Simulacion en Met Sim, Guías, Proyectos, Investigaciones de Ingeniería Minera

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METSIM

EL SIMULADOR DE PROCESOS DE

METALURGIA EXTRACTIVA

RAFAEL G. ARDILA MONTERO

Universidad Industrial de Santander

Bucaramanga Santander

Material escrito por Rafael G. Ardila Montero

Estudiante de Ing. Metalúrgica y ciencia de Materiales

Universidad Industrial de Santander UIS

Bucaramanga, Santander, Colombia.

Primera edición, Julio de 2009.

“Sólo puedo combatir por lo que amo,

Amar sólo lo que respeto

Y a lo sumo respetar sólo lo que conozco”

Introducción

En los últimos años el avance y el desarrollo de muchos procesos de producción se ha debido en gran parte a la implementación de herramientas computacionales basadas en el modelamiento de los distintos sistemas de producción, por ello hoy en día se hace necesario el estudio a fondo de cómo modelar y simular situaciones reales y mirar cómo se les puede obtener el máximo beneficio a estas herramientas. Es por eso que en la actualidad contamos en la ingeniería metalúrgica con software que nos proporcionan una gran ayuda para el análisis de procesos de producción de metales, ejemplo de ellos tenemos el MODSIM , aplicado para el análisis del beneficio de minerales, para la misma rama también existe el JKSimet , para la parte piro metalúrgica encontramos el PYROSIM , para la simulación de procesos Hidrometalurgicos encontramos una gran herramienta como lo es el HSC versión 6.0 que a diferencia de las versiones anteriores cuenta con un modulo de simulación.

Como podemos ver existen innumerables programas computacionales que nos ayudan en el modelamiento y simulación de procesos de metalurgia extractiva los cuales tienen como punto en común la facilidad para realizar balances de masa y energía, pero a su vez cuentan con una desventaja notable la cual evidentemente radica en que para simular una planta completa se debería contar para cada etapa del proceso con varios programas los cuales aumentarían los costos y se presentarían fluctuaciones en los resultados. Por esta razón John Bartlett crea el METSIM ( Metallurgycal Simulator ) el cual acopla en un solo programa los distintos módulos necesarios para modelar y simular una planta completa de extracción y producción de metales, con una versión para Windows muy amigable y fácil de implementar convirtiéndose en una herramienta poderosa con excelentes resultados.

Debido a que en muchos pensum de ingeniería metalúrgica no se dan los conceptos necesarios para lograr un modelo aceptable y por ende resultados producto de unas simulaciones confiables, este trabajo tiene también por objetivo presentar los conceptos de modelamiento, simulación y control de procesos de

1. METSIM

1.2Instalacion

**2. Explorando METSIM en Windows

3. Tipo de modelación en METSIM**

3.1Calculos ejecutados por METSIM

4. Iconos Principales en METSIM

4.1 Iconos generales

4.2 Iconos de diseño del Flowsheet

4.3 iconos de simulación

4.4 Iconos de modelo 4.5 Iconos APL

5. Operaciones unitarias en METSIM

5.1 Datos Generales de todas las operaciones unitarias

5.2.1 Stream Mixer 5.2.2 Splitter Comp

5.2.3 Splitter Phase

6. Corrientes en METSIM

6.1 Descripción

6.2 Clasificación

6.3 Icono de corrientes y Paleta de Edición

6.4 Colores de las corrientes

6.5 Corrientes de Reciclo o Retornos METSIM (Iteraciones y convergencia)

7. Reacciones en METSIM

8. Lenguaje APL

8.1 Símbolos de APL

8.2 El teclado APL

8.3 Operaciones APL Básicas

8.3.1 Aritmética-Orden de Ejecución

8.3.2 Funciones APL

8.3.3Índice de función

8.3.4 Función Rho ó Reshape

8.3.5 Función de Reducción

8.3.6 Funciones Mínimum and Floor y Máximum and Ceiling

8.3.7 Función de exponenciación y Potenciación

8.4 Mensajes de Error APL

9. Valores de Funciones APL en METSIM

9.1 Ayuda del Software adicional APLMET

10. Objetos Creados por el Usuario

10.1 Creación de Escalares

10.2 Creación de Vectores

10.3 Creación de Matrices

10.4 Creación de Funciones

10.5 Creación de líneas de texto

11. Control

11.1 Conceptos Básicos

11.2 Generalidades de la estrategia Feedback y Feedforward

1. METSIM

METSIM es un software de simulación útil para modelar complejas plantas de producción de metales vía extracción desde su mineral. Ejemplo de ello podemos simular plantas de beneficio de minerales, procesos metalúrgicos donde ocurren reacciones químicas y debido a la normatividad mundial de cuidado del medio ambiente, nos da la opción de simular procesos de recuperación y limpieza del entorno. Este software fue desarrollado por el Mr. John Bartlett y su licencia puede conseguirse por medio de la empresa PROWARE. METSIM trabaja con una llave USB tipo centinela la cual debe conectarse al PC para que METSIM pueda trabajar en su versión Full, si la llave no es conectada el usuario solo podrá trabajar con la versión demo la cual tiene capacidades limitadas.

