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Secretariado de Innovación Docente
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MEMORIA FINAL DE PROYECTOS DE INNOVACIÓN DOCENTE
CONVOCATORIA CURSO 2010/2012
DATOS DEL SOLICITANTE
Nombre Manuel
Apellidos Cuevas Aranda
D.N.I. 44.285.009-G E-mail [email protected]
Centro EPS LINARES Teléfono 953 648572
Departamento Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales
Categoría Profesor Contratado Doctor
DATOS DEL PROYECTO
Título Innovación de la docencia en la asignatura Experimentación en
Ingeniería Química mediante el empleo del simulador de procesos
Hysys (PID20B)
Línea de actuación Proyectos para asignaturas
Departamento implicado Ingeniería Química, Ambiental y de los
Materiales
Asignatura implicada Experimentación en Ingeniería Química
Titulación implicada Ingeniería Técnica Industrial (Especialidad en
Química Industrial)
Curso implicado 2º curso
Nº de alumnos afectados 27 alumnos,
12 durante el curso académico 2009-10 y
15 durante el curso académico 2010-11
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MEMORIA DEL PROYECTO
Justificación
Ver página 1 de la Memoria
Objetivos conseguidos
Ver página 2 de la Memoria
Descripción global de la experiencia
Ver página 4 de la Memoria
Metodología empleada
Ver página 4 de la Memoria
Resultados obtenidos
Ver página 10 de la Memoria
Proyección e Impacto
Ver página 12 de la Memoria
Evaluación del proceso y Autoevaluación
Ver página 13 de la Memoria
Gastos generados en el segundo año
Fungibles 51,5 €, adquisición de una cubeta de cuarzo necesaria para
explicar una prueba de laboratorio.
Inventariables 0 €
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Viajes/Actividades 400 €, por participación en el I Congreso Internacional de
Innovación Docente Campus Mare Nostrum (Cartagena, Murcia,
julio de 2011): inscripción (100 €), viaje + alojamiento +
manutención (300 €).
Nota: la participación en las II Jornadas sobre Innovación Docente
y Adaptación al EESS en las Titulaciones Técnicas (que tendrán
lugar en Granada, en septiembre de 2011) necesitará el empleo de
parte del dinero remanente.
Otros --
Justificación --
DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO
Nombre Manuel
Apellidos Cuevas Aranda
D.N.I. 44.285.009-G E-mail [email protected]
Centro EPS Linares Teléfono 953 648572
Departamento Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales
Asignatura impartida Experimentación en Ingeniería Química
Curso 2º de Ingeniero Técnico Industrial (Esp. Química Industrial)
Categoría Prof. Contratado Doctor Firma
DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO
Nombre Diego Ginés
Apellidos Fernández Valdivia
D.N.I. 26.174.099 E-mail [email protected]
Centro EPS Linares Teléfono 953 648541
Departamento Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales
Asignatura impartida Experimentación en Ingeniería Química
Curso 2º de Ingeniero Técnico Industrial (Esp. Química Industrial)
Categoría Prof. Titular de Universidad Firma
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Secretariado de Innovación Docente
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DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO
Nombre María Luisa
Apellidos Parra Ruiz
D.N.I. 26.179.933-E E-mail [email protected]
Centro EPS Linares Teléfono 953 658548
Departamento Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales
Asignatura impartida Experimentación en Ingeniería Química
Curso 2º de Ingeniero Técnico Industrial (Esp. Química Industrial)
Categoría Prof. Titular de Escuela Firma
DATOS DE LOS MIEMBROS DEL GRUPO
Nombre Soledad
Apellidos Mateo Quero
D.N.I. 26.026.760-Y E-mail [email protected]
Centro EPS Linares Teléfono 953 648572
Departamento Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales
Asignatura impartida Experimentación en Ingeniería Química
Curso 2º de Ingeniero Técnico Industrial (Esp. Química Industrial)
Categoría Prof. Colaborador Firma
VºBº de Coordinador/a
Fdo.: Manuel Cuevas Aranda
Jaén, a 31 de agosto de 2011
VICERRECTOR DE ORDENACIÓN ACADÉMICA, INNOVACIÓN DOCENTE Y FORMACIÓN DEL PROFESORADO DE LA UNIVERSIDAD DE JAÉN
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
La enseñanza moderna no puede ser entendida
herramienta ha posibilitado, en el campo de la ingeniería, la realización de cálculos complejos
con rapidez y fiabilidad. Así, las principales empresas dedicadas al diseño ingenieril (ya sea
aeronáutico, automovilístico, químico
programas de diseño asistido por ordenador y de simulación. La Universidad n
este fenómeno, por lo que el uso de estos recursos informáticos debe ser ofrecido a su alumnado
al tiempo que son estudiados los fundamentos teóricos de las técnicas de cálculo.
Desde el punto de vista docente, la simulación
favorecer el proceso de aprendizaje del alumno. Gran número de universidades disponen de
simuladores de proceso, como
Ingeniería Química (IQ). En concreto, la Universidad d
uso del programa Hysys.Plant 2.2
Experimentación en Ingeniería Química
curso (segundo cuatrimestre) de la titulación de Ingeniero Té
Química Industrial. Puede afirmarse que es una de las materias de mayor importancia de la
titulación (como lo demuestran sus 12 créditos, LRU) y surge al aplicar los conocimientos
teóricos del campo de las Operaciones Bási
la asignatura, el estudio de los procesos de separación por transferencia de materia (destilación y
extracción líquido-líquido) y de los equipos de intercambio térmico (cambiadores de calor)
constituye puntos de especial interés, ya que estas operaciones son esenciales
química.
Durante los últimos años de docencia en
constatado la dificultad de los alumnos para comprender los fundamentos teóricos
prácticas programadas, por lo que los profesores encargados de la asignatura pensaron que sería
interesante realizar una renovación metodológica consistente en la introducción, en el
laboratorio, de un software capaz de simular algunas de esas prác
sistemas computacionales de análisis y simulación (combinados con el desarrollo de las
prácticas tradicionales) podría
estudio y la comprensión de los principios de la d
intercambio térmico como operaciones
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Secretariado de Innovación Docente
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Justificación
no puede ser entendida, hoy en día, sin el uso del ordenador. Esta
herramienta ha posibilitado, en el campo de la ingeniería, la realización de cálculos complejos
apidez y fiabilidad. Así, las principales empresas dedicadas al diseño ingenieril (ya sea
aeronáutico, automovilístico, químico-industrial,…) han adoptado, para su trabajo diario,
programas de diseño asistido por ordenador y de simulación. La Universidad n
este fenómeno, por lo que el uso de estos recursos informáticos debe ser ofrecido a su alumnado
al tiempo que son estudiados los fundamentos teóricos de las técnicas de cálculo.
Desde el punto de vista docente, la simulación por ordenador es una herramienta que puede
favorecer el proceso de aprendizaje del alumno. Gran número de universidades disponen de
simuladores de proceso, como ChemCAD, Aspen o Hysys, para su empleo en el área de
Ingeniería Química (IQ). En concreto, la Universidad de Jaén dispone de 30 licencias para el
Hysys.Plant 2.2 (Hyprotech Ltd., Calgary, Canadá).
Experimentación en Ingeniería Química es una asignatura troncal impartida en el segundo
curso (segundo cuatrimestre) de la titulación de Ingeniero Técnico Industrial, especialidad en
Química Industrial. Puede afirmarse que es una de las materias de mayor importancia de la
titulación (como lo demuestran sus 12 créditos, LRU) y surge al aplicar los conocimientos
teóricos del campo de las Operaciones Básicas al laboratorio de Ingeniería Química. Dentro de
la asignatura, el estudio de los procesos de separación por transferencia de materia (destilación y
líquido) y de los equipos de intercambio térmico (cambiadores de calor)
ntos de especial interés, ya que estas operaciones son esenciales
Durante los últimos años de docencia en Experimentación en Ingeniería Química
constatado la dificultad de los alumnos para comprender los fundamentos teóricos
prácticas programadas, por lo que los profesores encargados de la asignatura pensaron que sería
interesante realizar una renovación metodológica consistente en la introducción, en el
capaz de simular algunas de esas prácticas. La incorporación de
sistemas computacionales de análisis y simulación (combinados con el desarrollo de las
podría proporcionar al estudiante una herramienta para reforzar el
estudio y la comprensión de los principios de la destilación, la extracción líquido
peraciones básicas de la Ingeniería Química.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
sin el uso del ordenador. Esta
herramienta ha posibilitado, en el campo de la ingeniería, la realización de cálculos complejos
apidez y fiabilidad. Así, las principales empresas dedicadas al diseño ingenieril (ya sea
industrial,…) han adoptado, para su trabajo diario,
programas de diseño asistido por ordenador y de simulación. La Universidad no debe ser ajena a
este fenómeno, por lo que el uso de estos recursos informáticos debe ser ofrecido a su alumnado
al tiempo que son estudiados los fundamentos teóricos de las técnicas de cálculo.
es una herramienta que puede
favorecer el proceso de aprendizaje del alumno. Gran número de universidades disponen de
, para su empleo en el área de
e Jaén dispone de 30 licencias para el
es una asignatura troncal impartida en el segundo
cnico Industrial, especialidad en
Química Industrial. Puede afirmarse que es una de las materias de mayor importancia de la
titulación (como lo demuestran sus 12 créditos, LRU) y surge al aplicar los conocimientos
cas al laboratorio de Ingeniería Química. Dentro de
la asignatura, el estudio de los procesos de separación por transferencia de materia (destilación y
líquido) y de los equipos de intercambio térmico (cambiadores de calor)
ntos de especial interés, ya que estas operaciones son esenciales en la industria
Experimentación en Ingeniería Química se ha
constatado la dificultad de los alumnos para comprender los fundamentos teóricos de las
prácticas programadas, por lo que los profesores encargados de la asignatura pensaron que sería
interesante realizar una renovación metodológica consistente en la introducción, en el
ticas. La incorporación de
sistemas computacionales de análisis y simulación (combinados con el desarrollo de las
proporcionar al estudiante una herramienta para reforzar el
estilación, la extracción líquido-líquido y el
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
El objetivo general del
Experimentación en Ingeniería Química
fue conseguir una renovación metodológica en el laboratorio de Ingeniería Química mediante el
uso del simulador comercial de procesos químicos
herramienta, el alumno podría comprender mejor los fundamentos teóricos en los que se basa el
trabajo experimental. En este sentido, la meta puede considerarse alcanzada, no sólo por el
hecho de la traslación del programa
que el alumno realice (mediante la
resultados del software) un mejor
proceso en cada práctica. Se ha comprobado que la ap
estímulo para el aprendizaje del alumno, además de su acercamiento a un programa informático
de gran importancia profesional y un refuerzo de competencias
1. Capacidad de “aprender a aprender”.
2. Trabajo en equipo.
3. Razonamiento crítico y capacidad de análisis.
4. Integración de conocimientos.
Se pretendió, además, que el proyecto considerara prioritarios los siguientes aspectos:
1. La incorporación de nueva
Química, de manera que se cubrieran algunas lagunas
del campo de la destilación (cálculo de datos de equilibrio líquido
2. La elaboración de un material didá
utilizado, con facilidad
departamentos de universidades andaluzas, españolas o extranjeras.
3. Que el trabajo pudiera
innovación docente, o en publicaciones rela
En relación a los tres puntos anteriores,
desarrollados de manera satisfactoria. Respecto a
docente titulada Diagramas de
cálculo de equipos de destilación
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Objetivos conseguidos
El objetivo general del proyecto “Innovación de la docencia en la asignatura
Experimentación en Ingeniería Química mediante el empleo del simulador de procesos
fue conseguir una renovación metodológica en el laboratorio de Ingeniería Química mediante el
uso del simulador comercial de procesos químicos Hysys.Plant 2.2, pensando
no podría comprender mejor los fundamentos teóricos en los que se basa el
trabajo experimental. En este sentido, la meta puede considerarse alcanzada, no sólo por el
del programa al aula, sino porque éste ha servido de herramien
que el alumno realice (mediante la recogida de datos experimentales y su comparación con los
) un mejor análisis, y discusión, del efecto de las distintas variables de
Se ha comprobado que la aplicación del proyecto
estímulo para el aprendizaje del alumno, además de su acercamiento a un programa informático
de gran importancia profesional y un refuerzo de competencias como:
acidad de “aprender a aprender”.
onamiento crítico y capacidad de análisis.
Integración de conocimientos.
Se pretendió, además, que el proyecto considerara prioritarios los siguientes aspectos:
La incorporación de nuevas prácticas a la asignatura Experimentación en Ingeniería
manera que se cubrieran algunas lagunas de contenidos
l campo de la destilación (cálculo de datos de equilibrio líquido-vapor)
La elaboración de un material didáctico de acercamiento a Hysys
con facilidad, por profesores del área de Ingeniería Química perteneciente
departamentos de universidades andaluzas, españolas o extranjeras.
diera dar lugar a contribuciones en el ámbito de los congresos de
innovación docente, o en publicaciones relacionadas con la simulación de procesos.
puntos anteriores, puede decirse que sus contenidos también
tisfactoria. Respecto al primer ítem, se puso a punto
Diagramas de equilibrio líquido-vapor, de gran interés para comprender el
cálculo de equipos de destilación, mientras que el segundo dio lugar a la elaboración de
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
royecto “Innovación de la docencia en la asignatura
mediante el empleo del simulador de procesos Hysys”
fue conseguir una renovación metodológica en el laboratorio de Ingeniería Química mediante el
pensando que, con esta
no podría comprender mejor los fundamentos teóricos en los que se basa el
trabajo experimental. En este sentido, la meta puede considerarse alcanzada, no sólo por el mero
servido de herramienta útil para
de datos experimentales y su comparación con los
efecto de las distintas variables de
licación del proyecto ha supuesto un
estímulo para el aprendizaje del alumno, además de su acercamiento a un programa informático
Se pretendió, además, que el proyecto considerara prioritarios los siguientes aspectos:
Experimentación en Ingeniería
de contenidos detectadas dentro
vapor).
Hysys que pudiera ser
del área de Ingeniería Química pertenecientes a
dar lugar a contribuciones en el ámbito de los congresos de
cionadas con la simulación de procesos.
sus contenidos también han sido
l primer ítem, se puso a punto la práctica
, de gran interés para comprender el
lugar a la elaboración de un
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
manual de introducción al programa
Publicaciones de la Universidad de Jaén
ILIAS (del que carecía anteriormente la asignatura)
información sobre la utilización del
Finalmente, el tercer apartado condujo a la participación en
docente:
a. II Jornadas de Innovación Docente
Presentación de la comunicación oral titulada
la Asignatura “Experimentación en Ingeniería Química” mediante el uso del simulador
de procesos HYSYS, cuyos autores fueron las cuatro personas integrantes del grupo de
trabajo.
b. I Congreso Internacional de Innovación Doce
julio de 2011).
Presentación de la comunicación titulada
“Experimentación en Ingeniería Química” por incorporación del simulador comercial
de procesos químicos Hysys. Simulación d
docentes, cuyos autores fueron las cuatro personas integrantes del grupo de trabajo.
c. II Jornadas sobre Innovación Docente y Adaptación al EESS en las
Técnicas (Granada, septiembre de 2011).
