REVISTA DEL CENTRO DE GRADUADOS E INVESTIGACIÓN

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ARTÍCULO DE INVESTIGACIÓN REVISTA DEL CENTRO GRADUADOS E INVESTIGACIÓN NOV. 2014 VOL. 20, NÚM. 55, PP. 42-45 ISSN 0185-6294 UNA APORTACIÓN DE LA COMPUTADORA A LA ENSEÑANZA POR COMPETENCIAS DE LAS OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA Peraza González 1 , Enrique Eduardo, Reyes Sosa 1 , Carlos Francisco, Rodríguez Gil 1 , Luis Alfonso, Montañez Jure 1 , Pedro José y Espinosa Ceh 2 , Ricardo 1 Departameno de Ingeniería Química y Bioquímica; 2 Departamento de Ciencias de la Tierra Instituto Tecnológico de Mérida. Km. 5 Carretera Mérida-Progreso A.P. 911 C.P. 97118 Mérida, Yucatán, México. *Autor de contacto: dzilamtemax57@hotmail.com Recibido: 12/septiembre/2014 Aceptado: 20/octubre/2014 Publicado: 12/noviembre/2014 RESUMEN Se presenta un software didáctico interactivo para complementar la enseñanza por competencias de la operación unitaria de destilación. Entre las competencias a desarrollar en el estudio de las Operaciones Unitarias de la Ingeniería Química tenemos competencia instrumentales, competencias interpersonales y competencias sistémicas. Adquirir estas competencias, implica desarrollar conocimientos técnicos de la carrera, capacidad de análisis y síntesis, habilidades de manejo de la computadora, solución de problemas, toma de decisiones, capacidad de aplicar los conocimientos en la práctica, entre otras. Para el logro de estas competencias tenemos dos herramientas que se complementan: el desarrollo conceptual en el aula y la operación práctica de los equipos del Laboratorio de Ingeniería Química. Una herramienta adicional sería: un programa simulador de cada operación unitaria. Existen los simuladores comerciales por citar algunos: ASPEN, HYSIS. Los cuales funcionan como cajas negras para el usuario. Reciben datos y entregan resultados. La enseñanza del Método de McCabe- Thiele nos da un campo de trabajo ideal para desarrollar un proyecto integrador de las competencias adquiridas en diversas asignaturas de la carrera, tales como Programación, Métodos Numéricos, Fisicoquímica, Balances de Materia y Energía, Operaciones Unitarias y Simulación de Procesos para desarrollar un software propio, modesto pero producto del trabajo conjunto de maestros y alumnos. En conclusión, el software que aquí se presenta, nos enseña: a) el diseño de una columna de destilación binaria (dadas unas especificaciones, diseñar la columna), b) con base a una columna de destilación ya existente, simular numéricamente todas las situaciones o eventualidades posibles que podría encontrar un ingeniero durante la operación de una columna de destilación, para así ayudarlo en la toma de decisiones y acciones a ejecutar con tal de mantener una operación estable o para cumplir nuevas especificaciones. Palabra Clave: Destilación, Método McCabe-Thiele, competencias ABSTRACT Interactive educational software is presented to supplement the teaching skills of the distillation unit operation. Among the skills to be developed in the study of Unit Operations of Chemical Engineering have instrumental competence, interpersonal skills and systemic skills. Acquiring these skills involves developing career skills, capacity for analysis and synthesis skills, computer skills, problem solving, decision making and ability to apply knowledge in practice, among others. To achieve these competencies we have two tools that complement: the conceptual development in the classroom and practical operation of the equipment of the Laboratory of Chemical Engineering. An additional tool would be: simulators program each unit operation. There are commercial simulators to name a few: ASPEN, HYSIS, which act as black boxes. Receive data and deliver results. Teaching McCabe-Thiele method gives an ideal field to develop an integrated project of skills acquired in different subjects of the program of study, such as programming, numerical methods, physical chemistry, material and energy balances, unit operations and process simulation in order to develop a software program, modest but the product of joint work of teachers and students. In conclusion, the software presented here teaches us: a) the design of a binary distillation column (given a specification, design the column), b) on the basis of an existing distillation column numerically simulate all situations or eventualities that could find an engineer during the operation of a distillation column, in order to help in decision-making and actions to be taken in order to maintain a stable or to meet new specifications operation. Key words: Distillation, McCabe-Thiele method, Introducción. El Método de McCabe-Thiele es el primer método desarrollado para el diseño de columnas de destilación continua. Antes de su desarrollo, las columnas de destilación se construían en base, exclusivamente, a la experiencia de la gente, dedicada sobre todo a la industria del alcohol etílico. Sin embargo, es tan notable la lógica con I N S T I T U T O T E C N O L Ó G I C O D E M É R I D A
