Simulación y Control de Procesos

Última modificación: 01-07-2016
820532 - SCPQ - Simulación y Control de Procesos
Unidad responsable:
820 - EUETIB - Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Barcelona
Unidad que imparte:
713 - EQ - Departamento de Ingeniería Química
Curso:
2016
Titulación:
GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA (Plan 2009). (Unidad docente Obligatoria)
Créditos ECTS:
6
Idiomas docencia:
Catalán, Inglés
Profesorado
Responsable:
Moisés Graells Sobré,
Otros:
Moisés Graells Sobré, Francesc Estrany Coda, Montserrat Pérez, Margarita Sánchez
Horario de atención
Horario:
Generalmente, la hora anterior al inicio de la clase i la hora posterior.
Capacidades previas
Capacidad suficiente de comunicación escrita. Aprendizaje autónomo.
Requisitos
Ingeniería Química
Control Industrial y Automatitzación
Fisicoquímica
Operaciones de Transferencia de Calor
Experimentación en Ingeniería Química I
Competencias de la titulación a las cuales contribuye la asignatura
Específicas:
2. Capacidad para el análisis, diseño, simulación y optimización de procesos y productos.
Transversales:
1. USO SOLVENTE DE LOS RECURSOS DE INFORMACIÓN - Nivel 3: Planificar y utilizar la información necesaria para
un trabajo académico (por ejemplo, para el trabajo de fin de grado) a partir de una reflexión crítica sobre los recursos
de información utilizados.
Metodologías docentes
La asignatura utiliza la metodología expositiva en un 20%, el trabajo en grupo en el laboratorio en un 5%, el trabajo
individual en un 45%, el trabajo en grupos en un 30%.
La competencia en uso solvente del recurso de la información, que es la que le corresponde calificar a esta asignatura,
se evaluará dentro del trabajo del estudiante al realizar los ejercicios que se le encarguen durante el cuatrimestre, así
como dentro de la realización del examen final.
Objetivos de aprendizaje de la asignatura
Saber simular procesos y operaciones industriales
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Capacidad para utilizar simuladores comerciales de procesos.
Utilizar las herramientas de la ingeniería moderna más adecuadas en cada caso.
Comprender y analizar la dinámica de los procesos químicos.
Comprender, saber tipificar y saber predecir la respuesta de los procesos químicos en las perturbaciones y las acciones de
control.
Modelar procesos dinámicos y proceder al diseño básico de los sistemas de automatización y control.
Conocer y aplicar los métodos para el ajuste de sistemas de control.
Horas totales de dedicación del estudiantado
Dedicación total: 150h
Horas grupo grande:
30h
20.00%
Horas grupo mediano:
0h
0.00%
Horas grupo pequeño:
30h
20.00%
Horas actividades dirigidas:
0h
0.00%
Horas aprendizaje autónomo:
90h
60.00%
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Contenidos
(CAST) Tema 1. Introducció
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Modelización, simulación, optimización y toma de decisiones. Definiciones: Modelo, variable, parámetros,
restricciones y función objetivo. Limitación de los modelos. El tiempo de cálculo como variable del problema.
Cálculos preliminares: estimaciones, acotaciones y heurísticas. Ejercicios.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar
funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de
propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo.
(CAST) Tema 2. Balance de matéria en estado
estacionario
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
La hoja de cálculo. Justificación de la utilización de esta herramienta. Interfase de usuario. Control de variables,
parámetros y restricciones. Programación de macros. Grados de libertad. Limitaciones del modelo. Ejercicios
prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar
funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de
propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo.
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(CAST) Tema 3. Balance de energía en estado
estacionario
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Cálculo de las temperaturas de las corrientes de proceso. Suposiciones y limitaciones del modelo. Capacidades
caloríficas en función de la temperatura. Integración numérica y programación de funciones de usuario. Ejercicios
prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar
funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de
propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo.
(CAST) Tema 4. Modelos y modelización
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
El modelo como abstracción de la realidad. Modelos gráficos. Analogías con modelos cartográficos. Propósito y
utilidad de los modelos. Nivel de detalle. Limitación de los modelos. Elección del modelo. Posibles errores
derivados de la elección del modelo. Ejercicios.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar
funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de
propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo.
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(CAST) Tema 5. Cálculo de propiedades físicas
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Gas ideal y gas de Van der Waals. Resolución iterativa de la ecuación cúbica. Ecuación de Peng-Robinson.
