Desarrollo de un Programa de Simulación de Procesos para el Tratamiento de Emisiones Atmosféricas

Development of Simulation Software for the Air Pollution Control Processes

S.A. Pérez, Z.M. Niño y M.J. Llobregat

Univ. de Carabobo, Fac. de Ingeniería, Esc. de Ingeniería Química, Avenida Bolivar Bolivar N° 125-39, Valencia-Venezuela (e-mail: sperez@uc.edu.ve)

Resumen

Se presenta el desarrollo de un programa para la simulación de procesos asociados al tratamiento de emisiones atmosféricas. El programa creado, denominado SIMTEGUC, utiliza un enfoque modular secuencial para la administración y control del flujo de la información durante la simulación. Fueron desarrollados los siguientes módulos de cálculo: ciclones, filtros de mangas, precipitadores electrostáticos, mezcladores y divisores de corrientes, unidades para el control y promoción de la convergencia en procesos con reciclo, adsorbedores y lavadores de partículas. Todos los módulos desarrollados fueron validados individualmente mediante estudio comparativo con los resultados aportados por la simulación del mismo caso mediante un programa comercial, observándose una desviación menor al 7%. Se concluye que el programa desarrollado entrega buenos resultados y se puede extender su uso a otras áreas.

Abstract

The objective of this research was to develop a software for the simulation of air pollution control processes. The software developed, named SIMTEGUC, uses a modular and sequential approach for the management and control of the information flow during the process simulation. The following simulation units were developed: cyclones, bag filters, electrostatic precipitators, mixers, flow splitters, units for the control and promotion of convergence in recycling processes, absorbers and particle scrubbers. All these units were validated individually through a comparative study of the results obtained from the simulation and the results from a commercial simulation program, with a deviation of less than 7%. It was concluded that the program developed produced good results and could be extended to other areas.

Keywords: process simulation, air pollution, modular approach, sequential approach

INTRODUCCIÓN

En la actualidad los problemas ambientales toman cada vez una mayor importancia, de-bido al aumento sostenido de la población mundial y de centros industriales, lo que ha originado un incremento de las emisiones gaseosas contaminantes, lo cual trae consigo un deterioro de la calidad del ambiente (Heinsohn y Kabel, 1999), afectando directamente las condiciones de vida del hombre. Frente a esta situación y ante la evidente necesidad que tiene el ingeniero de procesos de contar con herramientas de cálculo que le permitan evaluar o determinar rápidamente y con precisión la magnitud del impacto de las emisiones atmosféricas al medio ambiente, la utilización de programas de simulación como una herra-mienta de trabajo se hace cada vez mas frecuente e indispensable.

En la actualidad, gracias a la disponibilidad de microcomputadores cada vez más eficientes, el desarrollo de programas de simulación con aplicaciones específicas comienza a ser de gran importancia dentro del área de investigación en las universidades. Como resultado de estos trabajos se pretende dotar al sector industrial de una herramienta para el estudio y optimización de procesos en diferentes áreas de la producción.

El uso de herramientas dirigidas al Diseño de Procesos Asistido por el Computador (DPAC) han venido siendo utilizadas con éxito desde el principio de los años 60, con aplicaciones específicas en la industria química y petroquímica, en el diseño y optimización de procesos integrados. Estos beneficios son igualmente previsibles en aplicaciones para procesos dirigidos al tratamiento de emisiones atmosféricas, de efluentes líquidos, industria farmacéutica, etc. (Petrides et al., 2002)

Hoy día se dispone de una gran cantidad de programas comerciales de simulación de pro-cesos dirigidos a la industria química, petróleo y petroquímica, tales como HYSYS (Hyprotech, Ltd/AEA Engineering Software), ChemCad (Chemstations, Inc.), Aspen Plus (Aspen Technology, Inc.), etc., sólo por mencionar algunos (Petrides, 1994). Sin embargo, esta lista resulta limitada en el caso de programas de simulación para procesos no convencionales, como es el caso de procesos para el tratamiento de emisiones gaseosas.

En tal sentido, en la Unidad de Investigación en Ingeniería de Procesos de la Universidad de Carabobo se han propuesto trabajos con el objetivo de desarrollar un programa de simulación que permita simular procesos para el tratamiento de emisiones atmosféricas, bajo un enfoque modular secuencial con una estructura sencilla y abierta a los usuarios, teniéndose así la posibilidad de incorporar nuevas unidades de cálculo, e igualmente que permita en la universidad utilizarlo con fines docentes en la enseñanza de los cursos de Simulación de Procesos, Diseño de Procesos y Control de la Contaminación del Aire.

