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Hysys simulacion.

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Simulacin y optimizacin avanzadas en la industria qumica y de procesos: HYSYS

Susana Luque Rodrguez Aurelio B. Vega GrandaDepartamento de Ingeniera Qumica y Tecnologa del Medio Ambiente Universidad de Oviedo

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

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 procesosTema 2. Tema 3. Tema 4. Termodinmica de sistemas no ideales Julio L. Bueno de las Heras Modelos de prediccin de propiedades fsico-qumicas M. Carmen Pazos Medina Implementacin de modelos de propiedades fsicas en simuladores comerciales y criterios de seleccin Aurelio B. Vega Granda Modelos rigurosos de separaciones de equilibrio Fernando V. Dez Sanz Modelos rigurosos de operaciones unitarias Aurelio B. Vega Granda 17 47 77

Tema 5. Tema 6.

97 107

II. Simulacin de procesos en la industria qumica y de procesos. HYSYSTema 7. Tema 8. Tema 9. Modos de simulacin de procesos Aurelio B. Vega Granda Mtodos de resolucin de ecuaciones no lineales I: mtodos tipo Newton Jos Ramn lvarez Saiz Mtodos de resolucin de ecuaciones no lineales II: mtodos que no requieren derivadas y de primer orden Jos Ramn lvarez Saiz Recirculaciones: particin y seccionado de corrientes Susana Luque Rodrguez Simulacin en diseo y operacin de procesos. Aplicaciones Aurelio B. Vega Granda 125 137 149

Tema 10. Tema 11.

163 179

III. Optimizacin de diagramas de flujo con HYSYSTema 12. Tema 13. Tema 14. Tema 15. Tema 16. Introduccin a la programacin no lineal (NLP) con restricciones Jos Ramn lvarez Saiz Programacin cuadrtica sucesiva (SQP) Jos Ramn lvarez Saiz Optimizacin de procesos con simuladores modulares Susana Luque Rodrguez Optimizacin de procesos con simuladores orientados a ecuaciones Susana Luque Rodrguez Optimizacin en diseo y operacin en la industria qumica. Aplicaciones Susana Luque Rodrguez i 195 217 231 243 257

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 313 327

ii

Introduccin. La simulacin de procesos en la industria qumica actualSusana Luque Rodrguez Aurelio B. Vega GrandaDepartamento de Ingeniera Qumica y Tecnologa del Medio Ambiente Universidad de Oviedo

Introduccin y planificacin del curso. La simulacin de procesos en la industria qumica actual

NDICE1. 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. INTRODUCCINEl 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

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 CURSO2.1. 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. III.4

Introduccin. Termodinmica y modelizacin rigurosa de procesos Simulacin de procesos en la industria qumica y de procesos: HYSYS Optimizacin de diagramas de flujo con HYSYS

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 Profesor/a Duracin (h) 1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

11 12 13 14 15 H1 H2 H3 H4 H5

I