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Modelado, Simulación y Optimización de Procesos Químicos – Aguirre, Benz

Publicado: 2009-10-11 01:37:43

Modelado, Simulación y Optimización de Procesos Químicos (                                                                     

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Dr. Pío Antonio Aguirre, Dra. Sonia Judith Benz

CAPÍTULO I: "INTRODUCCIÓN A LOS MÉTODOS INFORMÁTICOS APLICADOS AL MODELADO EN INGENIERÍA"
I.1. INTRODUCCIÓN
I.2. EVOLUCIÓN HISTÓRICA
I.3. MÉTODOS NUMÉRICOS COMO HERRAMIENTA PARA EL MODELADO DE PROCESOS EN INGENIERÍA QUÍMICA
I.4. MODELOS "NO CONVENCIONALES"
I.5. SISTEMAS DE GERENCIAMIENTO DE INFORMACIÓN
I.6. PARADIGMAS INFORMÁTICOS
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

CAPITULO II: "INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE PROCESOS QUÍMICOS. BREVES NOCIONES"
II.1. INTRODUCCIÓN
II.2. ETAPAS EN LA TAREA DE DISEÑO
II.3. LA TAREA DE SÍNTESIS DE PROCESOS QUÍMICOS
II.3.1. Síntesis de la red de intercambiadores
II.3.2. Síntesis de sistemas de separación
II.4. EJ.: BREVE NOCIÓN DE TÉCNICA DE SÍNTESIS APLICADAS A UN PROCESO DE DESALACIÓN DE AGUAS DE MAR
II.5. ETAPAS EN LA INGENIERÍA DE PROCESOS
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA CITADA O RECOMENDADA

CAPITULO III: "REVISIÓN DE MÉTODOS NUMÉRICOS APLICABLES EN SIMULACIÓN DE PROCESOS EN ESTADO ESTACIONARIO"
III.1. CONCEPTOS BÁSICOS
III.2. MÉTODOS BÁSICOS. DISCUSIÓN DE LA CONVERGENCIA
III.3. PRINCIPALES MÉTODOS
III.3.1. El método de Bisección
III.3.2. Métodos de Newton-Raphson. Usos de la Derivadas de la Función
III.3.3. Sustitución directa o Aproximaciones Sucesivas
III.3.4. Procedimiento de Wegstein
III.3.5. Uso de Fracciones Continuadas
III.4. SOLUCIÓN DE SISTEMAS DE ECUACIONES LINEALES SIMULTANEAS
III.4.1. Planteo del Problema. Teoremas Básicos
III.4.2. Métodos Directos
III.4.3. Métodos Iterativos
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

CAPITULO IV:" SISTEMAS DE ECUACIONES DE GRAN DIMENSIÓN Y POCO DENSOS"
IV.1. INTRODUCCIÓN
IV.2. RESOLUCIÓN NUMÉRICA DE SISTEMAS DE ECUACIONES NO LINEALES
IV.2.1. Métodos de Newton-Raphson. Linealización
IV.2.2. Matrices tridiagonales. Método de Thomas
IV.2.3. Extensión del método de Thomas a matrices tridiagonales en Bloque
IV.2.4. Método de sustitución directa o aproximaciones sucesivas
IV.3. ANÁLISIS ESTRUCTURAL DE SISTEMAS DE ELEVADA DIMENSIÓN
IV.3.1. Algoritmo de Steward para la determinación del conjunto de salida
IV.3.2. Especificaciones de Variables y Grados de Libertad de un Sistema de Ecuaciones
IV.3.3. Algoritmos para selección de Variables a Especificar
IV.3. 4. Sistemas Cíclicos
IV.4. ALGORITMOS DE PARTICIONADO, RASGADO Y ORDENAMIENTO. ARQUITECTURA MODULAR SECUENCIAL
IV.5. MÉTODO DE PARTICIONADO DE NORMAN (1965)
IV.6. ALGORITMO DE PARTICIONADO DE KEHAM Y SHACHAM
IV.7. RASGADO DEL DIAGRAMA DE FLUJOS O GRAFO
V.8. ALGORITMO DE BARKELEY Y MOTARD (1972)
IV.9. ETAPA DE ORDENAMIENTO
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA CITADA
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

CAPITULO V: "SIMULACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS"
V.1. INTRODUCCIÓN
V.2. CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS DE SIMULACIÓN
V.3. SIMULADORES DE PROCESOS QUÍMICOS COMPLEJOS
V.3.1. Simuladores de procesos en estado estacionario modulares secuenciales vs. Simuladores globales
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA CITADA O RECOMENDADA

