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Simulación de procesos en Aspen Plus

Categoría: Innovación y tendencias en materiales plásticosHoy en día la industria química debe afrontar diferentes retos. Desde los continuos cambios en el mercado, la gran competencia que existe entre empresas y la necesidad de adaptarse ante las nuevas e innovadoras tendencias. Debido a esto, es imperativo encontrar soluciones eficientes que permitan mejorar los procesos ya establecidos o crear nuevos integrando todas las mejoras aplicables.

Estos upgrades se consiguen mediante la optimización de tiempos de proceso, reducción de uso de solventes o completo reemplazo por aquellos que sean económica y ambientalmente sostenibles, reducción de costes de operación (OPEX) e incluso de capital (CAPEX), de modo que sea posible aumentar la rentabilidad y conseguir una alta eficiencia.

La mejor forma de evaluar todas las variables que afectan al proceso, para definirlo o mejorarlo, es mediante la simulación, lo que permite crear un entorno ficticio que emule al sistema de la forma más fidedigna posible.

¿Qué es la simulación de procesos?Entendemos como simulación de procesos una herramienta que permite diseñar cualquier tipo de proceso químico para analizarlo, evaluarlo u optimizarlo. Se representa así un proceso que incluye transformaciones químicas, o físicas, mediante modelos matemáticos que involucran el cálculo de balances de masa y energía. Estos balances, a su vez, están acoplados a ecuaciones de equilibrio de fases, cinética química y ecuaciones de transferencia de energía, masa y materia.

Por ende, puede entenderse que la simulación está orientada hacia dos ramas muy específicas; el diseño y la evaluación.

Diseño: Creación de un proceso existente (físicamente) o no para la obtención de un producto en específico.

Evaluación: Orientado casi siempre a plantas ya existentes que permitan evaluar variables del proceso con su consecuente optimización. Un ejemplo de esto sería el cómo se modifica el peso molecular de un polímero al variar la temperatura de un reactor o como cambia la concentración obtenida por cabeza de un absorbedor de CO2 alterando los caudales necesarios de amina o el tipo de disolvente empleado.

¿Cómo se hace una simulación?Para llevar a cabo una simulación es necesario contar con un software simulador. Existen diferentes simuladores de procesos que permiten aproximar un proceso real mediante la resolución de diferentes ecuaciones termodinámicas, modelos matemáticos y balances de materia y energía.

Por ello, es pertinente entender al simulador como un software que permite la resolución de sistemas de ecuaciones de diferentes grados de complejidad de forma simultánea.

Así, con datos de valor y las correctas elecciones para el modelado del proceso y su resolución es posible optimizar variables en búsqueda de incrementos de rendimientos, cogeneración y mejora de la eficiencia energética (EE) y disminución de tiempos de proceso de manera que permitan obtener una mayor rentabilidad.

¿Qué es Aspen Plus?Aspen Plus® es un software de simulación de procesos químicos que permite la integración de diferentes operaciones unitarias que se encuentran en la industria dentro de un mismo entorno.

Así, Aspen Plus® proporciona un amplio rango de herramientas que permiten la construcción y optimización del modelado de procesos. El simulador cuenta con una gran base de datos de sustancias que se van actualizando con cada versión.  Además, cuenta con la capacidad de poder manejar diferentes estados; liquido, sólido o gaseoso y por supuesto de corrientes que posean equilibrios entre fases. En este caso, es el usuario encargado de la simulación quien es responsable de elegir el mejor paquete termodinámico para el proceso que necesite simular teniendo inclusive la posibilidad de crear uno nuevo o modificar los existentes, de modo que se adapten mejor a las condiciones experimentales.

Por ejemplo, el azeótropo de etanol-agua (figura 1) no es reproducible con la ley de los gases ideales, pero sí con NRTL (non-random two-liquid)



Figura 1.Diagrama Txy de etanol-agua con paquete termodinámico de gas ideal (izq) y con NRTL (der)

De ello se desprenden algunas de las siguientes aplicaciones:

  • Análisis de propiedades físicas como el estudio de puntos de ebullición a determinadas T y P de sustancias puras o mezclas
  • Estudio de la separaciones y purificaciones de mezclas mediante destilación (atmosférica, vacío, extractiva, efecto salino, etc), decantadores (líquido-líquido) u absorciones líquidas. Lo que permite reducir tiempos de experimentación
  • Estudio del equilibrio de reacciones químicas para comparar con reacciones catalizadas de forma heterogénea y definir parámetros de reacción.
  • Condiciones de procesos para formular reactivos necesarios
  • Análisis tecno-económico de un proceso.
Además, las estrategias de resolución de Aspen Plus son efectivas a la hora de solucionar diferentes tipos de problemas asociados a:

  • Procesos con reciclos de materia prima
  • Procesos que requieran una alta optimización
  • Regresión de parámetros y propiedades específicas a diferentes condiciones de trabajo
  • Integración energética de procesos
Aspen Plus proporciona soluciones a nivel de mejora de procesos por lotes, optimización de procesos de polímeros, equipos personalizados, estimación de propiedades físicas e incluso la realización de una ingeniería conceptual para la creación de una planta piloto.

Procesos químicos que están ampliamente desarrollados en la industria no suelen tener, o poseen pocos retos a la hora de simular, puesto que la información referente a propiedades, cinéticas y comportamientos generales están bien descritos en la bibliografía, bien sea a nivel teórico o, incluso en muchos casos, se han desprendido ecuaciones empíricas asociadas a su procesado en condiciones específicas, siendo posible incluirlas en el simulador para una resolución más fehaciente.

Cuando no se conocen ciertos parámetros para el proceso que se desea simular, es necesario realizar una recopilación bibliográfica y/o experimental, con el fin de lograr una simulación optima y su consecuente optimización y mejora del proceso.

De tal forma, Aspen Plus les permite a los usuarios una manera de gestionar los diferentes procesos químicos dentro de su planta en un solo entorno. Dando así la oportunidad de realizar toma de decisiones de manera eficiente asociadas a los modelos utilizados.

Un ejemplo de ello sería la captura de CO2, como es el caso del proyecto CapturO2 , proyecto financiado por el Instituto Valenciano de la Competitividad Empresarial (IVACE). Este proyecto se centra en las tecnologías de captura de CO2 para su aplicación al sector cerámico, del tal forma que se pueda capturar, almacenar y aprovechar el dióxido de carbono presente en los gases de combustión inherentes al proceso de este tipo de industria.

Así, través de ASPEN Plus es posible diseñar y evaluar el proceso tradicional de la absorción con aminas y compararlo con la absorción en un solvente distinto. Además, junto con Aspen Plus® se pueden utilizar otros softwares de la suite de AspenTech que permitan integrar equipos que no se encuentren disponibles en librería como lo sería un sistema híbrido de captura.

Fecha publicación: 30/11/2022

Fuente: AIMPLAS - Blog



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