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Ing. Christian Viladegut 1
HYSYS BASICO - INTERMEDIO
SIMULACION APLICADA A LA INDUSTRIA DELGAS Y PETROLEO
Simulación de Procesos
OCTUBRE 2013
INTRODUCCION
La crisis del petróleo de los años 70 obligo a laindustria en general a enfocar sus esfuerzos enser energéticamente más eficientes. Se inicia una etapa de desarrollo tecnológicobuscando mejorar los procesos existente ydiseñar otros más eficientes. Inicio lento, conceptual, experimental yacadémico, llevadas adelante por Compañías yUniversidades de EEUU, Canadá y Europa.
SIMULACION DE PROCESOS
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A partir de 1980 aparecen los primerossimuladores comerciales Formato texto ymanejo rígido.
A finales de lo 80 aparecen los simuladoresinteractivos (integración grafica) Entre 1991 y 1995 aparecen paquetes desimulación dinámica y de integración energética. A partir del 2000 aparecen paquetes de diseñoespecifico Intercambiadores de Calor; Internosde Torres; Hidráulica; Evaluadores Económicos.
SIMULACION DE PROCESOS
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La Simulación de Procesos se han convertido enuna herramienta básica y fundamental en la industria,aplicándose en:
- Producción y Procesamiento de Gas Natural
- Refinación de Petróleo
- Transporte
- Petroquímica
- Industria Farmacéutica
- Industria Alimenticia
SIMULACION DE PROCESOS
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- Diseño de Procesos Químicos.- Detección de cuellos de botella en la producción.- Evaluación del proceso por cambios en lascondiciones de operación y capacidad de la Planta(Revamps).- Optimización de las variables de operación.- Estudio de nuevos procesos.- Optimización de Energía
SIMULACION DE PROCESOS
Los Simuladores de Procesos son utilizados para:
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- Diseño y evaluación de equipos comoseparadores, columnas, intercambiadores, tubería,válvulas e instrumentación.- Análisis de factibilidad y viabilidad de nuevosprocesos.- Entrenamiento de operadores e ingenieros deprocesos- Evaluar estrategias de control y elcomportamiento de lazos de control
SIMULACION DE PROCESOS
Los Simuladores de Procesos son utilizados para:
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Se pueden realizar simulaciones en EstadoEstacionario y/o Dinámico (Transiente)
SIMULACION DE PROCESOS
{ACUMULACION} = {ENTRADA} – {SALIDA}0
La simulación de un proceso en Estado Estacionario noconsidera el efecto del tiempo sobre las variablesoperacionales.
No asume acumulación de masa y energía en elproceso.
ESTADO ESTACIONARIO
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La simulación Dinámica es una extensión de lasimulación en Estado Estacionario donde ya el efecto deltiempo es considerado dentro los modelos.Si se considera la acumulación de masa y energía enel proceso.
SIMULACION DE PROCESOS
Esta condición es ideal y se utiliza para generar elBalance de Materia y Energía, determinar cargastérmicas y dimensionar equipos.
SIMULACION DINÁMICA
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A través de la simulación Dinámica se puedensimular procesos reales en tiempo real.
Una gran variedad de problemas industrialesimportantes son de carácter dinámico, como:
- Arranques y Paros de Equipos o Plantas.- Reacciones o Procesos por Lotes.- Cambios operacionales, perturbaciones en lascondiciones de operación.
SIMULACION DE PROCESOS
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La simulación Dinámica se utiliza para evaluarestrategias de control y el comportamiento de lazosde control.La simulación Dinámica maneja modelos mascomplejos y los requerimientos computacionalesson mayores.
SIMULACION DE PROCESOS
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QUE ESSIMULACION ?
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• Una situacion en la cualun grupo particular decondiciones es creadaartifialmente con el fin deestudiar o experimentaralgo que podría existir enla realidad.
• El acto de fingir que algoes real cuando no lo es.
• La simulación es laimitación de algo real
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• La Simulacion deProcesos es utilizadapara el diseño,desarrollo, analisis yoptimizacion deprocesos de en laindustria quimica,petrolera, petroquimica,farmaceutica, alimenticiay otras
SIMULACION DE PROCESOS
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La simulación es la representación de un proceso ofenómeno mediante un MODELO, que permiteanalizar sus características.
A través del modelo se trata de EXPLICAR elCOMPORTAMIENTO de un proceso, sistema ounidad industrial.
El modelo debe ser capaz de reproducir elcomportamiento del proceso real con la mayorexactitud posible.
