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: : Caballer@ua.esCaballer@ua.es

Junio de 2008

CAPE : Computer Aided Process Engineering

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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

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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

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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

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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

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Instituto de Ingeniería de Procesos Químicos

Mínimo Impacto Ambiental

Mínimo coste

Trade-off

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Etc, etc, etc…