índice en PDF - Editorial Síntesis
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ESTRATEGIAS DE MODELADO, SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS PROYECTO EDITORIAL BIBLIOTECA DE QUÍMICAS Director: Carlos Seoane Prado ESTRATEGIAS DE MODELADO, SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS Luis Puigjaner Pedro Ollero César de Prada Laureano Jiménez Consulte nuestra página web: www.sintesis.com En ella encontrará el catálogo completo y comentado Reservados todos los derechos. Está prohibido, bajo las sanciones penales y el resarcimiento civil previstos en las leyes, reproducir, registrar o transmitir esta publicación, íntegra o parcialmente, por cualquier sistema de recuperación y por cualquier medio, sea mecánico, electrónico, magnético, electroóptico, por fotocopia o por cualquier otro, sin la autorización previa por escrito de Editorial Síntesis, S. A. © Luis Puigjaner, Pedro Ollero, César de Prada y Laureano Jiménez © EDITORIAL SÍNTESIS, S. A. Vallehermoso, 34 - 28015 Madrid Teléf.: 91 593 20 98 http://www.sintesis.com Depósito Legal: M. 30.292-2006 ISBN: 84-9756-404-9 Impreso en España - Printed in Spain AGRADECIMIENTOS En la preparación de este texto han colaborado directa o indirectamente colegas de diversas instituciones con sus aportaciones, comentarios y sugerencias. A todos ellos nuestro agradecimiento por el enriquecimiento que todo ello ha supuesto en el desarrollo del contenido de este libro. Concretamente, en la preparación del capítulo 8 el autor agradece enormemente a José Antonio Caballero (Universidad de Alicante) su ayuda, comentarios y sugerencias. El capítulo 10 se debe esencialmente a la aportación de María Jesús de la Fuente (Universidad de Valladolid), a quien todos agradecemos sinceramente su dedicación y esfuerzo. Finalmente, en el capítulo 7 se han utilizado materiales provenientes de cursos a los que han contribuido varios estudiantes graduados (cuyas tesis doctorales se realizaron bajo la supervisión del autor del capítulo), algunos de los cuales actualmente forman parte del profesorado universitario: Antonio Espuña (Universitat Politècnica de Catalunya), Moisés Graells (Universitat Politècnica de Catalunya), Gustau Santos y Raimon Grau. Agradecemos a todos ellos sus aportaciones, que tienen su origen en los cursos organizados conjuntamente con el profesor G. V. Reklaitis (Purdue University, Lafayette, Indiana), a quien deseamos expresar también nuestro profundo agradecimiento. ÍNDICE PRÓLOGO ............................................................................................................................................................ 13 1. INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS .......................................................... 15 1.1. Diseño de procesos: definición y objetivos ....................................................................................... 1.2. Los elementos del diseño de procesos ............................................................................................... 1.2.1. Selección del proceso .............................................................................................................. 1.2.2. Selección de capacidad ........................................................................................................... 1.2.3. Selección de la topografía ...................................................................................................... 1.2.4. Selección de las condiciones de operación del proceso ...................................................... 1.2.5. Selección inicial de equipo ..................................................................................................... 1.2.6. Política de repuestos ............................................................................................................... 1.2.7. Control ..................................................................................................................................... 1.2.8. Seguridad ................................................................................................................................. 1.3. Optimización del diseño ...................................................................................................................... 1.4. Datos y bancos de datos ...................................................................................................................... 1.5. Organización humana del proyecto ................................................................................................... 1.5.1. Estructura de gestión del proyecto ....................................................................................... 1.5.2. Etapas del proyecto ................................................................................................................ 1.6. Manual básico de diseño ..................................................................................................................... 1.6.1. Diseño básico ........................................................................................................................... 1.6.2. Sistemas del proceso ............................................................................................................... 1.6.3. Localización ............................................................................................................................. 1.6.4. Evaluación preliminar ............................................................................................................ 1.7. Ingeniería del proyecto ........................................................................................................................ 1.7.1. Desarrollo de las diversas etapas .......................................................................................... 1.7.2. Programación del proyecto .................................................................................................... 1.8. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... 16 16 17 17 17 17 18 18 18 18 19 19 20 20 20 22 23 23 23 23 24 24 25 26 26 2. SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS ........................................................................................ 27 2.1. Introducción .......................................................................................................................................... 2.1.1. ¿Para qué sirven los simuladores de procesos? ................................................................... 2.1.2. Ventajas y desventajas de los simuladores de procesos ...................................................... 2.2. Estrategias de simulación en estado estacionario ............................................................................ 2.2.1. Descomposición de diagramas de flujo ................................................................................ 2.2.2. Convergencia ........................................................................................................................... 28 29 29 30 31 32 8 Estrategias de modelado, simulación y optimización de procesos químicos 2.3. Selección del modelo termodinámico ................................................................................................ 2.3.1. ¿Cuándo deberíamos seleccionar modelos predictivos? .................................................... 2.3.2. ¿Qué hacer si faltan parámetros? ......................................................................................... 2.3.3. ¿Qué hacer si el compuesto no está en la base de datos? .................................................. 2.3.4. Simulación de petróleos ......................................................................................................... 2.3.5. El caso particular de los electrolitos ..................................................................................... 2.3.6. Simulación con sólidos ........................................................................................................... 2.3.7. Modelos para sistemas especiales ......................................................................................... 2.4. Simulación dinámica ............................................................................................................................ 2.4.1. Establecimiento de estrategias de control ........................................................................... 