HERRAMIENTAS PARA LA INTEGRACION ENERGETICA EN LA
SIMULACION DE PROCESOS UTILIZANDO ASPEN HX-NET™.
NICOLAS CASTAÑO SANCHEZ [email protected]
Trabajo de Grado para Obtener el Título de
Ingeniero Químico
Asesor
Felipe Muñoz Giraldo M. Eng PhD [email protected]
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA. BOGOTÁ, COLOMBIA.
AGRADECIMIENTOS.
A mis padres y hermanos por el apoyo que me brindaron durante mis estudios.
A mi asesor, Felipe Muñoz Giraldo PhD, por su guía, apoyo y confianza a lo largo de mi formación.
Al departamento de ingeniería química por haber ayudado en mi formación profesional. A los estudiantes de Diseño de Plantas de Proceso que me ayudaron con las encuestas, y a todas las personas que de algún modo contribuyeron mi progreso.
RESUMEN
Las bases de la tecnología Pinch difícilmente se pueden encontrar en su totalidad en una única ubicación. Los libros utilizados para la formación como ingenieros se enfocan en el estudio termodinámico dejando de lado el estudio económico del cual el análisis necesariamente se debe acompañar. Los artículos que cubren el estudio económico presentan la metodología de manera simplista ya que su objetivo es presentar los beneficios que la integración energética tuvo en una locación específica. En el curso de diseño de plantas, solo 17% de los alumnos al inicio del semestre conoce el análisis, donde solo 62.5% conoce el método de intervalos de temperaturas, siendo este una de sus principales herramientas. En este proyecto de grado, se estructura una herramienta para el aprendizaje de acuerdo a los resultados de la encuesta. Considerando el bagaje educativo que un estudiante de último semestre debe tener.
TABLA DE CONTENIDOS
TABLA DE CONTENIDOS ... 4
1. CONTENIDO ... 8
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 8
1.2 OBJETIVOS ... 10
1.2.1 Objetivo General. ... 10
1.2.2 Objetivos Específicos. ... 10
1.3 ESTADO DEL ARTE ... 11
1.3.1 Integración energética y tecnología Pinch. ... 11
1.3.2 Funciones de costos para la determinación de dT. ... 15
1.3.3 Otros elementos de la tecnología PINCH. ... 17
1.3.4 Paquetes de Software disponibles. ... 20
1.3.5 Taxonomía de Bloom. ... 20
1.4 METODOLOGÍA ... 22
1.4.1 Metodología de Trabajo ... 22
2. ELABORACIÓN DE LA HERRAMIENTA. ... 23
2.1 DESARROLLO DE HABILIDADES EN FLASH CS3. ... 23
2.2 ESTRUCTURA DE LA HERRAMIENTA. ... 24 3. ENCUESTA 1 ... 26 3.1 OBJETIVOS DE LA ENCUESTA 1. ... 26 3.2 DESCRIPCIÓN DE LA ENCUESTA. ... 26 3.3 RESULTADOS. ... 27 3.4 ENCUESTA 2. ... 28 4 EVALUACIÓN CURRICULAR. ... 29 5 DESCRIPCIÓN DE LA HERRAMIENTA. ... 32 5.1 SECCIÓN 1: BIENVENIDA. ... 32
5.2 SECCIÓN 2: INTRODUCCIÓN A LA INTEGRACIÓN ENERGÉTICA. ... 32
5.3 SECCIÓN 3: HERRAMIENTAS DE LA INTEGRACIÓN ENERGÉTICA. ... 33
5.4 SECCIÓN 4: GENERALIDADES DE HX-NET™. ... 35
5.5 SECCIÓN 5: CASO DE ESTUDIO 1. ... 35
5.6 SECCIÓN 6: CASO DE ESTUDIO 2. ... 37
5.7 SECCIÓN 7: CASO DE ESTUDIO 3. ... 38
6 CONCLUSIONES. ... 40
REFERENCIAS ... 42
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Algoritmo de solución Análisis Pinch. Adaptado de [3]. ... 12
Figura 2: Izquierda: Modelado de un intercambiador de calor en contracorriente. La subíndices corresponden a si la corriente es de entrada (e) o salida (s). Los superíndices a si la corriente e fría (f) o caliente (c). Derecha: Movimiento de las temperaturas de la corriente fría y de la corriente caliente en un intercambiador de calor en contracorriente. 14
Figura 3: Costo total de un intercambiador de calor en función de la diferencia de
temperatura. Tomado de [7]. ... 15
Figura 4: Costos totales para redes de intercambiadores de calor de acero al carbón (CS), Titanio (TI) y mezcla de acero al carbón y titanio (CS/TI). Adaptado de [8]. ... 17
