CHEMCAD le ayuda a reducir periodos de cambio de producto

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1 CHEMCAD le ayuda a reducir periodos de cambio de producto Introducción Fabricar varios productos con una única instalación de producción es algo que se ha vuelto cada vez más atractivo para el titular de la instalación, sobre todo teniendo en cuenta las continuas fluctuaciones de las materias primas y la transformación del mercado de la energía. Por tanto, contar con un sistema de producción flexible es un componente esencial si queremos hacer realidad lo anterior. Aunque nada ha cambiado en los ciclos de vida de las instalaciones diseñadas para 20 a 40 años, los ciclos de vida de los productos sí que se han visto reducidos. Además, el tipo, la calidad, el precio y la disponibilidad de los recursos necesarios para la producción varían cada vez más rápido en un mundo globalizado. Por tanto es económicamente ventajoso que la producción pueda responder con flexibilidad a tales cambios, aportando modificaciones en los productos o incluso introduciendo productos nuevos en caso necesario. Una simulación rigurosa por ordenador de los procesos de fabricación contribuye a analizar y evaluar diferentes escenarios con productos y materias primas variables en un corto periodo de tiempo, siendo para ello necesario tener en cuenta de forma coherente las limitaciones termodinámicas y técnicas pertinentes. Sin la simulación, por otra parte, sería necesario realizar numerosos, lentos y costosos experimentos en las instalaciones de producción para verificar los nuevos escenarios. Además, durante estos experimentos, las instalaciones no se pueden utilizar por lo general para seguir con la producción. Si se conocen los distintos parámetros específicos de funcionamiento de una instalación de producción en cada escenario, ya optimizados en un caso ideal, entonces ya solo se producirán pérdidas en la producción al cambiar de una combinación producto/materia prima a otra. Por tanto, el objetivo de este trabajo es mostrar la forma de minimizar las paradas de producción derivadas del tiempo de variación de producto con la ayuda del simulador de procesos CHEMCAD. Usando un ejemplo concreto de la industria oleoquímica vamos a mostrar cómo determinar puntos operativos estacionarios óptimos y estimar parámetros operativos no disponibles además de calcular, analizar y finalmente optimizar la evolución de variables dependientes de estado, como por ejemplo la concentración del producto, utilizando CHEMCAD. Estudio de caso de la industria oleoquímica La industria oleoquímica tradicionalmente tiene que hacer frente a diferentes composiciones de los materiales de partida que utiliza en sus procesos al reutilizar productos naturales y obtenidos del reciclaje. Para crear condiciones de alimentación constantes para los procesos posteriores es posible integrar en el proceso una unidad de destilación conectada en serie aguas arriba, de modo que las grandes fluctuaciones en la composición de los aceites que sirven del materia prima se vean reducidas a una cantidad controlada. Página 1 de 14

2 Dicha planta de destilación es el objeto de estudio en nuestro caso. La tabla 1 muestra la composición de diversas materias oleosas que sirven como materia prima. Se puede observar que incluso las mismas en estado puro presentan una gran variación en su composición química. Con el uso de mezclas y de aceites reciclados se producen incluso aún más combinaciones. Tabla 1: Composición de distintos aceites procedentes de recursos renovables s grasos insaturados Monoinsaturados Poli-insaturado Nombre común caprílico cáprico láurico mirístico palmítico esteárico araquidónico oleico linoleico linolénico N.º CAS ID en CHEMCAD Tipo de aceite Aceite de almendra Aceite de coco Mantequilla de coco Aceite de oliva Aceite de palma Aceite de cártamo C8:0 C10:0 C12:0 C14: 0 C16: 0 C18: 0 C20: 0 C18: 1 C18: 2 C18: 3 7,0% 2,0% 69,0% 17,0% 8,3% 6,0% 46,7% 18,3% 9,2% 2,9% 6,9% 1,7% 25,0% 38,0% 32,0% 3,0% 11,0% 3,6% 75,3% 9,5% 0,6% 0,1% 0,1% 0,9% 1,3% 43,9% 4,9% 39,0% 9,5% 0,3% 0,3% 5,5% 1,8% 0,2% 79,4% 12,9% Sin embargo, usando dos columnas de destilación conectadas de forma consecutiva es posible limitar el espectro de cada ácido graso específico. En la primera columna de destilación se separan los componentes no deseados más volátiles y en la segunda ocurre lo mismo aquellos menos volátiles. La figura 1 muestra el diagrama de flujo de una instalación de destilación de dos etapas de este tipo. Página 2 de 14