Se presentará el póster
destilación diferencial, del laboratorio de ingeniería química, mediante el uso del
simulador de procesos HYSYS
grupo de trabajo.
además de la publicación, en la revista electrónica de la Universidad de Jaén
Investigación, del artículo
“Experimentación en Ingeniería Química” mediante el uso del simulador de pro
Hysys.Plant (Ini Inv, e4: c19,
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l programa (actualmente en fase de publicación por el Servicio de
de la Universidad de Jaén) además de la activación de un “sitio” en la plataforma
(del que carecía anteriormente la asignatura) donde los alumnos p
la utilización del programa, el desarrollo de la docencia (guía doce
l tercer apartado condujo a la participación en los siguientes foros de innovación
II Jornadas de Innovación Docente de la Universidad de Jaén (Jaén, octubre de 2010).
Presentación de la comunicación oral titulada Simulación de prácticas de laboratorio de
la Asignatura “Experimentación en Ingeniería Química” mediante el uso del simulador
cuyos autores fueron las cuatro personas integrantes del grupo de
I Congreso Internacional de Innovación Docente Campus Mare Nostrum
Presentación de la comunicación titulada Renovación metodológica de la asignatura
“Experimentación en Ingeniería Química” por incorporación del simulador comercial
de procesos químicos Hysys. Simulación de prácticas de laboratorio y resultados
cuyos autores fueron las cuatro personas integrantes del grupo de trabajo.
II Jornadas sobre Innovación Docente y Adaptación al EESS en las
(Granada, septiembre de 2011).
á el póster, ya aceptado, de título Virtualización de una práctica de
destilación diferencial, del laboratorio de ingeniería química, mediante el uso del
simulador de procesos HYSYS, y cuyos autores son las cuatro personas integrantes del
, en la revista electrónica de la Universidad de Jaén
el artículo Simulación de prácticas de laboratorio de la asignatura
“Experimentación en Ingeniería Química” mediante el uso del simulador de pro
e4: c19, 2010).
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
por el Servicio de
un “sitio” en la plataforma
donde los alumnos podrán encontrar
, el desarrollo de la docencia (guía docente), etc.
los siguientes foros de innovación
(Jaén, octubre de 2010).
ón de prácticas de laboratorio de
la Asignatura “Experimentación en Ingeniería Química” mediante el uso del simulador
cuyos autores fueron las cuatro personas integrantes del grupo de
nte Campus Mare Nostrum (Cartagena,
Renovación metodológica de la asignatura
“Experimentación en Ingeniería Química” por incorporación del simulador comercial
e prácticas de laboratorio y resultados
cuyos autores fueron las cuatro personas integrantes del grupo de trabajo.
II Jornadas sobre Innovación Docente y Adaptación al EESS en las Titulaciones
Virtualización de una práctica de
destilación diferencial, del laboratorio de ingeniería química, mediante el uso del
cuyos autores son las cuatro personas integrantes del
, en la revista electrónica de la Universidad de Jaén Iniciación a la
imulación de prácticas de laboratorio de la asignatura
“Experimentación en Ingeniería Química” mediante el uso del simulador de procesos
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
Descripción global de la experiencia
El proyecto pretendió dar respuesta a dos grandes cuestiones:
1ª. ¿Es posible reproducir, virtualmente, algunas prácticas del laboratorio de Ingeniería
Química utilizando el simulador
una vez configurado el programa para simular las prácticas,
2ª. ¿Es posible combinar
posterior uso de Hysys
de aprendizaje del alumnado?
En definitiva, se ha pretendido
virtualización de prácticas de
mejor forma para su incorporación
El proyecto de innovación docente partió, como es lógico, de la disponibilidad, en la
Universidad de Jaén, de un número mínimo de licencias
(producto de Hyprotech Ltd., Calgary, Canadá), además de los conocimientos suficientes, por
parte del profesorado, para el uso del
gráfico que acompaña a Hysys
industriales, así como el acceso a multitud de datos físico
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Secretariado de Innovación Docente
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escripción global de la experiencia
dar respuesta a dos grandes cuestiones:
¿Es posible reproducir, virtualmente, algunas prácticas del laboratorio de Ingeniería
o el simulador comercial Hysys? Y si esta respuesta es afirmativa, y
una vez configurado el programa para simular las prácticas,
combinar la realización tradicional de las prácticas de laboratorio con el
Hysys de manera que se produzcan mejoras significativas en el
aprendizaje del alumnado?
se ha pretendido investigar si Hysys es una herramienta apropiada para la
l laboratorio de Ingeniería Química, entendiendo cuál
mejor forma para su incorporación a esta aula.
Metodología empleada
El proyecto de innovación docente partió, como es lógico, de la disponibilidad, en la
Universidad de Jaén, de un número mínimo de licencias (25) del simulador comercial
., Calgary, Canadá), además de los conocimientos suficientes, por
parte del profesorado, para el uso del software. Hay que resaltar el carácter intuitivo del
Hysys, lo que permite una visualización cómoda de equipos y procesos
industriales, así como el acceso a multitud de datos físico-químicos de compuestos (
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
¿Es posible reproducir, virtualmente, algunas prácticas del laboratorio de Ingeniería
? Y si esta respuesta es afirmativa, y
de laboratorio con el
e se produzcan mejoras significativas en el proceso
es una herramienta apropiada para la
entendiendo cuál puede ser la
El proyecto de innovación docente partió, como es lógico, de la disponibilidad, en la
del simulador comercial Hysys 2.2
., Calgary, Canadá), además de los conocimientos suficientes, por
el carácter intuitivo del interfaz
lización cómoda de equipos y procesos
químicos de compuestos (Fig. 1).
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
(a)
Fig. 1. Ejemplos, en Hysys, de un diagrama de procesos (a) y de una tabla con propiedades de un compuesto químico (b).
Al comenzar el proyecto (que tuvo carácter bianual)
respuesta determinó la metodología de trabajo:
1º. ¿Qué prácticas se simularían?
En la asignatura Experimentación en Ingeniería Química
cuatrimestre, más de quince prácticas de laboratorio, por lo que pareció adecuado no
abarcar, dentro del proyecto, un número superior a cinco o seis
seleccionar los siguientes desarrollos experimentales:
• Equilibrio líquido
para el sistema ternario agua
investiga el efecto de la temperatura y la presión en la posición del equilibrio.
• Extracción líquido
operación de extracción líquido
cruzadas (tres etapas). Se utiliza, como alimentación, la mezcla ácido acético
cloroformo, y el agua como disolvente extractor.
efecto de la modificación del caudal de disolvente extractor en el rendimiento
de la extracción.
• Diagramas de equilibrio líquido
de equilibrio del sistema binario ciclohexano
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(b)
, de un diagrama de procesos (a) y de una tabla con propiedades de un o químico (b).
(que tuvo carácter bianual) se plantearon varios interrogantes cuya
respuesta determinó la metodología de trabajo:
¿Qué prácticas se simularían?
Experimentación en Ingeniería Química se realizan, a lo largo de un
cuatrimestre, más de quince prácticas de laboratorio, por lo que pareció adecuado no
abarcar, dentro del proyecto, un número superior a cinco o seis actividade
seleccionar los siguientes desarrollos experimentales:
librio líquido-líquido. Obtención de los datos termodinámicos de equilibrio
para el sistema ternario agua-ácido acético-cloroformo. Usando
investiga el efecto de la temperatura y la presión en la posición del equilibrio.
Extracción líquido-líquido: unidades de equilibrio en serie. Simulación de la
operación de extracción líquido-líquido en contacto repetido con corrientes
cruzadas (tres etapas). Se utiliza, como alimentación, la mezcla ácido acético
cloroformo, y el agua como disolvente extractor. Se investiga, usando
efecto de la modificación del caudal de disolvente extractor en el rendimiento
de la extracción.
Diagramas de equilibrio líquido-vapor. Obtención de los datos termodinámicos
de equilibrio del sistema binario ciclohexano-isooctano. Se investiga, usando
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
(b)
, de un diagrama de procesos (a) y de una tabla con propiedades de un
se plantearon varios interrogantes cuya
an, a lo largo de un
cuatrimestre, más de quince prácticas de laboratorio, por lo que pareció adecuado no
actividades. Esto obligó a
. Obtención de los datos termodinámicos de equilibrio
cloroformo. Usando Hysys se
investiga el efecto de la temperatura y la presión en la posición del equilibrio.
. Simulación de la
líquido en contacto repetido con corrientes
cruzadas (tres etapas). Se utiliza, como alimentación, la mezcla ácido acético-
Se investiga, usando Hysys, el
efecto de la modificación del caudal de disolvente extractor en el rendimiento
. Obtención de los datos termodinámicos
ctano. Se investiga, usando
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
Hysys, el efecto de la presión sobre el equilibrio.
• Destilación simple en estado no estacionario
diferencial de una mezcla etanol
tiempo en el desarrollo de
• Cambiador de calor
carcasa y tubos en el que tanto el fluido calefactor como refrigerador es agua.
Con Hysys es investigado
entrada de los dos fluidos sobre las temperaturas de salida.
2º. ¿Cómo se configura Hysys para conseguir una predicción adecuada de los resultados
experimentales?
La tarea de configuración del simulador fue llevada a cabo por los profesores de la
asignatura durante el curso académico 2009/10, e implicó dos pasos: en primer lugar,
selección de los paquetes de estimación de propiedades termodinámicas más adecuados
para el ajuste de datos experimentales (eso se consiguió utilizando los resultados
empíricos obtenidos en clase en cursos anteriores); posteriormente, se creó el esquema de
proceso (integración de corrientes de materia y de energía, y de equipos) para simular
cada una de las prácticas.
implica generar (mediante modelos matemáticos) un entorno virtual capaz de
aproximarse, con precisión, a los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio.
Por tanto, para comprobar la bondad en la predicción, es fundamental comparar los datos
proporcionados por el ordenador con los obtenidos
se explica, con mayor detalle, el proceso de configuración.
3º. ¿Cómo lograr que los alumnos, que no conocen a priori el programa, lo puedan utilizar
durante el desarrollo de la asignat
Para resolver esta cuestión se organizó, en la Escuela Politécnica Superior de Linares,
durante el mes de febrero de 2011
Introducción a la simulación de procesos químicos con HYSYS
de 20 h de duración, se diseñó específicamente para que los alumnos conocieran cómo
aplicar el simulador sobre las mismas
el laboratorio.
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, el efecto de la presión sobre el equilibrio.
Destilación simple en estado no estacionario. Se simula la destilación
diferencial de una mezcla etanol-agua. Usando Hysys se investiga el efecto del
tiempo en el desarrollo de la operación.
Cambiador de calor. Se estudia el funcionamiento de un cambiador de calor de
carcasa y tubos en el que tanto el fluido calefactor como refrigerador es agua.
es investigado el efecto de la modificación de las temperaturas de
de los dos fluidos sobre las temperaturas de salida.
¿Cómo se configura Hysys para conseguir una predicción adecuada de los resultados
La tarea de configuración del simulador fue llevada a cabo por los profesores de la
ante el curso académico 2009/10, e implicó dos pasos: en primer lugar,
selección de los paquetes de estimación de propiedades termodinámicas más adecuados
para el ajuste de datos experimentales (eso se consiguió utilizando los resultados
s en clase en cursos anteriores); posteriormente, se creó el esquema de
proceso (integración de corrientes de materia y de energía, y de equipos) para simular
cada una de las prácticas. Hay que tener en cuenta que la simulación de una práctica
rar (mediante modelos matemáticos) un entorno virtual capaz de
aproximarse, con precisión, a los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio.
Por tanto, para comprobar la bondad en la predicción, es fundamental comparar los datos
or el ordenador con los obtenidos previamente en clase.
se explica, con mayor detalle, el proceso de configuración.
¿Cómo lograr que los alumnos, que no conocen a priori el programa, lo puedan utilizar
durante el desarrollo de la asignatura?
Para resolver esta cuestión se organizó, en la Escuela Politécnica Superior de Linares,
durante el mes de febrero de 2011 (antes del comienzo de la asignatura)
Introducción a la simulación de procesos químicos con HYSYS (Fig. 2
de 20 h de duración, se diseñó específicamente para que los alumnos conocieran cómo
aplicar el simulador sobre las mismas operaciones básicas que después se estudiarían en
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
. Se simula la destilación
se investiga el efecto del
. Se estudia el funcionamiento de un cambiador de calor de
carcasa y tubos en el que tanto el fluido calefactor como refrigerador es agua.
las temperaturas de
¿Cómo se configura Hysys para conseguir una predicción adecuada de los resultados
La tarea de configuración del simulador fue llevada a cabo por los profesores de la
ante el curso académico 2009/10, e implicó dos pasos: en primer lugar,
selección de los paquetes de estimación de propiedades termodinámicas más adecuados
para el ajuste de datos experimentales (eso se consiguió utilizando los resultados
s en clase en cursos anteriores); posteriormente, se creó el esquema de
proceso (integración de corrientes de materia y de energía, y de equipos) para simular
Hay que tener en cuenta que la simulación de una práctica
rar (mediante modelos matemáticos) un entorno virtual capaz de
aproximarse, con precisión, a los resultados experimentales obtenidos en el laboratorio.
Por tanto, para comprobar la bondad en la predicción, es fundamental comparar los datos
en clase. En el Anexo I
¿Cómo lograr que los alumnos, que no conocen a priori el programa, lo puedan utilizar
Para resolver esta cuestión se organizó, en la Escuela Politécnica Superior de Linares,
asignatura), el curso
Fig. 2). Esta actividad,
de 20 h de duración, se diseñó específicamente para que los alumnos conocieran cómo
ásicas que después se estudiarían en
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
Fig. 2. Cartel del curso Introducción a la simulación E.P.S. de Linares en febrero de 2011.
4º. ¿Cómo aplicar el programa durante el período de docencia de Experimentación en
Ingeniería Química?
Hay que resaltar que el proyecto no pretendió sustituir las pr
uso exclusivo del ordenador, sino compaginar ambas metodologías. El procedimiento de
trabajo pasó, en primer lugar, por la realización de las prácticas y la obtención de los
datos experimentales bajo unas condiciones operativa
los resultados proporcionados por el
empíricos y, finalmente, el simulador se usó para discutir el efecto de las distintas
variables de proceso. Todo ello supuso el re
5º. ¿Cómo evaluar el interés de la propuesta de innovación llevada a cabo?
Los alumnos contestaron un cuestionario orientado a analizar, fundamentalmente, dos
aspectos del proyecto: la facilidad de uso del
comprensión de las prácticas de laboratorio (fundamentos teóricos, procedimiento
operativo, obtención de resultados,…).
UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Secretariado de Innovación Docente
7
Introducción a la simulación de procesos químicos con HYSYS
E.P.S. de Linares en febrero de 2011.
¿Cómo aplicar el programa durante el período de docencia de Experimentación en
Hay que resaltar que el proyecto no pretendió sustituir las prácticas convencionales por el
uso exclusivo del ordenador, sino compaginar ambas metodologías. El procedimiento de
trabajo pasó, en primer lugar, por la realización de las prácticas y la obtención de los
datos experimentales bajo unas condiciones operativas concretas. Después se validaron
los resultados proporcionados por el software al compararse éstos con los resultados
empíricos y, finalmente, el simulador se usó para discutir el efecto de las distintas
variables de proceso. Todo ello supuso el re-diseño del cuaderno de prácticas.
¿Cómo evaluar el interés de la propuesta de innovación llevada a cabo?
Los alumnos contestaron un cuestionario orientado a analizar, fundamentalmente, dos
aspectos del proyecto: la facilidad de uso del software y el interés del programa para la
comprensión de las prácticas de laboratorio (fundamentos teóricos, procedimiento
operativo, obtención de resultados,…).
