Conceptos básicos de simulación de procesos químicos

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.

Planta industrial simulada. Imagen de Udemy

La simulación nos permite recrear de manera virtual los procesos químicos seleccionados para poder estudiar su comportamiento, con la finalidad de analizar las consecuencias que puede tener realizar cualquier tipo de cambio en el proceso elegido para simular. Además, es posible comparar las diferentes alternativas de diseño que pueden presentarse, sin tener que llevar a la realidad modelos a escala costosos para realizar evaluaciones de rendimiento final de los sistemas a estudiar.

Por todo esto y mucho más, es importante que un ingeniero químico cuente con conocimientos claros de simulación de procesos, ya que le permitirá predecir resultados con rapidez para tomar decisiones importantes en su área de trabajo. En esta nota describiremos los conceptos básicos de simulación de procesos químicos, a tomar en cuenta antes de crear modelos de simulación propios o utilizar simuladores de procesos comerciales.

Tabla de contenidos

1. ✔¿Qué es la simulación de procesos?
1. ✔Proceso real
2. ✔Proceso simulado (simulación digital)
3. ✔Consideraciones básicas de una simulación digital de procesos
2. ✔Modelos matemáticos
3. ✔Ventajas de la simulación de procesos químicos
4. ✔Aplicaciones técnicas de la simulación de procesos químicos
5. ✔Pasos a seguir para desarrollar una simulación de procesos químicos
6. ✔Programas comerciales de simulación
7. ✔Características del enfoque modular secuencial
8. ✔Programación del enfoque modular secuencial de simulación

¿Qué es la simulación de procesos?

La simulación de procesos químicos, una gran herramienta de trabajo. Imagen de Process Simulation

La simulación de procesos químicos (simulación digital de procesos) es un conjunto de unidades de cálculo expresadas en sub-programas, escritos en un lenguaje de programación. Estos sub-programas, una vez ejecutados en un equipo informático, permiten obtener valores realistas para las variables de operación de un proceso químico.

Encontramos muchos ejemplos de procesos que se pueden evaluar con una simulación: Puede ser una planta de tratamiento de mineral, una planta de tratamiento de aguas, industrias de alimentos, entre otros. Cualquier proceso químico que tengan en mente tiene la capacidad de simularse, siempre y cuando cuente con estas características:

1. Una cantidad finita de unidades operacionales donde se produzcan cambios físicos y/o químicos.
2. Una red de corrientes que conecten las diferentes unidades operacionales y por donde circulan la materia y energía.

Otra forma de definir la simulación de procesos es la siguiente: Se trata de una recreación digital basada en modelos matemáticos, en este caso, de procesos químicos y operaciones unitarias mediante el uso de un software.




Para crear una simulación eficiente se debe contar con excelentes conocimientos sobre las propiedades físicas y químicas de los componentes y mezclas involucrados en el proceso, así como también, de las reacciones y modelos matemáticos involucrados en el proceso a simular, de modo que sea factible realizar el cálculo requerido en un computador o equipo informático.

Cabe destacar, que la simulación de procesos siempre otorga al usuario del software resultados aproximados y supuestos. Sin embargo, permite describir una propiedad en un rango bastante amplio de condiciones de operación, como temperaturas y presiones que no estuviesen cubiertas a totalidad por datos reales tomados in situ.

De este modo, pueden hacerse estudios completos realmente cercanos o muy aproximados a los datos obtenidos en mediciones reales en equipos industriales, permitiendo también extrapolar valores dentro de ciertos límites para buscar condiciones de operación fuera del rango de propiedades conocidas.

Se puede entonces comparar los conceptos de proceso real y de simulación digital con estas definiciones cortas:

Proceso real

Conjunto de unidades operacionales ligadas por una red de ductos por donde circula la masa y la energía de acuerdo a las leyes físicas y químicas que regulan el fenómeno estudiado.

Proceso simulado (simulación digital)

Conjunto de unidades de cálculo ligadas por una red de flujo por donde circula la información de acuerdo a las leyes dictadas por el software o programa de simulación.

Consideraciones básicas de una simulación digital de procesos

Siempre y cuando se esté realizando la simulación de un proceso en estado estacionario, las características de la corriente de salida de una unidad de cálculo son obtenidas a partir de las características de la corriente de entrada y del conjunto de ecuaciones matemáticas que esté definiendo el proceso a estudiar.