3 Figura 1: Diagrama de flujo de una planta de destilación de dos etapas para el acondicionamiento de aceites Consideremos dos composiciones diferentes de aceites como materias primas para las cuales se desea obtener un espectro de productos oleosos. El aceite pesado en bruto y las limitaciones para el producto oleoso más pesado se muestran en la tabla 2, mientras que en la tabla 3 se muestran los datos para el aceite más ligero. Tabla 2: Composición del alimento de materia prima para el primer caso y especificación del producto deseado (aceite pesado). CAUDAL DE ALIMENTACIÓN PRODUCTO Cantidad 10 m³/h Límite inferior Límite superior C8 Trazas - 0,1% C10 Trazas - 0,1% C12 1,6% - 0,5% C14 0,9% - 0,5% C16 10,3% - 60,0% C18 75,7% 96,0% - C20 11,5% - 30,0% Datos expresados en porcentaje en peso Página 3 de 14

4 Tabla 3: Composición del alimento de materia prima para el segundo caso y especificación del producto deseado (aceite ligero). CAUDAL DE ALIMENTACIÓN PRODUCTO Cantidad 10 m³/h Límite inferior Límite superior C8 5,0% - 0,1% C10 10,0% - 2,0% C12 40,0% 50,0% - C14 20,0% 15,0% 28,0% C16 13,0% 6,0% 14,0% C18 12,0% 4,0% 14,0% C20 Trazas - 0,1% Datos expresados en porcentaje en peso Condiciones operativas óptimas Si se fijan las respectivas presiones de la columna, restarán dos variables libres por columna. En este ejemplo se han seleccionado la razón de reflujo y el consumo energético del evaporador como variables de diseño. Para estas variables existen ciertas restricciones técnicas debidas, entre otros factores, a las superficies de los intercambiadores de calor existentes en el condensador y en el evaporador. En el caso del ejemplo se puede partir del caso normal, en el que la capacidad de los intercambiadores de calor con respecto a la capacidad de carga de la columna representa la mayor limitación, de manera que solo las limitaciones de potencia del evaporador y de la capacidad de refrigeración en el condensador deben tenerse en cuenta para lograr la optimización. Estos límites y condiciones secundarias se resumen en la tabla 4. La tabla 5 muestra otras características de la instalación. Tabla 4: Definición de escenarios para el optimizador Límites y restricciones Variable de diseño Límite inferior Límite superior Página 4 de 14

5 Razón de reflujo Columna 1 (R/D 1) Potencia del evaporador Columna 1 (QR 1) Razón de reflujo Columna 2 (R/D 2) Potencia del evaporador Columna 2 (QR 2) 0,1 20 0,3 MW 3 MW 0, kw 500 kw Condición secundaria Potencia de refrigeración QC1 en condensador - columna 1 Potencia de refrigeración QC2 en condensador - columna 2 3 MW 500 kw Como estado de funcionamiento óptimo se define en este caso el punto en el cual el caudal de producto es máximo. Los costes accesorios se pueden despreciar frente a los costes del alimento. Tabla 5: Características de la planta de destilación de dos fases de la figura 1. Característica Columna 1 Columna 2 ID de la unidad 4 5 ID del alimento 3 5 ID prod. de cabeza 4 7 ID prod. de cola 5 6 Presión 35 mbar (a) 10 mbar (a) N.º de etapas 18 6 Página 5 de 14

