Diseño e Implementación de Herramientas de Simulación de Procesos para la Industria SucroenergéticaColombiana (CENIPROF V2.0)

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Lorenzo Lara Serrano
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1 Diseño e Implementación de Herramientas de Simulación de Procesos para la Industria SucroenergéticaColombiana (CENIPROF V2.0) Jairo Moreno Ingeniero Químico jmoreno@cenicana.org Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

2 Introducción Este trabajo muestra la evolución y el desarrollo de una herramienta de simulación para la industria azucarera colombiana, creadas por el Programa de Fábrica del Centro de Investigación de la Caña de Azúcar de Colombia(Cenicaña). Esta herramienta es CENIPROF V.2.0 la cual permite simular los procesos de producción de azúcar, etanol y energía en estado estable. Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

Caña de Azúcar de Colombia(Cenicaña). Esta herramienta es CENIPROF V.2.

3 Simuladores de procesos Simuladores de procesos en la industria petrolera: Hysys Aspen Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

4 Simuladores de procesos Las industrias químicas del papel y más recientemente la industria del azúcar se han interesado en adquirir ésta tecnología, teniendo que recurrir inicialmente a paquetes comerciales diseñados para la industria del petróleo, presentando la dificultad de tener que invertir mucho tiempo para adaptar éstas herramientas a las condiciones particulares de sus respectivos procesos. Otro inconveniente que se ha presentado y que hace lenta la incursión de la simulación de procesos en estas industrias, es el alto costo en el desarrollo o en la adquisición de dichos paquetes. Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

adaptar éstas herramientas a las condiciones particulares de sus respectivos procesos.

5 Simuladores Industria Azucarera Las industrias azucareras australiana y surafricana fueron las primeras en implementar los simuladores en sus procesos y a través de los años fueron evolucionando hasta aplicaciones desarrolladas en lenguajes de programación de alto nivel. Hay solo dos programas de simulación de procesos especializados en la industria azucarera en el mundo: Sugars (Sugars International) y SIMFAD(ICIDCA). Sugars SIMFAD (ICIDCA) Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

6 Aplicativo en Excel (Ceniprof) En el año 2003 se decide incorporar todos los modelos en un libro de Microsoft Excel donde se puedan obtener indicadores de desempeño de una fábrica, de los consumos energéticos y costos unitarios de los principales flujos de cada proceso (Carvajal et al, 2006). Este aplicativo es el CENIPROF, herramienta con la cual se han evaluado configuraciones de escenarios actuales y proyecciones en los ingenios colombianos, en los últimos años (Castillo M et al, 2009; Aguirre O, C. A. et al, 2009; Cañón Saa, C.F, 2007;CastroFori,P.W.,Gómez,A.L.2011). Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

Este aplicativo es el CENIPROF, herramienta con la cual se han evaluado configuraciones de escenarios actuales y proyecciones en los ingenios colombianos,

7 Aplicativo Excel vs. Programación a Objetos A pesar del impacto que ha tenido el aplicativo CENIPROF como herramienta para la toma de decisiones en proyectos sucroenergético, el aplicativo se convierte en una hoja de Excel extensa y de difícil manejo, alargando el tiempo de respuesta para el análisis de diferentes escenarios para un mismo problema, siendo éste factor clave del que depende el éxito de cualquier proyecto. Enfoque Modular-secuencial - Extenso y de difícil manejo. - Configuraciones estáticas, teniendo que reprogramar toda la configuración. - Disgregación de los modelos de las operaciones unitarias, difícil aplicación de reingeniería. Enfoque Orientado a Objetos - Versatilidad para construir nuevas configuraciones propuestas y actuales. - Reutilización de código. - Mejoramiento continuo de modelos e incorporación y observación del efecto sobre todo un esquema (elaboración, cogeneración, etanol). - Apropiación de la tecnología (Patente). Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

Excel extensa y de difícil manejo, alargando el tiempo de respuesta para el análisis de diferentes escenarios para un mismo problema, siendo éste factor clave del que depende el éxito de cualquier