CAPITULO VI: " INTRODUCCIÓN A LAS CARACTERÍSTICAS DE UN SIMULADOR MODULAR SECUENCIAL"
VI.1. ESTRUCTURA DE UN SIMULADOR MODULAR SECUENCIAL EN ESTADO ESTACIONARIO
VI.2. MODELADO DE EQUIPOS PARA SIMULACIÓN DE PROCESOS. PROGRAMACIÓN DE MÓDULOS DE SIMULACIÓN
VI.3. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DISTINTOS MÓDULOS DE EQUIPOS PRESENTES EN UN SIMULADOR MODULAR DE PROCESOS QUÍMICOS
VI.4. ASPECTOS BÁSICOS A TENER EN CUENTA EN EL USO DE UN SIMULADOR DE PROCESOS MODULAR SECUENCIAL EN ESTADO ESTACIONARIO
BIBLIOGRAFÍA CITADA
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

CAPITULO VII: " PROPIEDADES TERMODINÁMICA DE EQUILIBRIO"
VII.1. INTRODUCCIÓN
VII.1.1. Sistemas termodinámicos
VII.1.2. Equilibrio líquido-vapor
VII.2. CORRELACIONES PARA LA ESTIMACIÓN DE LA PRESIÓN DE VAPOR
VII.2.1. Ecuación de Antoine
VII.2.2. Ecuación de Miller modificada
VII.2.3. Ecuación de Wagner
VII.2.4. Ecuación de Frost-Kalkwarf-Thodos
VII.2.5. Ecuación de Lee y Kesler
VII.2. 6. Ecuación de Gómez-Nieto y Thodos
VII.2.7. Estimación de presión de vapor de cortes de petróleo
VII.3. EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR EN SISTEMAS SEMI-IDEALES
VII.3.1. Propiedades termodinámicas de mezclas ideales a bajas presiones
VII.3.2. Propiedades termodinámicas de mezclas ideales a presiones bajas a moderadas
VII.4. EQUILIBRIO DE FASES EN SISTEMAS NO IDEALES
VII.4.1. Teoría de soluciones regulares y correlaciones de Chao-Seader y Grayson- Streed
VII.4.2. Ecuaciones que describen coeficientes de actividad de la fase líquida
VII.4.3. Ecuación de Margules
VII.4.4. Ecuación de Van Laar
VII.4.5. Ecuación de Wilson
VII.4.6. Ecuación NRTL
VII.4.7. Ecuación UNIQUAC
VII.4.8. El método UNIFAC
VII.4.9. Uso de datos experimentales para calcular constantes
VII.4.9.1. Coeficientes de actividad a partir del azeótropo
VII.4.9.2. Coeficientes de actividad a partir de los datos de la curva de equilibrio líquido-vapor
VII.4.9.3. Coeficientes de actividad a partir de la discrepancia de energía libre
VII.4.9.4. Coeficientes de actividad a dilución infinita
VII.4.9.5. Correlación de Pierotti, Deal y Derr para estimar coeficientes de actividad a dilución infinita
VII.5. EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR A ALTAS PRESIONES
VII.5.1. Modelos para la fase vapor a presiones altas
VII.5.2. Fenómenos críticos en las mezclas a altas presiones
VII.6. SELECCIÓN DEL MÉTODO PARA LA PREDICCIÓN DE PROPIEDADES DEL EQUILIBRIO LIQUIDO-VAPOR
BIBLIOGRAFÍA CITADA O RECOMENDADA