Figura 5: Curva compuesta de calentamiento elaborada a partir de dos corrientes que se calentaran durante el proceso. (a) una corriente de CP = 20 kw/˚C será calentada de 50 a 200 ˚C, otra de CP = 60 kw/˚C será calentada de 100 a 150 ˚C (b) la curva compuesta consta de tres secciones, la primera de CP = 20 kw/˚C (de la primera corriente) de 50 a 100 ˚C, la segunda de CP = 80 kw/˚C (de la suma de las dos corrientes) de 100 a 150 ˚C y la tercera de CP = 20 kw/˚C (de la segunda corriente) de 150 a 200 ˚C. Tomado de [3] ... 18 Figura 6: Curva Compuesta, dT = 20 ˚C. Adaptada de [3]. ... 19
Figura 7: Curva Gran Compuesta. Adaptada de [3]. ... 19 Figura 8: Nueva Taxonomía de Bloom. Categorías del dominio cognoscitivo. Adaptado de [12]. De la más sencilla a la más compleja. ... 21 Figura 9: Interface de la herramienta para el aprendizaje del diseño de redes de
intercambiadores de calor en la simulación de procesos. Se observan las cuatro
secciones: Menú principal superior, menú secundario izquierdo, zona de texto y control lineal de navegación. ... 25 Figura 10: Conocimiento del análisis Pinch entre la población encuestada: Si: 17%; No: 83%... 27
Figura 11: Conocimiento de las principales herramientas para el diseño de redes de intercambiadores de calor: Intervalo de Temperaturas 62.5%, Curvas Compuestas y Curva Gran Compuesta 25% y Selección de la diferencia mínima de temperaturas 37.5%.
... 28
Figura 12: Sección 1, bienvenida. ... 32
Figura 13: Sección 2, Introducción. ... 33
Figura 14: Sección 3, Integración energética. ... 34
Figura 15: Sección 4, generalidades de HX-NET. ... 35
Figura 16: Sección 5, caso de estudio 1. ... 37
Figura 17: Sección 6, Caso de estudio 2. ... 38
Figura 18: Sección 7, Caso de estudio 3. ... 39
ANEXOS. ANEXO 1: Encuesta 1………43
1. CONTENIDO
1.1 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
El gran problema relacionado con la tecnología Pinch, es la forma en la que se describe y la manera en la que debe ser aprendida. Las bases de la tecnología son descritas en libros como en [1] que principalmente se enfocan en la sección termodinámica del análisis dejando de lado una búsqueda económica que debe tratarse simultáneamente para hacer un análisis correcto. Información adicional solo se encuentra disponible en artículos. Artículos que se dividen en dos categorías: los educativos, cuyo único papel es presentar y dar a conocer a los lectores la tecnología; y los profesionales, que presentan los beneficios de haber utilizado la tecnología en un cierto campo, no obstante sin aclarar la metodología utilizada para llegar a los resultados. Los estudiantes se ven entonces obligados a aprender el método a partir de los documentos académicos que presentan gran simplicidad respecto a lo que realmente es utilizar la tecnología Pinch. Los académicos no presentan de manera rigurosa todos los conceptos. La consecuencia de ese aprendizaje no riguroso e incompleto de la tecnología es el diseño pobre de redes de intercambiadores que no contemplan temas de seguridad, materiales y distribución de las plantas [2].
A pesar de que el acercamiento que autores como el de [1] o [3] es puramente termodinámico nunca es suficientemente riguroso. Generalmente, estos documentos inician con la búsqueda de la temperatura Pinch y la determinación de las cargas mínimas de servicios para después pasar a la construcción de las curvas compuestas y de la malla. Es importante que los estudiantes recuerden conceptos básicos como las leyes de la Termodinámica y entiendan que posterior y durante la elaboración de la malla, se debe verificar que éstas están siendo respetadas. Es porque se elaborará un acercamiento a la integración energética desde el balance de energía en un intercambiador de calor1.