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
de procesos químicos con HYSYS, desarrollado en la
¿Cómo aplicar el programa durante el período de docencia de Experimentación en
ácticas convencionales por el
uso exclusivo del ordenador, sino compaginar ambas metodologías. El procedimiento de
trabajo pasó, en primer lugar, por la realización de las prácticas y la obtención de los
s concretas. Después se validaron
al compararse éstos con los resultados
empíricos y, finalmente, el simulador se usó para discutir el efecto de las distintas
del cuaderno de prácticas.
¿Cómo evaluar el interés de la propuesta de innovación llevada a cabo?
Los alumnos contestaron un cuestionario orientado a analizar, fundamentalmente, dos
del programa para la
comprensión de las prácticas de laboratorio (fundamentos teóricos, procedimiento
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
El cronograma general de ejecución del Proyecto
continuación:
Periodo Actividades 1er cuatrimestre Curso 2009-10 a.1. Preparación del material preciso para el desarrollo de las prácticas
laboratorio.
a.2. Puesta a punto de la práctica 2º cuatrimestre Curso 2009-10 a.3. Ac
Química
(ILIAS).
a.4. Durante el desarrollo de las clases
Química
precisos
a.5. Configuración
prácticas
previamente,
a.6. Creación de un
fundamentos básicos de utilización del programa en relación a los
contenidos desarrollados en la asignatura
Química
ser
hacia la resolución de problemas sencillos de simulación en estado
estacionario y no estacionario.
a.7. Antes del 31 de julio de 2010
proyecto durante su primer año de realización.
UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Secretariado de Innovación Docente
8
El cronograma general de ejecución del Proyecto, con las actividades realizadas,
Actividades
Preparación del material preciso para el desarrollo de las prácticas
laboratorio.
Puesta a punto de la práctica Diagramas de equilibrio líquido
Activación de un sitio para la asignatura Experimentación en Ingeniería
Química en la plataforma de tele-formación de la Universidad de Jaén
(ILIAS). Inicio del proceso para la dotación de contenidos a esta página.
Durante el desarrollo de las clases de Experimentación en Ingeniería
Química se recogieron, en el laboratorio, los datos experimentales
precisos para la posterior configuración del simulador.
Configuración del programa Hysys para simular, eficientemente, cinco
prácticas de laboratorio. Las prácticas simuladas, tal y como se explicó
previamente, fueron:
1. Equilibrio líquido-líquido.
2. Extracción líquido-líquido: unidades de equilibrio en serie
3. Diagramas de equilibrio líquido-vapor.
4. Destilación simple en estado no estacionario.
5. Cambiador de calor.
Creación de un manual de uso de Hysys diseñado para mostrar los
fundamentos básicos de utilización del programa en relación a los
contenidos desarrollados en la asignatura Experimentación en Ingeniería
Química. El texto debe permitir el auto-aprendizaje del alumno, es decir,
ser un material claro y ameno capaz de guiar con éxito al estudiante
hacia la resolución de problemas sencillos de simulación en estado
estacionario y no estacionario.
Antes del 31 de julio de 2010 se entregó la memoria de progreso del
proyecto durante su primer año de realización.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
, con las actividades realizadas, se incluye a
Preparación del material preciso para el desarrollo de las prácticas de
Diagramas de equilibrio líquido-vapor.
Experimentación en Ingeniería
formación de la Universidad de Jaén
Inicio del proceso para la dotación de contenidos a esta página.
Experimentación en Ingeniería
os datos experimentales
.
para simular, eficientemente, cinco
, tal y como se explicó
líquido: unidades de equilibrio en serie.
diseñado para mostrar los
fundamentos básicos de utilización del programa en relación a los
Experimentación en Ingeniería
del alumno, es decir,
un material claro y ameno capaz de guiar con éxito al estudiante
hacia la resolución de problemas sencillos de simulación en estado
memoria de progreso del
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
Periodo Actividades 1er cuatrimestre Curso 2010-11 a.8. Preparación y realización del curso
procesos químicos con HYSYS
a.9. Partic
Universidad de Jaén
comunicación oral titulada
de la Asignatura “Experimentación en Ingeniería Química”
mediante el us
2º cuatrimestre Curso 2010-11 a.10. Desarrollo de docencia de
Realización de seminarios de uso de
en clase.
a.11. Evaluación del proyecto por parte
a.12. Participación en el
Campus Mare Nostrum
Presentación de la comunicación titulada
de la asignatura “Experimentación en Ingenier
incorporación del simulador comercial de procesos químicos Hysys.
Simulación de prácticas de laboratorio y resultados docentes
a.13. Presentación de la comunicación titulada
práctica de destilación diferencial, del la
química, mediante el uso del simulador de procesos HYSYS
inclusión en las
al EESS en las Titulaciones Técnicas
septiembre de 2011).
a.14. El 1 de
de Innovación Docente
UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Secretariado de Innovación Docente
9
Actividades
a.8. Preparación y realización del curso Introducción a la simulación de
procesos químicos con HYSYS.
a.9. Participación en las II Jornadas de Innovación Docente de la
Universidad de Jaén (Jaén, octubre de 2010). Presentación de la
comunicación oral titulada Simulación de prácticas de laboratorio
de la Asignatura “Experimentación en Ingeniería Química”
mediante el uso del simulador de procesos HYSYS.
a.10. Desarrollo de docencia de Experimentación en Ingeniería Química
Realización de seminarios de uso de Hysys. Aplicación del
en clase.
a.11. Evaluación del proyecto por parte de los alumnos.
Participación en el I Congreso Internacional de Innovación Docente
Campus Mare Nostrum (Cartagena, Murcia, julio de 2011).
Presentación de la comunicación titulada Renovación metodológica
de la asignatura “Experimentación en Ingeniería Química” por
incorporación del simulador comercial de procesos químicos Hysys.
Simulación de prácticas de laboratorio y resultados docentes
Presentación de la comunicación titulada Virtualización de una
práctica de destilación diferencial, del laboratorio de ingeniería
química, mediante el uso del simulador de procesos HYSYS
inclusión en las II Jornadas sobre Innovación Docente y Adaptación
al EESS en las Titulaciones Técnicas (a realizar en Granada, en
septiembre de 2011).
El 1 de septiembre de 2011 se entrega la memoria final del P
de Innovación Docente.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Introducción a la simulación de
II Jornadas de Innovación Docente de la
Presentación de la
Simulación de prácticas de laboratorio
de la Asignatura “Experimentación en Ingeniería Química”
Experimentación en Ingeniería Química.
. Aplicación del software
I Congreso Internacional de Innovación Docente
julio de 2011).
Renovación metodológica
ía Química” por
incorporación del simulador comercial de procesos químicos Hysys.
Simulación de prácticas de laboratorio y resultados docentes.
Virtualización de una
boratorio de ingeniería
química, mediante el uso del simulador de procesos HYSYS para su
II Jornadas sobre Innovación Docente y Adaptación
a realizar en Granada, en
final del Proyecto
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
Tras la tarea de configuración de
archivos, cada uno de los cuales
Fig. 3. Archivos
Como resultado del proyecto
en Ingeniería Química en la plataforma virtual ILIAS. Su
Fig. 4.
Fig. 4. Página principal de la asignatura
Desde la página anterior se
Los diplomas del curso de Hysys
9
UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Secretariado de Innovación Docente
10
Resultados obtenidos
configuración de Hysys (explicada en el Anexo I) se dispuso
archivos, cada uno de los cuales permite simular una práctica de laboratorio (Fig. 3
Archivos Hysys con las cinco prácticas simuladas.
do del proyecto también se activó un sitio para la asignatura
en la plataforma virtual ILIAS. Su página principal es mostrada
Página principal de la asignatura Experimentación en Ingeniería Química en la plataforma ILIAS
se puede acceder a los siguientes elementos:
Junpueden
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
se dispuso de cinco
Fig. 3).
un sitio para la asignatura Experimentación
es mostrada en la
en la plataforma ILIAS.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
1. Una carpeta (Archivos HYSYS
configurados para el desarrollo virtual de las prácticas de laboratorio
Fig. 5. Carpeta de ILIAS que contiene los cinco archivos con las prácticas simuladas con
2. Carpeta, nombrada Figuras sobre Operacione
donde se ordena información gráfica referente a equipos industriales de intercambio
térmico, circulación de fluidos, destilación, extracción líquido
sólido-líquido. En las figura
de la categoría de Destilación
Fig. 6. Esquema básico de una torre de destilación disponible en
UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Secretariado de Innovación Docente
11
Archivos HYSYS), que recoge los cinco archivos de
configurados para el desarrollo virtual de las prácticas de laboratorio (Fig
Carpeta de ILIAS que contiene los cinco archivos con las prácticas simuladas con
Figuras sobre Operaciones de Separación en Ingeniería Química
donde se ordena información gráfica referente a equipos industriales de intercambio
circulación de fluidos, destilación, extracción líquido-líquido y extracción
líquido. En las figuras 6 y 7, a título de ejemplo, aparecen algunas figuras dentro
Destilación.
Esquema básico de una torre de destilación disponible en ILIAS.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
cinco archivos del simulador
Fig. 5).
Carpeta de ILIAS que contiene los cinco archivos con las prácticas simuladas con Hysys.
s de Separación en Ingeniería Química,
donde se ordena información gráfica referente a equipos industriales de intercambio
líquido y extracción
de ejemplo, aparecen algunas figuras dentro
ILIAS.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
Fig. 7. Vista interna de la cabeza de la torre de destilación, disponible en ILIAS.
3. Carpeta de información sobre la asignatura, que contiene la guía docente de
Experimentación en Ingeniería Química
4. Un apartado (Archivos relacionados con el programa Hysys
recursos, de internet, para ampliar información sobre
uso de Hysys elaborado por
5. Un tablón de anuncios.
6. Un foro, para la discusión y el intercambio de ideas en relación a la experiencia con
Hysys.
En el Anexo II se introducen
manual de introducción a Hysys
que quedará en el futuro a disposición de los alumnos como texto de ayuda. Hay que tener en
cuenta que este documento está orientado, fundamentalmente
de laboratorio de la asignatura
En el Anexo III se encuentran los documentos justificativos de la proyección lograda por el
proyecto en lo que se refiere a
UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Secretariado de Innovación Docente
12
Vista interna de la cabeza de la torre de destilación, disponible en ILIAS.
información sobre la asignatura, que contiene la guía docente de
Experimentación en Ingeniería Química.
Archivos relacionados con el programa Hysys) que contiene diversos
recursos, de internet, para ampliar información sobre Hysys; por ejemplo
elaborado por AspenTech.
Un tablón de anuncios.
la discusión y el intercambio de ideas en relación a la experiencia con
se introducen, a título de ejemplo, algunos capítulos (el inicial y el
Hysys que ha sido elaborado durante el desarrollo de este proyecto, y
a disposición de los alumnos como texto de ayuda. Hay que tener en
cuenta que este documento está orientado, fundamentalmente, a la simulación de las prácticas
de laboratorio de la asignatura Experimentación en Ingeniería Química.
Proyección e Impacto
se encuentran los documentos justificativos de la proyección lograda por el
proyecto en lo que se refiere a participación en jornadas y congresos de innovación docente.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Vista interna de la cabeza de la torre de destilación, disponible en ILIAS.
información sobre la asignatura, que contiene la guía docente de
que contiene diversos
; por ejemplo, un manual de
la discusión y el intercambio de ideas en relación a la experiencia con
algunos capítulos (el inicial y el final) del
que ha sido elaborado durante el desarrollo de este proyecto, y
a disposición de los alumnos como texto de ayuda. Hay que tener en
, a la simulación de las prácticas
se encuentran los documentos justificativos de la proyección lograda por el
participación en jornadas y congresos de innovación docente.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
Evaluación del proceso y Autoevaluación
La opinión del alumnado es un punto esencial para verificar la utilidad de cualquier proyecto
y dirigir las futuras acciones de mejora. Sin embargo, h
los datos de evaluación del presente trabajo,
durante el curso académico
aplicación podría ofrecer una vis
Los alumnos de Experimentación en Ingeniería Química
anónima con preguntas relativas tanto a la facilidad de uso del material elaborado como a
bondad para lograr un mejor entendimiento de los conte
usadas para la evaluación han sido las siguientes:
1. Con los conocimientos adquiridos en la asignatura
para simular las prácticas de laboratorio?
2. Al nivel en el que se han desarr
simulación ya creados y a disposición del alumno)
usar?
3. ¿La simulación de las prácticas de laboratorio ha conducido a un mejor entendimiento
de los fundamentos teóric
4. ¿La simulación de las prácticas de laboratorio ha ayudado a un mejor conocimiento del
procedimiento operativo llevado a cabo en el aula?
5. ¿La simulación de las prácticas de laboratorio ha ayudad
de los resultados experimentales obtenidos?
6. En general, ¿considera que la simulación de las prácticas ha sido útil para el desarrollo
de la asignatura Experimentación en Ingeniería Química
Los resultados de la encuesta, s
UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Secretariado de Innovación Docente
13
Evaluación del proceso y Autoevaluación
La opinión del alumnado es un punto esencial para verificar la utilidad de cualquier proyecto
y dirigir las futuras acciones de mejora. Sin embargo, hay que ser cautos a la hora de examinar
del presente trabajo, porque el simulador únicamente ha sido utilizado
2010/2011 y sólo la perspectiva generada tras varios años de
aplicación podría ofrecer una visión clara de la realidad.
Experimentación en Ingeniería Química cumplimentaron una encuesta
con preguntas relativas tanto a la facilidad de uso del material elaborado como a
bondad para lograr un mejor entendimiento de los contenidos de la asignatura.
usadas para la evaluación han sido las siguientes:
Con los conocimientos adquiridos en la asignatura, ¿es posible crear archivos en
ar las prácticas de laboratorio?
Al nivel en el que se han desarrollado las prácticas de laboratorio (con los archivos de
simulación ya creados y a disposición del alumno), ¿el programa Hysys
La simulación de las prácticas de laboratorio ha conducido a un mejor entendimiento
de los fundamentos teóricos en los que se basan las operaciones unitarias estudiadas?
La simulación de las prácticas de laboratorio ha ayudado a un mejor conocimiento del
ativo llevado a cabo en el aula?
La simulación de las prácticas de laboratorio ha ayudado al análisis e interpretación
ltados experimentales obtenidos?
considera que la simulación de las prácticas ha sido útil para el desarrollo
Experimentación en Ingeniería Química?
Los resultados de la encuesta, sobre un total de 15 estudiantes, se presentan a continuación.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
La opinión del alumnado es un punto esencial para verificar la utilidad de cualquier proyecto
ay que ser cautos a la hora de examinar
porque el simulador únicamente ha sido utilizado
y sólo la perspectiva generada tras varios años de
cumplimentaron una encuesta
con preguntas relativas tanto a la facilidad de uso del material elaborado como a su
. Las afirmaciones
es posible crear archivos en Hysys
ollado las prácticas de laboratorio (con los archivos de
Hysys es fácil de
La simulación de las prácticas de laboratorio ha conducido a un mejor entendimiento
peraciones unitarias estudiadas?