Bajo esta estructura modular del programa se cuenta entonces con un conjunto de unidades o módulos de cálculo escritos en un lenguaje simbólico que, una vez ejecutado el programa principal, permiten obtener valores reales calculados para las variables de operación características del proceso simulado.

METODOLOGÍA

Para el cumplimiento de los objetivos planteados y que sustentan el desarrollo del pre-sente trabajo se consideraron los siguientes aspectos metodológicos:

1.- Creación de la plataforma básica del programa para leer, manejar y almacenar la información. Para ello se modificó la estructura presentada por Niño y Pérez (1993) a fin de incorporar una interfaz gráfica de lectura de datos y de presentación de resultados, la incorporación de una base de datos de propiedades físicas y el establecimiento de los parámetros que caracterizan a una corriente asociada a procesos utilizados en el tratamiento de emisiones atmosféricas, así como los parámetros asociados a los módulos de cálculo a incorporar como parte de la librería de módulos del programa.

2.- Creación de los modulos de cálculo que representan cada una de las unidades operacionales necesarias para el tratamiento de los desechos gaseosos, para lo cual es necesario: la formulación de los modelos matemáticos que describen el funcionamiento de cada uno de los módulos de cálculo y que permiten calcular las nuevas características de las corrientes de salida de cada unidad del proceso, la programación en lenguaje Fortran 90/95 (Chapman, 1998) de los módulos de cálculo y su incorporación al programa principal de simulación, y finalmente la creación de una interfaz gráfica en lenguaje Visual Basic 6.0 (Microsoft Corporation, 1998), con el objetivo de facilitar la comunicación entre el programa de simulación y la unidad de cálculo creada.

3.- Una vez desarrollado el programa de simulación se realiza la validación del correcto flujo de la información entre el programa principal y los diferentes módulos de cálculo, igualmente se hace la validación de los cálculos de cada módulo realizando un estudio comparativo con los cálculos obtenidos mediante el programa comercial SuperPro Designer 4.7. (Intelligen, Inc., 2001).

DESCRIPCIÓN DEL PROGRAMA CREADO

El programa de simulación SIMTEGUC (SIMulador de Tratamiento de Emisiones Gaseosas, Universidad de Carabobo) tiene como objetivo el manejo y almacenamiento de la información pertinente a la simulación de un proceso que es simulado bajo una estructura modular secuencial, y para ello requiere de una serie de arreglos matriciales y vectoriales que son utilizados durante la simulación, entre los cuales destacan los asociados al manejo de las corrientes de procesos y los módulos de cálculo (Niño y Pérez, 1993). A continuación se describen cada unos de dichos arreglos.

Matriz de corrientes SN( I, J )

Este arreglo matricial almacena toda la infor- mación relativa a las diferentes corrientes presentes en el proceso a simular. Cada una de las corrientes involucradas en el pro-ceso pueden tener desde J = 1 hasta NSTE características asociadas (NSTE es la máxima longitud del vector de características de la corriente). La matriz puede almacenar desde I = 1 hasta MSN corrientes de proceso (MSN es el número máximo de corrientes dentro del proceso). En el programa SIMTEGUC se tiene un formato característico para las corrientes de proceso. La Tabla 1 contiene el formato de la información almacenada en cada una de las corrientes. Es de hacer notar que para cada corriente los primeros catorce (14) elementos de información son fijos más un número adicional que depende de la cantidad de componentes presentes en el proceso (NOCOMP).

Matriz de corrientes de entrada SI(I,J ) y salida SO(I,J)

El programa SIMTEGUC utiliza dos matrices de corrientes para almacenar temporalmente la información referente a las corrientes de entrada y salida de la unidad de cálculo al momento de la ejecución de dicha unidad, según una secuencia de calculo preestablecida. Las corrientes de entrada se alma-cenan entonces en la matriz SI (I, NSTE), con I = 1, 2, ..., NIN, donde NIN representa el número de corrientes de entrada a la unidad; y para las corrientes de salida se dispone de SO (I, NSTE), con I = 1, 2,., NOUT, donde NOUT es el número de corrientes de salida de la unidad.

En el programa SIMTEGUC las corrientes de entrada y salida están limitadas a un numero fijo, y con NIN = NOUT = 4, como máximo, aunque algunos módulos tienen, por sus características un numero de entradas y salidas definido.