CAPITULO VIII: " ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES TERMODINÁMICA"
VIII.1. INTRODUCCIÓN
VIII.1.1. Entalpías de exceso
VIII.2. MÉTODOS PARA LA ESTIMACIÓN DEL CALOR LATENTE DE VAPORIZACIÓN
VIII.2.1. Correlaciones para calor latente de vaporización basadas en la ecuación de Clausius-Clapeyron
VIII. 2.2. Correlaciones para calor latente de vaporización basadas en la ley de estados correspondientes
VIII.2.3. Correlación de Pitzer modificada
VIII.2.4. Correlación de Riedel
VIII.2.5. Influencia de la temperatura en el calor latente de vaporización
VIII.2.6. Calor latente de vaporización de mezclas de líquidos
VIII.3. MÉTODOS PARA LA ESTIMACIÓN DE LA CAPACIDAD CALORÍFICA
VIII.3.1. Capacidad calorífica de gases ideales
VIII.3.2. Capacidad calorífica de mezclas de gases ideales
VIII.3.3. Capacidad calorífica de líquidos puros
VIII.3.3.1. Método de Rowlinson
VIII.3.3.2. Método de Missenard
VIII.3.3.3. Capacidad calorífica de mezclas de líquidos
VIII.4. DENSIDADES DE LÍQUIDOS
VIII.4.1. Densidades de líquidos puros
VIII.4.1.1. Densidad en el punto normal de ebullición
VIII.4.1.2. Correlación de Hankinson y Thomson
VIII.4.1.3. Método de Rackett modificado
VIII.4.2. Densidades de mezclas de líquidos
VIII.5. ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES TERMODINÁMICA DE TRANSPORTE
VIII.5.1. Viscosidad
VIII.5.1.1. Viscosidad de gases
VIII.5.1.2. Viscosidad de líquidos
VIII.5.2. Conductividad térmica de gases a baja presión
VIII.5.3. Conductividad térmica de mezclas de gases a baja presión
VIII.5.4. Conductividad térmica de líquidos
VIII.5.5. Coeficientes de difusión
BIBLIOGRAFÍA

CAPITULO IX: " MODULO PARA LA SIMULACIÓN DE EVAPORADORES FLASH"
IX.1. INTRODUCCIÓN
IX.2. FLASH ISOTÉRMICO
IX.3. FLASH ADIABÁTICO
IX.4. FLASH A FRACCIÓN DE VAPORIZACIÓN DADA
IX.5. OTRAS ESPECIFICACIONES PARA EL EQUIPO FLASH
IX.6. OTRAS APLICACIONES DE LOS ALGORITMOS PARA SIMULACIÓN DE EVAPORADORES FLASH
IX.6.1. Separadores líquido-líquido
IX.6.2. Temperatura de burbuja
IX.6.3. Temperatura de rocío
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA CITADA
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

CAPITULO X: "MODELADO DE EQUIPOS DE SEPARACIÓN MULTICOMPONENTES EN CASCADAS CONTRACORRIENTE MÚLTIPLE ETAPA"
X.1. INTRODUCCIÓN
X.2. MÉTODOS DE RESOLUCIÓN APROXIMADOS
X.3. MÉTODOS ETAPA A ETAPA
X.4. MÉTODOS DE RESOLUCIÓN MATRICIALES (SEMIRIGUROSOS)
X.5. MÉTODOS RIGUROSOS DE RESOLUCIÓN SIMULTANEA
X.5.1. Sistema de Ecuaciones
X.5.2. Estructura del jacobiano
X.5.3. Procedimiento numérico de resolución
X.5.4. Opciones estructurales
X.6. MÉTODOS JERÁRQUICOS CON DOS NIVELES DE ITERACIÓN (INSIDE-OUT)
X.7. MÉTODOS DE RELAJACIÓN
X.8. MÚLTIPLES SOLUCIONES EN EQUIPOS DE SEPARACIÓN MULTICOMPONENTE MÚLTIPLE ETAPA
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA CITADA

CAPITULO XI: "OPTIMIZACIÓN"
XI.1. INTRODUCCIÓN
XI.2. FORMULACIÓN DEL MODELO
XI.2.1. EJEMPLO: Planificación de Producción de una Refinería
XI.2.1.1. Modelado del Ejemplo
XI.3. TEORÍA Y ALGORITMOS DE OPTIMIZACIÓN
XI.3.1. Programación Lineal
XI.3.1.1. Representación y Solución Gráfica de LP
XI.3.1.2. El algoritmo SIMPLEX
XI.3.2. Programación no lineal
XI.3.2.1. Teoría clásica de la programación no lineal
XI.3.2.1.1. Programas matemáticos no condicionados
XI.3.2.1.2. Programas matemáticos condicionados por igualdades
XI.3.2.1.3. Problemas condicionados por desigualdades
XI.3.2.2. Algoritmos para resolver NLP
XI.3.2.2.1. Algoritmos para NLP univariables sin restricciones
XI.3.2.2.2. Algoritmos para NLP sin restricciones multivariables
XI.3.2.2.3. Algoritmos para NLP con restricciones
EJERCICIOS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA
APENDICE

