uuuunnnniiiivvvveeeerrrssssiiiiddddaaaadddd … · en la industria se ha de las -líquido y el ....

UUUUUUUUNNNNNNNNIIIIIIIIVVVVVVVVEEEEEEEERRRRRRRRSSSSSSSSIIIIIIIIDDDDDDDDAAAAAAAADDDDDDDD DDDDDDDDEEEEEEEE JJJJJJJJAAAAAAAAÉÉÉÉÉÉÉÉNNNNNNNN Vicerrectorado de Ordenación Académica, Innovación Docente y Profesorado

Secretariado de Innovación Docente

1

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



2

MEMORIA DEL PROYECTO

Justificación

Ver página 1 de la Memoria

Objetivos conseguidos


Descripción global de la experiencia


Metodología empleada


Resultados obtenidos


Proyección e Impacto


Evaluación del proceso y Autoevaluación


Gastos generados en el segundo año

Fungibles 51,5 €, adquisición de una cubeta de cuarzo necesaria para

explicar una prueba de laboratorio.

Inventariables 0 €



3

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


Asignatura impartida Experimentación en Ingeniería Química

Curso 2º de Ingeniero Técnico Industrial (Esp. Química Industrial)

Categoría Prof. Contratado Doctor Firma


Nombre Diego Ginés

Apellidos Fernández Valdivia

D.N.I. 26.174.099 E-mail [email protected]





Categoría Prof. Titular de Universidad Firma



4


Nombre María Luisa

Apellidos Parra Ruiz

D.N.I. 26.179.933-E E-mail [email protected]





Categoría Prof. Titular de Escuela Firma


Nombre Soledad

Apellidos Mateo Quero

D.N.I. 26.026.760-Y E-mail [email protected]





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

MMEEMMOORRIIAA

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



1

Justificación

no puede ser entendida, hoy en día, sin el uso del ordenador. Esta


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



Desde el punto de vista docente, la simulación por ordenador es una herramienta que puede


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



teóricos del campo de las Operaciones Básicas al laboratorio de Ingeniería Química. Dentro de


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



capaz de simular algunas de esas prácticas. La incorporación de


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


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



es una herramienta que puede


, 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



cas al laboratorio de Ingeniería Química. Dentro de


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



ticas. La incorporación de


proporcionar al estudiante una herramienta para reforzar el

estilación, la extracción líquido-líquido y el


El objetivo general del


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



2

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


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


de gran importancia profesional y un refuerzo de competencias como:

acidad de “aprender a aprender”.

onamiento crítico y capacidad de análisis.

Integración de conocimientos.


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


royecto “Innovación de la docencia en la asignatura

mediante el empleo del simulador de procesos Hysys”


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



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


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,



3

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


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


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


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).


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


cuyos autores fueron las cuatro personas integrantes del grupo de

nte Campus Mare Nostrum (Cartagena,

Renovación metodológica de la asignatura


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


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


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



4

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


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 (


¿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


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).


(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



5

(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


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


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


de la extracción.

Diagramas de equilibrio líquido-vapor. Obtención de los datos termodinámicos

de equilibrio del sistema binario ciclohexano-isooctano. Se investiga, usando


(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


actividades. Esto obligó a

. Obtención de los datos termodinámicos de equilibrio

cloroformo. Usando Hysys se


. 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


. Obtención de los datos termodinámicos

ctano. Se investiga, usando


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.



6

, 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


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


ante el curso académico 2009/10, e implicó dos pasos: en primer lugar,



s en clase en cursos anteriores); posteriormente, se creó el esquema de


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



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?


durante el mes de febrero de 2011 (antes del comienzo de la asignatura)

Introducción a la simulación de procesos químicos con HYSYS (Fig. 2


aplicar el simulador sobre las mismas operaciones básicas que después se estudiarían en


. Se simula la destilación

se investiga el efecto del

. Se estudia el funcionamiento de un cambiador de calor de


las temperaturas de

¿Cómo se configura Hysys para conseguir una predicción adecuada de los resultados


ante el curso académico 2009/10, e implicó dos pasos: en primer lugar,



s en clase en cursos anteriores); posteriormente, se creó el esquema de


Hay que tener en cuenta que la simulación de una práctica

rar (mediante modelos matemáticos) un entorno virtual capaz de



en clase. En el Anexo I

¿Cómo lograr que los alumnos, que no conocen a priori el programa, lo puedan utilizar


asignatura), el curso

Fig. 2). Esta actividad,


ásicas que después se estudiarían en


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,…).



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



datos experimentales bajo unas condiciones operativas concretas. Después se validaron

los resultados proporcionados por el software al compararse éstos con los resultados


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?


aspectos del proyecto: la facilidad de uso del software y el interés del programa para la


operativo, obtención de resultados,…).


de procesos químicos con HYSYS, desarrollado en la

¿Cómo aplicar el programa durante el período de docencia de Experimentación en

ácticas convencionales por el



s concretas. Después se validaron

al compararse éstos con los resultados


del cuaderno de prácticas.

¿Cómo evaluar el interés de la propuesta de innovación llevada a cabo?


del programa para la



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.



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


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


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.


, con las actividades realizadas, se incluye a

Preparación del material preciso para el desarrollo de las prácticas de

Diagramas de equilibrio líquido-vapor.


formación de la Universidad de Jaén

Inicio del proceso para la dotación de contenidos a esta página.


os datos experimentales

.

para simular, eficientemente, cinco

, tal y como se explicó

líquido: unidades de equilibrio en serie.

diseñado para mostrar los



del alumno, es decir,

un material claro y ameno capaz de guiar con éxito al estudiante


memoria de progreso del


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



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


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


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.


Introducción a la simulación de

II Jornadas de Innovación Docente de la

Presentación de la

Simulación de prácticas de laboratorio


Experimentación en Ingeniería Química.

. Aplicación del software

I Congreso Internacional de Innovación Docente

julio de 2011).

Renovación metodológica

ía Química” por


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


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



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


se dispuso de cinco

Fig. 3).

un sitio para la asignatura Experimentación

es mostrada en la

en la plataforma ILIAS.


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



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


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.


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,


líquido y extracción

de ejemplo, aparecen algunas figuras dentro

ILIAS.


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


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



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.


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.



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



13



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.



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.


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.



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



para comprender el trabajo experimental, el 60% considera que mejora el



experimentales. Preguntados, finalmente, sobre el interés general de la simulación de las

, un 86,7% considera esta iniciativa positiva o muy positiva.


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,



considera que mejora el



l interés general de la simulación de las

, un 86,7% considera esta iniciativa positiva o muy positiva.

AANNEEXXOOSS

AAnneexxoo II

CConfiguración de Hysys para la

simulación de prácticas de laboratorio

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



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


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.


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


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.


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

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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

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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,


al sistema =


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

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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,


al sistema =


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)

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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).

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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).

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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

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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 %.


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


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.


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.


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


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


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


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


187

Tabla 6.4

Caso 1: el gas caliente se enfría hasta 30oC

E compresión, kW E refrigeración, kW

Compresor 1 3864 3284




Total 15642 16407

Total 32049







Total 16485 15633

Total 32118



Compresor 1 3864 624,3




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



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



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)


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


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


190

7.3.2

400, 422 y 500 s 7.3.3

V = 2500 + (5·t) – (0,025·t2) tvaciado: 431,7 s

Apéndice B: papel gráfico triangular

191

10. Apéndice B: papel gráfico triangular

uuuunnnniiiivvvveeeerrrssssiiiiddddaaaadddd … · en la industria se ha de las -líquido y el ....

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