2.4.2. Emparejamiento de variables de control ............................................................................. 2.4.3. Ajuste de controladores ......................................................................................................... 2.5. Buenas prácticas en simulación de procesos ..................................................................................... 2.5.1. Malas prácticas en simulación de procesos .......................................................................... 2.5.2. Simuladores de procesos comerciales ................................................................................... 2.6. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... Ejercicios ......................................................................................................................................................... 32 36 36 36 36 38 39 39 39 40 41 41 41 42 42 43 43 44 3. MODELO MATEMÁTICO DEL PROCESO: BALANCES DE MATERIA Y ENERGÍA ......... 55 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. El principio de conservación de la materia ....................................................................................... Tipos de procesos ................................................................................................................................. Formulación del problema del balance de materia en sistemas no reaccionantes ....................... Información sobre el balance de materia .......................................................................................... Sistemas con unidades múltiples ........................................................................................................ Sistemas con reacción química ........................................................................................................... 3.6.1. Caso de una sola reacción ...................................................................................................... 3.6.2. Balances de materia con reacciones químicas múltiples .................................................... 3.6.3. Independencia de las reacciones múltiples .......................................................................... 3.6.4. Determinación de la independencia lineal de un conjunto R de reacciones químicas ... 3.7. Balances de materia en diagramas de flujo de procesos ................................................................. 3.8. Introducción a los balances de energía .............................................................................................. 3.8.1. Balances de energía para sistemas no reaccionantes........................................................... 3.9. Balances de energía con reacción química ........................................................................................ 3.9.1. Análisis de los grados de libertad........................................................................................... 3.10. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... Ejercicios ......................................................................................................................................................... 56 57 57 59 63 69 69 70 75 75 78 79 80 84 84 88 89 89 4. ANÁLISIS ECONÓMICO .......................................................................................................................... 101 4.1. Introducción .......................................................................................................................................... 4.2. La inversión de capital ......................................................................................................................... 4.2.1. Estimación de la inversión en equipos y unidades de proceso .......................................... 102 103 105 Índice 9 4.3. Coste de producción ............................................................................................................................ 4.3.1. Depreciación ............................................................................................................................ 4.4. Análisis de rentabilidad de proyectos químicos ............................................................................... 4.4.1. Flujo neto de caja .................................................................................................................... 4.4.2. Índices de rentablidad ............................................................................................................ 4.5. Análisis del riesgo ................................................................................................................................ 4.5.1. Análisis de sensibilidad .......................................................................................................... 4.5.2. Evaluación del riesgo .............................................................................................................. 4.6. Potencial económico ............................................................................................................................ 4.7. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... 110 116 117 117 120 125 126 127 130 131 131 5. SÍNTESIS DE PROCESOS QUÍMICOS .................................................................................................. 133 5.1. Síntesis de productos y de procesos químicos: diseño integrado ................................................... 5.2. Introducción a la síntesis de procesos químicos ............................................................................... 5.3. Método jerárquico para la síntesis de procesos químicos ............................................................... 5.3.1. Niveles y tareas en el método jerárquico ............................................................................. 5.4. Proceso continuo o discontinuo ......................................................................................................... 5.5. La ruta química y los procesos de reacción ....................................................................................... 5.5.1. El potencial económico .......................................................................................................... 5.6. Estructura entrada-salida .................................................................................................................... 5.6.1. Balances globales de materia y variables de diseño ............................................................ 5.7. Estructura de recirculación del proceso ............................................................................................ 5.7.1. Número de corrientes de recirculación ................................................................................ 5.7.2. Balances de materia en estructuras de recirculación .......................................................... 5.7.3. El potencial económico y la estructura de recirculación .................................................... 5.8. Síntesis del sistema de separación ...................................................................................................... 5.8.1. La separación de fases ............................................................................................................ 5.8.2. Sistema separación de mezclas gaseosas .............................................................................. 5.8.3. Sistema de separación de mezclas líquidas .......................................................................... 5.8.4. Sistema de columnas de destilación para mezclas casi ideales .......................................... 5.9. Operaciones de cambio de temperatura y presión .......................................................................... 5.9.1. Operaciones de cambio de temperatura .............................................................................. 5.9.2. Operaciones de cambio de presión ....................................................................................... 5.10. Métodos algorítmicos de síntesis de procesos .................................................................................. 5.11. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... 134 135 136 138 139 140 141 143 146 148 150 151 152 155 156 158 166 171 174 174 175 176 179 179 6. INTEGRACIÓN DE PROCESOS: REDES DE INTERCAMBIO DE CALOR Y DE MASA .... 