1 H O R A S D E C L A S E P R O F E S O R R E S P O N S A B L E T E O R I C A S P R A C T I C A S Dr. Alberto Bandoni Por semana Por cuatrimestre Por semana Por cuatrimestre 4 4 A S I G N A T U R A S C O R R E L A T I V A S P R E C E D E N T E S Para Cursar A P R O B A D A S C U R S A D A S Equipos para Procesos Químicos Procesos de Separación Para Rendir A P R O B A D A S C U R S A D A S Equipos para Procesos Químicos Procesos de Separación DESCRIPCIÓN Y OBJETIVOS Presentar los conceptos y las principales herramientas del diseño de plantas de procesos químicos. Se introduce al alumno en el uso de estrategias conceptuales para el diseño de nuevos procesos, basadas en un procedimiento jerárquico de toma de decisiones, utilizando normas dictadas por la experiencia, métodos simplificados de diseño de equipos, integración energética de procesos y evaluación del potencial económico del mismo. Así mismo se presentan al alumno las estrategias de diseño asistido por computadoras. Se introduce y se utilizan programas de simulación de amplio uso y aceptación en la industria. Se introduce la optimización estacionaria de procesos y la simulación dinámica. Se revisionan las diferentes estrategias para tener en cuenta la controlabilidad de procesos durante la etapa de diseño. PROGRAMA SINTÉTICO PARTE I: Introducción 1. Consideraciones Generales. 2. Nuevas plantas y expansiones. 3. Consideraciones de seguridad y medio ambiente. 4. Interacción entre diseño y operabilidad PARTE II: Diseño Conceptual de Procesos 5. Nivel 0: Información. 6. Nivel 1: Procesos Batch vs. Continuo 7. Nivel 2: Estructura Entrada-Salida de un Flowsheet 8. Nivel 3: Estructura de Reciclos de un Flowsheet 9. Nivel 4: Síntesis de Sistemas de Separación 10. Nivel 5: Síntesis de Redes de Recuperación de calor PARTE III: Otras herramientas de diseño 11. Simulación de Procesos en estado estacionario. 12. Optimización de procesos. 13. Métodos algorítmicos de diseño. 14. Diseño y operabilidad de plantas. 15. Simulación dinámica de procesos. 16. El informe de Diseño. VIGENCIA AÑOS
2 PROGRAMA ANALÍTICO PARTE I: Introducción 1. Consideraciones Generales. Qué es el Diseño de Procesos?. Aspectos creativos del Diseño de Procesos. Interdisciplinaridad del diseño. El proyecto de diseño y sus etapas. Importancia del diseño preliminar. Diseño detallado. Desarrollos de casos base. Documentación producida. Conceptos de síntesis y análisis de un proceso. Diseño de sistemas continuos versus el diseño de sistemas batch. 2. Nuevas plantas y expansiones. Aspectos diferenciales entre un proyecto de diseño de una nueva planta y el de una expansión de un proceso existente. 3. Consideraciones de seguridad y medio ambiente. Aspectos de seguridad y riesgo en relación con el diseño de un proceso. Relación entre el diseño y el impacto ambiental que produce. 4. Diseño y Operabilidad. Importancia de la relación entre el diseño y el control de un proceso. Control de plantas completas. Interacción entre el diseño y la operabilidad del proceso. Diseño de Aspectos de seguridad, operabilidad e impacto en el medio ambiente de un nuevo proceso. Concepto de potencial económico de un proyecto. PARTE II: Diseño Conceptual de un Proceso. 5. Nivel 0: Información Tipo de información requerida para un diseño. Fuentes de información: escrita, electrónica y otras. Bases de datos y búsqueda remota. Recopilación y organización de la información. 6. Nivel 1: Procesos Batch vs. Continuo Criterios para elegir el tipo de proceso. Recopilación de información disponible. Pautas para la decisión sobre procesos Batch o Continuo. 7. Nivel 2: Estructura Entrada-Salida de un Flowsheet Decisiones para fijar la estructura Entrada-Salida. Aplicación de heurísticos para la selección de materias primas y reacciones químicas. Balances globales de materia. Determinación de las variables de diseño. Cálculo del potencial económico del proceso en el nivel 2. Aplicación al diseño de un Caso Base. 8. Nivel 3: Estructura de reciclo de un flowsheet. Decisiones para determinar la estructura de reciclos. Utilización de heurísticos en la distribución de productos químicos: especies inertes, corrientes de purga, reciclos a extinción, etc. Balances de materia en los reciclos. Efectos del calor en el reactor. Limitaciones dadas por el equilibrio en las reacciones. Diseño por métodos simplificados reactores y compresores. Costos de reactores y compresores. Evaluación del potencial económico de la estructura de reciclos. Aplicación al diseño del Caso Base. 9. Nivel 4: Síntesis de Sistemas de Separación Estructura general del Sistema de Separación. Sistema de recuperación de vapor. Sistema de recuperación de líquidos. Criterios para la selección de métodos de separación. Secuencia de columnas de destilación ordinarias. Secuencias de procesos generales de separación vaporlíquido. Secuencia de columnas de separación azeotrópicas. Sistemas de separación para mezclas de gases. Balances de materia rigurosos. Aplicación al diseño del Caso Base. Métodos simplificados de diseño de equipos de separación. VIGENCIA AÑOS