La simulación de las prácticas de laboratorio ha ayudado a un mejor conocimiento del
o al análisis e interpretación
considera que la simulación de las prácticas ha sido útil para el desarrollo
obre un total de 15 estudiantes, se presentan a continuación.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y ProfesoradoSecretariado de Innovación Docente
Cuestión Totalmente en desacuerdo
1 26,7
2 6,7
3 13,3
4 6,7
5 0,0
6 0,0
Los estudiantes han considerado que
configurados para cada una de las prácticas (86,7% a favor o totalmente a favor). Sin embar
el porcentaje de aprobación sufre un descenso significativo cuando se pregunta sobre la
facilidad para que ellos configuren el simulador (53,4%). Respecto a la ayuda que representa el
empleo del software para comprender el trabajo experimental, el 60%
entendimiento de los fundamentos teóricos, el 66,7% que refuerza los conocimientos de los
procedimientos operativos y el 86,7% que ayuda al análisis e interpretación de los resultados
experimentales. Preguntados, finalmente, sobre e
prácticas con Hysys, un 86,7% considera esta iniciativa positiva o muy positiva.
UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Secretariado de Innovación Docente
14
Respuestas (%)
Totalmente en desacuerdo En desacuerdo A favor Totalmente a favor
20,0 46,7 6,7
6,7 46,7 40,0
20,0 40,0 20,0
20,0 53,3 13,3
13,3 60,0 26,7
13,3 60,0 26,7
Los estudiantes han considerado que Hysys es fácil de usar si se dispone de los archivos ya
configurados para cada una de las prácticas (86,7% a favor o totalmente a favor). Sin embar
el porcentaje de aprobación sufre un descenso significativo cuando se pregunta sobre la
facilidad para que ellos configuren el simulador (53,4%). Respecto a la ayuda que representa el
para comprender el trabajo experimental, el 60% considera que mejora el
entendimiento de los fundamentos teóricos, el 66,7% que refuerza los conocimientos de los
procedimientos operativos y el 86,7% que ayuda al análisis e interpretación de los resultados
experimentales. Preguntados, finalmente, sobre el interés general de la simulación de las
, un 86,7% considera esta iniciativa positiva o muy positiva.
Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado
Totalmente a favor No contesta
0,0
0,0
6,7
6,7
0,0
0,0
es fácil de usar si se dispone de los archivos ya
configurados para cada una de las prácticas (86,7% a favor o totalmente a favor). Sin embargo,
el porcentaje de aprobación sufre un descenso significativo cuando se pregunta sobre la
facilidad para que ellos configuren el simulador (53,4%). Respecto a la ayuda que representa el
considera que mejora el
entendimiento de los fundamentos teóricos, el 66,7% que refuerza los conocimientos de los
procedimientos operativos y el 86,7% que ayuda al análisis e interpretación de los resultados
l interés general de la simulación de las
, un 86,7% considera esta iniciativa positiva o muy positiva.
AAnneexxoo II..AA
SSelección de modelos termodinámicos
I.A.1. Equilibrio líquido-líquido. Sistema: agua-cloroformo-ácido acético
I.A.2. Equilibrio líquido-vapor.
Sistema etanol-agua I.A.3. Equilibrio líquido-vapor.
Sistema ciclohexano-isooctano
ANEXO I.A.1
EQUILIBRIO LÍQUIDO-LÍQUIDO.
SISTEMA: AGUA-CLOROFORMO-ÁCIDO ACÉTICO
1. Representación de los datos de equilibrio teóricos: curva binodal
Algunos datos de equilibrio, obtenidos en bibliografía para el sistema ternario
considerado, aparecen recogidos en las Tablas I.A1-1 y I.A1-2. La codificación PT, RnT y
EnT hace referencia al punto de pliegue y a puntos de las curvas de refinado y de
extracto, respectivamente. Estos valores se representan, utilizando un diagrama
triangular equilátero, en la Fig. I.A1-1.
Tabla I.A1-1
Punto de pliegue teórico para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético (1 atmósfera y 18ºC)
Punto x cloroformo x agua x ácido acético PT 0,450 0,113 0,437
Tabla I.A1-2
Datos de equilibrio teóricos (curva binodal) para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético (1 atmósfera y 18ºC)
Fase orgánica Fase acuosa
Punto x cloroformo x agua x ácido acético Punto y cloroformo y agua y ácido acético R1T 0,611 0,049 0,340 E1T 0,296 0,210 0,494 R2T 0,702 0,023 0,275 E2T 0,162 0,316 0,522 R3T 0,798 0,007 0,195 E3T 0,069 0,449 0,482 R4T 0,859 0,003 0,138 E4T 0,035 0,563 0,402 R5T 0,942 0,001 0,057 E5T 0,015 0,700 0,285
2
Fig. I.A1-1
Representación de los datos de equilibrio teóricos para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético
2. Cálculo experimental de los datos de equilibrio: curva binodal
El trabajo experimental, en laboratorio, tiene como objetivo la determinación de
algunos datos de equilibrio para el sistema agua-cloroformo-ácido acético.
Posteriormente, éstos son comparados con los proporcionados por la bibliografía
(apartado 1).
En primer lugar, los alumnos determinan, mediante valoración, diez puntos de la
curva binodal: cinco en la curva de extractos y cinco en la de refinados.
Ácido acético
Cloroformo
PT
R1T
R2T
R3T
R4T
R5T
E1T
E2T
E3T
E4T
E5T
Agua
Punto de pliegue
Extractos
Refinados
3
Las tablas I.A1-3 y I.A1-4 muestran los resultados obtenidos, en relación con la
curva de extractos, por dos grupos de alumnos (curso 2009-2010).
Tabla I.A1-3
Valoración de las disoluciones de extractos
Disolución V cloroformo, mL P cloroformo, g V ácido acético, mL V agua, mL
Grupo 1 Grupo 2
E-1 10,36 15,43 25 12,3 12,2
E-2 4,72 7,03 22 13,5 15,8
E-3 1,79 2,66 18 19,0 21,9
E-4 0,90 1,34 15 26,5 26,2
E-5 0,36 0,54 10 32,7 33,5
Tabla I.A1-4
Composiciones de los puntos de la curva de extractos
Grupo 1
Disolución y cloroformo, % y agua, % y ácido acético, %
E-1 28,88 22,93 48,19
E-2 16,30 31,16 52,54
E-3 6,63 47,14 46,23
E-4 3,10 61,12 35,78
E-5 1,24 75,02 23,74
Grupo 2
Disolución y cloroformo, % y agua, % y ácido acético, %
E-1 28,99 22,76 48,24
E-2 15,68 34,55 49,77
E-3 6,18 50,71 43,11
E-4 3,43 60,55 35,86
E-5 1,34 75,46 23,30
4
Las tablas I.A1-5 y I.A1-6 muestran los resultados obtenidos, en relación con la
curva de refinados, por dos grupos de alumnos (curso 2009-2010).
Tabla I.A1-5
Valoración de las disoluciones de refinados
Disolución Vcloroformo, mL Pcloroformo, g Vácido acético,mL Vagua, mL
Grupo 1 Grupo 2
R-1 31,07 46,27 25 2,0 2,2
R-2 35,32 52,59 20 1,0 1,8
R-3 42,46 63,23 15 0,6 0,8
R-4 43,06 64,12 10 0,5 0,4
R-5 57,16 85,11 5 0,4 0,3
Tabla I.A1-6
Composiciones de los puntos de la curva de refinados
Grupo 1
Disolución x cloroformo, % x agua, % x ácido acético, %
R-1 62,52 2,69 34,79
R-2 70,90 1,34 27,76
R-3 79,75 0,76 19,48
R-4 85,58 0,67 13,75
R-5 93,88 0,44 5,68
Grupo 2
Disolución x cloroformo, % x agua, % x ácido acético, %
R-1 62,35 2,95 34,70
R-2 70,01 2,40 27,58
R-3 79,55 1,01 19,44
R-4 85,84 0,53 13,76
R-5 94,17 0,32 5,50
5
Finalmente se representan los datos experimentales, de laboratorio, junto con los
bibliográficos (Fig. I.A1-2). Tal y como puede apreciarse, los resultados obtenidos por
los alumnos son bastante concordantes con los bibliográficos.
Fig. I.A1-2
Representación de los datos de equilibrio experimentales para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético. Comparación con la curva teórica
3. Representación de los datos de equilibrio teóricos: rectas de reparto
Además de los puntos de la curva binodal, en la práctica de laboratorio también
se determinan, experimentalmente, algunas rectas de reparto. Para apreciar la bondad
del trabajo experimental, las rectas serán, nuevamente, comparadas con otras tantas
extraídas de bibliografía (teóricas). En la Tabla I.A1-7, y en la Fig. I.A1-3, aparecen las
tres rectas teóricas.
Ácido acético
Cloroformo Agua
Extractos
Refinados
Extractos
Refinados
Grupo 1
Grupo 2
6
Tabla I.A1-7
Rectas de reparto teóricas para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético (1 atmósfera y 18ºC)
Fase orgánica Fase acuosa
Punto x cloroformo x agua x ácido acético Punto y cloroformo y agua y ácido acético RR1 0,890 0,003 0,107 RE1 0,027 0,613 0,360 RR2 0,835 0,004 0,161 RE2 0,046 0,510 0,444 RR3 0,736 0,019 0,245 RE3 0,099 0,388 0,513
Fig. I.A1-3
Representación de tres rectas de reparto teóricas para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético
Ácido acético
Cloroformo Agua
RE1
RE2
RE3
RR1
RR2
RR3
7
4. Cálculo experimental de los datos de equilibrio: rectas de reparto
Mediante valoración ácido-base, los alumnos determinaron las rectas
experimentales. Los datos de dos grupos de alumnos (curso 2009-2010) se recogen en
las tablas I.A1-8, I.A1-9, I.A1-10 y I.A1-11.
Tabla I.A1-8
Composición de las disoluciones ternarias para la determinación de las rectas de reparto Disolución Vcloroformo, mL Pcloroformo, g Vagua,mL Vácido acético, mL
M-1 20,95 31,19 20 14,85 M-2 19,10 28,45 20 22,09 M-3 16,12 24,03 15 25,23
Tabla I.A1-9
Composiciones iniciales de las mezclas ternarias
Disolución x cloroformo, % x agua, % x ácido acético, % M-1 46,91 30,08 23,10 M-2 39,96 28,09 31,95 M-3 36,96 23,07 39,97
Tabla I.A1-10
Composición en ácido acético (fracción másica) de las fases acuosas
Grupo 1 Grupo 2 Disolución y ácido acético y ácido acético M-1 extractos 0,39 0,43 M-2 extractos 0,50 0,48 M-3 extractos 0,54 0,52
Tabla I.A1-11
Composición en ácido acético (fracción másica) de las fases orgánicas
Grupo 1 Grupo 2 Disolución y ácido acético y ácido acético M-1 refinados 0,11 0,13 M-2 refinados 0,16 0,16 M-3 refinados 0,24 0,24
8
Finalmente, en la Fig. I.A1-4 son comparadas las rectas teóricas (bibliográficas)
con las generadas por dos grupos de alumnos. En general, se aprecia una aceptable
concordancia entre los datos teóricos y los empíricos, aunque las pendientes de las
rectas experimentales son mayores que el de las teóricas.
Fig. I.A1-4
Representación de las rectas de reparto experimentales para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético. Comparación con las rectas teóricas
5. Obtención de la curva binodal mediante HYSYS. Comparación de datos
Mediante el empleo de Hysys es posible simular la extracción líquido-líquido de
mezclas ternarias, siempre que se disponga de un modelo termodinámico capaz de
predecir, correctamente, los datos de equilibrio. Por ese motivo, se compararon los
datos bibliográficos con los generados por tres de los modelos más adecuados para
Ácido acético
Cloroformo Agua
Extractos
Refinados
Extractos
Refinados
Grupo 1
Grupo 2
Rectas de reparto
Teóricas
Grupo 1
Grupo 2
9
extracción líquido-líquido: UNIQUAC-virial, NRTL-extendida y PRSV (Fig. I.A1-5,
I.A1-6 y I.A1-7). Todos los datos se determinaron a 1 atmósfera y 25ºC.
Fig. I.A1-5
Representación de los datos de equilibrio generados con el modelo UNIQUAC-virial para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético (azul).
Comparación con los datos teóricos (rojo).
Ácido acético
Cloroformo Agua
UNIQUAC-virial
25oC / 1 atm.
10
Fig. I.A1-6
Representación de los datos de equilibrio generados con el modelo NRTL-Extendida para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético (azul).
Comparación con los datos teóricos (rojo).
Ácido acético
Cloroformo Agua
NRTL EXTENDIDA
25oC / 1 atm.
11
Fig. I.A1-7
Representación de los datos de equilibrio generados con el modelo PRSV para el sistema ternario agua-cloroformo-ácido acético (azul).
Comparación con los datos teóricos (rojo). 6. Conclusión
Tras analizar las figuras, se concluye que el mejor modelo para el sistema
ternario considerado es el UNIQUAC-virial. La ecuación NRTL-extendida predice mal
la curva binodal, mientras que el modelo PRSV, aunque es el que mejor predice la curva
de equilibrio, es el que peores resultados genera en cuanto a las rectas de reparto.
Ácido acético
Cloroformo Agua
PRSV
25oC / 1 atm.
12
ANEXO I.A.2
EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR.
SISTEMA: ETANOL-AGUA
1. Representación de los datos de equilibrio teóricos
Algunos datos de equilibrio, obtenidos en bibliografía para el sistema binario
considerado: etanol-agua, aparecen recogidos en la Tabla I.A2-1. Además, estos valores
se representan, formando la curva de equilibrio x-y, en la Fig. I.A2-1.
Tabla I.A2-1
Datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera)
x y
0,00 0,00 0,01 0,10 0,03 0,24 0,05 0,33 0,10 0,44 0,15 0,50 0,20 0,53 0,25 0,55 0,30 0,57 0,35 0,59 0,40 0,61 0,45 0,63 0,50 0,65 0,55 0,67 0,60 0,70 0,65 0,72 0,70 0,75 0,75 0,78 0,80 0,82 0,85 0,86 0,87 0,87 0,89 0,89
13
Fig. I.A2-1
Representación de los datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera)
2. Obtención de la curva de equilibrio mediante HYSYS. Comparación de los
datos con los reales
Mediante el empleo de Hysys es posible simular la destilación de mezclas
binarias, siempre que se disponga de un modelo termodinámico capaz de predecir,
correctamente, los datos de equilibrio. Por ese motivo, se compararon los datos
bibliográficos con los generados por tres de los modelos más adecuados para el
equilibrio líquido-vapor de sistemas polares: Chien Null – virial (Tabla I.A2-2 y Fig.
I.A2-2), NRTL extendida – virial (Tabla I.A2-3 y Fig. I.A2-3) y Lee Kesler Plocker
(Tabla I.A2-4 y Fig. I.A2-4). Todos los datos se determinaron a 1 atmósfera y 25ºC.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
x
y
14
Tabla I.A2-2
Datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera). Modelo: Chien Null- virial
x y
0,90 0,90 0,89 0,89 0,88 0,88 0,86 0,87 0,81 0,83 0,76 0,79 0,71 0,76 0,63 0,71 0,44 0,63 0,54 0,67 0,28 0,57 0,10 0,44 0,06 0,35 0,04 0,29 0,02 0,17
Fig. I.A2-2
Datos de equilibrio reales (puntos negros) y estimados con el modelo Chien Null- virial (puntos blancos) para el sistema etanol – agua a 1 atmósfera.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x
y
15
Tabla I.A2-3
Datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera). Modelo: NRTL extendido - virial
x y
0,90 0,90 0,90 0,90 0,89 0,90 0,88 0,89 0,86 0,87 0,81 0,82 0,75 0,78 0,69 0,75 0,59 0,69 0,33 0,59 0,10 0,44 0,05 0,33 0,02 0,17
Fig. I.A2-3
Datos de equilibrio reales (puntos negros) y estimados con el modelo NRTL extendido - virial (puntos blancos) para el sistema etanol – agua a 1 atmósfera.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x
y
16
Tabla I.A2-4
Datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera). Modelo: Lee Kesler Plocker
x y
0,90 0,94 0,83 0,90 0,76 0,86 0,70 0,82 0,65 0,78 0,59 0,74 0,57 0,72 0,54 0,70 0,51 0,68 0,46 0,63 0,41 0,59 0,33 0,52 0,23 0,42 0,12 0,29 0,05 0,15
Fig. I.A2-4
Datos de equilibrio reales (puntos negros) y estimados con el modelo Lee Kesler Plocker (puntos blancos) para el sistema etanol – agua a 1 atmósfera.
