VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
EXPERIENCIA PEDAGÓGICA DE LA INTERACCIÓN ENTRE LA
INFORMÁTICA APLICADA A PROCESOS Y LAS CÁTEDRAS
TRONCALES DE LA CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA
Biseta S., Klarica J. I. Bracciaa L., Nieto Degliouminib L., Ruiza M., F. Ferreyra, M. S.
Basualdoa,b,*
aGIAIP-Facultad Regional Rosario - Universidad Tecnológica Nacional, Zeballos 1341, S2000BQA, ROSARIO, Argentina.
b GIAIP-CIFASIS (CONICET-UNR-AMU), 27 de Febrero 210 bis, S2000EZP,
Rosario, Argentina, [email protected].
Resumen. En este trabajo se presenta el resultado de varios años de
interacción entre la investigación en el área de informática aplicada a
ingeniería de procesos y las cátedras de mayor peso curricular en el ciclo
profesional de la carrera de ingeniería química. En el año 2007 se crea el
Grupo de Informática Aplicada a la Ingeniería de Procesos (GIAIP) del Dpto
de Ingeniería Química de la UTN-FRRo y se realiza un convenio de
colaboración con el CIFASIS. La fuerte interacción entre investigación y
docencia posibilitó generar trabajos prácticos con las cátedras de Ingeniería de
la Energía Térmica, Operaciones Unitarias I y II, Ingeniería de las Reacciones
y Control Automático de Procesos. Para cada una de ellas se adaptaron
modelos de simulación específicos a fin de acercar a los alumnos a problemas
más complejos y realistas brindándoles las herramientas informáticas básicas
para auxiliarlos a resolverlos eficientemente. Se integraron los contenidos de
las materias informáticas con las cátedras antes mencionadas. Se trabajó con
modelos computacionales de plantas químicas disponibles de los trabajos de
investigación. Aquí se presentan los trabajos desarrollados y se discuten sus
alcances.
Palabras clave: EDUCACIÓN PARA ING. QUÍMICA ,
INTERACCIÓN ENTRE CÁTEDRAS, SIMULACIÓN DE PROCESOS
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
1. Introducción
Este trabajo se plantea como respuesta a la demanda de la CONEAU que aconsejó
promover una mejor interacción entre las cátedras para lograr integrar mejor los
contenidos de las materias dictadas en la carrera de Ingeniería Química. Por otra parte
también se tuvo en cuenta que en Argentina la Informática representa un área de
vacancia y existen un gran número de convocatorias de proyectos que motivan a su uso
intensivo. Por otra parte la problemática de la industria química presenta nuevos
desafíos por su dimensionalidad y complejidad en los diseños que requieren estrategias
que aumenten la eficiencia energética y el reguardo de las condiciones
medioambientales. Por tanto, es necesario generar nuevos recursos humanos que estén
preparados para estos nuevos desafíos y que requerirán fuertemente de un soporte
informático para resolver tales problemas.
2. Metodología Empleada para la Construcción de los Trabajos Prácticos
En esta sección se describe el procedimiento general empleado para proponer
trabajos de aplicación acorde a los intereses propios de cada materia. En general, la
buena recepción por parte de los profesores a cargo de cada una de las cátedras que
constituyen la base fundamental del ciclo profesional de la carrera para realizar este
trabajo articulado constituye la etapa disparadora de este proyecto de integración.
3. Trabajos Prácticos Propuestos
3.1 Trabajo Propuesto para la Cátedra de Operaciones Unitarias I
3.1.1. Objetivo del trabajo
Se desea realizar la simulación de un sistema donde se desea transferir una disolución
de agua-glicerol desde un tanque hacia otro mediante una bomba centrífuga
previamente seleccionada. La traza, el diámetro de las cañerías y los accesorios
correspondientes ya han sido cargados en el modelo. Por motivos de alcance, se ha
decidido no simular el comportamiento de los tanques ya que el objetivo en si, es
observar los cambios que se realicen a la bomba. En la Fig.1 se puede apreciar un
esquema del sistema propuesto.
