Simulación de procesos energéticos

PROGRAMA DE ESTUDIOS: SIMULACIÓN DE PROCESOS ENERGÉTICOS
PROTOCOLO
Fechas
Mes/año
Clave
03 – 2007
Nivel
Licenciatura
Aprobación
Ciclo
Aplicación
Colegio
Elaboración
Plan de estudios del que forma parte:
Semestre
1-SE-AE-03
X
9no.
Maestría
Doctorado
Integración
Básico
Superior
H. y C.S.
C. y T.
X
X
C. y H.
Ingeniería en Sistemas Energéticos
Propósito(s) general(es): Que el estudiante conozca la teoría de la optimización, su jerarquización y los requisitos
indispensables para su implementación en problemas concretos de ingeniería. También desarrollará conocimientos
sobre el modelado matemático y la construcción de modelos lineales, realizando la programación de funciones y
variables por medio de hojas de cálculo o software, con la finalidad de resolver problemas sobre optimización en
procesos energéticos.
Carácter
Modalidad
Seminario
Indispensable
Curso
X
Optativa *
Taller
X Curso-taller
Laboratorio
Clínica
Asignaturas Previas
Horas de estudio semestral (16 semanas)
Con
Teóricas
48
Docente
Prácticas
24
Carga horaria semanal:
4.5
Teóricas
48
Prácticas
Carga horaria
semestral:
24
Autónomas
72
Asignaturas Posteriores:
Procesos termodinámicos
Conocimientos: Sobre máquinas térmicas y procesos termodinámicos, álgebra lineal, programación
Requerimientos
básica y hojas de cálculo.
para cursar la
Habilidades: capacidad de abstracción para realizar el modelado de problemas tipo, observación,
asignatura
inferencia e interpretación de resultados de optimización, manejo básico de PC y hojas de cálculo.
Perfil deseable
del profesor:
Licenciatura o Maestría en Ingeniería con conocimientos de termodinámica, máquinas térmicas,
manejo de hojas de cálculo electrónicas y programación básica.
Academia responsable del programa:
Programa de Energía
Diseñador (es):
M. en I. Fernando Gabriel Arroyo Cabañas, Dr. Álvaro
Eduardo Lentz Herrera, Dr. Gerardo Canizal Jiménez y M.
en I. Carlos Chávez Baeza.
*Aquellas en las que se ofrece la posibilidad de cursar una de las asignaturas, para cubrir un requisito INDISPENSABLE
será considerada INDISPENSABLE.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Simulación de procesos energéticos
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PROGRAMA DE ESTUDIOS
SIMULACIÓN DE PROCESOS ENERGÉTICOS
INTRODUCCIÓN
El desarrollo y uso de modelos matemáticos y herramientas avanzadas de simulación y
programación matemática permiten mejorar la síntesis, el análisis y la operación de sistemas de
procesos energéticos. Buscando contribuir en el desarrollo de soluciones alternativas, metodologías
y técnicas de diseño conceptual, análisis y optimización que mejoren la integración de procesos, su
operación, eficiencia y rentabilidad global. Los problemas de interés para las industrias química y
petroquímica, así como en la de generación de potencia. Se busca alcanzar resultados particulares
que permitan la conservación y el uso eficiente de la energía y el agua de proceso, así como la
disminución de los efluentes y sus niveles de contaminación.
PROPÓSITOS GENERALES
Que el estudiante empleé los métodos y técnicas de modelado y optimización, tales que le permitan
simular un proceso energético; e interpretar los resultados obtenidos para obtener un beneficio
económico y técnico del proceso analizado.
PLANECIÓN ESPECÍFICA
UNIDAD 1. INTRODUCCIÓN A LA OPTIMIZACIÓN
Propósitos específicos
Que el estudiante conozca la teoría de la optimización, los niveles y su jerarquía, así como los
requisitos para la aplicación de la teoría de optimización a problemas concretos de ingeniería.
Temas y subtemas
1.1.
1.2.
1.3.
Teoría de la optimización.
Jerarquía de los niveles de optimización.
Requisitos para la aplicación de la teoría de optimización.
UNIDAD 2. MODELADO
Propósitos específicos
Que el estudiante identifique la clasificación de los modelos matemáticos empleados en la
optimización de procesos energéticos, la forma de construirlos y su implementación. Y que conozca
la clasificación de los métodos de simulación a través de modelos lineales y no lineales.
Temas y subtemas
2.1.
Clasificación de los modelos.
Ingeniería en Sistemas Energéticos, Programa de Simulación de procesos energéticos
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2.2. Modelado matemático.
2.2.1 Construcción del modelo.
2.2.2 Implementación del modelo.
2.3. Clasificación de los métodos de simulación.
2.3.1. Modelos lineales y no lineales.
2.3.2. Simulación estacionaria y dinámica.
UNIDAD 3. OPTIMIZACIÓN
Propósitos específicos
Que el estudiante comprenda la estructura de un problema de optimización al determinar su región
factible, los tipos de problema dependiendo del tamaño y número de variables involucradas. Que
desarrolle los procedimientos para resolver problemas de optimización mediante la programación
lineal empleando el método simplex en hojas de cálculo.