La información transferida a la matriz SI (I, NSTE) proviene desde la matriz principal de corrientes SN (I, NSTE), y una vez generados los resultados desde el módulo de cálculo y almacenados en la matriz SO (I, NSTE), estos son trasladados igualmente a la matriz principal SN (I, NSTE), a fin de que estén disponibles al momento de que sean requeridos nuevamente por la unidad de cálculo a la cual estén asociadas dichas corrientes.

Vector EN(N)

El vector EN(N) es el arreglo donde se almacenan los N parámetros de una unidad de cálculo, el cual esta dimensionado para tal fin, con N = 1, 2, 3, ..., NN, donde NN representa el número máximo de parámetros para caracterizar a la unidad de cálculo. Este vector es de dimensión variable y su dimensión depende del tipo de unidad de cálculo, número de parámetros asociados al modelo matemático de la unidad.

En el caso de una simulación todos los vectores de parámetros de las unidades son almacenados en un vector principal ENN, donde los vectores EN(N) son almacenados consecutivamente y de donde serán extraídos al momento de la ejecución de la unidad correspondiente. El vector EN(N), al igual que las matrices de corrientes, tiene un formato preestablecido, el cual se presenta en la Tabla 2.

Subprogramas auxiliares

El programa de simulación SIMTEGUC permite la realización de una simulación mediante la ejecución de unidades de cálculo a través de una secuencia preestablecida y definida por el usuario. Durante la ejecución del programa se gerencia la transferencia de datos pertinentes a la simulación dentro de un bloque común de información (COMMON) accesibles a los diversos subprogramas auxiliares. El programa SIMTEGUC llama sucesivamente cuatro subprogramas auxiliares, descritos a continuación:

DLOAD1: Subprograma que tiene como objetivo leer los datos numéricos a partir del archivo DATOS.TXT y transferirlos a los arreglos apropiados, asignándolos a las variables definidas dentro del bloque de enunciados COMMON.

DISKIO: Este subprograma tiene como función escribir las listas de parámetros de los diferentes vectores EN y ubicarlos en el vector principal ENN, de donde son llamados de acuerdo a la secuencia de cálculo y leídos cuando éstos sean necesarios para el cálculo de una unidad específica.

STREAM: Este subprograma se ocupa de identificar las corrientes de entrada y salida de una unidad de cálculo al momento de su ejecución y de la transferencia de información desde la matriz principal de corrientes SN a los bloques temporales de matrices de corrientes SI y SO.

MODULE: El subprograma MODULE tiene como función llamar a la subrutina correspondiente a la unidad de cálculo en ejecución, de acuerdo con la secuencia de cálculo preestablecida.

Base de datos de propiedades físicas

El programa de simulación SIMTEGUC dispone de una base de datos de propiedades físicas de los compuestos, conformada por 1443 especies. Esta base de datos suministra la información básica para la estimación de las distintas propiedades físicas requeridas en los distintos módulos de cálculo, por medio de las subrutinas, PROCAL y PROMIX, utilizadas en el cálculo de las propiedades de los compuestos puros y de mezclas.

Lógica de ejecución del programa

El simulador desarrollado esta fundamentado en dos programas ejecutables, los cuales serán descritos a continuación:

SIMTEGUCVB.exe: Programa ejecutable que se corresponde con la interfaz gráfica del programa de simulación SIMTEGUC, desarrollada en Visual Basic 6.0 (Microsoft Corpo-ration, 1998). Esta interfaz permite la introducción de los datos por parte del usuario, el acceso a los resultados finales de la simulación, el acceso a la base de datos de propiedades físicas, así como a una serie de contenidos teóricos acerca del tratamiento de emisiones gaseosas, la simulación de procesos y acerca de los modelos matemáticos asociados a los módulos de cálculo existentes.

SIMTEGUCFOR.exe: Programa ejecutable desarrollado en Fortran 90/95. Es el programa que utiliza SIMTEGUC para realizar en sí los cálculos durante la simulación del proceso, en base a los datos introducidos a través de la interfaz gráfica. Una vez iniciada la ejecución de la simulación, este programa lee el archivo de datos generado por medio de la interfaz gráfica, realiza los cálculos asociados a la simulación y genera el archivo de resultados correspondiente, el cual puede ser leído finalmente desde la interfaz gráfica.

Estos dos programas comparten archivos para la comunicación entre ellos dentro del programa de simulación SIMTEGUC. Específicamen-te, el archivo DATOS.TXT, el cual tiene una estructura preestablecida y contiene todos los datos necesarios para la simulación, tales como: secuencia de cálculo, corrientes de alimentación al proceso, estimados iniciales para corrientes en caso de procesos con recirculación, parámetros de las unidades de cálculo, parámetros para el control de la impresión de resultados. Adicionalmente se genera el archivo SIMULA.TXT, donde se almacenan los resultados de la simulación.

