Carrera: Ingeniero Químico Asignatura: Simulación y Optimización. Área del Conocimiento: Ingenieria Aplicada Licenciatura Ingeniero Químico

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1 Generales de la Asignatura: Nombre de la Asignatura: Clave Asignatura: Nivel: Carrera: Frecuencia (h/semana): Teoría: Laboratorio: Total horas en el período escolar: Créditos: Fecha de Elaboración: Prerrequisitos: Síntesis de Procesos Carrera: Ingeniero Químico Asignatura: Simulación y Optimización Área del Conocimiento: Ingenieria Aplicada Simulación y Optimización Licenciatura Ingeniero Químico /abril/2010 Recomendaciones para cursarla: Métodos numéricos, termodinámica, conocimientos básicos de transferencia de calor y masa y diseño de reactores Objetivo general: El alumno conocerá los fundamentos generales de la simulación y optimización de procesos químico-industriales. Desarrollará sus propios modelos matemáticos para procesos simples y se familiarizará con los simuladores de procesos comerciales de mayor uso en la industria química, conociendo además sus potencialidades y sus limitaciones para emplearlos como herramienta para el análisis y optimización de procesos químicos. Objetivos específicos: Conceptuales (conocimientos): El estudiante: Comprenderá la importancia de la modelación para realizar simulación de procesos. Describirá en qué consisten los algoritmos de solución de modelos matemáticos, modular secuencial y orientado a ecuaciones y sus ventajas y desventajas. Resolverá diagramas de flujo y unidades simples que requieran balances de Pág. 1 de 6

2 materia y energía, así como determinará los grados de libertad que existen en un proceso. Empleará un simulador comercial de procesos en la solución de casos de estudio. Resolverá balances de masa y energía en estado transitorio para desarrollar modelos matemáticos. Conocerá los algoritmos numéricos que se utilizan para resolver problemas de optimización de una sola variable y multivariables sin restricciones, así como la ventaja y desventaja de cada técnica Desarrollará la capacidad para reconocer y resolver situaciones en las que se requiera el uso de herramientas de optimización, así como la capacidad para la formalización matemática de estas situaciones. Procedimentales (habilidades): El estudiante será capaz de: Elaborar un reporte técnico empleando el lenguaje adecuado Emplear herramientas computacionales para la resolución de problemas de ingeniería. Analizar y discutir resultados. Tomar decisiones en base a la información proporcionada. Actitudinales (actitudes): Desarrollar en el alumno: Responsabilidad en el cumplimiento de las actividades y tareas asignadas. Disposición para la colaboración y el trabajo en equipo. Capacidad de usar los recursos de los que dispone para encontrar soluciones. Expresar y defender sus puntos de vista con argumentos académicos. Descripción sintética (máximo 350 palabras): Para encontrar la solución a problemas de la ingeniería química se ha necesitado obtener modelos matemáticos de los procesos. Estos modelos pretenden reproducir el comportamiento de los procesos reales, y cuando son resueltos permiten saber, o al menos visualizar, el comportamiento del sistema bajo circunstancias diversas. Existe un crecientemente incremento del uso de los sistemas computacionales para la solución de estos modelos. Esas herramientas comerciales permiten abordar problemas de diseño, simulación, control y optimización de los procesos químicos. Con el desarrollo de este curso se estudia como son los algoritmos que permiten modelar los procesos químicos más comunes y como se pueden desarrollar con un programa de cálculo general. Posteriormente se estudian paquetes comerciales de simulación, para resolver los balances de materia y energía de procesos químicos complejos y los algoritmos básicos para su optimización. Pág. 2 de 6

3 Aportación de la asignatura al Perfil del Egresado: Fortalecer sus conocimientos sobre modelos de procesos químicos y utilizar herramientas de modelado y simulación de procesos industriales que le permitan realizar el análisis de distintas situaciones problemáticas, plantear posibles alternativas para solucionar estas situaciones y seleccionar la mejor alternativa. Contenido y descripción de las unidades de los temas: Descripción detallada del contenido de las Unidades: I. Introducción 1.1 Conceptos básicos 1.2 Desarrollo histórico de la simulación y optimización de procesos. 1.3 Relación entre simulación y optimización. 1.3 Ejemplos y aplicaciones en la industria y sus usos en la toma de decisiones. 1.4 Procedimiento general para hacer una simulación y optimización en computadora. 1.5 Métodos numéricos como herramientas para resolver los modelos de procesos en IQ. II. Metodología de Simulación III. Desarrollo de Módulos de Simulación 2.1 Clasificación de los métodos de simulación 2.2 Tipos de Algoritmos y estrategias en la solución de modelos matemáticos de procesos Simulador Secuencial Simulador Orientado a Ecuaciones. 2.3 Análisis de Grados de Libertad 3.1 Propiedades termodinámicas 3.2 Módulos de equipos individuales. Balances de materia y energía en estado estacionario Actividades: Exponer las bases teóricas, conceptos y definiciones. Estudio de diferentes ejemplos prácticos de el empleo de las herramientas de simulación y optimización. Desarrollo de taller grupal para la solución de problema ejemplo de cada unad e las diferentes estrategias, empleado alguna herramienta de programación (MatLab, Polymath, etc.) Desarrollo de taller grupal para resolver los modelos matemáticos de las principales operaciones unitarias, empleando Pág. 3 de 6