Equilibrio Líquido-Vapor (ELV). Ecuación de Antoine y ajuste de parámetros con la herramienta Solver. Regresión
no lineal. Caso general: reconciliación de datos. Software disponible para el cálculo de propiedades (Add-ins
gratuitos, Bases de datos comerciales, etc.). Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar
funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de
propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo.
(CAST) Tema 6. Simuladores comerciales - I
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Introducción a HYSYS. Componentes, base de datos y componentes hipotéticos. Modelos termodinámicos (Fluid
Package) sus limitaciones. Ejemplos. Corrientes de proceso, operaciones y diagrama de flujo. Operación
mezclador. Estudio de los grados de libertad. Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys.
Objetivos específicos:
Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para simular procesos en estado estacionario. Aprender
a reconocer las limitaciones de los modelos simulados ya detectar los errores de modelado.
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(CAST) Tema 7. Simuladores comerciales - II
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Simulación de operaciones. Destilación multicomponente. Simulación paso a paso. Grados de libertad.
Especificaciones. Visualización y análisis de resultados. Perfiles de separación. Simulación de opciones de mejora.
Definición de una función objetivo. Herramienta Case Study. Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys.
Objetivos específicos:
Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para simular procesos en estado estacionario. Aprender
a reconocer las limitaciones de los modelos simulados ya detectar los errores de modelado.
(CAST) Tema 8. Simuladores comerciales - III
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Simulación de procesos. Simulación secuencial-modular. Conexión de módulos. Errores de modelado y
conveniencia de estimaciones preliminares. Ejemplo: Integración energética y violación del segundo principio.
Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys.
Objetivos específicos:
Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para simular procesos en estado estacionario. Aprender
a reconocer las limitaciones de los modelos simulados ya detectar los errores de modelado.
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(CAST) Tema 9. Simuladores comerciales - IV
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Sistemas con reacción química. Modelos de HYSYS: Conversión, Equilibrio, Cinético. Sistemas con recirculación y
cálculo de la corriente de recirculación. Ejercicios prácticos con HYSYS. Software comercial: apuntes sobre ASPEN
Plus, PRO / II, Chemcad, prosa, SuperPro Designer y el mercado de los simuladores de procesos. Ejercicios
prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys y APENPlus.
Objetivos específicos:
Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para simular procesos en estado estacionario. Aprender
a reconocer las limitaciones de los modelos simulados ya detectar los errores de modelado.
(CAST) Tema 10. Procesos dinámicos
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Desarrollo de un ejemplo simple de proceso dinámico discontinuo: el reactor discontinuo. Resolución de
ecuaciones diferenciales en Excel (Euler y RK4). Efecto y elección del paso de integración. Programación de
funciones de usuario. Generalidad del método numérico. Procesos continuos y discontinuos. Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado transitorio.
(CAST) Tema 11. Balance de materia en procesos Dedicación: 8h
continuos en estado transitorio
Grupo grande/Teoría: 2h
Aprendizaje autónomo: 6h
Descripción:
Planteamiento general del balance de materia de un proceso en estado transitorio. Variables, parámetros y
restricciones. Simulación de la evolución del sistema a partir de una perturbación. Grados de libertad.
Limitaciones del modelo. Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado transitorio.
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(CAST) Tema 12. Balance de energía en procesos Dedicación: 7h 30m
continuos en estado transitorio
Grupo grande/Teoría: 2h
Grupo pequeño/Laboratorio: 2h 30m
Aprendizaje autónomo: 3h
Descripción:
Planteamiento general del balance energético de un proceso en estado transitorio. Variables, parámetros y
restricciones. Simulación de la evolución del sistema a partir de una perturbación. Grados de libertad.
Limitaciones del modelo. Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado transitorio.
(CAST) Tema 13. Simuladores comerciales para
procesos dinámicos - I
Dedicación: 7h 30m
Grupo grande/Teoría: 2h
Grupo pequeño/Laboratorio: 2h 30m
Aprendizaje autónomo: 3h
Descripción:
Simulación dinámica en HYSYS a partir de una simulación en estado estacionario. Incorporación de los elementos
adicionales del modelo dinámico: válvulas y holdups (inercias). Balance de presiones. Herramientas de ejecución
y visualización (Integrator, StripCharts, etc.). Simulación en lazo abierto de ejemplos simples. Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys.
Objetivos específicos:
Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para trabajar con procesos en estado transitorio.