6 Caudal másico en kg/h Plato de alimentación 12 6 Modelo de columna Modelo de los platos Termodinámica EQUI Termodinámica H Riguroso (SCDS) De equilibrio (EQUI) UNIFAC Calor latente Para la optimización se utiliza el «Process Optimizer» implementado en CHEMCAD. Este puede considerar hasta 120 variables independientes y 120 restricciones o condiciones secundarias. Además del algoritmo secuencial SQP, CHEMCAD cuenta con un algoritmo SQP simultáneo y una minimización según el método del gradiente reducido. Simultáneo significa en este caso que el diagrama de flujo se resuelve al mismo tiempo (es decir, orientado a las ecuaciones) y no de forma iterativa. Dado que el diagrama de flujo considerado no contiene caudales de reciclo, tanto el algoritmo secuencial como el simultáneo SQP generan ofrecen el mismo resultado. Los escenarios óptimos mostrados aquí se obtuvieron con el planteamiento secuencial SQP. Los resultados de los cálculos de optimización se muestran en las figuras 2 y 3. En el caso de la materia prima oleosa pesada, un 38% de la masa del alimento es el ácido graso C18, creciendo ese porcentaje en el producto hasta un 48% de la masa del mismo, mientras que en el caso del alimento bruto oleoso ligero, el 48% en masa del mismo es ácido graso C12, pasando a enriquecerse en masa en el producto hasta un 63% de ácido graso C12. Los parámetros operativos óptimos se muestran en la tabla Feed Sumpf Kolonne 1 C20 C18 C16 C14 C12 C10 C8 Kopf Kolonne 2 Figura 2: Modificación de la composición del caudal material durante el proceso para el escenario optimizado «Aceite pesado en bruto» Página 6 de 14

7 Caudal másico en kg/h C20 C18 C16 C14 C12 C10 C Feed Sumpf Kolonne 1 Kopf Kolonne 2 Figura 3: Modificación de la composición del caudal material durante el proceso para el escenario optimizado «Aceite ligero en bruto» Tabla 6: Valores de las variables de diseño y estado de las restricciones en los respectivos estados óptimos de cada escenario Escenario Variable de diseño Aceite pesado en bruto Aceite ligero en bruto Razón de reflujo Columna 1 (R/D 1) Potencia del evaporador Columna 1 (QR 1) Razón de reflujo Columna 2 (R/D 2) Potencia del evaporador Columna 2 (QR 2) 10,8 2,6 3 MW 2,03 MW 0,65 0, kw 364 kw Página 7 de 14

8 Condición secundaria Potencia de refrigeración QC1 en condensador - columna 1 Rendimiento de refrigeración QC2 en condensador - columna 2 1,6 MW 0,99 MW 500 kw 500 kw En ambos escenarios podrían lograrse mayores rendimientos de producto si la restricción de la refrigeración en el condensador de cabeza en la segunda columna no limitase el proceso. Por lo tanto, un cálculo de optimización permite generar información específica extra sobre los cuellos de botella existentes en el proceso, es decir, sobre qué modificaciones de la planta pueden contribuir a mejorar la producción. En este caso se trataría de un aumento de la capacidad máxima de refrigeración en el condensador de la 2ª columna, por ejemplo, mediante una disminución de la temperatura del agua de refrigeración o instalando un intercambiador de calor adicional. Cambio de producto-materia prima Para simular el cambio de producto ligero a producto pesado es necesario considerar las condiciones térmicas de almacenamiento (masa y energía). Aquí es posible despreciar el volumen de las tuberías respecto a los volúmenes de cada uno de los platos de columna y de los intercambiadores de calor (condensador y evaporador de cabeza). Asumiendo esto, es posible convertir sin cambio alguno el diagrama de flujo, utilizado hasta ahora de forma estacionaria, en un diagrama dinámico. Pero para reproducir el comportamiento de almacenamiento en las columnas es necesario aún asumir ciertos supuestos y datos adicionales. Para el condensador de cabeza y el fondo de la columna con su evaporador se pueden asumir volúmenes constantes gracias a un sistema de control de nivel estable. El diámetro de las columnas se puede calcular usando el método del punto de inundación a través de la herramienta de dimensionamiento integrada en CHEMCAD. Para calcular el nivel de líquido variable en cada uno de los platos de las columnas se necesita información geométrica adicional, si bien la herramienta de dimensionamiento integrada en CHEMCAD también nos servirá de ayuda. Los parámetros geométricos relevantes para la simulación dinámica se resumen para ambas columnas en la tabla 7. Tabla 7: Parámetros geométricos de simulación dinámica Característica Columna 1 Columna 2 ID de la unidad 4 5 Página 8 de 14

