Simulación de procesos

La simulación de procesos se utiliza para el diseño, desarrollo, análisis y optimización de procesos técnicos, 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 químicos , físicos , biológicos y otros procesos técnicos y operaciones unitarias en software. Los requisitos básicos para el modelo son las propiedades químicas y físicas ^{[ 1 ]} de los componentes puros y las mezclas, de las reacciones y de los modelos matemáticos que, en combinación, permiten el cálculo de las propiedades del proceso mediante el software.

El software de simulación de procesos describe los procesos mediante diagramas de flujo donde las operaciones unitarias se ubican y conectan mediante flujos de productos o insumos. El software resuelve el balance de masa y energía para encontrar un punto de operación estable con parámetros específicos. El objetivo de una simulación de procesos es encontrar las condiciones óptimas para un proceso. Esto es esencialmente 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 las especies moleculares individuales en la corriente, el caudal másico total, la presión y la temperatura de las corrientes. Para sistemas de hidrocarburos, el usuario especifica las relaciones de equilibrio vapor-líquido (valores K) o los modelos utilizados para definirlas. Se definen las propiedades de la columna, como la presión de entrada y el número de platos teóricos. El modelo calcula la carga del rehervidor 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 las corrientes de producto, asignándole a cada una 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 que permiten describir 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 la extrapolación —dentro de ciertos límites— y posibilitan la búsqueda de condiciones fuera del rango de propiedades conocidas.

El desarrollo de modelos ^{[ 2 ]} para una mejor representación de los procesos reales es fundamental para el desarrollo del software de simulación. Este desarrollo se basa en los principios de la ingeniería química, la ingeniería de control y la mejora de las técnicas de simulación matemática. Por lo tanto, la simulación de procesos es un campo donde colaboran 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

• Propiedades termofísicas como presiones de vapor , viscosidades , datos calóricos, etc., de componentes puros y mezclas.
• propiedades de diferentes aparatos como reactores, columnas de destilación, bombas, etc.
• reacciones químicas y cinética
• datos relacionados con el medio ambiente y la seguridad

Existen dos tipos principales de modelos:

1. Ecuaciones y correlaciones sencillas en las que los parámetros se ajustan a datos experimentales.
2. Métodos predictivos en los que se estiman propiedades.

Las ecuaciones y correlaciones suelen preferirse porque describen la propiedad (casi) exactamente. Para obtener parámetros fiables es necesario disponer de datos experimentales que normalmente se obtienen de bancos de datos fácticos ^{[ 3 ] [ 4 ]} o, si no hay datos disponibles públicamente, de mediciones .

El uso de métodos predictivos resulta más rentable que el trabajo experimental y que los datos de las bases de datos. A pesar de esta ventaja, las propiedades predichas normalmente solo se utilizan en las primeras etapas del desarrollo del proceso para encontrar soluciones aproximadas y descartar posibles errores, ya que estos métodos de estimación suelen introducir errores mayores 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 computación numérica y la resolución de problemas complejos. ^{[ 5 ] [ 6 ]}

La historia de la simulación de procesos está ligada al desarrollo de la informática , el hardware y los lenguajes de programación. Las primeras implementaciones de aspectos parciales de los procesos químicos se introdujeron en la década de 1970, cuando se dispuso del hardware y el software adecuados (principalmente los lenguajes de programación FORTRAN y C ). El modelado de propiedades químicas comenzó mucho antes; cabe destacar que la ecuación cúbica de estados y la ecuación de Antoine fueron desarrollos precursores del siglo XIX.

Inicialmente, se utilizó la simulación de procesos 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) independientemente del tiempo.

La simulación dinámica es una extensión de la simulación de procesos en estado estacionario, en la que la dependencia temporal se incorpora a los modelos mediante términos derivativos, es decir, la acumulación de masa y energía. El auge de la simulación dinámica ha hecho posible la descripción, predicción y control de procesos reales en tiempo real, considerando la dependencia temporal. Esto incluye la descripción del arranque y la parada de una planta, los cambios de condiciones durante una reacción, las demoras, las variaciones térmicas y mucho más.

Las simulaciones dinámicas requieren mayor tiempo de cálculo y son matemáticamente más complejas que las simulaciones en estado estacionario. Pueden considerarse como múltiples simulaciones repetidas en estado estacionario (con un paso de tiempo fijo) y parámetros que cambian constantemente.

La simulación dinámica puede utilizarse tanto en línea como fuera de línea. En el caso en línea, se emplea el control predictivo basado en modelos, donde los resultados de la simulación en tiempo real se utilizan para predecir los cambios que se producirían ante una variación en la entrada de control, y los parámetros de control se optimizan en función de dichos resultados. La simulación de procesos fuera de línea puede utilizarse en el diseño, la resolución de problemas y la optimización de plantas de proceso, así como en la realización de estudios de caso para evaluar el impacto de las modificaciones de procesos. La simulación dinámica también se utiliza para la formación de operadores .

• Biblioteca de simulación avanzada ^{[ 7 ]}
• Simulación por ordenador
• Lista de simuladores de procesos químicos
• Simulación de procesos de software