4 IV. Diagramas de flujo de procesos simples V Simulación comercial VI.- Simulación Dinámica. VII. Conceptos básicos de optimización. VIII.- Optimización de funciones unidimensionales sin restricciones. IX Optimización de funciones multivariables sin Mezcladores y divisores de flujo Separadores Columnas métodos cortos Columnas métodos rigurosos 4.1 Referenciación de corrientes 4.2 Reciclo de corrientes 4.3 Secuencia de cálculo 5.1 Manejo de un simulador comercial Interfaz gráfica de simuladores comerciales Estimación de propiedades termodinámicas Modelos Básicos de Operaciones Unitarias. 6.1 Introducción a la simulación dinámica 6.2 Balances de Materia y Energía en Estado Transitorio. 7.1 Formulación de la función objetivo. 7.2 Continuidad de funciones. 7.3 Teoría de máximos y mínimos. 7.4 Regresión no-lineal 8.1 Métodos numéricos para la optimización de funciones de una sola variable en el campo de la ingeniería química El Método de Sección dorada para búsquedas unidimensionales Método de Fibonacci Método de Newton, Quasi Newton y método de la secante 9.1 Método del gradiente conjugado y de Descenso profundo herramientas de cómputo. Desarrollo de taller grupal para generar un simulador modular para un proceso químico simple Mediante realización de talleres grupales emplear un simulador de procesos comercial (Aspen Plus) para resolver un problema específico de ingeniería. Analizar resultados de la simulación. Elaborar un programa de cómputo que resuelva un balance de materia y energía en estado transitorio Exponer las bases teóricas, conceptos y definiciones. Resolver problemas de optimización empleando Solver de Excel. Estudio de diferentes ejemplos prácticos empleando las herramientas de Excel Estudio de diferentes ejemplos prácticos empleando las herramientas de Excel Pág. 4 de 6

5 restricciones X Descripción y uso de herramientas comerciales. 9.2 Método de Newton para sistemas multivariables 10.1 Optimización usando simuladores de procesos comerciales Manejar un simulador comercial para análisis, diseño y optimización de procesos químicos. (Aspen Plus) Evaluación del Curso: Tipo de evaluación Desarrollo del Conocimiento Exámenes parciales Proyecto Final Talleres prácticos Desarrollo de Habilidades Trabajo en equipo Comunicación oral y escrita Planteamiento y solución de problemas Desarrollo de Actitudes Responsabilidad Colaboración Compromiso TOTAL Porcentaje 20% 30% 35% 2% 1% 100 % Material o Equipo Requerido: Pizarrón blanco/marcadores Cañón Laboratorio de Simulación Software Frecuencia de uso 3 por semana 5 por semana 5 por semana 5 por semana (Polymath, MatLab, Excel, AspenPlus Referencias bibliográficas: 1. Seider, W.D., Seader, J.D., Lewin, D.R., Process design principles: Synthesis, analysis and evaluation, John Wiley & Sons, N.Y., Turton, R., Bailie, R.C., Whiting, W.B., Shaeiwitz, J.A., Analysis, Synthesis, and Design of Chemical Processes, 2 nd ed., Prentice Hall PTR, Martínez, V.H.; Alonso P.A.; López, J.; Salado, M.; Rocha, J.A., Simulación de Procesos en Ingeniería Química Ed. Plaza y Valdés, México D.F., Felder y Rousseau Principios Elementales de los Procesos Químicos, 3ra Edición, Ed. Limusa S.A de C.V., Finlayson, Bruce A. Introduction to Chemical Engineering Computing, Ed. Wiley, Cutlip y Shacham, Resolución de problemas en Ing. Química y Bioquímica con POLYMATH, Excel y MATLAB, 2da Edición Ed. Pearson Education, Pág. 5 de 6

6 7. Himmelblau, E. y Lasdon D.M. Optimization of Chemical Processes, 2da. Edición, Ed. Mc Graw-Hill, Bequette, B.W., Process control: modeling, design and simulation, Prentice Hall, N.J., Biegler, L.T., Grossman, I.E., Westerberg, A.W., Systematic Methods of Chemical Process Design, Prentice Hall, N.J., Luyben, W.L., Tyréus, B.D., Luyben, M.L. "Plantwide Process Control", McGraw- Hill, N.Y., Luyben, W.L. Plantwide dynamic simulators in chemical processing and control Marcel Dekker, Luyben, W.L., Process Modeling, Simulation and Control for Chemical Engineers, 2da. Edición, Ed. McGraw-Hill, Scenna, N.J. Modelado, Simulación y Optimización de Procesos Químicos. McGraw Hill Puigjaner, L., Ollero, P., De Prada J., y Jiménez, L., Estrategias de modelado, simulación y optimización de procesos químicos, Universidad Autónoma de Coahuila Asignatura: SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN RESPONSABLES Director Secretaria Académica Dr. Rubén García Braham Coordinador de la carrera de Ingeniero Químico M.C. María Auxiliadora Valdés Flores Diseñador de la Asignatura Ing. Ernesto Oyervides Valdez MC Lilia Eugenia Serrato Villegas Pág. 6 de 6