En la Universidad de los Andes, una de las ultimas materias del pensum de ingeniería química, “Diseño de plantas de proceso” enfrenta a los estudiantes a seguir los diferentes lineamientos para crear una planta [1]. Una de las etapas finales en el diseño de una planta consiste en disminuir los requerimientos energéticos de la planta realizando la
1
De esta manera fue que inicialmente la tecnología Pinch fue desarrollada.
integración energética, usualmente utilizando técnicas como Pinch o Intervalo de Temperatura.
Desafortunadamente, al llegar a ese tema, gran parte de los alumnos declara nunca haber estudiado el concepto de Pinch. Una pequeña fracción declara haberlo escuchado pero afirma no acordarse ni de los elementos básicos para abordar el análisis de un proceso para crear la red de intercambiadores de calor (RIC) (HEN de sus siglas en ingles Heat Exchanger Network).
Se presenta usualmente el caso que alumnos se encuentre cursando de además de Diseño de Plantas, materias como Proyecto de Grado y Optimización. Es porque al momento de efectuar la integración energética de su planta se limiten a seguir ciegamente el algoritmo presentado por Seader en [1] sin realmente asimilar la información necesaria relativa a ese tema y sin realizar consideraciones iniciales y análisis adecuados. Solo una pequeña fracción de los estudiantes presenta motivación y dispone del tiempo para aprender cómo utilizar los simuladores disponibles para RICs como antiguamente Aspen Pinch™, actualmente Aspen HX-Net™.
Una clase dictada a los estudiantes de diseño de plantas el día 3 de abril de 2008 mostró que la herramienta del simulador es la que más llama la atención de los alumnos. Sobre todo, cuando ésta tiene la opción de generar automáticamente la HEN como lo hace Aspen HX-Net™.
1.2 OBJETIVOS
1.2.1 Objetivo General.
Desarrollar herramientas de aprendizaje en modo e-learning, que permita ilustrar a los futuros estudiantes de ingeniería química, de manera rápida y efectiva, las herramientas y fundamentos del análisis Pinch para disminuir el costo energético para lograr el mejoramiento de procesos químicos.
1.2.2 Objetivos Específicos.
I. Hacer una aproximación clara y rigurosa desde el punto de vista de la primera y segunda ley de la termodinámica para el análisis de la transferencia de calor en un intercambiador de calor. Generalizar la aproximación de tal forma que sea válida para una red de intercambiadores de calor.
II. Ilustrar claramente el concepto de Pinch a través de un estudio de sus principales herramientas como los son el dT (delta de temperatura), curvas compuestas, curva gran compuesta y método de intervalo de temperaturas.
III. Crear una interface multimedia en base Adobe Flash™ que permita una interacción futura eficiente de los estudiantes entre Aspen Plus™, Aspen HYSYS™ y Aspen HX-Net™ para la creación y simulación de redes de intercambiadores de calor.
1.3 ESTADO DEL ARTE
Esta sección tiene por objetivo presentar los elementos más importantes que permitan la comprensión de las etapas principales, requeridas para efectuar el análisis Pinch. Asimismo que las principales ventajas y desventajas de la tecnología. De igual forma presenta de manera breve la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica, sobre las cuales la tecnología fue inicialmente fundamentada. Posteriormente se pueden encontrar herramientas de la tecnología que permiten un mayor entendimiento de las principales etapas de la integración energética.
Finalmente, un resumen de la taxonomía de Bloom, metodología que será utilizada para evaluar y calificar la herramienta por parte de los estudiantes, así como evaluar el nivel de aprendizaje de la tecnología Pinch por parte de los alumnos de ingeniería química.
1.3.1 Integración energética y tecnología Pinch.
En grandes rasgos la integración energética es una técnica que permite recuperar la energía de las corrientes propias de un proceso químico para calentar y/o enfriar corrientes que lo requieran por las especificaciones del proceso mismo. Minimizando los requerimientos de servicios industriales.
El concepto de Pinch fue introducido en la década de los 70 por Linnhoff y Vredeveld [2] como un método de optimización de procesos con un fuerte fundamento termodinámico que permitía alcanzar los requerimientos energéticos mínimos diseñando una red de intercambiadores de calor2.
El análisis Pinch permite sistemática y simultáneamente estudiar y analizar las corrientes de un proceso y de los servicios disponibles para alcanzar la máxima recuperación energética (Figura 1).
2
Pinch haciendo referencia a la diferencia mínima de temperatura permisible en un intercambiador.
Figura 1: Algoritmo de solución Análisis Pinch. Adaptado de [3].