181 6.1. Introducción .......................................................................................................................................... 6.1.1. Formulación del problema ..................................................................................................... 6.1.2. Métodos de solución al problema de HENS ....................................................................... 6.2. Método del punto de pliegue .............................................................................................................. 6.2.1. Requerimientos mínimos de calor y frío (MER) ................................................................ 182 183 183 184 185 10 Estrategias de modelado, simulación y optimización de procesos químicos 6.3. Número mínimo de intercambiadores ............................................................................................... 6.3.1. Análisis de la primera ley ....................................................................................................... 6.3.2. Análisis de la segunda ley ...................................................................................................... 6.4. Estimación del área de transferencia de calor .................................................................................. 6.4.1. Estimación del área ................................................................................................................. 6.5. Diseño de la red de intercambiadores MER .................................................................................... 6.5.1. Diseño por encima y debajo del punto de pliegue .............................................................. 6.5.2. Diseño de la red completa de recuperación de calor .......................................................... 6.5.3. Lazos ......................................................................................................................................... 6.6. Revisión del diseño. Reducción del número de intercambiadores ................................................ 6.6.1. Abrir el lazo ............................................................................................................................. 6.6.2. Restaurar ∆Tmín ....................................................................................................................... 6.7. Mejoras en la estrategia de diseño ..................................................................................................... 6.7.1. Implementación de un algoritmo general de diseño de redes de recuperación de calor 6.8. Integración de calor y potencia .......................................................................................................... 6.8.1. Máquinas térmicas .................................................................................................................. 6.8.2. Bombas de calor ...................................................................................................................... 6.8.3. Columnas de destilación ......................................................................................................... 6.9. Redes de intercambio de calor y masa .............................................................................................. 6.10. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... Ejercicios ......................................................................................................................................................... 195 195 195 196 196 199 199 202 204 206 206 207 208 209 209 210 212 213 214 215 215 216 7. DISEÑO Y PLANIFICACIÓN DE LA PRODUCCIÓN DE PLANTAS FLEXIBLES ................. 221 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. Introducción .......................................................................................................................................... Nomenclatura y clasificación .............................................................................................................. Simulación del plantas discontinuas .................................................................................................. Conceptos básicos del proceso discontinuo ...................................................................................... 7.4.1. Generalidades .......................................................................................................................... 7.4.2. Tareas y recetas ....................................................................................................................... 7.4.3. Tiempo de ciclo limitante ....................................................................................................... 7.4.4. Características estructurales .................................................................................................. 7.4.5. Estrategias de transferencia entre tareas ............................................................................. 7.4.6. La línea de producción. Modelos básicos ............................................................................. 7.5. Síntesis y dimensionado en planta multiproducto ........................................................................... 7.5.1. Planteamiento del problema .................................................................................................. 7.5.2. Fabricación de un producto único ......................................................................................... 7.5.3. Problema multiproducto ........................................................................................................ 7.5.4. Problema de remodelación .................................................................................................... 7.6. Planificación de la producción y secuenciación de tareas ............................................................... 7.6.1. Elementos del problema de secuenciación de tareas ......................................................... 7.7. Modelos de secuenciación de nivel único ......................................................................................... 7.7.1. Secuenciación de una sola etapa con unidades en paralelo ............................................... 7.7.2. Dos etapas en serie ................................................................................................................. 7.7.3. Tres etapas en serie ................................................................................................................. 7.7.4. Propiedades de dominancia ................................................................................................... 222 223 224 225 225 227 229 230 242 243 247 248 249 254 263 268 269 270 271 273 274 274 Índice 11 7.8. Secuenciación de tareas en plantas multiproducto .......................................................................... 7.8.1. Planta multiproducto UIS ...................................................................................................... 7.8.2. Formulación del problema MILP ......................................................................................... 7.9. Métodos de ramificación-acotamiento .............................................................................................. 7.9.1. Límite inferior del makespan ................................................................................................. 7.9.2. Mejoras en el acotamiento del LB ........................................................................................ 7.9.3. Procedimientos heurísticos .................................................................................................... 7.10. Planificación de la producción en plantas multipropósito .............................................................. 7.10.1. Procedimientos de enumeración de secuencias dominantes ............................................. 7.10.2. Secuenciación de tareas en plantas multipropósito ............................................................ 7.10.3. Planificación de la producción bajo restricciones ............................................................... 7.10.4. Cálculo del plan de producción óptimo ................................................................................ 