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
Fig. 1 Esquema del sistema
3.1.2. Procedimiento
Al alumno se le proporcionará el archivo que posee la información necesaria del
sistema mostrado en la Fig. 1 implementado computacionalmente mediante el uso del
software HYSYS 3.2®. En la Fig. 2 se muestra un esquema de la pantalla principal
accesible al alumno cuando abra el caso “Sistema bomba.hsc”
El alumno dispondrá de un Anexo donde encontrará la información de cada uno de los
bloques que se observan en la Fig. 2. Dentro de la simulación se realiza una descripción
detallada del sistema de bombeo, incluyendo todos los accesorios del sistema,
materiales de las cañerías, pérdidas de energía por de las cañerías, curva característica
de la bomba centrifuga.
Para el caso de las cañerías el software permite ingresar accesorios estándar y definidos
por el usuario. Además es posible seleccionar el tipo de correlación para determinar las
pérdidas de carga y de calor. Todas éstas características permiten realizar una
simulación rigurosa del sistema.
Para el caso de la bomba centrífuga se proporciona la curva característica de la bomba
que el alumno tendrá que transformar en un polinomio de la forma:
(1)
Para realizar dicha tarea se utilizará el Excel® que permite rápidamente determinar el
polinomio que ajusta los datos de la curva. En la Fig. 3 podemos ver los datos de la
curva de la bomba y la línea de tendencia que ajusta dichos datos. Como caso de
estudio, se propone al alumno realizar un análisis del sistema cuando se producen
cambios en las condiciones de proceso.
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
Fig. 2 pantalla disponible en el software de simulación
Fig. 3. Ajuste de la curva de la bomba por polinomio.
3.1.3. Resultados Alcanzados
Por ejemplo, en la figura 4 se observan los resultados para el caso de la variación del
caudal cuando se modifica la presión de descarga y el efecto de la temperatura sobre el
ANPA de la bomba. Para la resolución de los puntos planteados se ha utilizado una
herramienta proporcionada por el software llamada “Case study” que permite configurar
variables que se modificarán dentro de un rango de valores y automáticamente realiza
las simulaciones y guarda los datos en forma de tabla y gráfica.
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
Fig. 4. Resultados obtenidos frente a las variaciones propuestas
3.1.4. Conclusiones sobre los Alcances del Trabajo
Los alumnos pudieron simular el sistema de bombeo, presentando gran interés en el uso
de la herramienta. Mediante la simulación del sistema los alumnos enfocaron el análisis
en el fenómeno de transporte. Se pudieron integrar herramientas enseñadas en los
primeros años de la carrera con materias específicas de la ingeniería permitiendo una
integración vertical dentro de la carrera.
Los desafíos que se plantean para el futuro es incorporar al sistema mayor cantidad de
componentes para incrementar la complejidad del mismo e incluir la simulación en
estado dinámico para ver los efectos transitorios de los cambios propuestos.
3.2 Trabajo Propuesto para la Cátedra de Operaciones Unitarias II
3.2.1. Objetivo del Trabajo
Se desean emplear las herramientas de un simulador de procesos para determinar los
parámetros de diseño de una torre de destilación para separar una mezcla binaria.
Luego simular dicha columna.
El presente trabajo práctico se dividirá en dos etapas. En la primera se utilizará
un complemento que posee un simulador comercial, el cual asiste al usuario en la
determinación de los parámetros de diseño de una columna de destilación. En la
segunda etapa, se ingresarán los parámetros obtenidos en un modelo de torre de
destilación que posee el simulador.