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x
y
17
3. Conclusión
Tras analizar las figuras anteriores se concluye que, de los tres modelos
considerados para el sistema etanol – agua, los dos mejores son el Chien Null – virial y
el NRTL extendido – virial, no existiendo diferencias significativas entre ambos. El
modelo de Lee Kesler Plocker obtiene una pobre estimación de datos.
Para simular la destilación del sistema etanol – agua se utilizará el modelo
NRTL extendido – virial.
18
ANEXO I.A.3
EQUILIBRIO LÍQUIDO-VAPOR. SISTEMA: CICLOHEXANO – ISOOCTANO
1. Representación de los datos de equilibrio experimentales
Para el sistema ciclohexano – isooctano no se han encontrado, en bibliografía,
datos del equilibrio líquido – vapor, por lo que, para seleccionar el modelo
termodinámico, se utilizarán los datos determinados experimentalmente en el
laboratorio. En la Tabla I.A3-1 aparecen algunos datos del equilibrio obtenidos durante
la puesta a punto de la práctica.
Tabla I.A3-1
Datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera)
Serie 1
x y 0,11 0,17 0,29 0,39 0,37 0,51 0,55 0,72 0,64 0,68
Serie 2 x y
0,32 0,35 0,39 0,48 0,42 0,59 0,62 0,75 0,75 0,85
19
2. Obtención de la curva de equilibrio mediante HYSYS. Comparación de los
datos con los reales
Mediante el empleo de Hysys es posible simular la destilación de mezclas
binarias, siempre que se disponga de un modelo termodinámico capaz de predecir,
correctamente, los datos de equilibrio. Por ese motivo, se compararon los datos
experimentales con los generados por tres de los modelos más adecuados para el
equilibrio líquido-vapor de hidrocarburos: Chao – Seader (Tabla I.A3-2 y Fig. I.A3-1),
Antoine (Tabla I.A3-3 y Fig. I.A3-2) y Peng – Robinson (Tabla I.A3-4 y Fig. I.A3-3).
Todos los datos se determinaron a 1 atmósfera y 25ºC.
Tabla I.A3-2
Datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera). Modelo: Chao – Seader
x y
0,98 0,99 0,95 0,96 0,89 0,93 0,83 0,88 0,75 0,83 0,65 0,76 0,57 0,71 0,52 0,67 0,46 0,61 0,37 0,53 0,28 0,43 0,19 0,32 0,12 0,22 0,07 0,13 0,02 0,04
20
Fig. I.A3-1
Datos de equilibrio experimentales (puntos negros) y estimados con el modelo Chao – Seader (puntos blancos) para el sistema ciclohexano – isooctano a 1 atmósfera.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x
y
21
Tabla I.A3-3
Datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera). Modelo: Antoine
x y
0,98 0,99 0,86 0,92 0,79 0,87 0,71 0,82 0,64 0,76 0,59 0,72 0,54 0,67 0,46 0,60 0,38 0,51 0,32 0,46 0,27 0,39 0,22 0,33 0,13 0,20 0,07 0,11 0,02 0,03
Fig. I.A3-2
Datos de equilibrio experimentales (puntos negros) y estimados con el modelo Antoine (puntos blancos) para el sistema ciclohexano – isooctano a 1 atmósfera.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x
y
22
Tabla I.A3-4
Datos de equilibrio líquido - vapor para el sistema etanol - agua (1 atmósfera). Modelo: Peng – Robinson
x y
0,98 0,99 0,89 0,92 0,85 0,89 0,79 0,85 0,70 0,79 0,64 0,75 0,56 0,68 0,45 0,59 0,37 0,52 0,29 0,43 0,21 0,33 0,14 0,24 0,09 0,17 0,06 0,11 0,02 0,04
Fig. I.A3-3
Datos de equilibrio experimentales (puntos negros) y estimados con el modelo Peng – Robinson (puntos blancos) para el sistema ciclohexano – isooctano a 1 atmósfera.
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0x
y
23
3. Conclusión
Tras analizar las figuras anteriores se concluye que no existen diferencias
significativas entre los datos termodinámicos predichos por los tres modelos. En
cualquier caso, se propone el modelo de Antoine para la simulación de prácticas de
laboratorio en las que intervenga el equilibrio líquido – vapor para el sistema binario
ciclohexano – isooctano.
AAnneexxoo II..BB
SSimulación de prácticas de laboratorio
I.B.1. Extracción líquido-líquido en contacto repetido. Sistema: agua-cloroformo-ácido acético
I.B.2. Destilación diferencial.
Sistema etanol-agua I.B.3. Cambiador de calor
ANEXO I.B.1
EXTRACCIÓN LÍQUIDO-LÍQUIDO EN CONTACTO REPETIDO. SISTEMA: AGUA-CLOROFORMO-ÁCIDO ACÉTICO
7. Introducción-datos experimentales.
La extracción líquido-líquido es una operación de separación capaz de separar,
selectivamente, uno o varios compuestos químicos presentes en mezclas
multicomponente (soluto/s) mediante la introducción de un agente material de
separación (o disolvente extractor). En nuestro caso, la extracción se lleva a cabo
mediante un esquema de contacto repetido en tres etapas (Fig. I.B1-1). De cada
extractor salen dos corrientes de materia: extracto (fase rica en soluto) y refinado (fase
empobrecida en soluto); siendo, esa última, incorporada como nueva alimentación a la
siguiente etapa. En cada extractor se introducen 20 mL de disolvente extractor (agua).
Fig. I.B1-1
Representación esquemática de las tres etapas de extracción
En el laboratorio, los alumnos calculan, experimentalmente, los datos relativos a
las cantidades de extracto y de refinado, así como sus composiciones. Estos valores,
para dos grupos de estudiantes, son mostrados en la Tabla I.B1-1.
Extractor 1 Extractor 2 Extractor 3
agua, 20 mL agua, 20 mL agua, 20 mL
cloroformo , 24,03 g
ácido acético , 35 mL
+
extracto 1 extracto 2 extracto 3
refinado 1 refinado 2
refinado 3
26
Tabla I.B1-1
Datos experimentales para la extracción líquido-líquido
Grupo 1 Grupo 2
Masa, kg Fracción másica ácido acético
Masa, kg
Fracción másica ácido acético
Extracto1 64,62 0,53 Extracto1 64,82 0,52 Refinado1 15,37 0,12 Refinado1 15,17 0,17
Extracto2 24,38 0,16 Extracto2 24,37 0,16 Refinado2 10,91 0,00 Refinado2 10,72 0,00
Extracto3 20,03 0,01 Extracto3 20,36 0,04 Refinado3 10,79 0,00 Refinado3 10,27 0,00 8. Simulación de la práctica con Hysys.
Para lograr la integración de las tres etapas de extracción líquido-líquido,
utilizando el programa Hysys, se aplica un esquema como el mostrado en la Fig. I.B1-2.
A partir de los estudios descritos en el Anexo I.A, se opta por aplicar el modelo de
estimación de propiedades termodinámicas UNIQUAC-virial. La temperatura y presión
de trabajo, para los tres extractores, es la misma que se utilizó a nivel la laboratorio:
25ºC y 1 atmósfera, respectivamente.
Fig. I.B1-2
Pantalla de Hysys con las tres etapas de extracción
27
Los datos más significativos que proporciona el programa se muestran en la
Tabla I.B1-2. Comparando los resultados con los de la Tabla I.B1-1 puede decirse que
el programa es capaz de predecir, con relativa bondad, los datos experimentales. En este
sentido, hay que tener en cuenta que Hysys supone, para los cálculos, que se alcanza el
equilibrio termodinámico en cada etapa de extracción, hecho que realmente no ocurre
en el laboratorio.
Tabla I.B1-2
Datos de Hysys para la extracción líquido-líquido
Composición, fracción másica Masa, kg Ácido acético Cloroformo Agua
Extracto1 58,75 0,58 0,09 0,34 Refinado1 21,21 0,10 0,89 0,00
Extracto2 22,02 0,09 0,00 0,91 Refinado2 19,10 0,01 0,99 0,00
Extracto3 20,08 0,01 0,00 0,99 Refinado3 18,94 0,00 1,00 0,00
9. Conclusión.
Mediante el trabajo llevado a cabo queda disponible, para la docencia de
Experimentación en Ingeniería Química, un archivo de Hysys capaz de simular la
práctica de extracción líquido-líquido en contacto repetido del sistema cloroformo-ácido
acético-agua.
28
ANEXO I.B.2
DESTILACIÓN DIFERENCIAL. SISTEMA: ETANOL-AGUA
1. Introducción-datos experimentales.
La destilación es una de las operaciones de separación más utilizadas en el
campo de la Ingeniería Química. Industrias como la del refino de petróleo, la
petroquímica, perfumes,… no podrían entenderse sin la aplicación de técnicas de
destilación. A nivel de laboratorio es común realizar prácticas de destilación, tanto en
continuo como por cargas. En esta última modalidad, el destilador es cargado por la
mezcla que se pretende tratar; posteriormente se aplica calor para lograr la separación
de los componentes más volátiles por la única corriente que sale del equipo, es decir, la
de vapor. El residuo que queda en el destilador quedará cada vez más agotado en los
componentes más volátiles. La Fig. I.B2-1 muestra un esquema simplificado de este
tipo de operación.
Fig. I.B2-1
Representación esquemática de la destilación diferencial
Como es evidente, en vista a como se lleva a cabo la destilación por cargas
(también denominada diferencial), se puede decir que ésta es una operación que avanza
en estado no estacionario.
Destilador
DestiladoCalor
Frío
Vapor
Mezcla a separar
29
En el laboratorio los alumnos calculan, con el montaje representado en la Fig.
I.B2-2 y en función del tiempo, los siguientes datos:
1. Temperatura del residuo (termómetro A).
2. Temperatura del vapor (termómetro B).
3. Composición del residuo (en forma de fracción molar).
4. Composición del destilado (en forma de fracción molar).
Fig. I.B2-2
Representación del montaje experimental para la destilación diferencial
En el procedimiento experimental se parte con 250 mL de una mezcla etanol-
agua al 40% en peso (de etanol). Tras calentar, y cuando cae la primera gota de
destilado en el recipiente C, se pone en marcha el cronómetro. Se anotan las
temperaturas, y se recogen muestra de destilado y de residuo. La toma de datos se repite
cada vez que se acumulen 10 mL de destilado.
En la Tabla I.B2-1 son mostrados, para dos grupos de alumnos, los resultados
experimentales.
Calor
Destilado
A
B
30
Tabla I.B2-1
Datos experimentales para la destilación diferencial
Grupo 1 Grupo 2 t (s)
Tresid. (ºC)
Tvap. (ºC)
x Wf
(moles) t (s)
Tresid. (ºC)
Tvap. (ºC)
x Wf
(moles) 0 82 80 0,15 10,4 0 82 80 0,16 10,2 98 82 80 0,14 10,1 96 82 81 0,14 9,5 208 83 81 0,14 9,9 212 83 81 0,13 9,2 322 83 81 0,13 9,6 322 83 81 0,12 9,0 454 83 81 0,12 9,4 452 83 81 0,11 8,9 580 84 82 0,10 8,9 582 84 82 0,11 8,7 716 85 82 0,09 8,8 703 85 82 0,09 8,3 839 85 82 0,08 8,6 900 85 83 0,09 8,3 976 86 83 0,07 8,3 1094 87 84 0,05 7,6 1101 87 84 0,06 7,9 1302 88 85 0,03 7,2 1250 88 85 0,04 7,4 1536 90 87 0,01 7,0
2. Simulación de la práctica con Hysys.
Para lograr la simulación de la destilación diferencial, utilizando el programa
Hysys, se aplica un esquema como el mostrado en la Fig. I.B2-3. A partir de los estudios
descritos en el Anexo I.A, se opta por aplicar el modelo de estimación de propiedades
termodinámicas NRTL extendido – virial.
Fig. I.B2-3
Pantalla de Hysys para simular la destilación diferencial
31
En la Tabla I.B2-2 se tabulan, los resultados obtenidos con el simulador. Para
comparar estos resultados con los experimentales se han introducido las Fig. I.B2-4,
I.B2-5 y I.B2-6, donde se grafica la evolución de la fracción másica de etanol en el
residuo (x), la temperatura del residuo y el número de moles totales que van quedando
en el residuo, respectivamente.
Tabla I.B2-2
Datos de Hysys para la destilación diferencial
t (s)
Tresid. (ºC)
Tvap. (ºC)
x y Wf
(moles) 19 83 83 0,15 0,50 10,9 47 83 83 0,15 0,50 10,8 147 84 84 0,14 0,49 10,6 247 84 84 0,13 0,48 10,4 347 84 84 0,13 0,47 10,1 447 85 85 0,12 0,46 9,9 547 85 85 0,11 0,45 9,6 647 86 86 0,10 0,44 9,4 847 87 87 0,08 0,41 8,9 1047 88 88 0,07 0,37 8,4 1247 90 90 0,05 0,32 7,9 1447 92 92 0,04 0,27 7,5 1647 94 94 0,02 0,20 7,0
Fig. I.B2-4
Evolución de la fracción molar de etanol en el residuo. Datos del simulador (puntos blancos) y datos experimentales (puntos negros).
0
0,04
0,08
0,12
0,16
0,20
0 400 800 1200 1600 2000
x
t, s
32
Fig. I.B2-5
Temperatura del residuo. Datos del simulador (puntos blancos) y datos experimentales (puntos negros).
Fig. I.B2-6
Número de moles totales en el residuo. Datos del simulador (puntos blancos) y datos experimentales (puntos negros).
80
85
90
95
100
0 400 800 1200 1600 2000
t, s
T re
sid
., ºC
0
2
4
6
8
10
12
0 400 800 1200 1600 2000t, s
Wf., m
ole
s
33
3. Conclusión.
Mediante el trabajo llevado a cabo queda disponible, para la docencia de
Experimentación en Ingeniería Química, un archivo de Hysys capaz de simular la
práctica de destilación diferencial de una mezcla etanol-agua.
34
ANEXO I.B.3
CAMBIADOR DE CALOR
1. Introducción-datos experimentales.
Un cambiador (o intercambiador) de calor es un dispositivo construido para
intercambiar eficientemente el calor de un fluido a otro. Los cambiadores de calor son
muy usados en refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, producción de
energía, y procesamiento químico. Por estos motivos, es fundamental que el estudiante
de Ingeniería Técnica Industrial, especialidad en Química Industrial, conozca, en
profundidad, el diseño y funcionamiento de estos equipos.
La Fig. I.B3-1 muestra un esquema simplificado del cambiador utilizado en la
práctica de laboratorio.