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Los modelos son ECUACIONES MATEMATICAS y seestablecen a través de ecuaciones basadas en LEYESFUNDAMENTALES:
Tanque AgitadoReactor CSTR
Reactor Tubular
Continuidad (Balance de Materia)
SIMULACION DE PROCESOS
Los modelos son ECUACIONES MATEMATICAS y seestablecen a través de ecuaciones basadas en LEYESFUNDAMENTALES:
SIMULACION DE PROCESOS
- Balance de Energía
- Balance de Cantidad de Movimiento
- Ecuaciones de Transporte
- Equilibrio de Fases (Ecuaciones de Estado /Modelos de Actividad).
- Correlacciones Propiedades Fisicoquímicas
- Cinética Química
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El MODELO MATEMÁTICO constituye para cadaequipo en el proceso, un sistema de ecuacionesalgebraicas y diferenciales que describen el equipo.
El MODELO MATEMÁTICO de los equipos, enconjunto dan forma al MODELO MATEMÁTICO delproceso completo.
Este debe ser resuelto por medio de algún algoritmode solución para producir los resultados requeridos.
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Existen tres tipos de algoritmos: Modular Secuencial ;Orientado a Ecuaciones; Modular Simultaneo
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CaudalPresiónTemperaturaComposiciónTrabajoCalor
MODULO
Parámetros
del Modulo
Corriente deEntrada
Corriente deSalida
CaudalPresiónTemperaturaComposiciónTrabajoCalorTamañoFactor de Equilibrio
Factor CinéticoPropiedades deTransferencia
Modular SecuencialSIMULACION DE PROCESOS
Los cálculos se realizan unidad por unidad,secuencialmente.
Conociéndose las alimentaciones, el modulo escalculado y sus salidas determinadas.
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Implica la interpretación del diagrama de flujo delproceso como un grupo de unidades de procesos.
Resolución de los modelos de los módulos una a la vezen una determinada secuencia
Modular SecuencialSIMULACION DE PROCESOS
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En caso de haber problemas y no encontrar laconvergencia, resulta fácil encontrar el error.
Las corrientes de reciclo representan una dificultaden la resolución del modelo.
Esta estrategia de cálculo es utilizada en la mayoríade los simuladores de estado estacionario: AspenHysys, Chemcad, Winsim
Modular SecuencialSIMULACION DE PROCESOS
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Orientado a EcuacionesSIMULACION DE PROCESOS
En este caso todas las ecuaciones del modelo,algebraicas no lineales y diferenciales, se integran en unúnico conjunto y se resuelven simultáneamente.
Este esquema es mas flexible que el Secuencial-Modular, sin embargo requiere mas esfuerzo deprogramación y se consumen mas recursos decomputación.
Las corrientes de reciclo no representan unadificultad en la resolución del modelo.
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Orientado a EcuacionesSIMULACION DE PROCESOS
Esta arquitectura esta mas orientada a la solución demodelos dinámicos.
En caso de haber problemas y no encontrar laconvergencia, resulta difícil encontrar el error.
Esta estrategia de cálculo es utilizada en simuladoresDinámicos: Aspen Dynamics; Aspen Custom Modeler,Las ultimas versiones de Aspen Plus utilizan estaestrategia de calculo.
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Modular SimultaneoSIMULACION DE PROCESOS
Es un método combinado que aprovecha las ventajasdel método modular secuencial y el orientado aecuaciones
Modelos rigurosos de las operaciones unitarias sonresueltos secuencialmente, mientras que modeloslineales son resueltos globalmente para interconectarlos resultados de cada modulo.
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Modular SimultaneoSIMULACION DE PROCESOS
La fácil incorporación de módulos unitarios al sistema,la facilidad de localización, diagnostico y solución defallas son rescatados del método Modular Secuencial.
El manejo eficiente de las ecuaciones permitiendo queel esquema de calculo modular funcione mejor enprocesos complejos (múltiples recirculaciones), esrescatado del método Orientado a Ecuaciones.
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Se debe tener en cuenta que los resultados de unasimulación no son siempre fiables y estos se debenanalizar críticamente.
Hay que tener en cuenta que los resultadosdependen de:
-La calidad de los datos de entrada-De que las correlaciones empleadas sean lasapropiadas (escoger bien el paquetetermodinámico)-Elección adecuada el proceso.
SIMULACION DE PROCESOS¿Podemos creer en los Resultados de la Simulación?