UNIDADES DE CALCULO CREADAS

Hasta este momento se han desarrollado una serie de módulos de cálculo, que conforman la librería actual disponible del programa. Sin embargo, como parte de las mejoras continuas que se realizan al mismo, se estima a corto plazo aumentar la librería. En esta versión del programa SIMTEGUC se dispone de los siguientes módulos de cálculo:

Unidad de Filtros de mangas (Flautero y Toribio, 2001). Esta unidad tiene como propósito simular la remoción de las partículas con diámetros comprendidos entre los 20 µm y 80 µm presentes en una corriente gaseosa. El principal parámetro con el que trabaja este módulo es la caída de presión existente en cada uno de los compartimientos del equipo, la cual es la misma en cada uno de ellos ya que se encuentran en paralelo. Adicionalmente se debe suministrar la velocidad del filtrado, el número de mangas, el diámetro y longitud de las mangas, los tiempos de operación o ciclo, de filtrado y de limpieza, los coeficientes de resistencia de la tela limpia y sucia, así como la caída máxima de presión admisible. Entre los parámetros secundarios que el programa determina se encuentran el tiempo de filtrado, de limpieza y el tiempo de operación del equipo, además de la velocidad de filtración, la cual depende del tipo de tela que se utilice.

Lavador de Partículas (Marquéz, 2001). Esta unidad tiene como objetivo eliminar partículas de una corriente gaseosa alimentada a partir de la eficiencia de remoción del lavador y adicionalmente determina la caída de presión que ocasiona dicha unidad. Los siguientes parámetros deber ser definidos: diámetro del lavador y densidad de la partícula. A partir de los cálculos de la unidad se puede obtener la eficiencia del lavador para eliminar un porcentaje de partículas, la caída de presión que existe al utilizar este tipo de equipo, y la distribución de partículas presentes en la corriente de salida gaseosa y líquida.

Unidad de Adsorción (Cordero, 2003). Tiene como objetivo simular la adsorción de gases y vapores presentes en corrientes de procesos industriales, para así eliminar uno o varios contaminantes que estén presentes en estas corrientes. Este módulo esta desarrollado para torres de lecho fijo operando en estado estacionario y operación adiabática, tomando como principio la adsorción física a través de las isotermas de adsorción de Langmuir, Freunlich y BET. El usuario puede seleccionar entre diferentes tipos de material adsorbente, diámetro de partícula del material adsorbente, profundidad del lecho y diámetro de la unidad de adsorción. Esta unidad calcula el potencial de adsorción, masa adsorbida por unidad de masa de sólido adsorbente presente y caída de presión a través del lecho.

Mezclador de corrientes (Cabrera y Hernández, 2003). Esta unidad realiza un balance de materiales y de energía a partir de un conjunto de corrientes de entrada, fijando una única corriente de salida.

Divisor de corrientes. Esta unidad tiene como función dividir una corriente única de entrada en un máximo de cuatro de salida, fijando estas corrientes de salida como una fracción de la corriente alimentada.

Precipitador Electrostático (Flautero y Toribio, 2001; Hsunling, 1995). Tiene como propósito simular la remoción de las partículas con diámetros comprendidos entre los 0.15 µm y 10 µm. El usuario debe especificar la constante dieléctrica, intensidad del campo eléctrico, altura y longitud de la placa, separación entre las placas. Como resultado principal se tiene la eficiencia de remoción del equipo para la distribución de partículas dada, y como resultados secundarios la velocidad promedio, la carga promedio de las partículas, la fuerza eléctrica promedio de las partículas, el área de la placa, el área total, el factor de Cuningham promedio, la longitud total del precipitador, el área actual de captura, el área especifica de captura, y el área de la sección eléctrica por placa.

Control de la convergencia (Cabrera y Hernández, 2003). Esta unidad permite el control del número de iteraciones durante el cálculo de procesos con recirculación en base al calculo a partir de la segunda iteración, del cambio fraccional de cada elemento de una corriente seleccionada, a partir de los resultados actuales y de los obtenidos en la iteración precedente.