Fig. I.B3-1
Representación esquemática del cambiador de calor
Entrada agua caliente
Entrada agua fría
Salida agua fría
Tce
Salida agua caliente
Tcs Tfs
Tfe
Cambiador
35
En el procedimiento experimental se utiliza agua caliente (calentada en una
resistencia) para calentar agua fría, de la red. Todo el equipo de transferencia de calor
está construido en vidrio y dispone de cuatro termómetros que permiten conocer las
temperaturas de los fluidos, tanto a la entrada como a la salida.
En la Tabla I.B3-1 se muestran, para dos grupos de alumnos, los resultados
experimentales.
Tabla I.B3-1
Datos experimentales para el cambiador de calor
Fluido frío Fluido caliente Q (L/h) Tentrada, ºC Tsalida, ºC Q (L/h) Tentrada, ºC Tsalida, ºC
Grupo 1 330 18 26 400 64 54 Grupo 2 330 16 26 400 69 51
Q: caudal volumétrico
2. Simulación de la práctica con Hysys.
Para lograr la simulación del cambiador de calor, utilizando el programa Hysys,
se aplica un esquema como el mostrado en la Fig. I.B3-2.
Fig. I.B3-2
Pantalla de Hysys para simular el cambiador de calor
36
En este caso no es tan importante, como en los anteriores, la selección del
paquete de estimación de propiedades termodinámicas, ya que no se establecerá ninguna
transferencia de materia entre fases. En cualquier caso, se adopta el modelo Antoine
para llevar a cabo la simulación.
En la Tabla I.B3-2 se tabulan, los resultados obtenidos con el simulador
(temperaturas de salida), para distintas temperaturas de entrada del fluido frío y caliente.
Se comparan estos valores con los obtenidos en el laboratorio, observándose un ajuste
aceptable.
Tabla I.B3-2
Datos proporcionados por Hysys para el cambiador de calor
Fluido frío Fluido caliente Datos Tentrada, ºC Tsalida, ºC Tentrada, ºC Tsalida, ºC Experimentales 18 26 64 54 18 25 66 56 16 26 69 51 16 27 70 53
Hysys 18 26 64 54 18 26 66 55 16 26 69 52 16 27 70 53
3. Conclusión.
Mediante el trabajo llevado a cabo queda disponible, para la docencia de
Experimentación en Ingeniería Química, un archivo de Hysys capaz de simular un
cambiador de calor de carcasa y tubos en el que tanto el fluido caliente como frío es
agua.
AAnneexxoo IIII
MManual de utilización de Hysys
(vista parcial)
Las primeras y últimas páginas del manual pueden verse en el archivo PDF titulado… LIBRO DE HYSYS.Manuel Cuevas Aranda
AAnneexxoo IIIIII
DDocumentos relacionados con la
proyección lograda por el proyecto
En el ejemplar de esta memoria, en formato papel, se encuentran fotocopias de los certificados de aceptación/participación en los siguientes foros de innovación docente:
II Jornadas de Innovación Docente de la Universidad de Jaén (Jaén, octubre
de 2010).
I Congreso Internacional de Innovación Docente Campus Mare Nostrum
(Cartagena, julio de 2011).
II Jornadas sobre Innovación Docente y Adaptación al EESS en las
Titulaciones Técnicas (Granada, septiembre de 2011).
El artículo Simulación de prácticas de laboratorio de la asignatura “Experimentación en Ingeniería Química” mediante el uso del
simulador de procesos Hysys.Plant (publicación de la revista electrónica Iniciación a la Investigación, de la Universidad de Jaén), queda disponible en el archivo PDF titulado…
Publicación electrónica en la Universidad de Jaén
INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN
EN INGENIERÍA QUÍMICA
APLICACIÓN DEL SIMULADOR HYSYS.Plant PARA LA
RESOLUCIÓN DE EJERCICIOS Y EL DESARROLLO DE
PRÁCTICAS DE LABORATORIO
Manuel Cuevas Aranda*
*Departamento de Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales.
Universidad de Jaén.
Hace ahora una década de mi acercamiento iniciático al programa HYSYS. Acababa de incorporarme a la Universidad de Jaén, como profesor del área de Ingeniería Química, y la asistencia a una conferencia en la que se ensalzaban las virtudes del simulador comercial de Hyprotech me movió a utilizarlo como complemento docente en una asignatura relacionada con el refino de petróleo. Las primeras experiencias, centradas en la resolución de ejercicios de carácter teórico, fueron el germen de nuevas ideas que terminaron por dirigirse, con buenos resultados, hacia objetivos más tangibles, como la simulación de operaciones básicas del laboratorio de Ingeniería Química. En todas las etapas de trabajo pude comprobar que la gran potencia de cálculo de la herramienta informática quedaba oculta, sutilmente, bajo un interfaz gráfico muy intuitivo, de fácil manejo, capaz de acercar cómodamente al usuario hasta los datos reales de los equipos reales. Creo que esas propiedades fueron las que incrementaron la motivación de los alumnos por el aprendizaje de los fundamentos que gobiernan las operaciones básicas de la Ingeniería Química; las que contribuyeron a que éstos, cuando se sumergían con ilusión en el programa, bucearan en sus profundidades desarrollando procesos autónomos de aprendizaje. Sin embargo, también constaté que los primeros acercamientos al software, por fáciles que parezcan, derivan frecuentemente en una frustrante sangría de tiempo, si no se llevan a cabo de manera guiada, ya sea siguiendo algún curso de iniciación o apoyándose en un texto.
Este trabajo nace como guía introductoria a HYSYS para los estudiantes de las Escuelas Politécnicas Superiores de Linares y Jaén y, en general, para cualquier alumno de ingeniería o de titulaciones como Química, Ciencias Ambientales o Tecnología de Alimentos interesados por el simulador. En ningún momento se ha pretendido conseguir un manual completo del programa, lo que carecería de sentido sabiendo que el que incorpora HYSYS, como ayuda, es más amplio y sólido, sino ofrecer un texto que lleve al estudiante a simular algunos equipos habituales de plantas químicas (destiladores, extractores líquido-líquido, compresores, intercambiadores de calor,…) con el fin de obtener resultados para la corrección de cálculos tanto en ejercicios teóricos como en trabajos de laboratorio. De esta forma, la mayor parte del documento cubre la realización de ejercicios teóricos de las asignaturas `Operaciones Básicas´, `Refino de Petróleo´ y `Carboquímica y Petroquímica´, pero también incorpora 6 prácticas de laboratorio impartidas en `Experimentación en Ingeniería Química´, `Principios y Cálculos Básicos de la Ingeniería´ y `Transmisión de Materia y Calor´.
La introducción de HYSYS en la clase práctica de operaciones básicas busca propiciar sinergias positivas entre contenidos: el laboratorio da una mayor credibilidad al simulador (al comprobarse que éste es capaz de describir casos reales), mientras el trabajo con el software puede aclarar, o reforzar, conocimientos teóricos que a veces quedan confusos en la vorágine de ese aula.
Hay que señalar que HYSYS, como cualquier otro software de éxito, ha ido perfeccionándose desde su nacimiento y, por tanto, existen múltiples versiones del mismo. Aunque esta obra se ha basado en el empleo de HYSYS.Plant 2.2, se piensa que el carácter introductorio del texto, centrado en el estudio de aspectos básicos del programa, hace que sus contenidos sean, en gran medida, compatibles con otras versiones más recientes.
El libro se estructura en 7 capítulos y 2 apéndices. En el primer apartado se presentan, brevemente, los aspectos fundamentales de la simulación de procesos en Ingeniería Química: la construcción del modelo, el análisis de variables y los algoritmos para la resolución de sistemas de ecuaciones.
En el capítulo 2, ya frente al programa, son abordados los pasos iniciales que deben darse cuando se accede a HYSYS. En este sentido, es recomendable establecer un sistema de unidades adecuado al problema de simulación que se lleva a cabo, e imprescindible fijar tanto
los compuestos químicos participantes como los modelos para la estimación de propiedades termodinámicas.
En el epígrafe 3 se introducen y configuran corrientes de materia y energía, así como mezcladores y divisores de corriente. Se finaliza presentando dos herramientas útiles para recopilar información desde los anteriores elementos: Databook y Utilities.
El capítulo 4 se dedica al estudio de la destilación. A través de sus páginas el simulador es aplicado a la resolución de problemas tan interesantes como el cálculo de los puntos de burbuja y de rocío de mezclas multicomponente, o de las composiciones de las corrientes de salida de destiladores simples y de columnas de destilación fraccionada. También se aborda la destilación por cargas, ejemplo de operación que transcurre en estado no estacionario.
El apartado 5 analiza otra operación clásica de la Ingeniería Química: la extracción líquido-líquido, mientras los epígrafes 6 y 7 abordan, someramente, operaciones comunes a varios campos de la ingeniería industrial, y que también tienen gran interés dentro de las instalaciones químicas: la compresión de gases, la refrigeración mediante ciclos de compresión, los intercambiadores de calor y el almacenamiento de líquidos.
El texto, además de explicar la resolución, paso a paso, de numerosos casos prácticos, incorpora 23 cuestiones y 58 ejercicios propuestos, cuyas soluciones se encuentran disponibles en el epígrafe A.
Quiero terminar expresando mi gratitud a aquellos profesores que alguna vez me enriquecieron con su magisterio, y a los compañeros de departamento que me animaron a escribir el texto aportando interesantes sugerencias. Les doy las gracias porque si el lector encuentra algo acertado en esta obra se debe a ellos; lo demás, sin duda, es mío. Tampoco puedo terminar estas palabras sin recordar a mis alumnos, cuyo interés por el programa impulsó la realización de este trabajo, así como al Secretariado de Innovación Docente de la Universidad de Jaén, organismo que financió parcialmente esta edición a través de un Proyecto de Innovación. Sin todos ellos estas páginas nunca habrían nacido.
A Sofía y Manuel, los dos corazones de mi alma.
EL AUTOR
NOMENCLATURA
A, B, C, D, E, F, parámetros de modelos termodinámicos; nombres de compuestos o corrientes Aij, Bij, Cij, Alpij, Alp1ij, Alp2ij, parámetros de interacción binaria de modelos termodinámicos BE, abreviación de `balance de energía´ BMC, abreviación de `balance de materia a un compuesto químico´ BMT, abreviación de `balance de materia total´ C, concentración; número de compuestos químicos C1, C2, C3,…, parámetros de los modelos termodinámicos Cd, coeficiente de dimensionamiento de válvula Cp, calor específico del gas a presión constante Cv, calor específico del gas a volumen constante COP, abreviación de `coeficiente de rendimiento de un ciclo de refrigeración´ CS, abreviación de la ecuación `Chao-Seader´ D, caudal (molar o másico) de destilado en el destilador diferencial E, energía EnT , punto de la curva de extractos en un proceso de extracción líquido-líquido F, número de fases F, corriente de alimentación GS, abreviación de la ecuación `Grayson Streed´ g, gravedad estándar H, altura de elevación de una bomba centrífuga; entalpía del vapor h, entalpía del líquido IQ, abreviación de `Ingeniería Química´ K, relación de equilibrio vapor-líquido Ka, constante de acidez Ki, relación de equilibrio vapor-líquido del componente i-simo k, coeficiente de compresión isoentrópica; conductancia de válvula L, líquido LNG, abreviación de `liquid natural gas´ (gas natural licuado) LS, abreviación de `líquido saturado´ M, caudal, másico o molar MBWR, abreviación de la ecuación `Modified Benedict-Webb-Rubin´ N, número de corrientes de entrada o de salida; número de platos en una columna de destilación; número de compresores; número final de muestras; normalidad Na, plato de alimentación ND, número de variables de diseño NE, número de ecuaciones independientes NGL, número de grados de libertad NT, número de variables totales NRTL, abreviación de la ecuación `Non Random Two Liquid´ n, coeficiente de compresión politrópica n, número de moles P, peso; presión Pc, presión crítica PE, abreviación de `peso equivalente´ PM, abreviación de `peso molecular´ ���, presión de vapor del componente i-simo
PS, presión de vapor PFD, entorno de simulación como diagrama de flujos del proceso PR, abreviación de la ecuación `Peng-Robinson´
PRSV, abreviación de la ecuación `Peng-Robinson-Stryjek-Vera´ Q, caudal térmico q, caudal volumétrico R, constante universal de los gases RK, abreviación de la ecuación `Redlich-Kwong´ RnT, punto de la curva de refinados en un proceso de extracción líquido-líquido r, coeficiente de correlación simple de Pearson; relación de compresión SRK, abreviación de la ecuación `Soave-Redlich-Kwong´ T, temperatura Tc, temperatura crítica Te, temperatura normal de ebullición Tr, temperatura reducida Tres, temperatura del residuo TBP, abreviación de `True Boiling Point´ (punto de ebullición verdadero) t, tiempo U·A, número de unidades de transferencia del intercambiador de calor UNIFAC, abreviación del método `UNIQUAC Funtional-group Activity Coefficients´ UNIQUAC, abreviación de la ecuación `Universal Quasi-Chemical´ V, caudal (molar o másico) de vapor en el destilador diferencial; volumen Vp, fracción de apertura de válvula V, vapor VS, abreviación de `vapor saturado´ v, velocidad W, carga (molar o másica) de residuo en el destilador diferencial Wcomp, trabajo de compresión Wcomp–ie, trabajo de compresión isoentrópica Wcomp–it , trabajo de compresión isoterma Wcomp–pt, trabajo de compresión politrópica Wcomp–real, trabajo de compresión real Wf, moles en el destilador w, factor acéntrico de Pitzer x, fracción, másica o molar, en la fase líquida y, fracción, másica o molar, en la fase vapor Zc, factor de compresibilidad crítico ZJ, abreviación de la ecuación `Zudkevitch-Joffee´ z, factor de compresibilidad del gas Letras griegas
α, volatilidad relativa; grado de disociación
α, β, fases líquidas en la salida del extractor líquido-líquido
∆P, caída de presión
ε, eficacia de plato
η, eficiencia de compresión
ηie, eficiencia de compresión isoentrópica
ηpt, eficiencia de compresión politrópica
µ, potencial químico; viscosidad dinámica ξ, franjas en las que se divide el área total de integración al aplicar el método de los trapecios
ρ, densidad ν, volumen molar
Φ, producto (Vp · k) , factor acéntrico de Pitzer
00 ÍÍndice general
1. Introducción 2. Primeros pasos con HYSYS 3. Definición de corrientes de materia y de energía 4. Destilación 5. Extracción líquido-líquido 6. Compresión de gases 7. Almacenamiento de líquidos 8. Bibliografía 9. Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos 10. Apéndice B: papel gráfico triangular
11 IIntroducción
1.1. Introducción a la simulación por ordenador 1.2. Creación del modelo y análisis de variables 1.3. Arquitectura para la resolución de modelos
Introducción
11
1.1. INTRODUCCIÓN A LA SIMULACIÓN POR ORDENADOR
En los últimos años se aprecia un incremento considerable en el uso de simuladores comerciales dentro de las aulas de Ingeniería Química de universidades de todo el mundo. Así, hoy, es frecuente encontrar personas, dentro de los mejores campus universitarios, familiarizadas con programas como HYSYS®, ASPEN PLUS® o CHEMCAD®. El estudiante que se desenvuelva con soltura con estas herramientas informáticas habrá ganado los primeros galones para dejar atrás la figura de mero peón en el tablero de la Ingeniería Química. Y es que el uso correcto y completo del simulador sólo se consigue partiendo de conocimientos robustos de procesos `químico-industriales´, operaciones básicas, sistemas automáticos de control,… y permite aplicar todos ellos, de una manera rápida y fiable, para mejorar el funcionamiento de cualquier unidad o proceso químico.