Temas y subtemas
3.1. Estructura de un problema de optimización.
3.1.1. Región factible.
3.2. Tipos de problemas.
3.2.1. Tamaño de los problemas.
3.2.2. Algoritmos iterativos y convergencia.
3.2.3. Procedimientos para resolver problemas de optimización.
3.3. Programación lineal.
3.3.1. Formulación del modelo PL.
3.3.2. Modelo PL del problema.
3.3.3. Condiciones especiales de modelos PL.
3.3.4. Modelado y resolución de problemas PL con hojas de cálculo.
3.3.5. Método Simplex.
UNIDAD 4. PROGRAMACIÓN DE OBJETIVOS Y APLICACIONES
Propósitos específicos
Que el estudiante defina la variable de decisión, las funciones objetivo y sus restricciones que están
relacionadas con la simulación y optimización de procesos energéticos, también practicará le método
MINIMAX con la aplicación de los conocimientos adquiridos en un problema específico relacionado a
la optimización de procesos energéticos.
Temas y subtemas
4.1.
4.2.
4.3.
4.4.
4.5.
4.6.
Definición de la variable de decisión.
Definición de los objetivos.
Definición de las restricciones.
Funciones objetivo.
Método MINIMAX.
Aplicación a problemas específicos.
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METODOLOGÍA PARA EL CURSO
La parte inicial de cada una de las unidades del curso será expositiva para establecer las
generalidades del mismo y brindarles un marco teórico del tema, posteriormente se afianzarán los
conocimientos vistos en cada unidad mediante el desarrollo de ejemplos prácticos en clase.
Los estudiantes deberán realizar investigación bibliográfica de cada uno de los temas vistos; se les
proporcionará material adicional en forma de tareas y ejercicios, para que desarrollen sus
habilidades en el tema del modelado y la optimización de procesos energéticos; y se les ofrecerán
asesorías, cuya finalidad será brindarles apoyo para la elaboración de un proyecto, donde pondrán
en práctica los conocimientos adquiridos en esta asignatura para la construcción de modelos
matemáticos que puedan resolver problemas reales sobre consumo de energía, optimización de
procesos y todo lo que se encuentre involucrado; los temas restantes serán abordados mediante
ejemplos prácticos en clase, tareas y ejercicios, para que identifiquen los elementos más importantes
en la optimización y describan sus características.
EVALUACIONES
EVALUACIÓN DIAGNÓSTICA
Los estudiantes de la asignatura deberán tener conocimientos de máquinas térmicas y procesos
termodinámicos, álgebra lineal, programación básica y hojas de cálculo., en particular abstracción
para realizar el modelado de problemas tipo, observación, inferencia e interpretación de resultados
de optimización, manejo básico de PC y hojas de cálculo.
Se sugiere que sea un examen práctico dividido en dos partes, la primera de ellas mediante la
elaboración de un modelo para optimizar algún proceso energético real, pidiéndole al estudiante que
defina de forma escrita algunos de los elementos importantes en el modelado matemático, y la
segunda donde demuestre las habilidades básicas en la simulación de un procesos y la
interpretación de los resultados obtenidos, a través del manejo de hojas de cálculo.
EVALUACIÓN FORMATIVA
Debido al contenido de los temas se recomienda realizar al menos dos evaluaciones formativas, la
primera al finalizar las dos primeras unidades para verificar que los estudiantes se hayan apropiado
los conocimientos básicos de la optimización y modelado de funciones lineales (vistos en la unidad 1
y 2) y logren interpretar los resultados obtenidos dentro de las regiones factibles de cada uno de los
problemas expuestos y resueltos en clase.
La segunda evaluación se recomienda llevarla acabo al finalizar el curso (después de cubrir las
unidades 3 y 4), para que el estudiante demuestre sus habilidades para interpretar, modelar y
optimizar un proceso energético, al mismo tiempo, realizar algún proyecto real mediante el uso de
hojas de cálculo o algún software especializado.
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EVALUACIÓN PARA CERTIFICACIÓN
Los estudiantes deberán mostrar los siguientes conocimientos: Tener la habilidad de convertir
problemas reales a modelos de optimización matemática. Ser capaz de interpretar los resultados
encontrados mediante la simulación. Finalmente, de elaborar algún proyecto real de optimización
mediante el uso de software especializado u hojas de cálculo.
Como indicadores para la Evaluación para Certificación se considerarán los siguientes: La habilidad
y capacidad de abstracción para realizar un modelo de optimización matemática. Interpretar los
resultados obtenidos a través de la optimización y reconocer los principales elementos que se
involucran en el modelado y la optimización.
Para la realización de esta Evaluación se recomienda que se lleve a cabo mediante dos exámenes;
el primero de ellos escrito donde defina los conceptos vistos en las Unidades 1 y 2; y el segundo
examen será práctico donde se le pedirá al estudiante que construya un modelo matemático de
optimización relacionado a algún proceso energético real, apoyado en un software especializado de
modelación o con el uso de hojas de cálculo, donde se muestren conocimientos e interpretación de
los resultados.
BIBLIOGRAFÍA BÁSICA
Edgar, T.F; Himmelblau, D.M. Optimization of chemical processes, Mc Graw-Hill. 1989.
Fletcher, R. Practical methods of optimization, Wiley. 1987.
Gill, P.E; Murray, W; Wright, M.H. Practical optimization. Mc Graw-Hill, New York. 1981.
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA
Luenberger, D.G. Introduction to linear and nonlinear programming. Addison-Wesley
Publishing Company. 1973.
Reklaitis, G.V; Ravindran, A; Ragsdell, K.M. Engineering optimization. Wiley. 1988.
Stoecker, W.F. Design of termal system, Third edition. Mc Graw-Hill.1989.
Winson, W.L. Introduction to mathematical programming. Applications and algorithms.
Duxbury Press. 1995.
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