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
El sistema binario a separar será benceno-tolueno cuya información se ha
tomado del Ejemplo 18.2 – Pag. 571 del Libro de McCabe Smith, Operaciones Unitarias
en Ing. Qca. 4° Ed. Esto permitirá comparar los resultados arrojados por el simulador y
los del libro. Se podrá interactuar con el simulador y variar las condiciones, por
ejemplo de la alimentación, como ser TEMPERATURA, PRESIÓN, etc; como así
también la relación de reflujo. De este modo, se observarán los cambios en el diseño del
equipo. Por último, una vez obtenidos y comparados los resultados, se simulará una
columna de destilación ingresando las mismas condiciones de la alimentación y los
parámetros de diseño obtenidos en la primera etapa del Trabajo Práctico.
3.2.2. Procedimiento
Al alumno se le proporcionará el archivo que posee las instrucciones necesarias
para resolver paso a paso la primera etapa. El software empleado será HYSYS 3.2®.
El problema propuesto es el de una columna de fraccionamiento continuo ha de
diseñarse para separar 30 000 lb/h de una mezcla del 40 por 100 de benceno y 60 por
100 de tolueno en un producto de cabeza que contiene 97 por 100 de benceno y un
producto de cola del 98 por 100 de tolueno. Estos porcentajes están expresados en peso.
Se utilizará una relación de reflujo de 35 moles por mol de producto. Los calores
latentes molares del benceno y del tolueno son 7360 y 7960 cal/mol-g respectivamente.
El benceno y el tolueno forman un sistema ideal con una volatilidad relativa del orden
de 2,5; la curva de equilibrio se muestra en la Figura 18.16. La alimentación tiene una
temperatura de ebullición de 95 °C a la presión de 1 atm.
(a) Calcúlense los flujos molares de los productos de cabeza y cola por hora.
(b) Determínese el número de platos ideales y las posiciones del plato de
alimentación:
(i) si la alimentación es un liquido a su temperatura de ebullición.
(ii) si la alimentación es un liquido a 20 °C (calor especifico = 0,44)
(iii) si la alimentación es una mezcla de dos tercios de vapor y un tercio de
líquido.
(c) Si para calefacción se utiliza vapor de agua a la presión manométrica de 20
lbf/pulg2, ¿qué cantidad de vapor se requiere por hora para cada uno de los tres casos
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
anteriores, despreciando las pérdidas de calor y suponiendo que el reflujo es un líquido
saturado?
(d) Si el agua de refrigeración entra en el condensador a 80° F (26,7 °C) y sale a
150 °F (65,5 °C), ¿qué cantidad de agua será necesaria, en galones por minuto?
Hysys cuenta con una herramienta llamada “Short-Cut” (atajo). La misma es
empleada para asistir al usuario en la obtención de los parámetros fundamentales de
diseño de una columna de destilación binaria o multicomponente. De esta manera, se
logra una rápida aproximación de la:
� Cantidad de platos ideales de la columna
� Ubicación del plato de alimentación óptimo
� Cantidad mínima de platos
� Relación de reflujo mínima
� Calor a extraer en el condensador
� Calor a suministrar en el rehervidor
Flujo de líquido y vapor en las zonas de rectificación y agotamiento
El alumno recibe un instructivo paso de cómo ejecutar la herramienta “Short-Cut”
mediante la inclusión de gráficas que son capturas de pantallas del programa y luego se
le detallan los pasos para configurar el modelo de la columna binaria que se diseña con
la información obtenida en la etapa previa. El esquema final es el mostrado en la Fig.5
Fig. 5: esquema de la columna de destilación
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
3.2.3. Resultados Alcanzados Al correr el caso con el simulador se pueden obtener los resultados, con la ayuda
del short cut de Hysys. En el cuadro de la Fig ¿ se comparan los valores calculados por
el simulador y los correspondientes al ejemplo del libro.
3.2.4. Conclusiones Sobre el Alcance del Trabajo Propuesto
En base a los resultados obtenidos se concluye que existe una buena
concordancia y por tanto el alumno va ganando confianza y experiencia en el empleo de
un simulador de procesos para que lo asista en la realización de complejos cálculos.