UNA APORTACIÓN DE LA COMPUTADORA A LA ENSEÑANZA POR COMPETENCIAS DE LAS OPERACIONES UNITARIAS EN INGENIERÍA QUÍMICA que fue desarrollado y tan grande su valor didáctico que todavía, a pesar de su antigüedad y sus limitaciones, el Método de McCabe - Thiele se sigue enseñando en los textos más modernos de Ingeniería Química. Su importancia, actualmente, es de tipo meramente cualitativo y didáctico, pues tiene limitaciones muy serias. Es aplicable solamente: • sistemas binarios (dos componentes), los cuales han de tener: • entalpías de vaporización molares iguales (para tener flujos molares internos constantes). En la actualidad, sin embargo, se manejen sistemas multicomponentes (tres o más) de muy diversos tipos que necesariamente han de resolverse con métodos más especializados. Pero el método de McCabe-Thiele sigue vigente como herramienta didáctica para la enseñanza de la Operación Unitaria: Destilación, y así se encuentra en los libros más modernos de Ingeniería Química. La columna de destilación simple. Es aquella que tiene una sola alimentación y dos corrientes de salida: un producto de fondos y un producto destilado. Las variables que maneja una columna de destilación simple son: a) Relación de equilibrio a la presión P del sistema. b) Flujos másicos de alimentación y productos: F, D, B c) La composición de la alimentación (X F ) d) condición térmica de la alimentación f (líquido frío, líquido saturado, mezcla líquido vapor, vapor saturado, vapor sobrecalentado). e) Relación de reflujoR D f) Pureza del destilado y fondos: X D y X B respectivamente. g) Flujos internos en la columna: i. Lr, Vr (Flujos de la zona de rectificación) ii. La, Va ( Flujos en la zona de Agotamiento ) h) Eficiencia de los platos. i) Localización del plato de alimentación. En resumen , la operación de una columna de destilación simple es una interrelación entre las variables : F, D , B , xf, xD , xB, Lr , Vr , La , Lr , plato de alimentación , eficiencia de los platos , relación de equilibrio . Diversos tipos de problemas. Cuando la columna de destilación no existe, la vamos a diseñar en base a unas condiciones requeridas mínimas y entonces se tiene un problema de diseño. Cuando la columna está ya construida y tenemos que operarla de tal forma de satisfacer unas condiciones requeridas, tenemos un problema de operación. Esta es la situación más frecuente que podría enfrentar un ingeniero químico. El objetivo de este software es realizar el cálculo gráfico en todas las situaciones posibles de diseño y operación. MATERIALES Y MÉTODOS El programa fue realizado en Visual Basic y está disponible en http://biotecmerida.blogspot.mx/ Especificación del problema para una columna de destilación simple. Una columna de destilación simple es la que tiene una alimentación F, un destilado D y un producto de residuo B. Las variables involucradas en un problema de destilación binaria son: 1) La presión P (define el equilibrio) 2) F, Flujo molar de la alimentación en moles/hr 3) X F, Fracción mol del componente más volátil en la alimentación F. 4) Xd, Fracción mol del componente más volátil en el destilado D. 5) Xb, Fracción mol del componente más volátil en residuo B. 6) f, condición térmica de la alimentación. 7) Rd, relación de reflujo 8) Plato óptimo 9) Eficiencia de los platos El término “f “ lo definieron McCabe y Thiele como: “la variación del flujo interno de vapor, en la Zona de Rectificación, como consecuencia de introducir 1 mol de alimentación ”. El plato óptimo es aquel cuya composición y estado físico se asemeja lo más posible a la alimentación. La eficiencia es la capacidad que tiene el plato para que las corrientes, de líquido y vapor, que recibe, interactúen y alcancen el equilibrio. Si las corrientes que salen del plato están en equilibrio, su eficiencia es del 100 % y es un plato ideal o teórico. Entonces tenemos 9 variables en una columna de destilación simple que interactúan entre sí. En el presente trabajo se considerarán preestablecidos: Platos ideales, alimentación en plato óptimo y Sistema metanol-agua a 1 atm (Manual del Ingeniero Químico de Perry). REVISTA DEL CENTRO DE GRADUADOS E INVESTIGACIÓN VOL. 20 NÚM. 55 43
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