Simulación y optimización

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    29-Nov-2014

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<ul><li> 1. Simulacin y optimizacin avanzadas en la industria qumica y de procesos: HYSYS Susana Luque Rodrguez Aurelio B. Vega Granda Departamento de Ingeniera Qumica y Tecnologa del Medio Ambiente Universidad de Oviedo </li> <li> 2. Tercera edicin ISBN: 84-689-3028-8 D.L. AS/3604-2005 Editora: Susana Luque Rodrguez Los autores, 2005. TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS. Ninguna parte de esta publicacin se puede reproducir, guardar o transmitir de ningn modo, electrnico o de otro tipo, sin el permiso de los autores. Impreso y encuadernado en Espaa Universidad de Oviedo, Oviedo </li> <li> 3. ndice general NDICE GENERAL Tema 1. Introduccin. La simulacin de procesos en la industria qumica actual Susana Luque Rodrguez y Aurelio B. Vega Granda Pgina 1 I. Termodinmica y modelizacin rigurosa de procesos Termodinmica de sistemas no ideales Julio L. Bueno de las Heras Modelos de prediccin de propiedades fsico-qumicas M. Carmen Pazos Medina 17 Tema 4. Implementacin de modelos de propiedades fsicas en simuladores comerciales y criterios de seleccin Aurelio B. Vega Granda 77 Tema 5. Modelos rigurosos de separaciones de equilibrio Fernando V. Dez Sanz 97 Tema 6. Modelos rigurosos de operaciones unitarias Aurelio B. Vega Granda Tema 2. Tema 3. 47 107 II. Simulacin de procesos en la industria qumica y de procesos. HYSYS Tema 7. Modos de simulacin de procesos Aurelio B. Vega Granda 125 Tema 8. Mtodos de resolucin de ecuaciones no lineales I: mtodos tipo Newton Jos Ramn lvarez Saiz 137 Tema 9. Mtodos de resolucin de ecuaciones no lineales II: mtodos que no requieren derivadas y de primer orden Jos Ramn lvarez Saiz 149 Tema 10. Recirculaciones: particin y seccionado de corrientes Susana Luque Rodrguez 163 Tema 11. Simulacin en diseo y operacin de procesos. Aplicaciones Aurelio B. Vega Granda 179 III. Optimizacin de diagramas de flujo con HYSYS Tema 12. Introduccin a la programacin no lineal (NLP) con restricciones Jos Ramn lvarez Saiz 195 Tema 13. Programacin cuadrtica sucesiva (SQP) Jos Ramn lvarez Saiz 217 Tema 14. Optimizacin de procesos con simuladores modulares Susana Luque Rodrguez 231 Tema 15. Optimizacin de procesos con simuladores orientados a ecuaciones Susana Luque Rodrguez 243 Tema 16. Optimizacin en diseo y operacin en la industria qumica. Aplicaciones Susana Luque Rodrguez 257 i </li> <li> 4. ndice general Tema H1. Introduccin al uso de HYSYS. Modelos simples de operaciones unitarias Aurelio B. Vega Granda y Susana Luque Rodrguez Tema H2. Simulacin de procesos con HYSYS. Aspectos bsicos Susana Luque Rodrguez y Aurelio B. Vega Granda Tema H3. Simulacin de procesos con HYSYS. Sistemas de reaccin y 275 289 303 recirculaciones Aurelio B. Vega Granda y Susana Luque Rodrguez Tema H4. Simulacin de procesos con HYSYS. Especificaciones de diseo Susana Luque Rodrguez y Aurelio B. Vega Granda Tema H5. Simulacin de procesos con HYSYS. Optimizacin de diagramas de flujo Susana Luque Rodrguez y Aurelio B. Vega Granda ii 313 327 </li> <li> 5. Introduccin. La simulacin de procesos en la industria qumica actual Susana Luque Rodrguez Aurelio B. Vega Granda Departamento de Ingeniera Qumica y Tecnologa del Medio Ambiente Universidad de Oviedo </li> <li> 6. Introduccin y planificacin del curso. La simulacin de procesos en la industria qumica actual NDICE 1. INTRODUCCIN ........................................................................................................3 2. ORGANIZACIN DEL CURSO................................................................................4 2.1. Objetivos del curso................................................................................................4 2.2. Programa del curso................................................................................................4 2.3. Evaluacin.............................................................................................................6 2.4. Bibliografa............................................................................................................6 3. LA SIMULACIN DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA QUMICA ACTUAL .7 4. DISEO GLOBAL DE PROCESOS QUMICOS Y EL MODELO DE CEBOLLA...................................................................................................................9 5. MODELIZACIN EN PROCESOS QUMICOS ..................................................12 5.1. Los mtodos numricos como herramienta para la modelizacin de procesos en ingeniera qumica ...............................................................................................13 6. TENDENCIAS ACTUALES EN EL DISEO DE PROCESOS ...........................16 7. BIBLIOGRAFA ........................................................................................................16 1. INTRODUCCIN El desarrollo de modelos de balances de materia y energa es la base para la evaluacin de procesos y la toma de decisiones en el diseo de nuevas plantas o modificaciones de las ya existentes. El modelo del diagrama de flujo comprende un conjunto grande de ecuaciones no lineales que describen: 1. las condiciones de las unidades del proceso mediante corrientes de proceso 2. las ecuaciones especficas de cada unidad (leyes de conservacin y ecuaciones de diseo especficas) 3. los datos y relaciones de stos con las propiedades fsicas de las sustancias procesadas En este curso veremos todos estos aspectos incluyendo la influencia que tiene el comportamiento real (no ideal) de los sistemas en equilibrio, as como el desarrollo de modelos detallados, que se encuentran implementados en los simuladores comerciales. Los modelos detallados se basan en relaciones de equilibrio entre fases (para lo cual se repasarn algunos conceptos termodinmicos) y balances de materia y energa. Los clculos en los simuladores comerciales se simplifican bastante al no incluir en muchos casos las propiedades de transporte. Es decir, se aprovecha la posibilidad de llevar a cabo los balances de materia y energa sin conocer la capacidad o geometra de las unidades. Esto implica que para llevar a cabo una estimacin econmica del proceso, tras la simulacin se tiene que llevar a cabo un diseo de las unidades, que incluya su dimensionado y estimacin de coste. Los simuladores comerciales tienen esta opcin disponible, habitualmente como un paquete informtico adicional, al que se pueden incorporar los datos obtenidos en la simulacin. 3 </li> <li> 7. Introduccin y planificacin del curso. La simulacin de procesos en la industria qumica actual Otra de las implicaciones importantes de esta forma de trabajo es que, aunque resulta correcta para nuevos diseo de plantas o secciones de planta, su aplicacin a simulacin de equipos existentes es ms problemtica (ya que se precisaran modelos del funcionamiento de dichos equipos). En otros casos, por ejemplo en operaciones no controladas por el equilibrio sino por un proceso de velocidad, los modelos basados en consideraciones termodinmicas tampoco son adecuados. En el curso tambin se abordarn los mtodos de resolucin de los sistemas de ecuaciones no lineales que resultan de los modelos de las unidades del proceso y de las propiedades fsicoqumicas de las corrientes involucradas. Para ello se introducirn mtodos numricos que permiten trabajar con sistemas a gran escala, como los habitualmente encontrados en simulacin de procesos. Con este objetivo se introducirn brevemente los algoritmos de resolucin ms habituales en los simuladores comerciales. Una vez que se tienen las ideas de simulacin de procesos y de la estructura de los modelos de proceso, se va a considerar un aspecto clave en diseo de procesos. El objetivo de muchas simulaciones en Ingeniera es el desarrollo de un modelo predictivo que se pueda usar en mejorar el proceso. Con esta idea se vern las estrategias de optimizacin para procesos qumicos con variables continuas. En particular nos centraremos en el algoritmo de programacin cuadrtica sucesiva (SQP o Successive Quadratic Programming) que se ha convertido en el estndar en optimacin de procesos. 2. ORGANIZACIN DEL CURSO 2.1. Objetivos del curso El curso profundiza en las herramientas actualmente disponibles para la simulacin de procesos reales de la industria qumica y de procesos. Se pretende que los participantes adquieran: los conocimientos tericos bsicos necesarios para comprender la implementacin de los modelos en los simuladores y su resolucin las estrategias actualmente empleadas en optimizacin de procesos qumicos experiencia en la formulacin y resolucin de problemas industriales de diseo y optimizacin, con una herramienta informtica que en la actualidad emplea la industria de procesos: HYSYS v. 3. 