8 Materiales y Métodos Aplicativos en Excel Modelos Elección plataforma de programación Validación Modelo Programación modelos Construcción interfaz Gráfica Programación reportes y gráficos Ceniprof 2.0 Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

modelos Construcción interfaz Gráfica Programación reportes

9 Modelación operación unitaria Modelos Establecidos Molinos. Calderas. Turbinas. Evaporadores. Intercambiador. Parámetros Especificaciones Geometría Modelos Modificados y nuevos Corrientes de entrada Corrientes de salida Tachos. Centrifugas. Calor Trabajo Modelo Operación Unitaria Calor Trabajo Clarificador. Tanque Flash. Tamaño Filtros. Condensador Barométrico Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

Parámetros Especificaciones Geometría Modelos Modificados y nuevos Corrientes de entrada Corrientes

10 Plataforma de Programación Visual Studio 2008 Permite desarrollar librerías ó complementos en cuatro lenguajes de programación: Visual Basic, el C Sharp (C#), Visual Java y el Visual C++; de esta forma se puede hacer un proyecto con librerías escritas en diferentes lenguajes, dependiendo de las preferencias del programador, sin ningún problema. Librería Gráfica Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

se puede hacer un proyecto con librerías escritas en diferentes lenguajes, dependiendo de las

11 Estructura Ceniprof V2.0 La estructura del programa se dividió en: Operaciones unitarias (Molinos, Caldera, Evaporadores, etc.) La interfaz gráfica, las propiedades físicas de los compuestos Librería matemática. Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

12 Estructura Ceniprof V2.0 Los modelos de operaciones unitarias manejaron los mismos algoritmos probados y/o desarrollados por el Programa de Procesos de Fábrica a los ingenios del sector colombiano, con la versión en Microsoft Excel. Caldera El método de cálculo para el modelo de calderas debió ser replanteado ya que el enfoque modular en la programación del Software requiere que se deban especificar solo las variables de entrada y todas las variables de salida son calculadas. Adicionalmente, se utilizó el mismo modelo de las pérdidas (indirecto) de acuerdo a la norma ASME PTC 4.1, pero en ésta versión se añadieron otras pérdidas, las cuales modificaron las eficiencias entre un 0.3 % - 0.7%, con respecto a los resultados de la versión anterior. Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

13 Estructura Ceniprof V2.0 Evaporadores Anteriormente se hacía un proceso iterativo asumiendo la cantidad de vapor generado hasta que la diferencia en el balance de sólidos de todo el tren de evaporación fuera menor o igual a 0.5%. Para ésta versión se deben dar las variables de entrada necesarias para que las ecuaciones del modelo entreguen el flujo de vapor vegetal y el flujo de jugo saliendo del equipo. Una vez se tiene la unidad definida (un evaporador) se puede construir todo un tren de evaporación. Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

de sólidos de todo el tren de evaporación fuera menor o igual a 0.5%.

14 Estructura Ceniprof V2.0 Librería matemática y de propiedades fisicoquímicas. Se encarga de resolver las ecuaciones de los modelos particulares que comprende cada operación unitaria. Este componente usa métodos numéricos tales como La Falsa Posición, Newton-Raphson, Bairstow, etc., anidados de tal forma que pueda seleccionarse el mejor método según el sistema a resolver (Chapra S. y Raymond P., 1999). Las propiedades físicas de cada uno de los materiales que intervienen en los procesos fueron programadas en un componente, el cual tiene un conjunto de funciones que encapsulan las propiedades fisicoquímicas de los principales compuestos de la industria azucarera (Bubnik et al, 1995). Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

, anidados de tal forma que pueda seleccionarse el mejor método según el sistema a resolver (Chapra S. y Raymond P., 1999).

15 Fases a terminar en Ceniprof V2.0 Módulos: - Bombas - Piscina de Enfriamiento - Planta Etanol: Fermentación, Destilación, deshidratación, propiedades flujos (vinaza, Etanol). Programación de reportes y gráficos. Seguridad. Comité de Fábrica, Agosto 22 de /15

Fermentación, Destilación, deshidratación, propiedades flujos

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