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SÍNTESIS DE ESQUEMAS DE PROCESOS

Diseño Óptimo I -2021

Scene 2 (18s)

Síntesis de esquemas de procesos

QUE SIGNIFCA EL TÉRMINO SÍNTESIS?

SÍNTESIS

ANÁLISIS Separación de un todo en sus partes constitutivas

Scene 3 (1m 1s)

Síntesis de esquemas de procesos

Síntesis de procesos

Definición de un esquema tecnológico

Alcanzar metas prefijadas u objetivos

Condiciones de contorno. Marco referencial

QUE SIGNIFCA EL TÉRMINO SÍNTESIS DE PROCESOS?

A través del cual…

Dentro de…

Scene 4 (1m 42s)

Síntesis de esquemas de procesos

Para lograr la síntesis de esquemas de procesos existen en general dos instancias (búsquedas):

1 2

-Naturaleza de los componentes del proceso. -Interrelaciones entre ellos.

-Determinar dimensiones físicas y condiciones operativas para cada uno de los componentes del esquema de proceso

Scene 5 (2m 38s)

Síntesis de esquemas de procesos

EXPLORACION DENTRO DEL UNIVERSO DE CONFIGURACIONES POSIBLES EN COLUMNAS DE DESTILACIÓN

Scene 6 (3m 41s)

Síntesis de esquemas de procesos

EXPLORACION DENTRO DEL UNIVERSO DE CONFIGURACIONES POSIBLES EN SISTEMAS DE REDES DE INTERCAMBIO TERMICO

Scene 7 (5m 16s)

Síntesis de esquemas de procesos

SINTESIS DE REDES DE INTERCAMBIO TERMICO

Se tienen : - n c corrientes calientes ( F ci , Cp ci , Te ci , Ts ci ) - n f corrientes frías ( F fi , Cp fi , Te fi , Ts fi ) - medios auxiliares de calefacción y enfriamiento - equipos de tubo y camisa, simple paso, contracorriente

Scene 8 (6m 19s)

Síntesis de esquemas de procesos

SINTESIS DE REDES DE INTERCAMBIO TERMICO

Se desea : Estructurar un sistema capaz de cumplimentar las exigencias planteadas, con un mínimo costo total.

Costo total = Amortización de los equipos + Costo de Servicios Auxiliares

Scene 9 (7m 33s)

Síntesis de esquemas de procesos

UNIVERSO DE CONFIGURACIONES POSIBLES

Combinación de equipos involucrando servicios auxiliares y corrientes. Viabilidad termodinámica.

ESPACIO DE ESPECIFICACIONES DE LA CONFIGURACION Definir: Caudales que ingresan a los equipos. Dimensiones de los equipos. Temperaturas de las corrientes. Caudales de los medios auxiliares.

Scene 10 (8m 13s)

Síntesis de esquemas de procesos

Esta doble búsqueda requiere aplicar herramientas metodológicas idóneas y que sean eficientes . Estas herramientas son:

ESTRATEGIA POR DESCOMPOSICION 1

BUSQUEDA HEURÍSTICA 2

TECNICAS EVOLUTIVAS 3

OPTIMIZACION GLOBAL 4

En general es muy poco frecuente encontrar métodos que utilicen exclusivamente una de ellas.

Scene 11 (9m 1s)

Síntesis de esquemas de procesos

ESTRATEGIA POR DESCOMPOSICION 1

RESUMIDO EN LA MÁXIMA LATINA UTILIZADA POR JULIO CESAR:

DIVIDE ET IMPERA (se pronuncia dívide et ímpera )

Scene 12 (9m 27s)

Síntesis de esquemas de procesos

ESTRATEGIA POR DESCOMPOSICION 1

Todo este proceso de reducción conduce siempre a sub problemas que poseen una solución tecnológica inmediata

Scene 13 (10m 19s)

Intento de descomposición 1

Intento de descomposición 2

Cada intento de descomposición conduce a la síntesis del esquema de proceso A pero con diferente valoración técnico - económica

Síntesis de esquemas de procesos

ESTRATEGIA POR DESCOMPOSICION 1

Scene 14 (12m 0s)

En este ejemplo los círculos representan sub problemas que carecen de solución tecnológica inmediata y con un cuadrado donde si la hay. También se asume que cada instancia genera problemas parciales con menor grado de complejidad que el nivel anterior.

Aquí hemos definido la estructura del esquema de proceso (PRIMERA INSTANCIA). Quedaría la segunda instancia que es seleccionar las condiciones operativas.

Una solución a problema de diseño A

Otra solución a problema de diseño A

Como Se Podría Lograr Una Mayor Eficiencia En El Proceso De Búsqueda?

Se podría lograr, estimando durante el proceso de reducción, el valor de la función objetivo planteada. El problema es que se deberá poder estimar el valor de la función objetivo para un problema con una estructura tecnológica definida solo en forma parcial.