También hay que tener en cuenta tres elementos principales durante la simulación:

1. El conjunto de datos a utilizar.
2. El programa de simulación.
3. Los modelos matemáticos de cada unidad de cálculo.

Estos elementos permitirán realizar la simulación interconectándose entre sí. Para una descripción más detallada, tenemos el siguiente diagrama, donde se visualiza la interconexión entre estos elementos:

Esquema de simulación digital

Modelos matemáticos

La creación y desarrollo de modelos matemáticos o de modelado para simulación de procesos digitales, es el punto focal del desarrollo de software de simulación. Crear o desarrollar estos modelos es la función del ingeniero químico, ya que el desarrollo o uso de modelos nuevos y más eficientes para el cálculo de las propiedades viene dado por el estudio de un proceso específico, utilizando los conocimientos de ingeniería de estos procesos.

Los modelos matemáticos a utilizar durante el desarrollo de las unidades de cálculo, deben tomar en cuenta los siguientes elementos:

1. Propiedades termo-físicas de los compuestos y mezclas que forman parte del estudio (por ejemplo: densidades, viscosidades, presión de vapor, etc).
2. Características y propiedades de los equipos a simular (por ejemplo: reactores, bombas, columnas de destilación, etc).
3. Reacciones químicas y cinéticas.
4. Datos ambientales.
5. Datos de seguridad.

Asimismo, existen dos tipos de modelos matemáticos utilizados, los cuales son:

• Correlaciones y ecuaciones con parámetros ajustables a datos experimentales.
• Métodos predictivos para estimar propiedades.

Cada uno de estos modelos serán seleccionados según la utilidad que puedan presentar para realizar las estimaciones por simulación digital.

Ventajas de la simulación de procesos químicos

El uso de una simulación digital basada en el uso de modelos matemáticos que sean representativos del proceso a estudiar tiene una serie de ventajas que veremos a continuación:

1. Permite estudiar procesos existentes de manera rápida, completa y muy económica.
2. Si se utiliza un modelo matemático adecuado, se pueden realizar extrapolaciones de resultados más allá de las condiciones de operación, lo cual es virtualmente imposible o impráctico en una planta real.
3. Se pueden realizar comparaciones con minuciosidad y rapidez entre diferentes procesos, lo que permite realizar modificaciones al proceso o diseños extra que se requieran poner en operación. En pocas palabras, es factible realizar una evaluación completa de planes alternos al proceso original.
4. La simulación permite controlar todos los factores que afectan al modelo matemático seleccionado, situación que no es del todo posible en condiciones reales.
5. Ofrece la posibilidad de estudiar la sensibilidad de los parámetros básicos del sistema, así como de los parámetros de costos. Por ejemplo, una variación del 10% de la presión puede tener o no un efecto importante en el funcionamiento del sistema.

Aplicaciones técnicas de la simulación de procesos químicos

La simulación de procesos tiene muchas aplicaciones técnicas. Imagen de Siemens

La simulación de procesos químicos es una herramienta muy poderosa para el ingeniero químico, teniendo una gran cantidad de aplicaciones técnicas inmediatas, entre las cuales tenemos:

1. Optimizar operaciones con velocidad y seguridad.
2. Predecir efectos producidos en el proceso por cambios en las condiciones de operación, condiciones de distribución y capacidades de los equipos involucrados.
3. Evaluar los cambios en las condiciones de alimentación (realizar análisis del proceso a estudiar) de ciertas condiciones de operación y de la distribución de las redes corrientes-equipos (factores de diseño).
4. Resolver balances de masa y energía con rapidez en procesos que requieran una gran cantidad de cálculos, o que sean de gran envergadura.
5. Entrenar a ingenieros y operadores para el uso de sistemas de producción.
6. Identificar unidades controlantes o cuellos de botella en un proceso.
7. Estimar costos, realizar control de presupuesto y planificar la producción. 

Pasos a seguir para desarrollar una simulación de procesos químicos

Cuando aún era estudiante en la UC, mi profesor de simulación de procesos, el PhD. Sergio Pérez, nos expuso una metodología para realizar una simulación. Se trata de 6 grandes pasos para lograr una recreación lo más representativa posible de un proceso, la cual he utilizado a lo largo de mi carrera profesional y voy a compartir con ustedes:

1. Definición del problema y objetivos a lograr para justificar la realización de la simulación. Este procedimiento se realiza sobre la base de una serie de preguntas, estableciendo la precisión requerida para responderlas. En este paso, se debe estudiar el proceso para identificar las áreas sensibles económicamente, recolectar datos de los balances de materia y energía, así como también, de procedimientos de operación y control. 
2. Desarrollar un caso base y analizar la sensibilidad del proceso con la finalidad de identificar unidades y parámetros, donde una pequeña perturbación sobre las condiciones de operación puede producir un cambio apreciable sobre aquellas variables de importancia para los fines de la simulación.
3. Analizar los recursos requeridos para lograr los objetivos de la simulación, considerando mano de obra, tiempo y dinero.
4. Desarrollar las unidades de cálculo o modelos de simulación.
5. Validar el modelo de simulación o evaluar la precisión de dicho modelo con datos reales del proceso.
6. Aplicación del modelo, interpretación y comprensión de los resultados.

