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SSííntesis y Optimizacintesis y Optimizacióón de Procesos Qun de Procesos Quíímicos:micos:
Métodos Sistemáticos para el Diseño, Síntesis, Planificación y Optimización de Procesos Químicos
(CAPE)
Ejemplos de aplicaciones
JosJoséé Antonio Caballero SuAntonio Caballero Suáárez rez
EmailEmail: : [email protected]@ua.es
Junio de 2008
CAPE : Computer Aided Process Engineering
2
Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
OBJETIVO: OBJETIVO:
SSííntesis y Disentesis y Diseñño de Procesos para un desarrollo sostenibleo de Procesos para un desarrollo sostenible
Modelado
Superestructuras
Optimización
Solución de Conflictos
3
Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
TTéécnicascnicas
� Modelado de Procesos
� Optimización con variables discretas
� Integración de Energía & análisis pinch
� Análisis de ciclo de vida
� Programación Disyuntiva Generalizada
� Técnicas de análisis estadístico
� Etc..
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Se puede aplicar la Programación Matemática a cualquier
problema en el que haya que tomar una decisión, realizar una
planificación de cualquier tipo, elegir entre diferentes opciones,
etc…:
Aplicaciones de la ProgramaciAplicaciones de la Programacióón Matemn Matemáática tica
(Optimizaci(Optimizacióón):n):
En GeneralEn General
� Algunos problemas estándar
� Distribución de productos desde la planta de producción hasta destino a mínimo coste.
� Asignación de tareas a trabajadores
� Planificación de rutas optimas de distribución (mínimo recorrido – o mínimo tiempo- para repartir mercancía y volver al origen.
� Asignación óptima de recursos en producción: Dentro de una serie de posibles productos decidir qué producir y en qué cantidad para maxiizarbeneficios
� Etc.
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Estratégico. Configuración de la CS
Estratégico. Configuración de la CS
OperaciónPlanificación, coordinación producción y
logística
OperaciónPlanificación, coordinación producción y
logística
TácticoPlanificación de CS
TácticoPlanificación de CS
En IngenierEn Ingenieríía de Procesos:a de Procesos:
¡¡¡ Aplicable a prácticamente cualquier nivel !!!
Gestión de a Cadena de Suministros
Raw material extraction
Manufacturingplant
Manufacturing plant
Manufacturing plant
Retailer
Warehouse
Retailer
Customer
Customer
Customer
Raw material extraction
Manufacturingplant
Manufacturing plant
Manufacturing plant
Retailer
Warehouse
Retailer
Customer
Customer
Customer
Control
supervisadoMonitorización,
fallos, diagnostico
Control
supervisadoMonitorización,
fallos, diagnostico
Control LocalControl Local
SupervisiónSupervisión
EjecuciónEjecución
Planificación
detallada de producción
Planificación
detallada de producción
Diseño de plantas.
Modificación en plantas
Diseño de plantas.
Modificación en plantas
manufacturing plant
FinanzasP-1
production line
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Plantas Tipo I
Plantas Tipo II
Post-Procesado
Intermedios
27Productos
a mercado
Planificación a gran escala: Ejemplo Dow Chemical
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Plantas Tipo I
Plantas Tipo II
Post-Procesado
Intermedios
27Productos
a mercado
Modelo en Predición:Ajuste perfecto sin desviaciónBeneficio: $59. millones
Maximización de Beneficio
17% de desviación respecto a operación actualReducción de Producción/venta en tres productosReducción costes de operacion y producción
$ 23.7 millones más de beneficio
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Reactor 1
Reactor 2
Reactor 3
Columna
Calentar Reacción 1
Reacción 2
Reacción 3
Separación
Tiempo (horas)
0 1 2 3 4 5 6 7
Planificación de la Producción(Scheduling)
S1 Calentar S2
Reacción 1
Reacción 2 S5
S3
S6
Reacción 3
Separación
S7
S4
1 h
1 h
3 h
2 h
2 h
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Síntesis de Procesos
Redes de cambiadores de calor: Aprovechamiento de energíaDiseño en detalle de cambiadores
Secuencias de columnas de destilaciónColumnas convencionales y no convencionalesDiseño en detalle de columnas de destilación
Redes de intercambio de masa: Minimización (o eliminación) de residuos en plantaAprovechamiento y utilización óptima del agua
Sistemas servicios:
Vapor LP, MP, HP, agua …
Redes de reactores
Procesos
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
SSííntesis de Procesos Quntesis de Procesos Quíímicos + Programacimicos + Programacióón Matemn Matemááticatica
Superestructuras: Diagrama de flujo que incluye todas las posibles alternativas de interés.
El objetivo es extraer, de entre todas las posibilidades, la configuración óptima.:
Qué unidades deben formar parte de la configuración final (decisiones discretas)
Cuáles son las condiciones óptimas de operación: flujos concentraciones, presiones, etc y tamaños óptimos de los equipos.