Cuando se simula algo lo que se pretende es crear una representación no real de esa cosa que, en cualquier caso, debe ser lo más parecida a ella. Así, ante un suceso que puede darse, por ejemplo, la extinción de un incendio en una refinería de petróleo, la simulación se logra mediante una actuación teatral, más o menos fidedigna, en la que intervienen los mismos actores que participarían en el caso real (bomberos, equipo médico, víctimas,…), y que ayuda a entender lo que sucede al alterar algunas variables operativas: la no existencia de agua, la tardanza del servicio de ambulancia, etc. La finalidad es observar cómo se ha actuado para perfeccionar los procedimientos y así evitar, o minimizar, daños ante un evento real. Se comprende que el interés de la simulación es máximo ante situaciones complejas donde el elevado número de actores intervinientes, y la gran diversidad de comportamientos posibles, hacen difícil conocer, a priori y con detalle, cómo se desarrollará su actuación.
En las instalaciones industriales modernas, donde el trabajo en gran medida es realizado por mecanismos, la simulación se consigue construyendo modelos matemáticos (sistemas de ecuaciones) capaces de describir, de forma abstracta, el funcionamiento de las máquinas. Se partiría de casos simples, pero el modelo iría complicándose con la incorporación de nuevos equipos, lo que incrementaría del número de ecuaciones del modelo: mientras la operación de llenado o vaciado de un tanque de almacenamiento de gasolina puede implicar el juego de unas pocas decenas de variables, una unidad completa de una refinería de petróleo sólo se modela ligando miles de ellas.
La calidad del simulador viene marcada, con carácter esencial, tanto por la aproximación del modelo a la realidad como por la potencia puesta en juego para resolver, rápidamente, el sistema de ecuaciones y, con carácter complementario, por la facilidad que el usuario tenga para configurar el modelo, ponerlo en marcha y recoger, ordenada, la información de salida.
Desde el punto de vista histórico, la simulación de procesos por ordenador es una disciplina relativamente reciente que ha evolucionado con gran rapidez al disponer de equipos informáticos cada vez más poderosos. De esta forma, en poco tiempo, han surgido programas capaces de simular operaciones básicas (destiladores, cambiadores de calor,…), integrar las operaciones mediante corrientes de materia y energía para originar procesos, gobernar esos procesos mediante sistemas automáticos de control y, finalmente, actuar sobre todo el conjunto para predecir el efecto de cualquier modificación: perturbaciones en las variables operativas, cambios en la integración de los equipos, etc. Sin embargo, la utilidad de los simuladores actuales no sólo se limita a la mejora (optimización) de equipos e instalaciones en uso. El nivel de perfeccionamiento del software hace que éste también pueda ser empleado en etapas de diseño y cálculo de instalaciones. Si hace pocas décadas el ingeniero diseñaba los equipos industriales con herramientas como el papel y los ábacos, realizando trabajos tan arduos como los que se desarrollaban al dibujar planos con tinta, o al escribir `a mano´ la memoria del proyecto, hoy los simuladores son capaces de aplicar las mismas secuencias de
Introducción
12
cálculo (o incluso mejores) que las empleadas por nuestros maestros a la velocidad del microprocesador. Es obvio que el ingeniero químico debe conocer los fundamentos teóricos del cálculo de operaciones básicas, pero también es cierto que en este momento el diseño real de equipos sólo se realiza a golpe de teclado y de ratón.
1.2. CREACIÓN DEL MODELO Y ANÁLISIS DE VARIABLES
El modelado de un proceso debe desarrollarse después de reflexionar sobre el acercamiento necesario entre modelo y realidad; es decir, tras establecer los objetivos y límites del modelo, porque eso determina los aspectos más importantes de la construcción matemática. Por ejemplo, no es lo mismo trabajar en estado estacionario que en estado no estacionario, o considerar que un equipo se comporta, o no, adiabáticamente. Dependiendo de los condicionantes, en unas ocasiones surgirán ecuaciones algebraicas y, en otras, diferenciales, o se aplicarán unas u otras leyes de conservación.
Para construir el modelo de un proceso complejo hay que partir de sus equipos individuales. Estas unidades siempre realizan modificaciones físicas o químicas sobre la materia, que podrán ser descritas aplicando leyes de conservación de propiedad (materia, energía o cantidad de movimiento), leyes cinéticas de trasferencia de propiedad (materia, energía o cantidad de movimiento), leyes de transformación de materia (cuando existen reacciones químicas) y leyes de tipo termodinámico.
En el siguiente ejemplo se modela un proceso de destilación compuesto por un mezclador de corrientes y un destilador simple (Fig. 1.1). Ambos equipos operan en estado estacionario y se consideran C compuestos químicos (1, 2,…, C-simo).
M: caudal molar x: fracción molar T: temperatura P: presión h y H: entalpías Q: caudal térmico
Fig. 1.1. Esquema de un mezclador y un destilador simple
Introducción
13
Modelo matemático para el mezclador
En el mezclador entran dos corrientes de materia en fase líquida (A y B) para originar una sola salida (F). Las ecuaciones del modelo, si el equipo es adiabático y no interesan los aspectos relativos a la impulsión de fluidos, se reducen a las que surgen al aplicar las leyes de conservación de la materia y la energía,
Entrada de materia/energía
al sistema +
Generación de materia/energía
en el sistema =
Salida de materia/energía
del sistema +
Acumulación de materia/energía
en el sistema
El estado estacionario implica la anulación del cuarto término de la anterior ecuación (acumulación de propiedad), mientras la no existencia de reacciones químicas supone la supresión del segundo término (generación de propiedad). Así,
Entrada de materia/energía
al sistema =
Salida de materia/energía
del sistema
El balance de materia total (BMT) y el de (C – 1) compuestos (BMC) lleva a,
BMT: MA + MB = MF
BMC-1: (MA · xA1) + (MB · xB1) = (MF · xF1)
BMC-2: (MA · xA2) + (MB · xB2) = (MF · xF2)
…
BMC-(C – 1): (MA · xA(c – 1)) + (MB · xB(c – 1)) = (MF · xF(c – 1))
mientras el balance energético (BE) dicta,
BE: (MA · hA) + (MB · hB) = (MF · hF)
Por tanto, existen (C + 1) ecuaciones independientes.
Análisis de variables para el mezclador
El número de variables de diseño, ND, viene dado por la diferencia entre el número total de variables que intervienen en el modelo, NT, y el número de ecuaciones independientes, NE; esto es lo que se establece en la ecuación [1.1].
ND = NT – NE [1.1]
Introducción
14
En general, una corriente de materia con C compuestos químicos se define fijando (C + 3) variables: caudal, temperatura, presión y C datos de composición. El resto de variables, por ejemplo la entalpía, son función de las primeras. Esto determina que el mezclador, que liga 3 corrientes, sume 3·(C + 3) variables totales.
Respecto al número de ecuaciones independientes, antes se dedujo cómo el modelo matemático se construye con (C + 1) ecuaciones. Sin embargo, a esta cifra hay que sumar 3 relaciones de composición, ya que se han considerado como variables los C datos compositivos (C fracciones molares) cuando éstos vienen ligadas por las expresiones,
1
1
=∑=
C
i
ixA
1
1
=∑=
C
i
ixB
1
1
=∑=
C
i
ixF
En definitiva, el número de ecuaciones independientes se incrementa hasta (C + 4), con lo que el número final de variables de diseño se sitúa en (2·C + 5).
ND = NT – NE = 3·(C + 3) – (C + 4) = (3·C + 9 – C – 4) = (2·C + 5)
Modelo matemático para el destilador
El destilador funciona en estado no estacionario sin producir transformaciones químicas en la materia, por lo que las leyes de conservación aplicadas a este equipo indican,
Entrada de materia/energía
al sistema =
Salida de materia/energía
del sistema
La anterior expresión, particularizada para la materia, determina,
BMT: MF = ML + MV
BMC-1: (MF · xF1) = (ML · xL1) + (MV · yV1)
BMC-2: (MF · xF2) = (ML · xL2) + (MV · yV2)
…
BMC-(C – 1): (MF · xF(c – 1)) = (ML · xL(c – 1)) + (MV · yV(c – 1))
y para la energía,
BE: (MF · hF) + Q = (ML · hL) + (MV · HV)
Introducción
15
Suponiendo que se alcanza el equilibrio termodinámico entre V y L, también se consideran las leyes del equilibrio termodinámico entre fases para relacionar las composiciones de cada especie química a la salida del destilador,
yv1 = K1 · xL1
yv2 = K2 · xL2
…
yvc = K(c – 1) · xL(c – 1)
Sumando un total de (2·C + 1) ecuaciones independientes.
Análisis de variables para el destilador
En el destilador el número de variables totales es igual a la suma de (3·C + 9) variables, asociadas a las tres corrientes de materia, más el caudal térmico Q; es decir, NT = (3·C + 10).
Las ecuaciones independientes son (2·C + 1), a las que se deben sumar las 3 relaciones de composición,
1
1
=∑=
C
i
ixF 1
1
=∑=
C
i
ixL 1
1V =∑
=
C
i
iy
y las ecuaciones de igualdad de presión y temperatura en las corrientes en equilibrio,
PL = PV TL = TV
Por lo que NE = (2·C + 6).
Lo anterior determina, al aplicar la ecuación [1.1],
ND = (3·C + 10) – (2·C + 6) = (C + 4)
Modelo matemático para el conjunto `mezclador-destilador´
Las ecuaciones algebraicas del modelo que describe al conjunto `mezclador-destilador´ son las obtenidas anteriormente al aplicar los balances de materia y de energía.
Análisis de variables para el conjunto `mezclador-destilador´
De acuerdo a la ecuación [1.1], teniendo en cuenta la siguiente tabla (que incorpora los datos del análisis de variables para los elementos individuales) el número de variables de diseño del sistema `mezclador-destilador´ se iguala a (3·C + 9).
Introducción
16
Elemento NT NE ND
Mezclador (3·C + 9) (C + 4) (2·C + 5)
Destilador (3·C + 10) (2·C + 6) (C + 4)
Total (6·C + 19) (3·C + 10) (3·C + 9)
Sin embargo, al considerar el proceso en su conjunto, pronto se observan errores en el cálculo anterior. Así, el número total de variables (NT) no puede ser igual a (6·C + 19), ya que en la Fig. 1.1 aparecen 5 corrientes de materia, cada una de las cuales suma (C + 3) variables, y 1 corriente energética (Q), lo que da un total de (5·C + 16) variables. Por el lado de las ecuaciones y otras restricciones (NE) la suma total que aparece en la tabla (3·C + 10) debe minorarse restando 1 relación de composición redundante,
1
1
=∑=
C
i
ixF
que en el análisis de elementos individuales fue aplicada dos veces (para el mezclador y el destilador). Por tanto, NE = (3·C + 9) y, finalmente, ND = (5·C + 16 – 3·C – 9) = (2·C + 7).
De lo anterior se deduce que el análisis de variables de un proceso complejo debe construirse partiendo del estudio de los elementos simples que lo componen, pero corrigiendo los valores de NT y NE en base al número de corrientes redundantes (o corrientes de interconexión).
El valor de ND es importante en la simulación, porque indica cuantas variables impondrá el operador para que el modelo pueda resolverse (variables independientes). Como fruto de esa actuación se obtendrán las (NT – ND) variables restantes, o variables dependientes. Otra cuestión distinta sería conocer qué variables deben seleccionarse como variables de diseño. En este sentido, las variables impuestas por la construcción del equipo, o por condiciones operativas no alterables, deberán ser consideradas como de diseño; de las restantes, lo mejor sería escoger aquellas que comporten una menor complejidad de cálculo para resolver el modelo.
En el ejemplo que se ha desarrollado lo normal sería definir, completamente, las corrientes de entrada al mezclador (A y B), lo que implica fijar (2·C + 6) variables de diseño. Entonces se debería elegir una variable más para anular los grados de libertad (NGL). Si se incorpora el dato de caudal térmico, Q, el modelo calcularía el grado de separación de componentes en el destilador.
Cuestión 1.1
Demostrar que el número de grados de libertad para una columna de destilación de 5 platos, una sola alimentación, condensador parcial y hervidor parcial es igual a (C + 21).
Introducción
17
1.4. ARQUITECTURA PARA LA RESOLUCIÓN DE MODELOS
Una vez establecido el conjunto de ecuaciones que relacionan las variables del proceso, se debe proceder a su resolución. Para ello existen tres algoritmos aplicables al estado estacionario: el orientado a ecuaciones, el modular secuencial y el modular simultáneo.
La metodología orientada a ecuaciones es la más fácil de interpretar: aquella que introduce todos los elementos del proceso en un solo bloque, generando un solo sistema de ecuaciones que se intenta resolver de una sola vez. Este es el caso más directo, y el que puede originar resultados más exactos, pero sólo debe aplicarse cuando el número de unidades involucradas sea relativamente bajo (por ejemplo, un solo equipo, o un número reducido de ellos). De lo contrario, la potencia de cálculo necesaria será muy alta. La Figura 1.2 muestra un esquema de la arquitectura aplicada por este algoritmo.
Fig. 1.2. Arquitectura del algoritmo orientado a ecuaciones
El método modular secuencial (Fig. 1.3) es aquel que parte de la concepción del proceso como suma de operaciones unitarias (equipos o módulos) interconectadas por corrientes de materia y energía. Para cada módulo se establece, y resuelve, su modelo concreto. Por tanto, no se pretende dar respuesta a todas las ecuaciones al mismo tiempo, sino operar `módulo a módulo´. Si no hay recirculación de corrientes el cálculo es simple: transcurrirá de unidad a unidad. En caso contrario, las soluciones se obtienen mediante un procedimiento iterativo en el que, tras suponer ciertos valores para las corrientes recirculadas, se busca la convergencia entre éstos y los datos calculados por el programa. Como en la mayoría de las simulaciones se necesitará aplicar tanteos (por la existencia de reciclo), el método modular secuencial pierde exactitud frente al algoritmo orientado a ecuaciones, aunque este inconveniente puede minimizarse estableciendo una precisión suficiente en los cálculos.
El método modular secuencial es adecuado para programas comerciales que buscan una alta flexibilidad operativa (capaz de dar respuesta a cualquier diagrama de proceso): incorporando bibliotecas con modelos descriptores de cada tipo de operación básica (destilación, absorción,…), éstos son posteriormente combinados por el usuario a través de corrientes de materia y energía. HYSYS emplea esta alternativa.
Introducción
18
Fig. 1.3. Arquitectura del algoritmo modular secuencial
Finalmente, el método modular simultáneo (Fig. 1.4) intenta aprovechar las ventajas de los dos algoritmos anteriores. Por un lado, se dispone de grupos de modelos para la simulación de cada operación básica pero, por otro, la resolución no se plantea de manera secuencial, sino con un solo sistema de ecuaciones y en un solo paso. Para aliviar la complejidad intrínseca del cálculo en una sola etapa, este método simplifica los modelos rigurosos de algunas unidades y, por tanto, puede perder precisión en los resultados.
