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SCPQ - Simulación y Control de Procesos
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1 Unidad responsable: EUETIB - Escuela Universitaria de Ingeniería Técnica Industrial de Barcelona Unidad que imparte: EQ - Departamento de Ingeniería Química Curso: Titulación: 2015 GRADO EN INGENIERÍA QUÍMICA (Plan 2009). (Unidad docente Obligatoria) Créditos ECTS: 6 Idiomas docencia: Catalán, Inglés Profesorado Responsable: Otros: Moisés Graells Sobré, Francesc Estrany Coda Moisés Graells Sobré, Francesc Estrany Coda, Montserrat Pérez, Margarita Sánchez Horario de atención Horario: Generalmente, la hora anterior al inicio de la clase i la hora posterior. Capacidades previas Capacidad suficiente de comunicación escrita. Aprendizaje autónomo. Requisitos Ingeniería Química Control Industrial y Automatitzación Fisicoquímica Operaciones de Transferencia de Calor Experimentación en Ingeniería Química I Competencias de la titulación a las cuales contribuye la asignatura Específicas: 2. Capacidad para el análisis, diseño, simulación y optimización de procesos y productos. Transversales: 1. USO SOLVENTE DE LOS RECURSOS DE INFORMACIÓN - Nivel 3: Planificar y utilizar la información necesaria para un trabajo académico (por ejemplo, para el trabajo de fin de grado) a partir de una reflexión crítica sobre los recursos de información utilizados. Metodologías docentes La asignatura utiliza la metodología expositiva en un 20%, el trabajo en grupo en el laboratorio en un 5%, el trabajo individual en un 45%, el trabajo en grupos en un 30%. La competencia en uso solvente del recurso de la información, que es la que le corresponde calificar a esta asignatura, se evaluará dentro del trabajo del estudiante al realizar los ejercicios que se le encarguen durante el cuatrimestre, así como dentro de la realización del examen final. Objetivos de aprendizaje de la asignatura Saber simular procesos y operaciones industriales 1 / 11
2 Capacidad para utilizar simuladores comerciales de procesos. Utilizar las herramientas de la ingeniería moderna más adecuadas en cada caso. Comprender y analizar la dinámica de los procesos químicos. Comprender, saber tipificar y saber predecir la respuesta de los procesos químicos en las perturbaciones y las acciones de control. Modelar procesos dinámicos y proceder al diseño básico de los sistemas de automatización y control. Conocer y aplicar los métodos para el ajuste de sistemas de control. Horas totales de dedicación del estudiantado Dedicación total: 150h Horas grupo grande: 60h 40.00% Horas grupo mediano: 0h 0.00% Horas grupo pequeño: 0h 0.00% Horas actividades dirigidas: 0h 0.00% Horas aprendizaje autónomo: 90h 60.00% 2 / 11
3 Contenidos (CAST) Tema 1. Introducció Modelización, simulación, optimización y toma de decisiones. Definiciones: Modelo, variable, parámetros, restricciones y función objetivo. Limitación de los modelos. El tiempo de cálculo como variable del problema. Cálculos preliminares: estimaciones, acotaciones y heurísticas. Ejercicios. Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo. (CAST) Tema 2. Balance de matéria en estado estacionario La hoja de cálculo. Justificación de la utilización de esta herramienta. Interfase de usuario. Control de variables, parámetros y restricciones. Programación de macros. Grados de libertad. Limitaciones del modelo. Ejercicios prácticos. Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo. 3 / 11
4 (CAST) Tema 3. Balance de energía en estado estacionario Cálculo de las temperaturas de las corrientes de proceso. Suposiciones y limitaciones del modelo. Capacidades caloríficas en función de la temperatura. Integración numérica y programación de funciones de usuario. Ejercicios prácticos. Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo. (CAST) Tema 4. Modelos y modelización El modelo como abstracción de la realidad. Modelos gráficos. Analogías con modelos cartográficos. Propósito y utilidad de los modelos. Nivel de detalle. Limitación de los modelos. Elección del modelo. Posibles errores derivados de la elección del modelo. Ejercicios. Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo. 4 / 11