Síntesis de esquemas de procesos

ESTRATEGIA POR DESCOMPOSICION 1

Scene 15 (13m 49s)

Propusieron un método que exigía que en cada paso de descomposición al menos uno de los sub problemas generados tuviese solución tecnológica inmediata

Para el ejemplo que vimos, según estos autores, la secuencia sería: A = D + E A = (L+M) + E A = (L+(N+O))+E

En el caso de síntesis de redes de intercambio térmico, SRIT, esto se consigue eligiendo una corriente de proceso y planteando un intercambio con otra de distinto tipo o con una fuente auxiliar.

La decisión ahora es: Qué corrientes elegir? ..y cuánto calor intercambiar?

LOS AUTORES PROPONEN UN CONJUNTO DE REGLAS ESTRUCTURADAS EN UNA BUSQUEDA HEURÍSTICA

Síntesis de esquemas de procesos

Búsqueda Heurística ( Masso y Rudd , 1969) 2

Scene 16 (16m 14s)

En qué consisten las técnicas heurísticas???

Las técnicas heurísticas son herramientas que trabajan sobre NUCLEOS DE CONOCIMIENTO , y son capaces de encontrar la solución a un problema (de diseño por ejemplo) por medio de acciones recomendables o admisibles , aunque puedan tener errores. Estas técnicas llevan a cabo la búsqueda de la solución, no basada en algoritmos numéricos, sino en base a un conjunto de experiencias previas en cuestiones similares.

PROCEDIMIENTO BÁSICO DE LAS BUSQUEDAS HEURISTICAS

Síntesis de esquemas de procesos

Búsqueda Heurística ( Masso y Rudd , 1969) 2

Scene 17 (17m 3s)

abstract

No existe aun una estructura definida para el sistema

Existe una posible estructura definida para el sistema

Aplicación, de acuerdo a un cierto esquema jerárquico (orden), de reglas que dirigen el proceso de decisión

Síntesis de esquemas de procesos

Búsqueda Heurística ( Masso y Rudd , 1969) 2

En qué consisten las técnicas heurísticas???

Scene 18 (17m 45s)

Todas las reglas tienen igual valor a lo largo del proceso de búsqueda.

Pueden haber cambios en el orden primitivo de acuerdo a los resultados que se vayan produciendo durante la síntesis.

La existencia de un mecanismo jerárquico ADAPTATIVO implica la adopción de un determinado procedimiento de APRENDIZAJE que actúa realimentando el esquema original de jerarquías.

abstract

Esquema jerárquico Explícito No explicito

Síntesis de esquemas de procesos

Búsqueda Heurística ( Masso y Rudd , 1969) 2

En qué consisten las técnicas heurísticas???

Scene 19 (18m 41s)

Técnicas de búsqueda heurística asociadas a Estrategia por descomposición + criterio de MR

Síntesis de esquemas de procesos

Búsqueda Heurística ( Masso y Rudd , 1969) 2

R1: En todo intercambio debe tratarse de transferir la mayor cantidad de calor posible respetando Los límites impuestos para las temperaturas de salida de cada una de las corrientes Un valor mínimo (aproximación mínima) para la diferencia entre las temperaturas de las corrientes en un mismo punto del intercambiador.

Con esta regla se pretende: -por un lado que en cada intercambio el equipo resulte del mayor tamaño posible aprovechando la economía de escala y reduciendo el numero de equipos -por otro lado la aproximación minina establece un limite máximo sobre el tamaño del equipo evitando que los mismos resulten de dimensiones irrazonables.

Scene 20 (20m 30s)

Síntesis de esquemas de procesos

Búsqueda Heurística ( Masso y Rudd , 1969) 2

Esta regla hace referencia a la amortización del equipo y esto es solo una parte del costo total, que es lo que normalmente se utiliza para definir el esquema de proceso. La otra parte del costo total y que no esta explicitado en la R1 es el consumo de servicios auxiliares que exige la red sintetizada. De hecho el gasto asociado al consumo de servicios auxiliares es en general mas importante que la amortización del equipamiento.

Se deberá plantear una estrategia de síntesis donde se privilegie el consumo de servicios auxiliares por sobre el numero de equipos de intercambio, lo que implica una BUSQUEDA JERARQUICAMENTE ORDENADA

Linnhoff y Hindmarsh (1983) proponen la metodología del Método PINCH para abordar la estructuración de redes de intercambio teniendo en cuenta estas consideraciones.

Scene 21 (22m 27s)

Síntesis de esquemas de procesos

Búsqueda Heurística ( Masso y Rudd , 1969) 2

Para ello se agrega a la R1 este punto fundamental: R2: en la síntesis de la red no se admitirán intercambios entre corrientes que impliquen un incremento, por sobre los valores mínimos, en el consumo de servicios auxiliares.

Se plantean acá dos cuestiones básicas:

Cuáles son para un determinado problema los consumos mínimos de servicios externos ? Como deben definirse los intercambios para no superar esas cantidades?

Scene 22 (23m 6s)

Síntesis de esquemas de procesos

Técnicas evolutivas 3

Esta metodología de búsqueda consiste en: generar sucesivos esquemas de proceso cada uno con pequeñas modificaciones respecto del previo. Pequeñas modificaciones Pequeñas modificaciones

Cuando estas diferencias son pequeñas, entonces se dice que los esquemas son vecinos.

