miércoles, 2 de septiembre de 2015
¿Qué es un simulador?
Un simulador es un aparato, por lo general informático, que permite la reproducción de un sistema. Los simuladores reproducen sensaciones y experiencias que en la realidad pueden llegar a suceder.
Un simulador pretende reproducir tanto las sensaciones físicas como el comportamiento de los equipos de la máquina que se pretende simular. Para reproducir el entorno exterior se emplean proyecciones de bases de datos de terreno. A este entorno se le conoce como "Entorno Sintético".

El uso de "modelos" en Ingeniería Química está consolidado, pero la utilización de "modelos dinámicos" en vez de los "modelos de estado estacionario" es más reciente. Esto se refleja en la existencia en el mercado de potentes paquetes de software destinados a la simulación dinámica. Estos software actuales poseen herramientas matemáticas sofisticadas, las cuales pueden solucionar tanto la condición inicial de estado estacionario así como los siguientes cambios dinámicos. A menudo, una aproximación simplificada puede ser muy útil en la clarificación de ideas preliminares antes de ir a paquetes de escala comercial.
Los simuladores más actuales para la ingeniería química son:
ASPEN PLUS:
Aspen Plus es un simulador estacionario asi como un simulador secuencial modular (en las últimas versiones permite la estrategia orientada a ecuaciones). Orientado a la industria de proceso: Química y petroquímica, modela y simula cualquier tipo de proceso para el cual hay un flujo continuo de materiales y energía de una unidad de proceso a otra.
Aspen Plus permite:
• Regresión de datos experimentales.
• Diseño preliminar de los diagramas de flujo usando modelos de equipos simplificados.
• Realizar balance de materia y energía rigurosas usando modelos de equipos detallados.
• Dimensionar piezas clave de los equipos.
• Optimización on-line de unidades de proceso completas o bien plantas.

CHEMCAD
Chemstations y su software de simulación de procesos CHEMCAD han ido evolucionando con la industria. Creemos en el valor que aportan los Ingenieros Químicos en el mundo moderno y estamos dedicados a proveer herramientas que ayudan a avanzar en el campo de la ingeniería de procesos. Se conforma por:
ESTADO CC-STEADY: Ideal para: Usuarios que desean diseñar procesos, o procesos de tipo existentes, en estado estacionario.
CC-DYNAMICS: Ideal para: Los usuarios que quieran a los procesos de diseño o tipo de dinámica.
CC-THERM: Ideal para: diseño de un intercambiador de calor (una sola unidad a la vez), y los que quieren a los intercambiadores de tipo existente en un nuevo servicio o llevar a cabo.
CC-SAFETY NET: Combina lo último en el cálculo en dos fases dispositivo de alivio, el cálculo riguroso de la caída de presión, el cálculo riguroso de las propiedades físicas, y el cálculo riguroso equilibrio de fases para ofrecer respuestas rápidas y precisas.
Ideal para: Usuarios que necesitan a las redes de diseño o tipo de tuberías o dispositivos de alivio de seguridad y sistemas.
CC-FLASH: Propiedades físicas y equilibrio de fases de software de cálculo que es un subconjunto de la suite
CC-BATCH: Ideal para: Usuarios que necesitan bienes materiales y los datos de fase de equilibrio, así como los usuarios que necesitan la predicción de la propiedad y la regresión.

HYSYS
HYSYS es un software, utilizado para simular procesos en estado estacionario y dinámico,por ejemplo, procesos químicos, farmacéuticos, alimenticios, entre otros.
Posee herramientas que nos permite estimar propiedades físicas, balance de materia y energía, equilibrios líquido-vapor y la simulación de muchos equipos de Ingeniería Química.
Este simulador en los ultimos años ha sido utilizado, permite usar o crear al operador modelos.
Los parámetros de diseño como número de tubos de un intercambiador de calor, diámetro de la carcasa y número de platos de una columna de destilación no puede ser calculados por HYSYS, es una herramienta que proporciona una simulación de un sistema que se describe con anterioridad. Hysys puede emplearse como herramienta de siseño, probando varias configuraciones del sistema para optimizarlo.

COCO SIMULATOR
COCO Simulator es una combinación con ChemSep que permite la simulación de procesos químicos de forma gratuita y se presenta como alternativa a Aspen y ChemCAD.

Diseño de reactores no isotermos
Reactor discontinuo ni isotermo ni adiabático:
En este tipo de reactor la temperatura variará con el tiempo de reacción y existirá transmisión de calor entre el reactor y el exterior. La ecuación general de diseño correspondiente a un reactor discontinuo ideal es la siguiente

Tanto el volumen como la velocidad de reacción pueden modificarse con la temperatura. Si la reacción es en fase líquida podemos suponer que no existen variaciones de volumen. En este caso podemos escribir

Para seguir adelante en el diseño del reactor necesitamos resolver conjuntamente los balances de materia y de calor
- balance de materia :
- balance de calor
Los términos de entrada y salida se anulan por estar en un sistema discontinuo, con lo que nos queda:
Término de GENERACIÓN de calor
Se consume o genera calor en función de que la reacción sea endotérmica o exotérmica.

calor que entra - calor que sale + calor generado - calor transmitido = calor acumulado
calor generado - calor transmitido = calor acumulado
Término de GENERACIÓN de calor
Se consume o genera calor en función de que la reacción sea endotérmica o exotérmica.
(-ra)V(-DHr)