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SIMULADORESCOMERCIALES
Existe un número grande de simuladores de procesos comerciales,siendo los mas utilizados:
- ASPEN HYSYS (Aspen Technology Inc. – Antes Hyprotech)
- ASPEN PLUS (Aspen Technology Inc.)- CHEMCAD (Chemstation)
- PROMAX (Bryan Research & Engineering, Inc.)- UNISIM (Honeywell)
- Design II (Win Sim Inc.)- PRO II/DYSIN (SimSci-Esscor)
- PETROSIM (KBC)- PETROX (Petrobras)
SIMULADORES DE PROCESOS
SIMULADORES COMERCIALES
SIMULADORES DE PROCESOS
SIMULADORES COMERCIALES
Subrutinasde equipos
Bases de datosde propiedades físicas
ProgramaPrincipal
InterfaseDe
Usuario
Entradade datos
SalidaDe Datos
SubrutinasDe convergencia
Bases de datosde costos
SubrutinasTermodinámicas
Estructura Típica
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ASPEN HYSYS
Desarrollado por Aspen Technology Inc.
HYSYS es un simulador de Procesos, secuencial modular.
Permite realizar simulaciones en estado estacionario ydinámico, calculo de propiedades Fisicoquímicas, balance demateria y energía, dimensionamiento de equipos, calculo decargas de calor, requerimientos de energía, equilibrioquímicos y de fases.
La interacción entre los módulos en estado estacionario ydinámico le dan una ventaja significativa en la industria desoftware de ingeniería.
ASPEN HYSYS
SIMULADORES DE PROCESOS
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Tiene la Base de Datos mas amplia y completa junto conAspen Plus .
- Hysys DataBanks (Base de Datos Standard)- Aspen Properties DataBanks (Aspen Plus)
Tiene la Base Termodinámica mas amplia y completajunto con Aspen Plus .
- Hysys- Aspen Properties (Utiliza datos experimentales parasus correlaciones- COMThermo
ASPEN HYSYS
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Tiene una librería de Operaciones Unitarias completa
ASPEN HYSYS
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Materials MateriaEnergy EnergiaCorrientes
2 Phase Separador Flash - 2 fases3 Phase Separador Flash - 3 fasesTankComponent Splitter Separador de Componentes
Separadores
MIXER Mezclador de CorrientesTEE Divisor de CorrientesMezcladores y Divisores
Calentador/Enfriador Intercambiador de utilidades
Tubo y Coraza Intercambiador de proceso - 2corrientes
Aeroenfriador Intercambiador de procesoLNG Intercambiador de multi-pasosFire Heater Horno
Intercambiadores de Calor
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Tiene una librería de Operaciones Unitarias completa
ASPEN HYSYS
SIMULADORES DE PROCESOS
Pump Bomba genericaCompresor Compresor genericoExpander Turbina (Turboexpoander)
Equipos Rotantes
Conversion Reactor Base Estequiometrica
Equlibrium Reactor Base Relación de Equilibrio.Reacciones Reversibles
Gibbs Reactor Reacciones de EquilibrioMultifasica
CSTR Mezcla CompletaPFR Flujo Pistón
Reactores
Pipe Segment Tuberia flujo Mono/MultifasicoCompresible Gas Pipe Flujo de Gas
Pipesys Extension Flujo Mono/Multifasico(Ductos)
Valve Regulacion de Presión / JTRelief Valve Valvulas de Alivio
Tuberías
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Tiene una librería de Operaciones Unitarias completa
ASPEN HYSYS
SIMULADORES DE PROCESOS
Short Cut Column Diseño Fenske-Underwood
DistillationConvencional. IncluyeCondensador, Reboiler, SideStrippers, Reflujo intermedio
Absorber Abosrción, DesorcionThree Phase Distillation Destilacción ExtractivaLiquid Liquid Extractor Extracción Liquido Liquido
Columnas
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Hidráulica (Pipesys, Pipesim, Olga)
Intercambio de Calor (Aspen HTFS+, HTRI)
Estimación de Costos (Aspen Economic Evaluation –Apen Icarus)
Gestión de Ingeniería (Aspen Basic Engineering)
ASPEN HYSYS
SIMULADORES DE PROCESOS
La interacción con herramientas de aplicación especifica(Suite) lo hace único en el mercado:
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Refinación de Petróleo (Aspen RefSYS que incluyemódulos para: Caracterización, Blending, ReformaciónCatalítica, FCC, Hidrocracking, Isomerización,Hidrotratamiento.
Excel (Aspen Simulation Workbook)
ASPEN HYSYS
SIMULADORES DE PROCESOS
La interacción con herramientas de aplicación especifica(Suite) lo hace único en el mercado:
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Interfase gráfica de fácil uso (orientado a objeto),con una arquitectura de “Entornos” que facilita sumanejo.
Se cuenta con la información de la simulación altoque de un boton.
Interpreta interactivamente los comandos según seintroducen en el programa. Por tanto no necesita unbotón de ejecución (run), aunque existe la posibilidadde plantear el problema completo sin hacer cálculos ydespués ejecutarlo.