7.10.5. Planificación bajo incertidumbre .......................................................................................... 7.11. Software comercial ............................................................................................................................... 7.12. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... Ejercicios ......................................................................................................................................................... 276 276 280 280 281 284 284 284 285 286 287 288 290 290 291 291 291 8. OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS .................................................................................... 299 8.1. Introducción .......................................................................................................................................... 8.1.1. Ventajas e inconvenientes en optimización de procesos .................................................... 8.2. Métodos numéricos de optimización ................................................................................................. 8.2.1. Concavidad y convexidad de funciones ................................................................................ 8.2.2. Algoritmos de optimización no lineales sin restricciones .................................................. 8.2.3. Algoritmos de optimización no lineales con restricciones ................................................. 8.3. Búsqueda unidireccional ..................................................................................................................... 8.3.1. Método simplex sin restricciones .......................................................................................... 8.4. Programación lineal ............................................................................................................................. 8.4.1. Método gráfico ........................................................................................................................ 8.4.2. Método simplex con restricciones ......................................................................................... 8.5. Programación lineal mixta .................................................................................................................. 8.5.1. Método branch and bound (MILP) ...................................................................................... 8.6. Programación no lineal ........................................................................................................................ 8.6.1. Algoritmo SQP ........................................................................................................................ 8.6.2. Método del gradiente reducido ............................................................................................. 8.7. Programación no lineal con variables enteras .................................................................................. 8.7.1. Método branch and bound (MINLP) ................................................................................... 8.8. Optimización con simuladores de proceso ........................................................................................ 8.8.1. Análisis de sensibilidad .......................................................................................................... 8.8.2. Programas y algoritmos de optimización ............................................................................. 8.9. Optimización dinámica ........................................................................................................................ 8.10. Métodos heurísticos y metaheurísticos de optimización ................................................................. 8.11. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... Ejercicios ......................................................................................................................................................... 300 301 302 302 302 303 304 304 306 306 306 309 309 309 310 310 310 310 312 312 313 314 314 314 315 315 12 Estrategias de modelado, simulación y optimización de procesos químicos 9. EVALUACIÓN DE LA CONTROLABILIDAD .................................................................................. 329 9.1. Introducción .......................................................................................................................................... 9.2. Diseño y control de procesos .............................................................................................................. 9.3. Evaluación de la controlabilidad ........................................................................................................ 9.3.1. Evaluación mediante simulación dinámica .......................................................................... 9.3.2. Entornos de simulación dinámica ......................................................................................... 9.3.3. Un ejemplo práctico ............................................................................................................... 9.3.4. Diseño óptimo sin especificaciones dinámicas y evaluación ............................................. 9.4. Evaluación basada en modelos linealizados ..................................................................................... 9.4.1. Indices de controlabilidad en lazo abierto ........................................................................... 9.4.2. Indices de controlabilidad en lazo cerrado .......................................................................... 9.4.3. Ejemplo de evaluación mediante índices de controlabilidad ............................................ 9.5. Diseño integrado proceso-sistema de control .................................................................................. 9.5.1. Diseño integrado con especificaciones en lazo abierto ...................................................... 9.5.2. Un ejemplo de diseño integrado en lazo abierto ................................................................ 9.5.3. Diseño integrado con especificaciones en lazo cerrado ..................................................... 9.5.4. Un ejemplo de diseño integrado en lazo cerrado ................................................................ 9.6. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... Ejercicios ......................................................................................................................................................... 330 331 333 333 334 338 339 342 343 345 347 348 348 350 352 355 357 358 358 10. DETECCIÓN Y DIAGNÓSTICO DE FALLOS .................................................................................... 361 10.1. Introducción .......................................................................................................................................... 10.2. Métodos generales de detección y diagnóstico de fallos ................................................................. 10.2.1. Métodos basados en señal ...................................................................................................... 10.2.2. Métodos analíticos .................................................................................................................. 10.2.3. Métodos basados en conocimiento ....................................................................................... 10.3. Requerimientos de diseño .................................................................................................................. 10.4. Métodos de detección de fallos basados en señal ............................................................................ 10.4.1. Estadísticas univariables ........................................................................................................ 10.4.2. Estadísticas multivariables ..................................................................................................... 10.5. Resumen ................................................................................................................................................ Bibliografía ..................................................................................................................................................... 362 363 363 364 364 365 366 367 368 383 383
