Síntesis de Procesos
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Síntesis de Procesos Luis Felipe Miranda
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Presentación en power point que trata sobre los fundamentos de la Síntesis de Procesos Industriales en Ingeniería Química, elaborada por Luis F. Miranda.
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Síntesis de Procesos
Luis Felipe Miranda
Concepto de Síntesis La síntesis de procesos genera un conjunto de
diseños alternativos llamados estructuras de proceso
selecciona entre ellos a los más promisorios conforme a objetivos pre-establecidos.
Las estructuras de proceso se caracterizan por: (1) el tipo de unidades operacionales
involucradas, (2) el modo de interconexión de estas unidades,
y (3) los valores de las variables de diseño para
cada una de las unidades operacionales.
Ruta para la resolución de problemas de Síntesis
definición del problema, selección de un sistema de
valores, síntesis del sistema, análisis del sistema, optimización y evaluación
Definición del Problema
Estudio de las necesidades satisfechas por el sistema y su entorno.
Una definición completa del problema requiere un modelamiento matemático del mismo.
Sistema de valores Conjunto de objetivos a ser satisfechos
y la relación entre los mismos. El sistema de valores provee los criterios
para seleccionar la mejor solución. Los objetivos más comunes son:
economía del proceso, controlabilidad, confiabilidad, seguridad e impacto ambiental.
Para satisfacer estos objetivos múltiples, y la posibilidad de conflicto entre ellos, se debe determinar la secuencia del proceso de decisión.
Síntesis de sistemas
Es la etapa inventiva: las entradas y salidas del sistema son conocidas y se debe formular un conjunto de estructuras de proceso alternativas que satisfagan el sistema de valores propuesto.
Espacios de decisión La síntesis de un sistema operacional
óptimo involucra decisiones en dos diferentes espacios:
(1) El espacio de las alternativas estructurales definido por la topología y la naturaleza de las unidades interactuantes
(2) El espacio de diseños alternativos para las unidades operacionales que componen el sistema.
Análisis El análisis de sistemas verifica el
desempeño de cada una de las estructuras generadas fijando las entradas a dichas estructuras y determinando las salidas correspondientes.
La etapa de análisis tiene como meta reducir el número de estructuras de proceso generadas.
Optimización Determina el mejor diseño y las mejores
condiciones de operación para un proceso industrial dado, en concordancia con el sistema de valores seleccionado
La optimización puede ser estática (en estado estacionario) ó dinámica (para definir el sistema de control).
A la fecha la optimización estática es la más aplicada en SP
La evaluación La etapa de evaluación analiza las
consecuencias del proceso de optimización y combina estos resultados de acuerdo a las reglas prescritas en el sistema de valores.
Todas las etapas pertenecientes a la ruta lógica de resolución de problemas en SP, descritas anteriormente, están en permanente interacción.
En particular, es importante reconocer la interrelación entre la síntesis, el análisis y la optimización.
Síntesis como problema de MapeoDIFERENCIAS OPERADORES
En las especies químicas Reactores
En las composiciones Separadores
En las cantidades Mezcladores y Bifurcadores
En las presiones Bombas, Compresores y Válvulas
En las temperaturas Intercambiadores de Calor
En las entalpías Indicadores de Fase
Principio del Mapeo
La construcción inductiva de un mapeo conforme usando operadores de espacios disjuntos, puede proceder en distintos niveles independientemente del orden en que sean considerados.
Sub-problemas de Síntesis síntesis de ubicación de especies, síntesis de rutas de reacción, síntesis de redes de reactores, síntesis de redes de separación, y síntesis de redes de intercambio de
energía. síntesis de estructuras de control de
procesos, y síntesis de sistemas de seguridad.
Ubicación de Especies
La Asignación de Especies intenta concordar las entradas y salidas de especies o componentes del sistema y también a su interior, generando para ello un conjunto de estructuras de proceso preliminares, con el criterio de minimizar el costo de las mismas.
La Síntesis de Rutas de Reacción
Intenta encontrar una secuencia de reacciones que puede ser usada para alcanzar una molécula producto a partir de ciertas materias primas;
minimizando el costo del proceso resultante y reduciendo el número de etapas de reacción a un mínimo.
