Métodos Sistemáticos para el Diseño, Síntesis, Planificación y Optimización de Procesos Químicos (CAPE) Ejemplos de aplicaciones

Transcripción

1 Síntesis y Optimización n de : Métodos Sistemáticos para el Diseño, Síntesis, Planificación y Optimización de (CAPE) CAPE : Computer Aided Process Engineering Ejemplos de aplicaciones José Antonio Caballero Suárez Caballer@ua.es Junio de 2008

2 OBJETIVO: Síntesis y Diseño o de Procesos para un desarrollo sostenible Modelado Superestructuras Optimización Solución de Conflictos 2

3 Técnicas 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.. 3

4 Aplicaciones de la Programación n Matemática tica (Optimización): En General 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 : 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 maxiizar beneficios Etc. 4

5 En Ingeniería a de Procesos: Aplicable a prácticamente cualquier nivel!!! Raw material extraction Manufacturing plant Manufacturing plant Manufacturing plant Retailer Warehouse Retailer Customer Customer Customer Estratégico. Configuración de la CS Táctico Planificación de CS Operación Planificación, coordinación producción y logística Gestión de a Cadena de Suministros manufacturing plant P-1 production line Supervisión Control supervisado Monitorización, fallos, diagnostico Diseño de plantas. Modificación en plantas Planificación detallada de producción Finanzas Control Local Ejecución 5

6 Planificación a gran escala: Ejemplo Dow Chemical Plantas Tipo I Intermedios 27 Productos a mercado Post-Procesado 6 Plantas Tipo II

7 27 Productos a mercado Plantas Tipo I Intermedios Modelo en Predición: Ajuste perfecto sin desviación Beneficio: $59. millones Post-Procesado Plantas Tipo II Maximización de Beneficio 17% de desviación respecto a operación actual Reducción de Producción/venta en tres productos Reducción costes de operacion y producción $ 23.7 millones más de beneficio 7

8 Planificación de la Producción (Scheduling) 1 h Reacción 1 1 h S3 2 h Separación S4 S1 Calentar S2 3 h 2 h Reacción 2 S5 Reacción 3 S7 S6 Calentar Reacción 1 Reactor 1 Reactor 2 Reacción 2 Reacción 3 Reactor 3 Separación Columna Tiempo (horas)

9 Síntesis de Procesos Redes de cambiadores de calor: Aprovechamiento de energía Diseño en detalle de cambiadores Secuencias de columnas de destilación Columnas convencionales y no convencionales Diseño en detalle de columnas de destilación Redes de intercambio de masa: Minimización (o eliminación) de residuos en planta Aprovechamiento y utilización óptima del agua Sistemas servicios: Vapor LP, MP, HP, agua Redes de reactores Procesos 9

10 Metodología Síntesis de + Programación n Matemática tica 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. 10

11 Metodología Superestructura para la síntesis s de una planta de cloruro de vinilo Cloro Cloración directa Baja P Etileno Purga Oxicloración Alta P Aire Flash Agua HCl O2 Cloruro de Hidrógeno 98 alternativas en la superstructura Cloruro de Vinilo 11

12 Metodología Cloro Cloración directa Etileno Aire Oxicloración Flash Purga Agua Alta P Beneficio: $ 68M/año Capacidad = tons/año Cloruro de Hidrógeno Cloruro de Vinilo 12

13 Metodología A I B B II C A B III B C max : z = Ventas Costes Materias Pr imas Coste Equipos Coste operacion Balances de Materia (y Energía) en mezcladores y divisores Yi Yi Calculo de equipo Costes 0 = Costes, etc Variables = 0 Y Y Y Y Y Relaciones Lógicas

14 Síntesis de redes de cambiadores de calor Corriente FCp Ten (K) Tsal (K) C1 H1 H2 H3 H4 H5 H6 CW Vapor Coste mínimo de servicios = $ / añoa Calor= 2342 kw; Frio= 1822 kw Punto de Pinch =

15 CW H5 H1-CW H5-CW H2 H6 H2-C1 C1 H6-C1 H1-C1 H4-C1 H4 H1 H1-C1 F F-C1 H3-C1 H3 H3-C1 Coste annual = $ Inversion =$ Servicios = $

16 Metodología + Herramientas Programación n Matemática: tica: Métodos Secuenciales Métodos Simultáneos + Tecnología Pinch 16

17 Diseño o 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) 17

18 Superestructura para diseño o de secuencias con acoplamiento térmico t + Integración n de energía AB 7 A 3 8 ABC 4 B 1 9 ABCD BC 2 10 BCD 5 C A/BC/D: A/BCD AB/BCD AB/CD ABC/BCD ABC/CD ABC/D 6 18 CD D

19 Ejemplo: ABCDE 200 kmol / h mol frac. A. Etanol 0.1 P = 1 atm B. Isopropanol 0.1 C. 1-Propanol 0.4 Qcond = 1310 kw D. Isobutanol 0.3 E. 1-Butanol 0.1 AB TAC = $ /year Flujo total : 200 BCkmol/h Presión: 1-4 atm CD Coste Vapor = 5.09$/GJ Coste Agua = 0.19 $/GJ A B C Qcond = 7038 kw D ABC Qex = 7316 kw ABCDE CDE P = 3.7 atm P = 3.7 atm ABC Qex = 4633 kw CDE AB BC CD DE A B C D Qreb = 9544 kw E E 19

20 Aplicación n al Diseño o detallado de algunos equipos: Columnas de Destilación Localización simultánea de las condiciones óptimas de operación y del número de pisos, localización de productos, etc. Pisos Condicionales Piso Fijo Pisos Condicionales Pisos condicionales Pisos fijos 20

21 Make up Q cond = 3009 kw 2 trays Tray 3 EtOH > ºC Ejemplo: Separación de Agua y Etanol usando Etilen glicol como extractante. Destilación extractiva Q cond = kw Water > trays ºC EtOH 0.85 Water kmol / h P = 1 atm 12 trays Tray kmol / h ºC EtOH < Water Et-Gy trays 2 trays Tray 6 Q reb = 2675 kw Q reb = kw ºC kmol/h Diameter = m 21 Diameter = m Et-Gy >0.999

22 Proyecto con LyondelBasell Gasto en Energía ~ 30 M$ año!!! Confidencial Sistema híbrido desarrollado a través de una superestructura Solución Óptima muestra ahorros posibles Superiores al 30%. 22

23 Optimización multi-objetivo: Toma de decisiones con varios parámetros en conflicto: Existe un coche más seguro por el mismo precio Coche más barato con la misma seguridad Soluciones factibles (suboptimal: ineficientes) Coste SOLUCIONES NO FACTIBLES (imposible: no disponible en el mercado) Seguridad FORNTERA DE PARETO (optimo: soluciones eficientes) Tactical - Strategic 23

24 Mínimo Impacto Ambiental Mínimo coste Trade-off 24

25 Etc, etc, etc 25