Resultados Simulador vs. Problema McCabe-Smith
McCabe Simulador Unidad
xF 0,4400 0,4400 % molar BZxD 0,9740 0,9740 % molar BZ 0,0260 % molar TolxB 0,0235 0,0235 % molar BZ 0,9765 % molar TolPM de alimentación 85,837 85,964 lb/lbmol Ver en Alim_F/propiedadesCalor medio de vaporización de la alimentación 7696,0 7933,7 gr/grmol Ver en Alim_F/propiedadesFlujo de alimentación 350 349 lbmol/hr Ver en Alim_F/conditionsFlujo de destilado 153,4 153,0 lbmol/hr Ver en Dest_D/conditionsFlujo de fondo 196,6 196,0 lbmol/hr Ver en Fondo_B/conditions
(i) Platos ideales 11 11,01 -(i) Plato de alim. 7 5,67 -(ii) Platos ideales 10 11,01 -(ii) Plato de alim. 5 5,67 -(iii) Platos ideales 12 13,20 -(iii) Plato de alim. 7 6,79 -
(i) Caudal de vapor 10.530 9.960 lb/hr(i) Calor latente del vapor 939 939 BTU/lb(i) Calor transferido en Reboiler 9.887.670 9.352.059 BTU/hr(ii) Caudal de vapor 12.500 11.775 lb/hr(ii) Calor latente del vapor 939 939 BTU/lb(ii) Calor transferido en Reboiler 11.737.500 11.056.424 BTU/hr(iii) Caudal de vapor 6.970 6.479 lb/hr(iii) Calor latente del vapor 939 939 BTU/lb(iii) Calor transferido en Reboiler 6.544.830 6.083.954 BTU/hr
q=0.33 ya que f=0.66
b)
c)
Observaciones
a)
q=1 ya que f=0
q=1.37
Fig. 6 resultados comparativos
3.3 Trabajo Propuesto para la Cátedra de Control Automático de Procesos 3.3.1 Objetivo En este trabajo se espera que el alumno tenga un panorama de cómo se lleva a cabo un
proyecto de control de procesos desde que se obtienen modelos de funciones de
transferencia hasta que se realiza la síntesis completa del controlador.
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
3.3.2 Procedimiento
En el desarrollo de este trabajo práctico se emplea la disponibilidad denominada “s-
function” de MATLAB-. Esta herramienta permite trabajar con un conjunto de
ecuaciones diferenciales y algebraicas que describen el fenómeno de transferencia de
masa y energía que se produce en la planta a controlar. Dicho conjunto de ecuaciones es
luego sometido a una integración numérica empleando alguno de los métodos
disponibles en este programa. El uso de esta herramienta también favorece el desarrollo
de modelos matemáticos más rigurosos que una simple función de transferencia. Por
otra parte, desde el punto de vista del control, es posible evaluar la evolución temporal
de las variables claves del proceso y tener una idea más cercana del comportamiento
real del sistema. En general el proceso de destilación constituye un formidable problema
de control de procesos ya que conlleva una innumerable serie de variables a tener en
cuenta, una minuciosa selección del apareamiento de variables controlada-manipulada,
de manera de lograr un esquema de control más eficiente. En este trabajo abordaremos
el caso más sencillo de analizar una columna de destilación de dos componentes donde
sólo se efectuará el control de la calidad de la composición de fondo.
Fig.7 : esquema de una columna de destilación (despojadora)
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
3.3.3 Procedimiento En este trabajo se aplicarán métodos de ajuste que pertenecen al grupo basado en reglas
semiempíricas que han sido utilizadas en la práctica con buenos resultados.
Método de Cohen y Coon (curva de reacción)
Considera un sistema a lazo abierto al que se le introduce un salto escalón de magnitud
A en la variable de entrada u. Se registran los valores de la variable de salida “y” con
respecto al tiempo. La curva que queda formada se la denomina curva de reacción .