CAPITULO XII: "OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS POR COMPUTADORA"
XII.1. INTRODUCCIÓN
XII.2. EJEMPLOS
XII.2.1. Diseño de un absorbedor
XII.2.2. Diseño de una planta completa
XII.2.3. Un problema de optimización con óptimos locales
XII.3. SIMULACIÓN DE PROCESOS POR COMPUTADORA Y SU RELACIÓN CON OPTIMIZACIÓN. DISTINTOS ENFOQUES
XII.3.1. Enfoque modular secuencial
XII.3.2. Enfoque global
XII.3.3. Enfoque modular simultáneo
XII.4. OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS CON EL ENFOQUE MODULAR SECUENCIAL
XII.4.1. Métodos de caja negra
XII.4.2. Métodos de camino no factible
XII.4.3. Métodos de camino factible
XII.4.4. Métodos híbridos
XII.4.5. Métodos siguiendo el flujo lógico de información
XII.5. OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS CON EL ENFOQUE GLOBAL
XII.6. OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS CON EL ENFOQUE MODULAR SIMULTANEO
EJERCICIOS
BIBLIOGRAFÍA

CAPITULO XIII: "MÉTODOS NUMÉRICOS, APROXIMACIÓN PARA LA SOLUCIÓN DE ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS"
XIII.1. INTRODUCCIÓN
XIII.2. ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS DE ORDEN N
XIII.3. SOLUCIÓN DE ECUACIONES DIFERENCIALES ORDINARIAS DE 1er. ORDEN
XIII.4. APROXIMACIÓN A LA SOLUCIÓN MEDIANTE EXPANSIÓN EN SERIES DE TAYLOR
XIII.5. MÉTODOS EXPLÍCITOS DE RESOLUCIÓN DE EDOs
XIII.5.1. Método de Euler
XIII.5.2. Métodos de Runge-Kutta
XIII.6. MÉTODOS DE MÚLTIPLE PASO
XIII.7. MÉTODOS PREDICTORES-CORRECTORES
XIII.8. SISTEMAS DE ECUACIONES DIFERENCIALES
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA

CAPITULO XIV: "SIMULACIÓN DINÁMICA DE EQUIPOS DE PROCESOS ELEMENTALES"
XIV.1. INTRODUCCIÓN
XIV.2. SIMULACIÓN DINÁMICA DE EQUIPOS SENCILLOS DE PROCESO
XIV.3. MODELO PARA LA SIMULACIÓN DINÁMICA DE UN SEPARADOR FLASH
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA CITADA O RECOMENDADA

CAPITULO XV: " SIMULACIÓN DINÁMICA DE EQUIPOS DE SEPARACIÓN MÚLTIPLE ETAPA EN CONTRACORRIENTE"
XV.1. INTRODUCCIÓN
XV.2. MODELO PARA SISTEMAS DE SEPARACIÓN MÚLTIPLE-ETAPA MULTICOMPONENTE EN CONTRACORRIENTE
XV. 2.1. Sistema de Ecuaciones del Modelo
XV.2.2 . Procedimientos de cálculo
XV.3. EJEMPLOS DE APLICACIONES ESPECIFICAS.
XV.4. DESTILACIÓN BATCH
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA CITADA

CAPITULO XVI: "INTRODUCCIÓN AL CONTROL DE PROCESOS. SISTEMAS DE CONTROL TÍPICOS Y UTILIDAD DE LOS SIMULADORES DINÁMICOS"
XVI.1. INTRODUCCIÓN
XVI.2. NOCIONES BÁSICAS SOBRE CONTROL DE PROCESOS
XVI.2.1. Modelado matemático
XVI.2.2. Estructuras utilizadas en control de procesos
XVI.2.3. Ajuste de los controladores Clásicos
XVI.3. NOCIONES BÁSICAS SOBRE ALGORITMOS DE CONTROL AVANZADO
XVI.3.1. Control por realimentación de estados
XVI.3.2. Control óptimo
XVI.3.3. Linealización global exacta de sistemas no lineales
XVI.3.4. Otras estructuras de control avanzado
XVI.4. SIMULACIÓN NUMÉRICA DE LOS PROCESOS CONTROLADOS
XVI.4.1. Estructuras típicas utilizadas en los simuladores dinámicos
XVI.4.2. UN EJEMPLO SIMULADO DE UN SISTEMA DE CONTROL DE NIVELES
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA CITADA