Unidad para la promoción de la convergencia (Cabrera y Hernández, 2003). Esta unidad permite la promoción de la convergencia de los cálculos iterativos presentes en procesos con recirculación, y esta basada en el concepto de la extrapolación lineal de los resultados obtenidos de cálculos previos. La unidad utiliza la técnica de Wegstein (Constantinides, 1987), para el cálculo automático de los parámetros de promoción de la convergencia para cada uno de los componentes de la corriente seleccionada a los fines de lograr mas rápidamente la convergencia.

RESULTADOS Y SU DISCUSIÓN

Con el objetivo de mostrar la utilización del programa de simulación SIMTEGUC se realiza la simulación de un caso de estudio, y a los fines de validar los resultados obtenidos se presenta un análisis comparativo con los resultados obtenidos para el mismo caso, simulado con el programa de simulación comercial Super Pro Designer 4.7.

Caso de estudio para la validación

Se considera el tratamiento de una corriente de aire a 300 K y 2 atm. que contiene partículas, con la distribución de tamaños mostrada en la Tabla 3. El flujo volumétrico a tratar es de 5 m³/s. Para la eliminación de las partículas se utiliza un lavador de partículas para el tratamiento de la corriente de aire, utilizando 2 m³/s de agua a 300 K y 1 atm. La densidad de la partícula es de 1.2 g/cm³. Se considera una recirculación del 20% de la corriente gaseosa que sale del lavador. Se determinará a partir de la simulación el porcentaje de remoción de las partículas.

Tabla 3: Distribución de partículas
 

Para la simulación con el programa desarrollado, inicialmente se presenta la portada de inicio del simulador, donde el usuario selecciona realizar una nueva simulación. Una vez iniciada la simulación, el usuario tendrá que seleccionar la opción Simulación del menú inicial, presentándose inmediatamente el área de graficación del diagrama de flujo del proceso, en donde el usuario selecciona las unidades o módulos de cálculo que son parte del proceso a partir de los iconos descriptivos para las diferentes unidades.

Para el caso de estudio presentado, se tomaron como parte del proceso a simular las unidades de mezclado de corrientes, un lavador de partículas, una unidad divisora de corrientes, y en razón de la presencia de recirculación, una unidad de control de la convergencia del proceso iterativo. Seguidamente, a fin de suministrar la información para la simulación se definen las corrientes de alimentación al proceso e igualmente se tiene acceso a la base de datos de propiedades físicas de los compuestos. En cada caso se presentan los formularios para la definición de las corrientes y de los compuestos presentes en las mismas. Finalmente se definen los parámetros asociados a cada unidad de cálculo a través del menú correspondiente.

La Tabla 4 presenta los resultados de la simulación obtenidos mediante el programa SIMTEGUC y los obtenidos con el programa comercial Super ProDesigner 4.7 indicándose para la validación los flujos másicos correspondientes para algunas de las corrientes involucradas en el proceso, así como la eficiencia de remoción del lavador de partículas. En relación a los flujos másicos calculados para la corriente gaseosa del lavador resultan valores muy similares para los dos simuladores. Por otra parte, en relación al flujo de corriente sólida, los resultados son igualmente consistentes presentando una diferencia del orden del 5 %. En cuanto al valor de la eficiencia de remoción de partículas, el valor obtenido por ambos programas es comparable, presentándose una desviación relativa del 7%, justificada esta desviación por los métodos diferentes utilizados por los programas en la estimación de las propiedades físicas necesarias en la simulación. Al igual que la unidad validada anteriormente, el resto de módulos desarrollados validados a través de evaluaciones comparativas con el mismo programa comercial, observándose también una baja desviación en los resultados reportados por ambos programas.

Tabla 4: Comparación de resultados obtenidos a partir de SIMTEGUC y del programa
comercial para el caso de estudio

CONCLUSIONES

De los resultados obtenidos, de su análisis y de su discusión se pueden obtener las siguientes conclusiones en relación al programa para la simulación de procesos para el tratamiento de emisiones atmosféricas creado: 1) El programa se desarrolló bajo una estructura modular secuencial lo que permite su utilización con fines académicos ya que su estructura interna y el flujo de la información durante una simulación son bien conocidos. 2) El programa permite la simulación de procesos con una desviación en los resultados menor del 7% en comparación con los obtenidos mediante un programa de simulación comercial. 3) La disponibilidad de una estructura conocida para el programa permitirá ampliar la librería de módulos de cálculo del mismo, y así aumentar su capacidad de cálculo y la posibilidad de usarlo en otras áreas.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la Universidad de Carabobo (CDCH-UC), Valencia, Venezuela por su apoyo financiero en la realización y publicación del presente trabajo.

REFERENCIAS

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