Estas pequeñas alteraciones permitidas en la generación de los sucesivos esquemas son explicitadas por medio de reglas evolutivas.

Scene 23 (23m 46s)

Síntesis de esquemas de procesos

Técnicas evolutivas: ejemplo 3

Supongamos un proceso compuesto de dos etapas en serie y que se han planteado tres reglas evolutivas:

Regla 1: Para la primera etapa usar la tecnología A o D

Regla 2: Para la segunda etapa etapa usar la tecnología B o C

D B A B A C A B 1 2 3

Regla 3: la salida de la segunda etapa ingresa a la entrada de la primera o eliminar el reciclo.

Scene 24 (24m 28s)

Síntesis de esquemas de procesos

Técnicas evolutivas: ejemplo 3

Supongamos un proceso compuesto de dos etapas en serie y que se han planteado tres reglas evolutivas:

D

B

A

B

A

C

A

B

1

2

3

La aplicación de estas reglas de manera sucesiva, generando esquemas vecinos, evolucionando , es lo que ocurre normalmente con cualquier tecnología: mejora como consecuencia de introducir pequeñas modificaciones Si durante todo el proceso de evolución se retienen solo los pasos que significan una mejora real, entonces el proceso conduce al óptimo

Scene 25 (25m 17s)

Síntesis de esquemas de procesos

Técnicas evolutivas 3

La estructura de las técnicas evolutivas requiere: UN ESQUEMA INICIAL 2) UN CONJUNTO DE REGLAS 3) UNA ESTRATEGIA DE EVOLUCION 4) UN METODO DE EVALUACION

La generación de un esquema inicial puede efectuarse por cualquier metodología. Por ejemplo la aplicación de una regla heurística.

El método de evaluación no requiere de mayor especificidad que el de ser adecuado PARA EL TIPO DE PROBLEMA QUE SE TRATE.

Scene 26 (26m 2s)

Síntesis de esquemas de procesos

Técnicas evolutivas 3

Al conjunto de reglas evolutivas se les exige que sean:

1) EFICIENTES: solo deben generar aquellos esquemas posibles o deseables.

2) COMPLETAS: cualquier esquema de la red puede ser generado por la aplicación de una determinada secuencia de reglas tomando a otro cualquiera como esquema inicial.

3) REVERSIBLES: una regla no solo debe considerar la modificación que introduce sino la anulación de la misma

4) RAZONABLES: los cambios que se proponen en cada regla debes ser significativos pero de tal magnitud que produzcan solo una variación mínima entre un esquema y otro (vecindad).

Scene 27 (27m 0s)

Síntesis de esquemas de procesos

Técnicas evolutivas 3

En relación a la estrategia de evolución hay varios enfoques:

1) Generar todos los vecinos del esquema en curso y evaluarlos uno a uno. Luego elegir de los generados el mejor, si éste supera al original se reitera el procedimiento. Sino, la búsqueda termina.

2) Generar todos los vecinos pero evaluar solo aquel que alguna regla heurística por ejemplo indique como mejor de los generados. S es mejor que el original, se toma como nuevo punto de partida. Sino, se elige el segundo mejor, el tercero, etc…hasta que: o se supera al original o bien es el esquema buscado.

3) Aplicar selectivamente una sola regla evolutiva, generando solo el vecino correspondiente y reteniéndolo si es mejor que el del origen. Sino, se comienza con la aplicación de la segunda regla y así sucesivamente. Si se agotan las reglas se da por terminado el proceso.

4) Evaluar la totalidad del árbol de esquemas posibles. Solo aplicable a problemas de pequeña magnitud.

EVALUAR EL ESQUEMA GENERADO = DETERMINAR LAS CONDICIONES OPTIMAS DE DISEÑO Y OPERACIÓN.

Scene 28 (28m 43s)

Síntesis de esquemas de procesos

Optimización global 4

Esta técnica de SINTESIS DE PROCESOS abarca las metodologías donde se plantean simultáneamente: La estructura del sistema Sus dimensiones físicas Las condiciones de operación

Para lograr esto se trabaja sobre lo que se llama: SUPERESQUEMAS

SUPERESQUEMAS ESTRUCTURAS QUE CONTIENEN EN SI TODAS LAS ALTERNATIVAS POSIBLES

La búsqueda de la mejor estructura se realiza introduciendo o eliminando una determinada parte o subestructura . Se utilizan para ello variables discretas, 0 o 1, ausentes o presentes, respectivamente.

Scene 29 (29m 50s)

Síntesis de esquemas de procesos

Optimización global 4

Ejemplo: el superesquema mostrado corresponde al problema de intercambiar una corriente fría con dos corrientes calientes y los respectivos servicios auxiliares.

r + x(1-r) = 1

r = fracción de la corriente que pasa por el equipo X = variable que indica la existencia (x = 1) o no (x = 0) del bypass

Scene 30 (31m 4s)

Síntesis de esquemas de procesos

Optimización global 4

Este tipo de enfoque requiere tratamiento de alta complejidad, tanto en la formulación del problema como en el tratamiento matemático del mismo ya que se requiere manejar variables continuas y discretas , y disponer de técnicas de búsqueda de óptimos en problemas no lineales.