Una de las novedades de este software y su diferencia con otros es el lenguaje en el cual fue desarrollado, el cual es conocido como APL (A Programming Language) lenguaje de alto nivel muy potente, el cual nos permite desarrollar bastas operaciones matemáticas con pequeñas líneas de código si lo comparamos con otros lenguajes como por ejemplo el lenguaje C o Visual Basic.

Como ya se mencionó este software es vendido por la empresa PROWARE en distintos módulos, dependiendo de las necesidades del usuario, los módulos básicos son el modulo de balances de masa y el modulo de balance de energía. La siguiente tabla nos muestra los módulos disponibles según nuestras necesidades:

Modulo Descripción Dynamic Simulation Modulo para realizar Simulación dinámica. Heap Leach Modulo para construir modelos que incluyan pilas de lixiviación. Operating Cost Modulo para realizar análisis de costos de operación. Particle size analysis Modulo para realizar análisis de tamaños de partículas.

Multicomponent Particle size analysis

Modulo para realizar análisis de tamaños de partículas de sistemas multicomponentes. Solar / Weather Modulo para tener en cuenta condiciones climáticas. Gravity Separation Modulo para trabajar con modelos que incluyan separación por gravedad.

Una de las cosas a tener en cuenta es que para trabajar con METSIM hay que tener previos conocimientos de los distintos procesos de metalurgia extractiva.

En este trabajo solo se cubren las explicaciones pertenecientes a los módulos de balance de masa y energía, esperamos en posteriores publicaciones incluir los demás módulos.

METSIM presenta como punto fuerte una muy completa base de datos termodinámicos para los más comunes compuestos que se tratan en plantas metalúrgicas, además de ofrecernos la posibilidad de crear interfaces con otros programas como por ejemplo con Microsoft Excel. Algo que hay que tener en cuenta es que METSIM no predice reacciones químicas, no nos da información acerca de la cinética de los procesos ni tampoco de equilibrios termodinámicos establecidos.

Entonces como podemos ver básicamente este software es muy útil en la consecución de balances de masa y energía de sistemas bastante complejos, a lo largo de este trabajo veremos cómo hacerlos.

1.2 Instalación

Para Windows sencillamente debemos ejecutar el programa desde el archivo ejecutable del CD (.exe) e instalarlo en una carpeta en el disco C, si no lo instalamos ahí el programa no correrá. El mismo setup del programa nos dará las

Como se puede apreciar en la figura 1 el screen principal de METSIM cuenta con una serie de Menús desplegables, unos iconos principales y una tabla de módulos de operaciones unitarias.

3. Tipo de modelación en METSIM

Los modelos que construimos en METSIM, se puede decir que son modelos de adquisición de datos, donde vamos a tener una serie de entradas y por ende unas salidas, a estas entradas y salidas se les conoce en el lenguaje de la ingeniería de procesos como “corrientes” y estas van a estar relacionadas mediante una unidad de operación u operación unitaria que puede o no ser reccionante la cual simula el equipo donde se lleva a cabo determinado proceso.

Al acoplamiento de distintas corrientes con distintas operaciones unitarias se le conoce como Flowsheet o diagrama de flujo del proceso. La siguiente grafica nos recrea de una mejor forma la estructura de un modelo realizado en METSIM:

Como podemos observar, la figura de arriba es un Flowsheet, en el cual podemos distinguir las entradas y las salidas, hay que tener presente que en la caso de la salida 1 para la unidad 1, se convierte en una entrada (2) para la unidad 2, también podemos apreciar que de la unidad 2 sale una corriente que es reingresada a la unidad 1, a este tipo de corrientes se les conoce como corrientes de reciclo. Como se mencionó anteriormente las unidades de operación pueden o no ser reaccionantes, esto indica que pueden o no llevarse reacciones químicas dentro

Entrada 1

Entrada 2 Salida 1

Salida 2

Salida 3

Salida 4-Entrada de reciclo 3

Unidad 1 U

de ellas, es en este punto donde entra la habilidad del modelador para distinguir cuando se lleva a cabo una etapa física o una química.