ASPEN HYSYS
SIMULADORES DE PROCESOS
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Es un simulador bidireccional, ya que el flujo deinformación va en dos direcciones (hacia delante yhacia atrás). De esta forma, puede calcular lascondiciones de una corriente de entrada a unaoperación a partir de las correspondientes a la corrientede salida sin necesidad de cálculos iterativos.
Posibilidad de adicionar código de programación conVISUAL BASIC.
ASPEN HYSYS
SIMULADORES DE PROCESOS
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Las principales desventajas de HYSYS son:
El paquete de Aminas NO cuenta con un modelocinético y de transferencia de masa. Los resultados sonpoco fiables.
Pocas o nulas aplicaciones de sólidos.
Software de optimización limitado (el optimizer no esmuy potente)
ASPEN HYSYS
SIMULADORES DE PROCESOS
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ASPEN HYSYS
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Al final de los 70’ investigadores del departamentode Ingenieria Quimica y Petroleo de la Universidad deCalgary (Canada) junto con una empresa llamada“Hyprotech” empiezan a desarrollar Simuladores deProcesos como el HYSIM y HYSYS.
Debido a la versatilidad de los simuladores“Hyprotech” se convierte en empresa lider a nivelmundial, estando presente en 80 paises, 17000usuarios, 50% de la Refinerias y 90% Plantas de Gas.
ASPEN HYSYS - HISTORIA
SIMULADORES DE PROCESOS
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Hysys se inicia con la version 2.1 (2.1.3) y seactualiza a la V2.2 (2.2.2), V 3.01, V 3.1 y finalmenteen la V 3.2 (incluye modulo de Upstream) en el 2001.
En el 2002 Hyprotech es comprada por la AspenTechnologies Inc por 100 MM$us, dueña del simuladorde procesos “Aspen Plus”.
ASPEN HYSYS - HISTORIA
SIMULADORES DE PROCESOS
ASPEN “Advance System for Process Engineering”saca al mercado un producto integral denominadoAspenOne Suite,
En Octubre del 2004 AspenTech saca al mercado elAspenOne v2004 (Suite)
El Suite incluye el Aspen Hysys, Aspen Upstream,Aspen PipeSys, Aspen Plus, Aspen Pims y HTFS (TASC,ACOL) como los mas importantes.
En el transcurso de 18 meses el Suite se actualiza alas versiones V2004.1 y V2004.2.
En la V2004.2 se incluyen los paquetes TASC+ yACOL+ (Lo mejor del TASC/ACOL yHEXTRAN/AEROTRAN)
ASPEN HYSYS - HISTORIA
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En Junio del 2007 AspenTech saca al mercadoAspenOne v2006 (Suite). Ademas del material de laV2004.2, esta version incluye:
ASPEN CatRef (Reformacion Catalitica)
Aspen Icarus (Evaluador Economico)
Aspen Zyqad (Gestion de Ingenieria)
HTFS + (que incluye el TASC+, ACOL+, HEXTRAN,AEOTRAN en un solo paquete)
ASPEN HYSYS - HISTORIA
SIMULADORES DE PROCESOS
En Enero del 2008 AspenTech saca al mercadoAspenOne v2006.5 (Suite).
Se hace compatible con Window Vista. Se incluye Aspen Fire Heater (Hornos de Combustión)Aspen Teams (Diseño Mecánico Intercambiadores Tubo yCoraza)
ASPEN HYSYS - HISTORIA
SIMULADORES DE PROCESOS
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En Febrero del 2009 AspenTech saca al mercado elAspenOne v7.0 (Suite).
Hace una re-estructuracion completa. Genera GruposFuncionales y Cambia el nombre de los productos.
Se incluye la base de datos de Aspen Properties en elentorno básico.
Correlacciones nuevas y mejoradas para el Rating &Diseño de platos y empaques.
Modelos Rigurosos para la Simulación y Diseño deReboilers.
V 7.0
ASPEN HYSYS - HISTORIA
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En Diciembre del 2009 AspenTech hace un Upgrade a laversión v7.1 (Suite).
- Modelos Adicionales a procesos de Bio-Etanol;Gasificación y Recuperación de CO2.
- Correlaciones nuevas para procesos criogénicos comoLNG
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En Junio del 2010 AspenTech hace un Upgrade a laversión v7.2 (Suite).
- Se integra el paquete de estimación económica conAspen Hysys y Aspen Plus.
- Modelos Adicionales para Evaluación Económica enMega Proyectos.
- Se mejora la interacción del Aspen Basic Engineering(Zyqad) con MS-Excel.
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