5 (CAST) Tema 5. Cálculo de propiedades físicas Gas ideal y gas de Van der Waals. Resolución iterativa de la ecuación cúbica. Ecuación de Peng-Robinson. Equilibrio Líquido-Vapor (ELV). Ecuación de Antoine y ajuste de parámetros con la herramienta Solver. Regresión no lineal. Caso general: reconciliación de datos. Software disponible para el cálculo de propiedades (Add-ins gratuitos, Bases de datos comerciales, etc.). Ejercicios prácticos. Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado estacionario. Aprender a programar funciones de usuario para la resolución numérica de las ecuaciones de los modelos y para el cálculo de propiedades termodinámicas. Aprender a ajustar los parámetros de un modelo. (CAST) Tema 6. Simuladores comerciales - I Introducción a HYSYS. Componentes, base de datos y componentes hipotéticos. Modelos termodinámicos (Fluid Package) sus limitaciones. Ejemplos. Corrientes de proceso, operaciones y diagrama de flujo. Operación mezclador. Estudio de los grados de libertad. Ejercicios prácticos. Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para simular procesos en estado estacionario. Aprender a reconocer las limitaciones de los modelos simulados ya detectar los errores de modelado. 5 / 11
6 (CAST) Tema 7. Simuladores comerciales - II Simulación de operaciones. Destilación multicomponente. Simulación paso a paso. Grados de libertad. Especificaciones. Visualización y análisis de resultados. Perfiles de separación. Simulación de opciones de mejora. Definición de una función objetivo. Herramienta Case Study. Ejercicios prácticos. Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para simular procesos en estado estacionario. Aprender a reconocer las limitaciones de los modelos simulados ya detectar los errores de modelado. (CAST) Tema 8. Simuladores comerciales - III Simulación de procesos. Simulación secuencial-modular. Conexión de módulos. Errores de modelado y conveniencia de estimaciones preliminares. Ejemplo: Integración energética y violación del segundo principio. Ejercicios prácticos. Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para simular procesos en estado estacionario. Aprender a reconocer las limitaciones de los modelos simulados ya detectar los errores de modelado. 6 / 11
7 (CAST) Tema 9. Simuladores comerciales - IV Sistemas con reacción química. Modelos de HYSYS: Conversión, Equilibrio, Cinético. Sistemas con recirculación y cálculo de la corriente de recirculación. Ejercicios prácticos con HYSYS. Software comercial: apuntes sobre ASPEN Plus, PRO / II, Chemcad, prosa, SuperPro Designer y el mercado de los simuladores de procesos. Ejercicios prácticos. Ejercicios de casos prácticos relacionados con el contenido del tema, realizados en soporte Hysys y APENPlus. Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para simular procesos en estado estacionario. Aprender a reconocer las limitaciones de los modelos simulados ya detectar los errores de modelado. (CAST) Tema 10. Procesos dinámicos Desarrollo de un ejemplo simple de proceso dinámico discontinuo: el reactor discontinuo. Resolución de ecuaciones diferenciales en Excel (Euler y RK4). Efecto y elección del paso de integración. Programación de funciones de usuario. Generalidad del método numérico. Procesos continuos y discontinuos. Ejercicios prácticos. Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado transitorio. (CAST) Tema 11. Balance de materia en procesos continuos en estado transitorio Grupo grande/teoría: 2h Aprendizaje autónomo: 6h Planteamiento general del balance de materia de un proceso en estado transitorio. Variables, parámetros y restricciones. Simulación de la evolución del sistema a partir de una perturbación. Grados de libertad. Limitaciones del modelo. Ejercicios prácticos. Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado transitorio. 7 / 11
8 (CAST) Tema 12. Balance de energía en procesos continuos en estado transitorio Dedicación: 7h 30m Grupo grande/teoría: 2h Grupo pequeño/laboratorio: 2h 30m Aprendizaje autónomo: 3h Planteamiento general del balance energético de un proceso en estado transitorio. Variables, parámetros y restricciones. Simulación de la evolución del sistema a partir de una perturbación. Grados de libertad. Limitaciones del modelo. Ejercicios prácticos. Aprender a modelizar, analizar y simular procesos químicos en estado transitorio. (CAST) Tema 13. Simuladores comerciales para procesos dinámicos - I Dedicación: 7h 30m Grupo grande/teoría: 2h Grupo pequeño/laboratorio: 2h 30m Aprendizaje autónomo: 3h Simulación dinámica en HYSYS a partir de una simulación en estado estacionario. Incorporación de los elementos adicionales del modelo dinámico: válvulas y holdups (inercias). Balance de presiones. Herramientas de ejecución y visualización (Integrator, StripCharts, etc.). Simulación en lazo abierto de ejemplos simples. Ejercicios prácticos. Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para trabajar con procesos en estado transitorio. 8 / 11