La principal dificultad del algoritmo es la solución simultánea de dos sub-algoritmos diferentes: Un primero que efectúa un análisis energético, regido por las leyes de la termodinámica, y un segundo, que evalúa los costos energéticos para finalmente hallar los requerimientos de servicios mínimos como una función del acercamiento mínimo de temperaturas. Este último permite hacer predicciones del costo total de la red de intercambiadores de calor [2].
El análisis Pinch es una herramienta que desde su descubrimiento y redescubrimiento en los años 90 con la entrada de simuladores se mostró ventajosa. De sus principales ventajas se pueden nombrar [3]:
- La gran ventaja es que Pinch permite reducir los costos de una planta, disminuyendo asimismo los requerimientos de energía volviendo las instalaciones más competitivas.
- El análisis Pinch permite cuantificar el ahorro al modificar la planta ya que reduce el consumo de energía global no consumos locales.
- Permite a través de simulaciones evaluar los beneficios que pequeñas inversiones pueden lograr antes de que el proyecto mismo sea implementado.
- Ayuda a determinar cuáles corrientes poseen energía que debe ser desechada para aprovecharlas en medios de recuperación efectivos.
Desafortunadamente, sobre todo desde su redescubrimiento el entusiasmo de los ingenieros ha tendido a ocultar algunas desventajas [18]:
- El análisis Pinch reposa principalmente en elementos termodinámicos relegando a un segundo plano preocupaciones técnicas como la hidráulica de los fluidos y la destilación.
- Diseños de RICs sin el conocimiento de preciso de los equipos adicionales de la planta puede llevar a contradicciones como unidades de desalinación donde lo que ocurre es el enfriamiento del fluido de trabajo. O bien, emplear intercambiadores de calor de dimensiones que los hacen técnicamente no viables. - Iniciar una planta completamente integrada puede ser una experiencia
desagradable por lo cual antes de integrar hay que conocer las limitaciones de los equipos.
- La red de control de una RIC debe ser diseñada simultáneamente con la RIC dado que no tener en cuenta la controlabilidad puede llevar a gastos adicionales elevados [19].
1.3.1.1 Primera y segunda ley de la termodinámica
Específicamente hablando de integración energética y diseño de redes de intercambiadores de calor, las primeras dos leyes de la termodinámica juegan dos papeles fundamentales [3] [4] [5]:
La ecuación (1) corresponde a la expresión generalizada de la Primera Ley de la Termodinámica. La ecuación (2) corresponde a la definición de entalpia [21].
(1) (2)
En el caso de un intercambiador de calor, no existe ningún cambio de energía cinética o potencial, de Igual manera el fluido que atraviesa la unidad se puede suponer incompresible por lo cual el cambio de volumen puede ser despreciable, el intercambiador no requiere ni provee trabajo a atravesar el equipo. Estos elementos pueden ser entonces ser simplificados.
Adicionalmente, el cambio de presión en un intercambiador de calor también puede ser despreciado por lo cual la contribución de ese cambio a la entalpia también puede ser
simplificada. Las ecuaciones (1’) y (2’) presentan La Primera Ley de la Termodinámica y la definición de entalpía adaptadas al si temas acá propuesto.
(1’) (2’)
La combinación de las ecuaciones (1’) y (2’) con la expresión para el cálculo de la entalpia de un sistema que cambia de temperatura da origen a las ecuaciones (3) y (4) que respectivamente presentan una corriente que atraviese el intercambiador de calor y el balance total de energía para las dos corr nte . ie s
(3)
(4)
La imagen izquierda de la figura 2 permite visualizar en un esquema de intercambiador de calor a qué corresponden los superíndices de la ecuación (3). La imagen derecha permite asimismo definir ∆T caliente y ∆T frio en una grafica cualitativa del cambio en entalpía en función de la temperatura para las corrientes fría y caliente.
Figura 2: Izquierda: Modelado de un intercambiador de calor en contracorriente. La subíndices corresponden a si la corriente es de entrada (e) o salida (s). Los superíndices a si la corriente e fría (f) o caliente (c). Derecha: Movimiento de
las temperaturas de la corriente fría y de la corriente caliente en un intercambiador de calor en contracorriente.
Donde H posee unidades de energía por unidad de tiempo (kW), M unidades de masa por unidad de tiempo (kg/s), CP unidades de energía por unidad de masa y temperatura
(kW/kg.K) y T unidades de temperatura (K).
