulación dinámica se puede utilizar tanto online como offline. El caso en línea es el control predictivo de modelos, donde los resultados de la simulación en tiempo real se utilizan para predecir los cambios que ocurrirían ante un cambio de entrada de control, y los parámetros de control se optimizan en función de los resultados. La simulación de procesos fuera de línea se puede utilizar en el diseño, resolución de problemas y optimización de plantas de procesos, así como en la realización de estudios de casos para evaluar los impactos de las modificaciones de procesos. La simulación dinámica también se utiliza para la formación de operadores .