9 Fracción másica en la corriente de alim. Diámetro 3,96 m 2,44 m Separación de fondos 0,61 m 0,61 m Volumen de líquido en el condensador/depósito de reflujo Volumen de líquido en el evaporador/fondo Ancho del conducto de salida del fondo 1,0 m³ 0,5 m³ 2,0 m³ 1,0 m³ 0,22 m 0,22 m Altura del rebosadero 0,05 m 0,05 m La estrategia conservadora más simple para adaptar la producción es esperar al estado de equilibrio con la nueva alimentación y cambiar luego los parámetros de funcionamiento a los parámetros óptimos propios del nuevo escenario materia prima/producto. El cambio de la alimentación comienza tras 6 minutos y dura 10 minutos. El cambio en la composición de la corriente de alimentación durante el cambio se muestra en la figura 4. La evolución temporal de la composición del caudal de la corriente de producto según la estrategia conservadora simple se muestra en la figura 5. La planta alcanza el estado estacionario después de aproximadamente 250 minutos. La conversión de los parámetros de funcionamiento se lleva a cabo con rampas durante un período de 30 minutos para no causar cambios bruscos y para dar al operador la oportunidad de intervenir si es necesario. La especificación de producto del aceite más ligero es alcanzada pasados 318 minutos usando esta estrategia. 1,0 0,9 C8 C10 C12 C14 C16 C18 C20 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Tiempo en minutos Figura 4: Evolución temporal de la composición de la corriente de alimentación al cambiar el aceite de origen Página 9 de 14

10 Fracción másica en la corriente de producto 1,0 0,9 C8 C10 C12 C14 C16 C18 C20 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Tiempo en minutos Figura 5: Evolución temporal de la composición de la corriente de producto al aplicar una estrategia conservadora simple. Si se permite iniciar las rampas al empezar el cambio de la alimentación, se reducirá el tiempo requerido para alcanzar la especificación de producto a 213 minutos. Una estrategia de este tipo es bastante común cuando se trabaja con cambios de productos planificados. Los perfiles correspondientes de las fracciones másicas para cada uno de los componentes de la corriente de producto se muestran en la figura 6. Página 10 de 14

11 Fracción másica en la corriente de producto 1,0 0,9 C8 C10 C12 C14 C16 C18 C20 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Tiempo en minutos Figura 6: Evolución temporal de la composición de la corriente de producto al aplicar una estrategia simple. Optimización dinámica El «Process Optimizer» integrado en CHEMCAD también se puede utilizar para optimizar procesos dinámicos. En este ejemplo, el tiempo debe reducirse al mínimo para alcanzar la especificación de producto prevista. Como variables se seleccionan los valores deseados de las rampas. Por consiguiente, los parámetros de funcionamiento deben modificarse solo una vez de acuerdo a las estrategias descritas anteriormente. Sin embargo, incluso con esta limitación es posible reducir el tiempo de cambio de producto a más de la mitad, llegando a 93 minutos. Una vez alcanzada la especificación deseada para el producto se cambia a los parámetros operativos óptimos. La evolución de los parámetros de funcionamiento se muestra en la figura 7 y la evolución de la composición de la corriente de producto en la figura 8. Con la interfaz para Excel de CHEMCAD es posible vigilar fácilmente el cumplimiento de la especificación del producto. La figura 9 muestra el momento en que se alcanzan los valores de la especificación con las variables de diseño optimizadas y qué cantidad de límites se infringe. Página 11 de 14

12 Límites activos Fracción másica en la corriente de producto Valor de la variable de diseño R/D 1 QR 1 [MW] R/D 2 QR 2 x 10 [MW] Tiempo en minutos Figura 7: Evolución temporal de las variables de diseño tras reducir al mínimo el tiempo de cambio de producto. 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 C8 C10 C12 C14 C16 C18 C Tiempo en minutos Figura 8: Evolución temporal de la composición de la corriente de producto tras reducir al mínimo el tiempo de cambio de producto C8 C10 C12 C14 C16 C18 C20 Alle Tiempo en minutos Figura 9: Infracción de la especificación de producto; 0: concentración dentro de la especificación 1: concentración fuera de la especificación; todos: suma de todos los componentes Página 12 de 14