Término de TRANSMISIÓN de calor
Supondremos que el fluido de refrigeración circula por un camisa alrededor del reactor. Se toma una temperatura media de la pared.
Término de ACUMULACIÓN de calor
mi, moles o masa de i. Cpi estará definida en consonancia con las unidades de mi
el balance de calor nos quedará por lo tanto
Este balance habrá que resolverlo conjuntamente con el balance de materia. Sabemos que
Supondremos que el fluido de refrigeración circula por un camisa alrededor del reactor. Se toma una temperatura media de la pared.
UA(T-Tw)

Término de ACUMULACIÓN de calor

mi, moles o masa de i. Cpi estará definida en consonancia con las unidades de mi

el balance de calor nos quedará por lo tanto

Este balance habrá que resolverlo conjuntamente con el balance de materia. Sabemos que

Tendríamos así un sistema de dos ecuaciones diferenciales. Se pueden utilizar para su resolución métodos numéricos (Runge-Kutta) o analíticos. Sin embargo se pueden introducir simplificaciones que hacen fácil la resolución analítica de estas ecuaciones.
Diseño de reactores isotermos
Reactor ideal discontinuo:
En un reactor ideal discontinuo se supone que la mezcla de reacción está perfectamente agitada, por lo que no existe variación en la velocidad de reacción a lo largo de volumen del reactor. Además al ser un reactor discontinuo los términos de entrada y salida se anulan, es decir Fjo=Fj=0. Teniendo en cuenta estas consideraciones la expresión queda:


despejando Nj

diferenciando Nj respecto al tiempo

sustituyendo en la ecuación

separando en variables e integrando obtenemos

Los límites de integración se sitúan entre Xae (conversión de entrada) y Xaf (conversión final) para la conversión, y entre 0 (tiempo inicial) y tf (tiempo total de reacción) para el tiempo de reacción. Integrando obtenemos

Esta última ecuación representa la ecuación general de diseño para un reactor discontinuo ideal.
Reactor de mezcla perfecta en estado estacionario
Entra + Genera - Sale = Acumula

Un factor muy importante a tener en cuenta es (ra)s. Este término indica que la velocidad de reacción ha de ponerse en condiciones de salida, es decir la función de concentración de la velocidad de reacción ha de ponerse en función de la concentración a la salida del reactor.
El balance de masa anterior lo podemos poner en función de la conversión






Que es la expresión de la ecuación de diseño de un reactor de mezcla perfecta.
Si el caudal no varía desde la entrada a la salida del reactor y de acuerdo a la definición de conversión de reacción:

De la misma forma podemos escribir



Reactor de flujo pistón
Hemos visto anteriormente que las propiedades de un reactor de flujo pistón varían con la posición . Por esta razón, si tenemos que aplicar balances de materia tenemos que utilizar diferenciales de volumen de reactor. Posteriormente mediante integración extenderemos el análisis al volumen total del reactor.

El balance de materia aplicado al diferencial de volumen de la Fig. 6.1 es
ENTRA - SALE - DESAPARECE = ACUMULA
FA - (FA + dFA) - (-rA) dV = 0
Operando se obtiene
- dFA = (-rA) dV
Por la definición de conversión para reactores en flujo



sustituyendo en la ecuación:

Integrando la expresión anterior

si resolvemos nos queda

Que es la ecuación de diseño para un reactor de flujo pistón. Es válida tanto si existe o no variación de caudal en el sistema.
Reactores Isotermos
Es el tipo de reactor en el cuál la temperatura presenta variaciones ya que comparte calor con los alrededores. Los tipos de reactores Isotermos son:

Reactor ideal discontinuo:
Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino mas bien, al inicio del proceso se introducen los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no convertidos. También es conocido como reactor tipo Batch.

Reactor de mezcla perfecta en estado estacionario:
La composición de la corriente de salida es igual a la composición dentro de cualquier punto del reactor, esta composición no varía en el tiempo, por lo que se considera en estado estacionario. Este tipo de reactores son ideales para estudios cinéticos o de diseño experimental de reactores puesto que son de sencilla construcción en el laboratorio y además en su cálculo de diseño ofrecen la posibilidad de relacionar el grado de conversión requerido (X), la velocidad de reacción (r), el volumen (V) y las concentraciones iniciales de reactivos (Co), todo en una expresión resultante de un balance de masa, sin necesidad de integrar, puesto que el reactor se halla en estado estacionario respecto a la posición dentro del reactor y con respecto al tiempo.

Reactor de flujo pistón:
Estos reactores trabajan en estado estacionario. Es decir, las propiedades en un punto determinado del reactor son constantes con el tiempo. Este modelo supone un flujo ideal de pistón, y la conversión es función de la posición. En este tipo de reactor la composición del fluido varia de un punto a otro a través de la dirección del flujo, esto implica que el balance para un componente dado de la o las reacciones químicas implicadas o debe realizarse en un elemento diferencial de volumen.

Un pequeño repaso
La ingeniería de las reacciones es la rama de la ingeniería que se ocupa de la explotación de las reacciones químicas en una escala comercial o industrial. Su objetivo es el diseño y funcionamiento adecuado de los reactores químicos. La ingeniería de las reacciones tiene su origen en 1824 cuando el físico francés Sadi Carnot, en su obra maestra “Reflexiones sobre la potencia motriz del fuego y sobre las máquinas adecuadas para desarrollar ésta potencia”, estudió la termodinámica de las reacciones de combustión en motores de vapor.

Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. El diseño de un reactor químico requiere conocimientos de termodinámica, cinética química, transferencia de masa y energía, así como de mecánica de fluidos; balances de materia y energía son necesarios. Por lo general se busca conocer el tamaño y tipo de reactor, así como el método de operación.

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