Todos estos pasos vuelven a repetirse, ya que por lo general, los resultados del modelo indican la necesidad de nuevos estudios o ajustes de éstos. De esta manera, se convierte el modelo en una herramienta de trabajo para futuras aplicaciones. Cabe destacar, que la explicación detallada de cada uno de estos pasos es bastante extensa, y la podrán encontrar en el artículo: Metodología para desarrollar una simulación de procesos.

Programas comerciales de simulación

En el mercado actual, existe una gran cantidad de programas y software comercial de simulación de procesos, entre los cuales podemos destacar PRO/II, PROCESS, FLOWTRAN, PIPEPHASE, ASPEN HYSYS, CHEMCAD, ASPEN PLUS, LOTES, entre otros, mayormente orientados a recrear procesos en estado estacionario.

Algunos de estos software, pueden ser utilizados en nuestros equipos personales y otros requieren complejas estaciones de trabajo centrales, sin embargo, cada uno de ellos presenta algo en común: El enfoque modular secuencial utilizado durante la ejecución de la simulación.

Características del enfoque modular secuencial

Ejecución de software comercial de simulación. Imagen de Simulatelive

El enfoque modular secuencial de simulación permite recrear el proceso de manera rápida y eficiente, basándose en modelos matemáticos y métodos numéricos para poder resolverlos. Las características principales del enfoque modular secuencial de simulación son las siguientes:

1. Las corrientes de entrada de cada una de las unidades a recrear, son utilizadas para calcular las corrientes de salida a partir de los principios de las operaciones unitarias o procesos unitarios que trata de describir la simulación.
2. La red de corrientes-equipos debe ser conocida.
3. Las corrientes de salida de cada una de las unidades a recrear, resultan posibles corrientes de entrada para otra unidad.
4. El ingeniero debe reconocer cuando existen corrientes de recirculación (procesos iterativos de cálculo). En caso de presentarse, se debe especificar la secuencia de cálculo que minimiza el trabajo o contar con un programa propio que lo establezca de manera automática.

Dentro de estas características, las unidades operacionales (equipos), la red de corrientes-equipos y las corrientes de alimentación a los procesos, varían de un proceso a otro. Mientras que la identificación de los circuitos de reciclaje y de la secuencia de cálculo son mecanismos comunes a todos los problemas de cálculo y pueden ser automatizados o programados.

Programación del enfoque modular secuencial de simulación

Los aspectos a interpretar por el ingeniero durante la simulación del proceso, utilizando el enfoque modular secuencial, los describo en la siguiente tabla que además se complementa con las tareas que corresponden al programa de simulación. Como podrán notar, es una simbiosis bastante interesante, donde se gana mucho tiempo y recursos de trabajo.

El ingeniero debe suministrar	El programa debe realizar
Características de las alimentaciones al proceso.	Lectura y almacenamiento de datos.
Descripción de red corrientes-equipos.	Almacenamiento bajo forma de tabla de la unión entre corrientes y unidades.
Lista de información para corrientes y equipos.	Almacenamiento bajo forma de tabla de la información relativa a las corrientes y unidades.
Especificación de la secuencia de cálculo (si es requerido).	Determina la secuencia de cálculo, si esta no es suministrada.
Modelos matemáticos de todas las unidades independientes del tiempo.	Ejecución del cálculo de cada una de las unidades, siguiendo la secuencia de cálculo y el almacenamiento de los resultados.
Información de control para la impresión de los resultados, procesos de convergencia, etc.	Imprime los resultados deseados y ejecuta órdenes prescritas.
Interpretación de los resultados.	Otorgar resultados.

El proceso de simulación es aproximado, no representa fielmente a la realidad, sin embargo, puede aproximarse mucho. Por ello, es una herramienta predictiva que ayuda mucho en la optimización, análisis, diseño y control de los procesos. Asimismo, el ingeniero debe conocer cada detalle del proceso a recrear, ya que debe interpretar los resultados.

El simulador no sustituye la tarea, de hecho, muchas veces los resultados dados son erróneos o simplemente se alejan de lo que sucede en condiciones reales y queda de parte del ingeniero identificar lo que está sucediendo y cómo solucionarlo, de allí la importancia de tener dominio del proceso y conocer los modelos matemáticos a utilizar durante la simulación. Como siempre, los invito a comentar la nota para establecer intercambio de ideas y complementar conceptos.


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