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(CAST) Tema 14. Simuladores comerciales para
procesos dinámicos - II
Dedicación: 7h 30m
Grupo grande/Teoría: 2h
Grupo pequeño/Laboratorio: 2h 30m
Aprendizaje autónomo: 3h
Descripción:
Estudio de transitorios. Simulación de perturbaciones al azar. Registro y tratamiento de datos aplicado a la
simulación dinámica de un proceso. Ejercicios prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys.
Objetivos específicos:
Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para trabajar con procesos en estado transitorio.
(CAST) Tema 15. Acciones de Control
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
El lazo de Control en una Planta Industrial Química. Definición de las acciones de control. Análisis de la respuesta
de cada una de las acciones de control (PID) en lazo abierto. Simulación de la respuesta de un controlador PID
en lazo abierto y en lazo cerrado. Estudio del efecto de cada una de las acciones de control en la respuesta del
sistema de control en lazo cerrado.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Conocer el efecto de cada acción de control (PID) en la respuesta del lazo cerrado de control y obtener el criterio
necesario para estimar de forma cualitativa la acción o acciones más adecuadas para la regulación de cada
variable de proceso.
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(CAST) Tema 16. Simuladores comerciales
aplicados a los Sistemas de Control
Dedicación: 8h
Grupo grande/Teoría: 3h
Aprendizaje autónomo: 5h
Descripción:
Control en realimentación en un simulador comercial. Operaciones lógicas en HYSYS. Elementos de gestión (face
platas, etc.). Simulación de la regulación automática de un intercambiador de calor en continuo. Ejercicios
prácticos.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys.
Objetivos específicos:
Saber trabajar con simuladores comerciales para poder aplicar cada una de las acciones de control (según los
criterios alcanzados en el tema anterior) en procesos de planta industrial química en lazo cerrado.
(CAST) Tema 17. Estabilidad y Ajuste de un
Sistema de Control
Dedicación: 8h 30m
Grupo grande/Teoría: 2h 30m
Aprendizaje autónomo: 6h
Descripción:
Criterios de estabilidad de un sistema. Estabilidad absoluta y estabilidad relativa. Métodos de ajuste de
controladores en realimentación o lazo cerrado (tuning). Ejemplos desarrollados en EXCEL.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Excel.
Objetivos específicos:
Conocer los métodos de ajuste de las Acciones de Control, y saber trabajar aplicarlos a procesos en lazo cerrado.
Aprender a ajustar los parámetros de un controlador PID.
(CAST) Tema 18. Simuladores comerciales
aplicados al ajuste de Sistemas de Control
Dedicación: 15h
Grupo grande/Teoría: 6h
Aprendizaje autónomo: 9h
Descripción:
Métodos de ajuste de controladores en lazo cerrado. Aplicación al intercambiador de calor en continuo. Ejercicios
prácticos en HYSYS.
Actividades vinculadas:
Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys.
Objetivos específicos:
Saber trabajar con simuladores comerciales para aplicarlos a procesos en lazo cerrado, logrando el criterio
necesario para comprender el algoritmo de ajuste del controlador PID, aplicado por el simulador.
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Normas de realización de las actividades
Las pruebas deberán realizarse individualmente en un Aula Informática. Consistirán en la elaboración de soluciones a un
ejercicio propuesto de Simulación y regulación de un proceso y deberán presentarse en forma de soporte informático
como un ejercicio elaborado con el programa de simulación pertinente, dentro del plazo de tiempo prefijado por los
profesores.
Bibliografía
Básica:
Finlayson, Bruce A. Introduction to chemical engineering computing. Hoboken, N.J: Wiley Interscience, cop. 2006. ISBN
0471740624.
Liengme, Bernard V.; Ellert, David J. A Guide to Microsoft Excel 2007 for scientists and engineers. London: Elsevier/AP, 2009.
ISBN 9780123746238.
Billo, E. Joseph. Excel for scientists and engineers : numerical methods. West Sussex: John Wiley and Sons, 2007. ISBN
9780471387343.
Lewis, Paul H.; Yang, Chang. Sistemas de control en ingeniería. Madrid [etc.]: Prentice Hall, cop. 1999. ISBN 8483221241.
Stephanopoulos, George. Chemical Process Control : an introduction to theory and practice. Wilmington, [etc.]: PrenticeHall, 1984. ISBN 0131285963.
Complementaria:
Seider, Warren D.; Lewin, Daniel R.; Seader, J. D. Product and process design principles : synthesis, analysis, and evaluation.
3th ed. Hoboken: John Wiley & Sons, cop. 2010. ISBN 9780470414415.
Umez-Eronini, Eronini. Dinámica de sistemas y control. México: International Thomson, cop. 2001. ISBN 970686041X.
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