3.1 Cálculos ejecutados por METSIM

METSIM es un software que trabaja mediante una estrategia de cálculo basada en iteraciones secuenciales, las cuales son complementadas por el algoritmo de aceleración de convergencia de Wegstein para garantizar tiempos de convergencia relativamente pequeños, como es sabido cuando se trabaja mediante esta estrategia se debe establecer un margen de tolerancia la cual nos marca la exactitud de nuestros resultados. Este concepto de convergencia de Wegstein de iteraciones y tolerancia se explicara en detalle en la sección de “corrientes de reciclo”.

4. Iconos principales en METSIM

Cuando abrimos el Screen principal de METSIM nos encontramos con una serie de iconos ( ver figura ) los cuales cumplen con las funciones que se enlistan a continuación:

Menús desplegables

Iconos Principales (^) Módulos de Operaciones unitarias

: Tenemos la opción de cambiar las unidades con las cuales vamos a trabajar, METSIM trae una serie de unidades estándares, ejemplo de ello veamos las unidades con las que cuenta METSIM.

Unidades de Masa Estándares Unidades de Tiempo Estándares

: Ajuste de parámetros para simulación dinámica.

: En esta pestaña tenemos la opción de Editar los parámetros de convergencia para lograr resultados lo más cercano a la realidad posibles (en el caso de ser riguroso) o simplemente para tener excelentes aproximaciones.

Error Checking : Icono que permite observar si tenemos algún error en el modelo.

Print Flowsheet : Icono que nos da la opción de imprimir el diagrama de flujo del modelo.

4.2 Iconos de diseño del Flowsheet

Enlarge Draw Size: Nos da la opción de Cambiar el tamaño del Flowsheet en este caso podemos convertirlo en un tamaño menor.

Reducing Drawing Size: a diferencia del anterior con este icono podemos Ampliar el diagrama de flujo.

Center Flowsheet : Podemos centrar el Flowsheet para hacerlo visiblemente más agradable.

Box ítems to move : Podemos mover las cajas de ítems sobre las corrientes.

Zoom in : permite aumentar el tamaño del Flowsheet para observar mejor algunos detalles.

Zoom Out : permite disminuir el tamaño del Flowsheet.

Redraw Flowsheet: Rediseñar el Flowsheet.

Locate Stream : nos permite la ubicación de una corriente en especial, solo basta con escribir el número de la corriente y presionar ok, inmediatamente METSIM resaltará la corriente en color fucsia, si dicha corriente se conecta a otras a secciones (mirar secciones) METSIM nos mostrará una lista de las secciones donde se encuentra la corriente, donde debemos seleccionar la sección donde necesitamos ubicar la corriente.

Renumber unit operations : permite re-enumerar las operaciones unitarias.

Renumber streams : permite re-enumerar las corrientes.

Renumber controls : permite re-enumerar los controladores.

Delete Object : permite borrar cualquier elemento del Flowsheet.

Reverse unit operation : podemos cambiar el sentido de una operación unitaria. Es decir si tenemos la siguiente operación unitaria, podemos cambiar de orientación y dejarla como se observa a continuación:

Follow conecting arrows : Comando muy útil y nos sirve para interconectar corrientes entre secciones.

Previous-Next Sections : permite desplazarnos entre las secciones del modelo.

Weather data : permite el ingreso de datos meteorológicos.

Future site of mine data: icono para planificación de minas.

Ore tonnes and grade : este comando es útil para el ingreso de la mineralogía de un mineral.

Heap leach contours : permite la edición de los contornos de las pilas de lixiviación.

Tailing contours : permite la edición de los contornos de las colas.

4.3 iconos de simulación

Calcule one unit operation : permite correr o ejecutar la simulación de una sola operación unitaria.

Calculate current section : permite correr la simulación por secciones.

Stop execution : Permite detener la simulación en cualquier instante.

Calculate unit operation ranges : Permite correr la simulación por rangos.

Calculate all sections : Permite correr todas las secciones y operaciones unitarias.

4.4 Iconos de modelo

Elements : nos permite ver los números de los elementos que hacen parte de nuestro modelo.

Components: nos permite ver los números de los componentes que hacen parte de nuestro modelo.

Phases : nos permite ver los números de las fases que están presentes en nuestro modelo.

Streams : nos permite ver el número de las corrientes con su respectiva descripción.

Unit operations : nos permite ver el número, la descripción y la sección de las distintas operaciones unitarias presentes en nuestro modelo.

Instrumentation controls : nos permite ver el número y descripción de los controladores que hemos implementado en nuestro modelo.

Add text blocks : permite la inserción de cuadros de texto al Flowsheet.

Check Elemental balance : genera un reporte con el balance elemental.

Display value functions for St : nos muestra una lista con las funciones APL, para las corrientes.

Display sections spreadsheets : Nos muestra un reporte con las características de las corrientes por sección.