2.2. Programa del curso El curso consta de 30 horas lectivas, 15 de las cuales se imparten en el aula 26 y 15 en aula de informtica (aula D, edificio de departamentos), con una ratio mxima de 2 alumnos/ordenador. El curso es convalidable por 4.5 crditos de libre configuracin. El curso se ha estructurado en tres bloques temticos: I. II. Simulacin de procesos en la industria qumica y de procesos: HYSYS III. 4 Introduccin. Termodinmica y modelizacin rigurosa de procesos Optimizacin de diagramas de flujo con HYSYS </li> <li> 8. Introduccin y planificacin del curso. La simulacin de procesos en la industria qumica actual El curso incluye, adems de los aspectos tericos bsicos necesarios para comprender la implementacin de los modelos en los simuladores y su resolucin, un gran nmero de horas de clases en las que es posible, mediante el acceso directo a un ordenador con un programa de simulacin comercial (HYSYS, v.3.) adquirir experiencia en la formulacin y resolucin de problemas industriales de diseo y optimizacin, con las mismas herramientas que en la actualidad emplea la industria de procesos. El temario detallado del curso se indica a continuacin: Tema Ttulo 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 H1 H2 H3 H4 H5 Profesor/a Duracin (h) 1 Introduccin y planificacin del curso. La simulacin Susana Luque de procesos en la industria qumica actual I. Introduccin. Termodinmica y modelizacin rigurosa de procesos Termodinmica de sistemas no ideales Julio Bueno Modelos de prediccin de propiedades fsico-qumicas Carmen Pazos Implementacin de modelos de propiedades fsicas y Aurelio Vega criterios de seleccin Modelos rigurosos de separaciones de equilibrio Fernando Dez Modelos rigurosos de operaciones unitarias Aurelio Vega II. Simulacin de procesos en la industria qumica y de procesos HYSYS Modos de simulacin de procesos Aurelio Vega Mtodos de resolucin de ecuaciones no lineales I: Jos R. lvarez mtodos tipo Newton Mtodos de resolucin de ecuaciones no lineales II: Jos R. lvarez mtodos que no requieren derivadas y de primer orden Recirculaciones: particin y seccionado de corrientes Susana Luque Simulacin en diseo y operacin de procesos. Aurelio Vega Aplicaciones III. Optimizacin de diagramas de flujo con HYSYS Introduccin a la programacin no lineal (NLP) con Jos R. lvarez restricciones Programacin cuadrtica sucesiva (SQP) Jos R. lvarez Optimizacin de procesos con simuladores modulares Susana Luque Optimizacin de procesos con simuladores orientados Susana Luque a ecuaciones Optimizacin en diseo y operacin en la industria Susana Luque / qumica. Aplicaciones Aurelio Vega Introduccin al uso de HYSYS. Modelos simples de Aurelio Vega / Susana Luque operaciones unitarias Simulacin de procesos con HYSYS. Aspectos bsicos Aurelio Vega / Susana Luque Simulacin de procesos con HYSYS. Sistemas de Aurelio Vega / Susana Luque reaccin y recirculaciones Simulacin de procesos con HYSYS. Especificaciones Susana Luque / Aurelio Vega de diseo Simulacin de procesos con HYSYS. Optimizacin de Susana Luque / Aurelio Vega diagramas de flujo 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2 3 3 3 3 5 </li> <li> 9. Introduccin y planificacin del curso. La simulacin de procesos en la industria qumica actual La carga docente se haya repartida de forma relativamente uniforme, como se muestra en la figura 1. I.Termodinmica y modelizacin rigurosa 20 % II. Simulacin de procesos 17 % III. Optimizacin de diagramas de flujo 13 % HYSYS 50 % Fig. 1. Distribucin de la carga docente del curso, segn bloques temticos 2.3. Evaluacin A los efectos de la obtencin del certificado de homologacin de crditos de libre configuracin es obligatoria la asistencia en un 80 % como mnimo. La evaluacin se llevar a cabo mediante la realizacin de una prueba escrita (1 hora de duracin, inmediata a la finalizacin del curso) y un trabajo adicional sobre alguno de los temas tratados en el curso, que los alumnos tendrn que entregar antes del 31 de julio a los directores del curso. 2.4. Bibliografa La documentacin que se entrega est fundamentalmente obtenida de las siguientes fuentes: Biegler, L.T., Grossmann, I.E., Westerberg, A.W., Systematic Methods of Chemical Process Design, Prentice Hall, Nueva Jersey (1997). Hyprotech HYSYS users guide, disponible http://engineering.eng.rowan.edu/~hesketh/hysyshelp/Menu.pdf, www.hyprotech.com y en support.aspectech.com Seider, W.D., Seader, J.D., Lewin, D.R., Process Design Principles, John Wiley &amp; Sons, Nueva York (1999). en en Otros libros de consulta son los siguientes: Ingham, J., Dunn, I.J., Keinzle, E., Prenosil, J.E., Chemical Engineering Dynamics, Verlagsgesellschaft, Weinheim (1994). 6 Bequette, B.W., Process Dynamics: Modeling, Analysis and Simulation, Prentice Hall, New Jersey (1998). Turton, R., Bailie, R.C., Whiting, W.B., Shaeiwitz, J.A., Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, Prentice Hall, Nueva Jersey (1998). </li> <li> 10. Introduccin y planificacin del curso. La simulacin de procesos en la industria qumica actual 3. LA SIMULACIN QUMICA ACTUAL DE PROCESOS EN LA INDUSTRIA En un proceso q...</li></ul>