9 (CAST) Tema 14. Simuladores comerciales para procesos dinámicos - II Dedicación: 7h 30m Grupo grande/teoría: 2h Grupo pequeño/laboratorio: 2h 30m Aprendizaje autónomo: 3h Estudio de transitorios. Simulación de perturbaciones al azar. Registro y tratamiento de datos aplicado a la simulación dinámica de un proceso. Ejercicios prácticos. Aprender a utilizar simuladores comerciales de procesos para trabajar con procesos en estado transitorio. (CAST) Tema 15. Acciones de Control El lazo de Control en una Planta Industrial Química. Definición de las acciones de control. Análisis de la respuesta de cada una de las acciones de control (PID) en lazo abierto. Simulación de la respuesta de un controlador PID en lazo abierto y en lazo cerrado. Estudio del efecto de cada una de las acciones de control en la respuesta del sistema de control en lazo cerrado. Conocer el efecto de cada acción de control (PID) en la respuesta del lazo cerrado de control y obtener el criterio necesario para estimar de forma cualitativa la acción o acciones más adecuadas para la regulación de cada variable de proceso. 9 / 11
10 (CAST) Tema 16. Simuladores comerciales aplicados a los Sistemas de Control Control en realimentación en un simulador comercial. Operaciones lógicas en HYSYS. Elementos de gestión (face platas, etc.). Simulación de la regulación automática de un intercambiador de calor en continuo. Ejercicios prácticos. Saber trabajar con simuladores comerciales para poder aplicar cada una de las acciones de control (según los criterios alcanzados en el tema anterior) en procesos de planta industrial química en lazo cerrado. (CAST) Tema 17. Estabilidad y Ajuste de un Sistema de Control 30m Grupo grande/teoría: 2h 30m Aprendizaje autónomo: 6h Criterios de estabilidad de un sistema. Estabilidad absoluta y estabilidad relativa. Métodos de ajuste de controladores en realimentación o lazo cerrado (tuning). Ejemplos desarrollados en EXCEL. Conocer los métodos de ajuste de las Acciones de Control, y saber trabajar aplicarlos a procesos en lazo cerrado. Aprender a ajustar los parámetros de un controlador PID. (CAST) Tema 18. Simuladores comerciales aplicados al ajuste de Sistemas de Control Dedicación: 15h Grupo grande/teoría: 6h Aprendizaje autónomo: 9h Métodos de ajuste de controladores en lazo cerrado. Aplicación al intercambiador de calor en continuo. Ejercicios prácticos en HYSYS. Saber trabajar con simuladores comerciales para aplicarlos a procesos en lazo cerrado, logrando el criterio necesario para comprender el algoritmo de ajuste del controlador PID, aplicado por el simulador. 10 / 11
11 Normas de realización de las actividades Las pruebas deberán realizarse individualmente en un Aula Informática. Consistirán en la elaboración de soluciones a un ejercicio propuesto de Simulación y regulación de un proceso y deberán presentarse en forma de soporte informático como un ejercicio elaborado con el programa de simulación pertinente, dentro del plazo de tiempo prefijado por los profesores. Bibliografía Básica: Finlayson, Bruce A. Introduction to chemical engineering computing. Hoboken, N.J: Wiley Interscience, cop ISBN Liengme, Bernard V.; Ellert, David J. A Guide to Microsoft Excel 2007 for scientists and engineers. London: Elsevier/AP, ISBN Billo, E. Joseph. Excel for scientists and engineers : numerical methods. West Sussex: John Wiley and Sons, ISBN Lewis, Paul H.; Yang, Chang. Sistemas de control en ingeniería. Madrid [etc.]: Prentice Hall, cop ISBN Stephanopoulos, George. Chemical Process Control : an introduction to theory and practice. Wilmington, [etc.]: Prentice- Hall, ISBN Complementaria: Seider, Warren D.; Lewin, Daniel R.; Seader, J. D. Product and process design principles : synthesis, analysis, and evaluation. 3th ed. Hoboken: John Wiley & Sons, cop ISBN Umez-Eronini, Eronini. Dinámica de sistemas y control. México: International Thomson, cop ISBN X. 11 / 11

References: resolución 
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