3 10. Nivel 5: Síntesis de Redes de Recuperación de calor. Concepto de integración energética. Concepto y cálculo del "pinch" de un proceso. Determinación de los requerimientos mínimos de servicios de calentamiento y enfriamiento. Número mínimo de intercambiadores. Estimación del área de intercambio. Estimación de costos totales de intercambio. Métodos gráficos de diseño redes de intercambio: división de corrientes, ciclos, pasos. Integración de calor y potencia: bombas y máquinas de calor. Trenes de destilación con integración de calor. PARTE III: Diseño de procesos asistido por computadora. 11. Simulación de Procesos (Estado Estacionario). Principios de simulación de procesos de estado estacionario. Enfoques existentes: ventajas y desventajas de cada uno. Modo diseño y modo simulación. Programas comerciales de simulación de procesos. Balance de masa y de energía con simuladores. Diseño de procesos usando simuladores. Otras herramientas de diseño y análisis integradas en los simuladores comerciales. Simulación de plantas completas. 12. Optimización de Procesos. Introducción al concepto de optimización. Diferentes tipos de problemas de optimización. Relación entre simulación y optimización. Función objetivo, variables y restricciones. Optimización de estado estacionario usando simuladores comerciales. Diseño óptimo de procesos. Concepto de optimización estructural y de optimización dinámica. 13. Métodos algorítmicos de diseño. Formulación de los problemas de diseño. Síntesis y evaluación de trenes de unidades de separación y redes de intercambiadores. Diseño y operación de procesos batch: secuencia de tareas. 14. Diseño y operabilidad de plantas. Configuración de sistemas de control. Clasificación de variables. Selección de variables de control y grados de libertad. Síntesis cualitativa de sistemas de control de plantas completas. Introducción a técnicas de análisis de controlabilidad. 15. Simulación Dinámica de Procesos. Conceptos fundamentales de simulación dinámica. Simulación dinámica a lazo abierto y cerrado usando. Casos de estudio usando simuladores comerciales. Arranque y parada de equipos. Cambios de condición de operación. Influencia de reciclos en la dinámica de un proceso. 16. El informe de Diseño. Presentaciones orales y escritas. Tipos de informes. Secciones de un informe. Presentación de resultados técnicos: flowsheets, balances, especificaciones, costos y análisis económico. VIGENCIA AÑOS
4 BIBLIOGRAFÍA 1. Process Design Principles: Synthesis, Analysis and Evaluation. Waren D. Seider, J. D. Seader and Daniel R. Lewin. John Wiley & Sons, 1999. ISBN 0-471-24312-4.. 2. Conceptual Design of Chemical Processes, James M. Douglas, McGraw-Hill, 1988. ISBN 0-07-100195-6. 3. "Systematic Methods of Chemical Process Design", L.T. Biegler, I.E. Grossmann y A.W. Westerberg, Prentice-Hall, 1997. 4. The art of Chemical Process Design, G.L. Wells and L. M. Rose, Elsevier, 1986. ISBN 0-4444-42482. 5. Integrated Design and Simulation of Chemical Processes. A. Dimian. Elsevier, 2003. Computer-Aided Chemical Engineering, 13. 6. "Process and Product Design Principles. Synthesis, Analysis and Evaluation". Seider, W., J. Seader, D. Lewin. John Wiley & Sons (2004). A Guide to Chemical Engineering Process Design and Economics. Ulrich, Gael D.. John Wiley & Sons, 1984. ISBN 0-471-08276-7. A Ñ O P R O F E S O R R E S P O N S A B L E A Ñ O P R O F E S O R R E S P O N S A B L E (f i r m a a c l a r a d a) (f i r m a a c l a r a d a) Dr. A. Bandoni V I S A D O C O O R D I N A D O R A R E A S E C R E T A R I O A C A D E M I C O D I R E C T O R D E D E P A R T A M E N T O Dra. Marisa PEDERNERA Dra. Verónica BUCALÁ FECHA: Agosto FECHA: FECHA
5 ANEXO SISTEMA DE EVALUACIÓN La asignatura se aprueba por promoción. Los alumnos deben rendir uno o dos parciales teórico-prácticos y presentar un informe escrito completo del proyecto el cual debe ser además expuesto oralmente. La nota de promoción se compone de la calificación obtenida en los exámenes parciales, una nota conceptual individual por la asistencia y participación del alumno en las clases, y la calificación del proyecto de diseño PRACTICAS EN GABINETE / LABORATORIO / CAMPO Algunas de las actividades prácticas se llevan a cabo en el laboratorio de computación (lacinqui, con 40 computadoras personales). VIAJES DE ESTUDIO No se realizan METODOLOGÍA DE LA ENSEÑANZA Los alumnos aprenden y utilizan los programas comerciales Aspen Plus y GAMS, de los cuales reciben un curso introductorio. Además se les provee información sobre varios paquetes adicionales. Se posee licencias de Aspen para todas las computadoras del laboratorio de computación del DIQ. Con GAMS se trabaja con la versión demo la cual es suficiente. Dependiendo del número de alumnos, los proyectos se realizan en forma individual o en comisiones de dos alumnos. Los proyectos siempre implican el desarrollo de modelos de plantas completas, ya sea de simulación u optimización. A Ñ O P R O F E S O R R E S P O N S A B L E A Ñ O P R O F E S O R R E S P O N S A B L E (f i r m a a c l a r a d a) (f i r m a a c l a r a d a) Dr. A. Bandoni V I S A D O C O O R D I N A D O R A R E A S E C R E T A R I O A C A D E M I C O D I R E C T O R D E D E P A R T A M E N T O Dra. Marisa PEDERNERA Dra. Verónica BUCALÁ FECHA: Agosto FECHA: FECHA