Luego entre “y” y u se establece la siguiente función de transferencia:
tiempo muerto
Luego derivaron expresiones para los “mejores” ajustes para los controladores
empleando varios criterios de performance
• un cuarto de la relación de decaimiento
• mínimo error de estado estacionario
• mínima integral del error cuadrático
Estos criterios conducen a obtener los parámetros de ajuste de controladores clásicos
mostrados en el cuadro que se muestra en la Fig. 8
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
Fig. 8 Parámetros de ajuste para el método de Cohen Coon Además aplica el método de Ziegler Nichols
Este método requiere un análisis frecuencial tal que permite estimar cuál es la ganancia
límite (Ku) de estabilidad para el sistema a lazo cerrado con un controlador
proporcional solamente. El período de oscilación resultante Tu se denomina también
período último. Estos parámetros permiten determinar los ajustes de los controladores
de acuerdo al cuadro mostrado en la Fig. 9.
Fig. 9 Parámetros de ajuste para el método de Ziegler Nichols
Finalmente se aplica el método de equivalencia por control con modelo interno (IMC)
presentado por Rivera y col. 1986 donde se requiere conocer la función de transferencia
de la planta y adoptar el parámetro ajustable del filtro ʎ del controlador IMC. En el
cuadro mostrado en la Fig. 10 pueden verse estas relaciones para controladores PI y PID
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
correspondientes a plantas de primer orden con retardo como lo es en este caso
particular.
Fig. 10 Parámetros de ajuste para el método de equivalencia con IMC
Los alumnos deben evaluar cada método en base a un índice que generalmente es la
integral del valor absoluto del error (IAE) y los márgenes de estabilidad mediante
diagramas de Bode.
3.3.4 Resultados Alcanzados
En la Fig. 11 puede verse el diagrama de Bode para el caso del controlador PID por el
método de IMC equivalente que es el que presenta mejor estabilidad relativa..
Fig. 11 Diagrama de Bode para el método de equivalencia con IMC
En la Fig. 12 se muestran las comparaciones con los métodos de ajuste analizados sólo
para el caso de controladores PID para la misma columna.
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
Fig. 12 comparaciones de los métodos de ajuste para controladores PID
3.3.5. Conclusiones Sobre el Alcance del Trabajo Propuesto
En base a los resultados obtenidos se concluye el empleo del modelo dinámico de la
columna es valioso para que los alumnos visualicen el impacto de los diferentes diseños
de controladores y dispongan de criterios para la toma de decisiones.
3.4 Trabajo Propuesto para la Cátedra de Ingeniería de las Reacciones
3.4.1 Objetivos del Trabajo
Se espera que los alumnos aprendan a modelar un reactor de tipo flujo pistón y un
reactor mezcla completa, para la reacción de obtención de H2 a partir de bioetanol.
3.4.2 Procedimiento Este modelado también se lleva a cabo a partir de las s-functions de MATLAB. El caso
analizado se obtuvo del trabajo de investigación publicado en L. Nieto Degliuomini y
col. (2012a y b). A partir de la simulación, podremos observar las conversiones
alcanzadas por el reactor, los calores generados e intercambiados con la camisa. En la
Fig. 13 se muestra el esquema del reactor y su modelado en MATLAB-SIMULINK.
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
Fig. 13 esquema del reactor y su modelado en MATLAB-SIMULINK
Se les brinda a los alumnos una guía para construir esta clase de modelos en forma
dinámica y que puedan evaluar el efecto de cambios en variables como flujos,
composiciones de entrada, transferencia calórica, etc. Se le enseña cómo transformar el
modelo a uno de mezcla completa. La idea básica es que los estudiantes también
aprendan a introducir modificaciones en tamaño, volumen, tipos de reacciones etc.
3.4.3 Resultados Alcanzados La cátedra de Ingeniería de las Reacciones dispone de un modelo genérico y en la
medida que logre adquirir un manejo más solvente pueden modificarlo para casos
específicos. A futuro se espera que les pueda ser útil para comparar las predicciones del
modelo con los datos experimentales de laboratorio.