La Síntesis de Redes de Reactores
Procura obtener una configuración óptima de los reactores, definiendo el tipo de reactores, su número y su interconexión.
Los objetivos son minimizar el costo y maximizar el rendimiento.
La Síntesis de Secuencias de Separación Determina el proceso de
menor costo capaz de separar un producto especificado de un conjunto de corrientes de alimentación.
Menos estudiado es el problema de la transformación de diversas mezclas de alimentación en un conjunto diferente de mezclas producto.
Síntesis de trenes de destilación es un caso bastante estudiado.
A|B
CD
E
BC
|DE
B|C
D|E
Hot
uti
lity
Hot utility
Cold utility
A
E
B
C
D
La Síntesis de Redes de Transferencia de Energía
Consiste en configurar un sistema de costo mínimo que recupere la energía usando operaciones tales como intercambio de calor, expansión, compresión y refrigeración.
La Síntesis de Redes de Intercambio de Calor es un sub-problema de síntesis de redes de transferencia de energía. Persigue configurar una red de intercambiadores de calor que minimice el consumo de energía y el costo de capital de la instalación.
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
Simplificaciones en Síntesis de Procesos Asume un sistema de valores
simplificado Usa sólo las variables de diseño
más importantes Estima el rango de variación de
cada variable de diseño Trabaja sólo con algunos valores
discretos de las variables.
Métodos heurísticos + algorítmicos
Es conveniente complementar los métodos algorítmicos con heurísticas y metas termodinámicas.
Las metas termodinámicas pueden contribuir a eliminar estructuras de proceso energéticamente ineficientes.
Las reglas heurísticas permitirían identificar estructuras de proceso deficientes.
Así los métodos algorítmicos consideran en su análisis sólo las estructuras más promisorias.
Método de Douglas: presentación
Considera 5 niveles de decisión en el proceso de diseño y síntesis:
a) Modalidad de operación del proceso: Continua o en batch
b) Definición de entrada-salida del proceso
c) Determinación de reactores y reciclos
d) Especificación del sistema de separación
e) Diseño de las redes de intercambio de calor
En cada uno de estos niveles de decisión se evalúa un factor económico para establecer si el proceso es rentable.
Es el método más sencillo de síntesis.
Método de Douglas: restricciones
Ideado para procesos sin sólidos; sólo fluidos
Orientado a la industria petroquímica (considera siempre reactores)
Desarrollado sólo para operación continua Requiere de un diseño base para ser
aplicado Tiene por objetivo principal la economía
del proceso. Se basa principalmente en heurísticas
Método de Dpouglas: modificación
Método de Douglas: cambios Miranda
1) Estructura de entrada/salida del proceso2) Identificación de 3 componentes principales del proceso: preparación
– producción – acabado3) Balances de materiales en producción y luego hacia acabado y
finalmente preparación, para definir flujos del proceso sobre operadores genéricos.
4) Modalidad de operación continua o discontinua5) Para operación discontinua aplicar técnicas de programación de
operaciones6) Balances de energía en la misma secuencia que (3). Revisión de (3)
(4) y (5) en conjunto.7) Definición de unidades de proceso en lugar de operadores genéricos.8) Evaluación de impacto ambiental. 9) Síntesis de energía (redes de Intercambiadores y de trenes de
destilación) 10) Simulación y optimización. Revisión desde paso (6)
Principios para formular procedimiento heurístico-evolucionario
Selección de estructuras de proceso alternativas es problema de optimización con la función: BENEFICIO = VNP – CE – IK
Optimización para seleccionar estructuras de proceso alternativas es desarrollada en términos de las variables independientes del balance de materiales
Procedimiento es evolucionario. Se parten de estructuras básicas a las cuales se va agregando detalle
Se satisface el principio de descomposición, permitiendo modificaciones en la topología, si fuese preciso, en cada etapa de la evolución.
Se aplica el principio de planeación jerárquica: las decisiones correspondientes al proceso de evaluación, deben ser categorizadas
Se emplea el principio de retro monitoreo: las decisiones tomadas en una etapa dada del proceso de evolución serán revisadas posteriormente.