Metodología
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Superestructura para la sSuperestructura para la sííntesis de una planta de cloruro de vinilontesis de una planta de cloruro de vinilo
98 alternativas en la superstructura
Cloro
Etileno
Aire
O2
Oxicloración
Cloración directa
Purga
Flash
Agua
Baja P
Alta P
Cloruro deHidrógeno
Cloruro deVinilo
HCl
Metodología
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Cloro
Etileno
Aire
Oxicloración
Cloración directa
Purga
Flash
Agua
Alta P
Cloruro deVinilo
Cloruro de Hidrógeno
Beneficio: $ 68M/año
Capacidad = 563000 tons/año
Metodología
13
Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
AB
B CII
III
I
A B
B C
max : Prz Ventas Costes Materias imas Coste Equipos Costeoperacion= − − −
Balances de Materia (y Energía) en mezcladores y divisores
0
, 0
i iY Y
Calculo de equipo Costes
Costes etc Variables
¬
= =
∨
1 2 3
2 3
Y Y Y
Y Y
⇒ ∨
∨
Relaciones Lógicas
Metodología
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Corriente
C1H1H2H3H4H5H6CWVapor
FCp
24.7957.9135.8032.37431.6526.330565.943
Ten (K)
288.8630.5583.3555.5494.4477.7422.2300700
Tsal (K)
650338.8505.5319.4447.2311.1383.3333.3700
Coste mínimo de servicios = $ 415950 / a415950 / aññoo
Calor= 2342 kW; Frio= 1822 kW
Punto de Pinch = 494.44-488.06
SSííntesis de redes de cambiadores de calorntesis de redes de cambiadores de calor
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
C1
F
H3-C1
H1-C1H6-C1
H1-CW H5-CW
CW
H2-C1
H1-C1 F-C1
H3-C1
H4-C1
H6
H3
H1
H2
H5
H4
Coste annual = $ 647050 Inversion =$ 231100Servicios = $ 415950
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Metodología + Herramientas
ProgramaciProgramacióón Matemn Matemáática: tica:
MMéétodos Secuencialestodos Secuenciales
MMéétodos Simulttodos Simultááneosneos++ TecnologTecnologíía a PinchPinch
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
DiseDiseñño riguroso de Un cambiador de caloro riguroso de Un cambiador de calor
Permite mediante un problema de optimización determinar el cambiador de calor de coste mínimo. Determina automáticamente, entre otros los siguientes parámetros siguiendo estrictamente las normas TEMA:
� Diámetro de tubos (dentro de unos valores discretos de diámetros estándar)
� Longitud total de tubos
� Disposición de los tubos (cuadrada triangular...)
� Número de pasos de tubo
� Tipo de cabezal
� Número de bafles
� Localización de los fluidos (Qué fluido circula por tubos y cuál por carcasa)
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
ABCD
AB
A
BCD
BC
B
CD
C
D
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
ABC
Superestructura para diseSuperestructura para diseñño de o de
secuencias con acoplamiento tsecuencias con acoplamiento téérmico +rmico +
IntegraciIntegracióón de energn de energííaa
A/BC/D:
A/BCD
AB/BCDAB/CD
ABC/BCD
ABC/CD
ABC/D
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
ABCDE
ABC
CDE
AB
BC
CD
DE
A
B
C
D
E
Ejemplo:
mol frac.A. Etanol 0.1B. Isopropanol 0.1C. 1-Propanol 0.4D. Isobutanol 0.3E. 1-Butanol 0.1
Flujo total : 200 kmol/hPresión: 1-4 atm
Coste Vapor = 5.09$/GJCoste Agua = 0.19 $/GJ
TAC = $ 1180000/year
ABCDE
A
B
C
D
E
ABC
AB CDE
BC
CD
200 kmol / h
Qex = 7316 kW
Qcond = 7038 kW
Qreb = 9544 kW
Qex = 4633 kW
Qcond = 1310 kW
P = 1 atm
P = 3.7 atm
P = 3.7 atm
20
Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Pisos Condicionales
Piso Fijo
Pisos Condicionales
Pisoscondicionales
Pisosfijos
AplicaciAplicacióón al Disen al Diseñño detallado de o detallado de
algunos equipos: Columnas de algunos equipos: Columnas de
DestilaciDestilacióónn
Localización simultánea de las condiciones óptimas de operación y del número de pisos, localización de productos, etc.
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
2 trays
23 trays
12 trays
Tray 3
Tray 27
5 trays
2 trays
Tray 6
EtOH… 0.85Water…0.15
100 kmol / hP = 1 atm
Make up
95.76 kmol/h
Et-Gy >0.999
196.2 ºC
Water >0.999
99.86 ºC
EtOH > 0.999
78.17 ºC
Qcond = 3009 kW
Qcond = 215.8 kW
Qreb = 2675 kW Qreb = 549.8 kW
110.6 kmol / h
134.7 ºC
EtOH… < 0.0001Water…0.1349Et-Gy…0.8650
Diameter = 1.372 m Diameter = 0.609 m
Ejemplo: Separación de Agua y Etanol usando Etilen glicol como extractante.
Destilación extractiva
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
¡¡¡ Gasto en Energía ~ 30 M$ año !!!
Solución Óptima muestra ahorros posiblesSuperiores al 30%.
Confidencial
Proyecto con Proyecto con LyondelBasellLyondelBasell
Sistema híbrido desarrollado a través de una superestructura
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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos
Optimización multi-objetivo:Toma de decisiones con varios parámetros en conflicto:
Seguridad
Coste
FORNTERA DE PARETO(optimo: soluciones eficientes)
SOLUCIONES NO FACTIBLES(imposible: no disponible en el mercado)
Soluciones factibles(suboptimal: ineficientes)
Existe un coche más seguro por el mismo precio
Coche más barato con la misma seguridad
Tactical - Strategic