13 Como se observa en la figura 9, la especificación del producto no se alcanza durante 3 minutos al realizar la transición a los parámetros de funcionamiento óptimos. La concentración de ácido graso C18 es menor al límite inferior de 4% en este periodo. Para evitar tales efectos, por ejemplo, el problema de optimización se puede formular de manera diferente. Si las infracciones de los límites de este tipo son relevantes y si deben tenerse en cuenta es algo que debe decidirse para cada caso. Además, el escenario planteado sobre el tiempo de cambio de producto mínimo no representa un conjunto de factores óptimos. El cálculo de gradientes de la función objetivo (= tiempo de cambio de producto) con respecto a las variables de diseño se efectúa numéricamente por cociente de diferencias. La selección del incremento al calcular el cociente de las diferencias tiene una influencia evidente sobre el mínimo calculado con el método SQP, pero a menudo no es crucial encontrar el mínimo matemáticamente correcto de la función objetivo. Para el funcionamiento real de la instalación ya resulta ventajoso al reducir el tiempo de cambio de producto. Optimización general y Process SImulation Cup Si se realiza la optimización con variables de diseño adicionales será posible seguir reduciendo el tiempo de cambio de producto, pero dando lugar a una mayor complejidad en el problema de optimización. Con el modo OTS (Operator Training System) se puede prescindir por completo de las rampas y, en su lugar, se permite regular libremente las válvulas de control de reflujo (R/D 1 y R/D 2) y también el suministro de vapor (QR 1 y QR 2). Hasta dónde se puede seguir reduciendo el tiempo de cambio de producto y qué potencial sigue existiendo si se permite más de un salto de las variables de diseño? Con la Process SImulation Cup 2015 pretendemos contestar a esta pregunta. El objetivo es encontrar el mínimo global para el tiempo de cambio de producto en un proceso dado. En los estudiantes pueden presentar sus soluciones para los saltos en las variables de diseño y obtener de inmediato el tiempo de cambio de producto calculado para dichas variables. Una implementación exitosa llevada a la práctica El tiempo de cambio de producto y el potencial para reducirlo varía siempre dependiendo de cada sistema y de cada escenario de materia prima/producto deseado. También se debe sopesar el nivel de detalle del modelo dinámico del proceso, por ejemplo, en términos de datos geométricos. Además, los resultados de la simulación deben compararse con datos de planta reales para así caracterizar y validar el modelo. En la práctica, las escalas de tiempo calculadas mediante optimización dinámica no se pueden aplicar con tanta facilidad. En estos casos se suele recurrir a criterios de conmutación basados en CC-DYNAMICS, como por ejemplo valores de temperatura de Página 13 de 14

14 determinados fondos. Sobre la base de estos nuevos criterios de conmutación sí que es posible elaborar esquemas de trabajo óptimos para los responsables de la instalación. Para una implementación de este tipo, Infraserv GmbH & Co.Knapsack KG ofrece los servicios apropiados en cooperación con Chemstations. De este modo se ha procedido a minimizar los tiempos de cambio de producto para 12 escenarios de materia prima/producto propios de la industria oleoquímica, reduciendo también la cantidad de materia prima y energía necesaria gracias al tiempo ganado adicionalmente. Conclusión CHEMCAD está dotado de todas las herramientas necesarias para la simulación estacionaria y dinámica, así como para la optimización de procesos. La integración completa de herramientas de optimización de procesos (Process Optimizer), el dimensionado de los equipos (Sizing Tool) y la simulación dinámica (CC-DYNAMICS) permite calcular rápida y fácilmente varios escenarios para luego proceder a su optimización. Los propietarios y responsables de cada planta pueden además obtener apoyo y asesoramiento a través de Infraserv GmbH & Co. Knapsack KG, una empresa que ya ha ayudado a muchos clientes a reducir sustancialmente sus costes de producción. Le interesaría recibir más publicaciones, tutoriales, seminarios u otras soluciones con CHEMCAD? Entonces póngase en contacto con nosotros en: Correo electrónico: support@chemstations.eu Tel.: +49 (0) Autores: Jan Schöneberger Moritz Wendt Página 14 de 14