3.4.4 Conclusiones Sobre el Alcance del Trabajo Propuesto A partir del trabajo de investigación del GIAIP se pudo disponer de un modelo bastante
completo de un reactor de flujo pistón dinámico del cual hay muy pocas referencias en
la literatura. A través de las tareas sugeridas los alumnos va adquiriendo un manejo más
solvente de estos sistema complejos y de gran interés para la carrera.
3.5 Trabajo Propuesto para la Cátedra de Ingeniería de la Energía Térmica
3.5.1 Objetivos del Trabajo Realizar modelos computacionales de intercambiadores de calor de diferentes
características pudiéndose observar perfiles de temperatura para distintas disposiciones
de intercambiadores de tubo y coraza como ser: corriente paralelo 1-1, contra corriente
1-1, 1-2 ,2-4, etc.
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
3.5.2 Procedimiento
Se seleccionó el ejemplo 6.1 del libro “Procesos de transferencia de calor” por Donald
Q. Kern en el cual se calienta una corriente fría C1 utilizando una corriente caliente H1
(ver Fig. 14). Se realizará el diseño de diferentes intercambiadores para lograr los
valores de temperaturas deseados a la salida de los mismos.
Fig. 14. Visualización del modelo desarrollado en MATLAB
Una vez realizado el diseño, se lleva a cabo el modelado mediante las s-function de
MATLAB (ver Fig. 15) de manera de comprobar si se alcanzan los valores de
temperaturas deseados a la salida del mismo.
Fig. 15. Visualización de la S-function en el entorno de MATLAB
VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ, Asociación Argentina de Ingenieros Químicos
Una vez verificado si el diseño es adecuado, mediante la simulación se pueden observar
los perfiles de temperatura de cada corriente para diferentes variaciones, así como
también ver la influencia del ensuciamiento de los tubos sobre la transferencia de calor.
Por otro lado desde el punto de vista de control, se podrá observar cómo se diseña un
controlador para dichos equipos. En donde se utilizará el by-pass como variable
manipulable para lograr los valores requeridos de temperatura a la salida del
intercambiador.
4. Conclusiones
En este trabajo se han propuesto una serie de actividades formuladas como trabajos
prácticos para alumnos avanzados de la carrera de ingeniería química con el objetivo de
mejorar la interacción entre las cátedras y fortalecer la formación de los alumnos en el
manejo intensivo de herramientas informáticas. Consideramos que el éxito de estas
estrategias radica en generar profesionales altamente capacitados para el manejo
eficiente de grandes plantas químicas. Por otra parte también se procura generar
motivaciones que resulten atractivas para el estudiante y que le provea de un panorama
más realista a cerca de necesidades concretas que deberá atender en su actividad
profesional. Cabe destacar la importancia de que toda la comunidad educativa
involucrada en proyectos de esta naturaleza se sienta protagonista de impulsar una
mejor interrelación entre las diferentes temáticas que cada cátedra aborda. Además es
fundamental que las autoridades a nivel de políticas universitarias alienten la
realización de estas interacciones.
Reconocimientos: los autores desean agradecer a CONICET, UTN-FRRo y AADECA por brindar los medios necesarios para la presentación de este trabajo. Además agradecen a los profesores Ricardo Pedrido, Eduardo Mutazzi, Eduardo Santambrosio, Roque Masciarelli, Osvaldo Diaz, Edgardo Martín y muy especialmente a la memoria de Héctor Garibaldi que apoyó este proyecto desde su gestación.
Referencias
L. Nieto Degliuomini, S. Biset, P. Luppi and M. Basualdo, 2012a, A Rigorous Computational Model For
Hydrogen Production From Bioethanol To Feed A Fuel Cell Stack, Int. J. Hydrogen Energy, 37(4), 3108–3129.
L. Nieto Degliuomini, D. Zumoffen, M. Basualdo, 2012b, Plant-wide control design for fuel processor system
with PEMFC, International Journal of Hydrogen Energy, 37 (19),14801 – 14811.