CAPITULO XVII " SIMULACIÓN DINÁMICA DE EQUIPOS ESPECÍFICOS"
XVII.1. INTRODUCCIÓN
XVII.2. EVAPORADOR DE PROPANO
XVII.2.1. Descripción del proceso
XVII.2.2. Construcción del modelo
XVII.2.3. Resolución del modelo
XVII.3. DESALADOR POR EVAPORACIÓN MÚLTIPLE FLASH
XVII.3.1. Descripción del proceso
XVII.3.2. Construcción del modelo
XVII.3.3. Resolución del modelo
XVII.4. REACTOR PRODUCTOR DE SULFOLENO
XVII.4.1. Descripción del proceso
XVII.4.2. Construcción del Modelo
XVII.4.3. Resolución del Modelo
BIBLIOGRAFÍA CITADA

CAPITULO XVIII: "MODELADO DEL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAERÓBICA EN REACTORES SIMPLES"
XVIII.1. INTRODUCCIÓN
XVIII.2. MODELADO DE LOS PROCESOS FUNDAMENTALES EN REACTORES BIOLÓGICOS SIMPLES
XVIII.2.1. Evolución histórica
XVIII.2.2. Modelado de un biodigestor anaeróbico tanque agitado ideal con microorganismos suspendidos
XVIII.2.2.1. Sistema de ecuaciones del modelo
XVIII.2.2.2. Esquema de cálculo
XVIII.3.1. Modelo de reactores tanques agitados en serie con recirculación externa
XVIII.4. INTRODUCCIÓN AL MODELADO DE REACTORES CON BIOFILM
BIBLIOGRAFÍA CITADA

CAPITULO XIX: "MÉTODOS, ESCTRUCTURAS Y MODELOS PARA LA SIMULACIÓN DE PROCESOS BATCH"
XIX.1. INTRODUCCIÓN
XIX.2. EL ROL DE LOS PROCESOS BATCH EN LA INDUSTRIA QUÍMICA
XIX.3. APLICACIÓN DE LA SIMULACIÓN EN LA INGENIERÍA DE PROCESOS BATCH
XIX.4. CARACTERÍSTICAS DE LOS PROCESOS BATCH
XIX.5. MODELOS DE TIEMPOS Y FACTORES DE REQUERIMIENTOS
XIX.6. MODELOS DE ETAPAS INDIVIDUALES BASADOS EN LOS PRIMEROS PRINCIPIOS
XIX.7. LOS SISTEMAS DE SIMULACIÓN
XIX.8. CARACTERIZACIÓN DE UN PROCESO QUÍMICO DISCONTINUO (DESDE EL PUNTO DE VISTA DE LOS SISTEMAS DE SIMULACIÓN)
XIX.9. SIMULACIÓN CONTINUA-DISCRETA COMBINADA
XIX.10. SIMULACIÓN DINÁMICA DESACOPLADA
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA

CAPITULO XX: "MEDICIÓN Y ESTIMACIÓN EN PROCESOS CONTROLADOS"
XX.1. INTRODUCCIÓN
XX.2. MEDICINA DE VARIABLES DE PROCESO
XX.2.1. Mediciones "en linea" y " de linea"
XX.2.2. Nociones básicas sobre transmisión de mediciones
XX.2.3. Ruidos típicos de medición
XX.2.4. Simulación numérica de la mediciones
XX.3. ESTIMACIÓN DE VARIABLES DE PROCESO NO MEDIBLES.
XX.3.1. Observadores
XX.3.2. Un estimador líneal óptimo: el filtro de Kalman
XX.4. MÉTODOS NUMÉRICOS DE ESTIMACIÓN PARA PROBLEMAS "MAL CONDICIONADOS"
XX.4.1. Técnicas determinísticas de inversión numérica
XX.4.2. Técnicas estocásticas de inversión numérica
XX.4.3. Ejemplos Simulados
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA

CAPITULO XXI: "SIMULACIÓN DINÁMICA EN TIEMPO REAL"
XXI.1. INTRODUCCIÓN
XIX.2. CARACTERÍSTICAS GENERALES DE UN SIMULADOR EN TIEMPO REAL
XXI.3. CONSTRUCCIÓN DE UN SIMULADOR DE TIEMPO REAL
XXI.3.1. Tiempo real
XXI.3.2. Ruidos y Fallas
XXI.4. PASTEURIZADOR HTST.1.0
XXI.4.1. Descripción del proceso
XXI.4.2. Propiedades fisicoquímicas
XXI.5. MODELO DEL PROCESO
XXI.6. EL SIMULADOR HTST 1.0
XXI.6.1. Introducción
XXI.6.2. La interfaz
XXI.6.3. Aplicaciones
PROBLEMAS PROPUESTOS
BIBLIOGRAFÍA

                                                                     

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