Fig. 1.4. Arquitectura del algoritmo modular simultáneo
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
179
9. Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
CAPÍTULO 2
2.4.1 oC
oR
oF K
–24 448,47 –11,2 249,15
0 491,67 32 273,15
60 599,67 140 333,15
83 641,07 181,4 356,15
2.4.2
Factor de conversión: 0,2930711 W/(Btu/h) · 0,3048-1
(ft/m) · 1,8 (oF/K)
Conductividad térmica: 207,7 W/(m·K)
2.4.3
8,31439 J/(mol·oC)
2.4.4
Compuesto Tebullición, oC Compuesto Tebullición,
oC
1. 2-propanol 82,25 1. anilina 184,45
2. isooctano 99,24 2. naftaleno 217,99
3. piridina 115,25 3. caprolactama 270,00
4. cumeno 152,41 4. glicerina 288,85
5. furfural 161,70 5. fenantreno 340,30
2.4.5
Compuesto PM, g/mol Te, oC Tc,
oC Calor de combustión, kJ/mol
HYSYS propano 44,10 –42,1 96,75 2,045·10
6
ciclopentano 70,14 49,25 238,45 3,101·106
estireno 104,15 145,16 362,85 4,219·106
amoníaco 17,03 –33,45 132,4 3,168·105
2.4.6
Valores extraídos de la base de datos de HYSYS
Compuesto PM, g/mol Tc, oR Pc, psia
metanol 32,04 0,5570 922,68 1069,86 etileno 28,05 0,0850 508,25 729,80 sulfuro de hidrógeno 34,08 0,0810 672,5 1306,5 p-xileno 106,17 0,3259 1109,27 509,20
2.4.7
Presiones de vapor (psia): n-butano, 322,83; i-butano, 403,60; ciclohexano, 41,80. Desviación: 0,33 %.
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
180
2.4.8
Fig. A.1. Curva de presión de vapor para el benceno. Datos experimentales (puntos) y estimados mediante la ecuación de Antoine (línea).
2.4.9
Presión: 9,38 atm.
2.4.10
Propiedad Valor
PM, g/mol: 111,55
Tc, oC: 291,61
Pc, kPa: 2938,52
CAPÍTULO 3 3.6.1
oC
oR
oF K
–30 437,67 –22 243,15
–5 482,67 23 268,15
17 522,27 62,6 290,15
58 596,07 136,40 331,15
3.6.2
H2O Conductividad térmica
T, oC W/(m·K) (Btu/h)/(ft·K)
25 0,61101 0,35304
50 0,64324 0,37166
75 0,66622 0,38493
Conductividad térmica del benceno: 0,006 (Btu/h)/(ft·
oF)
3.6.3
Presiones de vapor de hidrocarburos, psia
n-butano i-butano ciclohexano
Ecuación [2.7] 322,83 403,60 41,80
HYSYS 322,30 409,63 41,84
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
181
3.6.4 No es posible definir la corriente porque se necesita fijar una variable. Lo normal sería establecer la temperatura o la fracción de fase vapor.
3.6.5
Caudal molar: 15,423 kmol/h Fracciones molares: 0,52 de etileno, 0,15 de propileno, 0,22 de etano y 0,11 de propano. Fracción de fase vapor a 50
oC : 1; fracción de fase vapor a –85
oC: 0,59
3.6.6
PR: –135,5oC; CS: –137,65
oC; Braun K10: –135,38
oC
3.6.7
Peng-Robinson: 100,90oC
PRSV: 100,90oC
Antoine: 100,87 o
C
3.6.8
1,5 L de agua por kg de solución de alimentación y 2,5 kg de solución de producto por kg de solución de alimentación.
3.6.9
Corriente mezcla
M, kg/s: 4,5 Fracción molar de ciclopentano: 0,2649
T, oC: 37,81 Fracción molar de metil-ciclohexano: 0,1589
Fracción molar de ciclooctano: 0,1060
Fracción molar de 2,2,4-trimetilpentano: 0,2117
Fracción molar de 2,2,5-trimetilhexano: 0,0269
Fracción molar de 3,5-dimetilheptano: 0,0539
Fracción molar de n-octano: 0,0533
Fracción molar de n-decano: 0,0711
Fracción molar de naftaleno: 0,0533
Reducción de 0,29 kg/s
3.6.10
Volumen molar, m3/kmol
P, atm Gas ideal PR SRK
0,7 35,49 35,36 35,38
0,8 31,06 30,92 30,94
0,9 27,61 27,46 27,48
1,0 24,85 24,70 24,72
1,1 22,59 22,44 22,46
1,2 20,71 20,55 20,57
5,0 4,97 4,80 4,82
10,0 2,48 2,31 2,33
20,0 1,24 1,06 1,07
50,0 0,50 0,27 0,28
3.6.11
R: 0,08258 (atm·L)/(mol·K)
3.6.12
b. benceno: 9,728; ciclodecano: 11,017; n-decano: 12,671; n-hexadecano: 12,903.
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
182
CAPÍTULO 4 4.7.1
PR Antoine CS
Fracción de líquido: 0,8701 0,8070 0,8922
Composiciones x y x y x y
propano 0,0718 0,2887 0,0520 0,3007 0,0753 0,3046
n-butano 0,1828 0,3154 0,1692 0,3286 0,1861 0,3148
n-pentano 0,3090 0,2397 0,3161 0,2329 0,3081 0,2329
n-hexano 0,4364 0,1562 0,4627 0,1378 0,4305 0,1477
4.7.2
a. 98,32oC a 1 atm y 123,8
oC a 2 atm.
4.7.3
Tburbuja: 31,42oC
4.7.4
Trocío: 85,5oC, Tburbuja: 65,5
oC
Fig. A.2. Curva de temperatura de burbuja para distintas presiones.
4.7.5 1. 89,98
oC (para Mlíquido: 0,65 g/s)
2. 34,75%; 0,0676 moles de agua por mol total y 0,9324 moles de aire seco por mol total.
4.7.6
Cabeza Cola
Qtérmico, kcal/h Tvapor, oC M, kg/h yn-pentano M, kg/h yn-pentano
0 25,0 0 0,778 1000 0,500
5000 33,8 0 0,768 1000 0,500
10000 42,5 0 0,758 1000 0,500
20000 48,0 81,9 0,737 918,1 0,479
30000 48,9 195,5 0,711 804,6 0,449
50000 50,9 422,9 0,654 577,1 0,387
90000 55,0 883,2 0,529 116,8 0,277
No se pueden separar completamente los dos hidrocarburos.
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
183
Platos Cabeza Cola
N Na Tdestilado, oC M, kg/h Qcond,, kcal/h Tresiduo,
oC M, kg/h Qhervidor, kcal/h
5 3 37,0 500,01 3,44·105 66,1 499,99 3,59·10
5
10 5 37,0 499,99 8,40·104 66,1 500,01 9,93·10
4
15 7 37,0 499,98 7,58·104 66,1 500,02 9,11·10
4
20 10 37,0 499,96 7,42·104 66,1 500,04 8,95·10
4
4.7.7
Cabeza Cola
Alimentac. Tdestilado, oC M, kg/h Qcond,, kcal/h Tresiduo,
oC M, kg/h Qhervidor, kcal/h
LS (47,3oC) 37,0 500,0 7,77·10
4 66,1 500,0 8,02·10
4
VS (55,9oC) 37,0 500,0 1,23·10
5 66,1 500,0 3,80·10
4
4.7.8
Para ajustar los datos generados con HYSYS (con una columna de 60 platos, condensador total y rendimiento en las corrientes extremas iguales al 0,95) se usó una ecuación polinómica de orden 3.
y = (0,9326·x3) – (2,3861·x
2) + (2,4513·x) + 0,0086
r2 = 0,999
4.7.9
Adjust Databook
79,6oC 79,6
oC
4.7.10
Condensador, 1951 kcal/s; hervidor, 2006 kcal/s; temperatura, –10,64oC.
4.7.11
Fig. A.3. Evolución temporal de la fracción molar de ciclohexano en el residuo.
Datos experimentales, ; datos de HYSYS: 600 W (□), 500 W (△), 450 W (línea), 400 W().
4.7.12
HYSYS: 1,60 moles; integración gráfica: 1,95 4.7.13
Q: 80 kW Fracciones molares en la caldera: 0,3046 de benceno y 0,6954 de tolueno
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
184
4.7.14 0,9986 molar de tolueno; 0,0014 molar de n-hexano
4.7.15
Fig. A.4. Datos de equilibrio para el sistema `benceno-tolueno´ a 1 atm. Puntos negros: estimados por HYSYS; puntos blancos: datos reales.
4.7.16
a.
Compuesto Te, oC Kw
n-pentano 36,1 13,0
n-hexano 68,7 12,8
n-heptano 98,4 12,7
iso-pentano 27,9 13,1
2-metil-pentano 60,3 12,8
3-metil-pentano 63,3 12,7
2-metil-hexano 90,1 12,7
3-metil-hexano 91,9 12,6
2-metil-heptano 117,7 12,7
ciclohexano 80,7 11,0
metil-ciclohexano 100,9 11,3
cis-1,3 dimetil-ciclohexano 120,1 11,6
etil-cicloheptano 163,3 11,3
tolueno 110,7 10,1
m-xileno 139,1 10,4
p-xileno 138,36 10,5
c. Pendiente de la curva ASTM: 0,329; pendiente de la curva TBP: 0,603. d. (VABP)ASTM: 105,4
oC; (VABP)TBP: 106,4
oC
e. µ: 0,453 cP
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
185
CAPÍTULO 5 5.4.1
10oC % en el refinado (peso) % en el extracto (peso)
Mezcla benceno ácido acético agua benceno ácido acético agua
1 94,18 5,77 0,05 2,24 28,28 69,48
2 96,61 3,37 0,02 0,70 17,71 81,59
3 96,07 3,91 0,02 0,96 20,32 78,72
4 97,57 2,42 0,01 0,37 12,91 86,72
50oC % en el refinado (peso) % en el extracto (peso)
Mezcla benceno ácido acético agua benceno ácido acético agua
1 92,88 7,05 0,07 2,12 27,81 70,07
2 95,97 4,00 0,03 0,66 16,62 82,72
3 92,34 7,58 0,08 2,49 29,51 68,00
4 96,90 3,08 0,02 0,41 12,89 86,70
5.4.2
Fase superior (extracto) Fase superior (extracto)
xmetanol metil-ciclohexano metanol metil-ciclohexano metanol
0,6 0,8365 0,0598 0,0987 0,8790
0,7 0,8071 0,0626 0,0981 0,8738
5.4.3
Alimentación
% en el extracto (peso) % en el refinado (peso)
agua acetona cloroformo agua acetona cloroformo
1 0,08 40,50 59,42 75,18 24,71 0,11
2 0,00 23,23 76,77 91,90 8,03 0,07
3 0,03 35,08 64,89 82,64 17,28 0,08
4 0,02 32,07 67,91 85,60 14,32 0,08
5.4.4
Unidad Extracto
Masa, g xácido acético %HAc
3 1,6 0,361 1,6
4 1,3 0,085 0,3
5 1,2 0,050 0,2
6 1,1 0,029 0,1
5.4.5
Extracción L-L en contracorriente (N: 3)
Corriente T, oC xagua xcloroformo
Extracto 21 0,616 0,015
Refinado 21 0,000 1,000
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
186
5.4.6
Composición de los refinados en cada etapa (fracciones másicas)
1ª Ud. 2ª Ud. 3ª 4ª 5ª
1 unidad: 0,2465
2 unidades: 0,3205 0,2345
3 unidades: 0,3471 0,2896 0,2301
4 unidades: 0,3605 0,3180 0,2733 0,2278
5 unidades: 0,3686 0,3350 0,2997 0,2632 0,2263
Composición (fracciones másicas) para N: 5
agua acetona cloroformo
Refinado final: 0,7726 0,2263 0,0011
Suma de extractos: 0,0011 0,4281 0,5708
5.4.7
N: 3 composición (fracciones másicas)
agua acetona cloroformo
extracto 0,0017 0,4630 0,5353
refinado 0,8086 0,1905 0,0009
5.4.8
Corriente Composición (fracción másica)
furfural etilenglicol agua
Extracto 0,669 0,229 0,101
Refinado 0,122 0,215 0,663
CAPÍTULO 6 6.5.1
Tabla 6.2
Corriente de salida del compresor
Potencia del compresor, kW T, oC P, kg/cm
2
100 21,6 2,0
1000 35,8 2,4
10000 163,9 10,8
12390 194,5 15,1
14530 220,9 20,0
16230 241,3 24,8
17820 260,0 30,2
19050 274,2 35,0
Tabla 6.3
Eficiencia adiabática, η P, kg/cm2
0,70 9,76
0,72 10,15
0,74 10,55
0,76 10,97
0,78 11,40
0,80 11,84
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
187
Tabla 6.4
Caso 1: el gas caliente se enfría hasta 30oC
E compresión, kW E refrigeración, kW
Compresor 1 3864 3284
Compresor 2 3982 4287
Compresor 3 3933 4360
Compresor 4 3863 4476
Total 15642 16407
Total 32049
Caso 2: el gas caliente se enfría hasta 50oC
E compresión, kW E refrigeración, kW
Compresor 1 3864 1972
Compresor 2 4243 4350
Compresor 3 4211 4439
Compresor 4 4167 4872
Total 16485 15633
Total 32118
Caso 3: el gas caliente se enfría hasta 70oC
E compresión, kW E refrigeración, kW
Compresor 1 3864 624,3
Compresor 2 4502 4597
Compresor 3 4475 4669
Compresor 4 4439 4840
Total 17280 14730,3
Total 32010,3
Tabla 6.5
Caso 1: relación de compresión idéntica en todas las etapas
Etapa r P entrada, kg/cm2 P salida, kg/cm
2 Consumo energético, kW
1 2,596 2,00 5,192 5277
2 2,596 5,192 13,481 5224
3 2,596 13,481 35 5118
Global -- -- 15619
Caso 2: relación de compresión creciente
Etapa r P entrada, kg/cm2 P salida, kg/cm
2 Consumo energético, kW
1 1,298 2 2,596 1345
2 2,596 2,596 6,740 5271
3 5,192 6,740 35 9624
Global -- -- 16240
Caso 3: relación de compresión decreciente
Etapa r P entrada, kg/cm2 P salida, kg/cm
2 Consumo energético, kW
1 5,192 2 10,385 9756
2 2,596 10,385 26,962 5154
3 1,298 26,962 35 1264
Global -- -- 16174
6.5.2 699,7 kcal/s (a –4
oC) y 825,5 kcal/s (a 45
oC)
6.5.3
653,1 kcal/s (a –4oC) y 710,3 kcal/s (a 45
oC)
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
188
6.5.4
Fig. A.5. Caudal másico de condensado en la batería de 4 compresores.
Etapa 1, ; etapa 2, ○; etapa 3, ■; etapa 4, △.
6.5.5
Caudal de etileno: 0,888 kg/s; caudal de propileno: 2,140 kg/s
T, oC M, kg/s
25 11,0
27,5 12,6
30 14,7
32,5 17,7
35 22,1
6.5.6
Fig. A.6. Comparación de distintos tipos de refrigerantes.
Potencia evaporador, kW, □; potencia compresor, kW, ■; COP, ■.
6.5.7
refrigerante kW-h/1.000 kcal
R-11 0,30
R-113 0,31
R-12 0,33
R-22 0,33
NH3 0,33
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
189
6.5.8 k: 36,14 kg/h/kPa0,5(kg/m3)0,5
c.
Fig. A.7. Valor de Φ frente al porcentaje de abertura de la válvula.
6.5.9
Fig. A.8. Efecto del cambio de la potencia de refrigeración en un doble ciclo `etileno-propileno´.
CAPÍTULO 7 7.3.1
230,5 min
Apéndice A: soluciones a los ejercicios propuestos
190
7.3.2
400, 422 y 500 s 7.3.3
V = 2500 + (5·t) – (0,025·t2) tvaciado: 431,7 s