La Segunda Ley, determina la dirección en la cual el flujo de calor se efectuará. Dado que en un sistema, en el que no se está efectuando trabajo, la energía solo puede fluir de una zona de mayor temperatura la de menor3 [6], se evitan cruces de temperatura entre las corrientes frías y calientes que entran a las unidades. Coloquialmente hablando, lo anteriormente escrito significa: “la corriente caliente no puede ser enfriada hasta una temperatura inferior a la temperatura mínima de la corriente fría” y “la corriente fría no se puede calentar mas allá de la temperatura máxima de la corriente caliente”. En términos prácticos, la corriente caliente solo puede ser enfriada hasta una temperatura determinada por dT [1] [3] [4] [7].
1.3.2 Funciones de costos para la determinación de dT.
La determinación del dT óptimo es una función de costos que puede ser aplicada tanto a un único intercambiador de calor como a una red de intercambiadores. Este costo está dividido en dos elementos: el costo de los servicios y el costo o cargos fijos. Un aumento en la diferencia de temperatura en la unidad provocará un aumento en el costo de los servicios pero una disminución en los cargos fijos [7]. La diferencia óptima de temperatura se determina gráficamente evaluando los diferentes costos para diferentes diferencias hasta que el costo mínimo se alcance. La figura 3 muestra la tendencia de las funciones de costos.
Figura 3: Costo total de un intercambiador de calor en función de la diferencia de temperatura. Tomado de [7].
En el caso de una red de intercambiadores, el costo de los servicios y los cargos básicos se pueden definir respectivamente de acuerdo:
3
De ser así la entropía generada Sgen sería negativo, contradiciendo el axioma de la Segunda Ley
de la Termodinámica presentado por Sandler en [6]
(5)
Donde QU es la carga energética requerida del servicio en unidades de energía (kW), CU
el costo de los servicios en unidades de dólares por unidad de energía y tiempo (USD/kW.año) y U el número total de servicios.
(6)
Donde NUNIDADES es el número total de unidades necesarias, AMIN es el área mínima
necesaria para el intercambio de calor, y a, b y c son coeficientes de leyes de costos que varían en función de los materiales, presión y tipo de intercambiador. Al igual que el costo de los servicios, los cargos fijos tendrán unidades de dólares por unidad de tiempo (USD/año). La Tabla 1 presenta valores para los diferentes coeficientes de acuerdo a los materiales de construcción.
Material Costo ($)
Acero al carbón (CS) 30,800+750A0.81 Acero inoxidable (SS) 30,800+1644A0.81 CS/SS o SS/CS 30,800+1339A0.81 Titanio (TI) 30,800+4407A0.81 CS/TI o TI/CS 30,800+3349A0.81 SS/TI o TI/SS 30,800+3749A0.81
Donde A = área intercambiador de tubo y coraza Tiempo de vida = 6 años, interés = 10% anual.
Tabla 1: Ley de costos para intercambiadores de calor de tubo y coraza para diferentes materiales de construcción. Adaptado de [8]
Existen maneras más detalladas de calcular el costo de un intercambiador de calor, como la propuesta por Seider et al en [1] la cual define el costo en USD de compra de un intercambiador de calor según:
(7)
Donde CB es el costo base del intercambiador, depende únicamente del tipo de
intercambiador y del área. FL es un factor que depende de la longitud de los tubos con los
cuales el intercambiador se fabricó, FM depende de los materiales de construcción y FP
depende de la presión de operación.
Inicialmente la aproximación de suponer que todos los intercambiadores son del mismo tipo (misma presión de operación y materiales de construcción) es correcta, pero variaciones sobre todo en los materiales de construcción puede influir en la selección de la diferencia de temperaturas tal y como lo muestra la figura 4.
Figura 4: Costos totales para redes de intercambiadores de calor de acero al carbón (CS), Titanio (TI) y mezcla de acero al carbón y titanio (CS/TI). Adaptado de [8].
1.3.3 Otros elementos de la tecnología PINCH.
Una herramienta adicional para el diseño de redes de intercambiadores de calor, son las curvas compuestas y la curva gran compuesta. Representaciones graficas de la temperatura en función de la entalpia disponible. Estas curvas constan de secciones en las cuales para cada rango posible de temperaturas se logra una combinación, La pendiente de la sección dependiendo de la contribución de la carga calorífica de cada corriente (Figura 5). Hay que mencionar que en las curvas compuestas las corrientes calientes se combinan entre ellas, al igual que las frías.
Figura 5: Curva compuesta de calentamiento elaborada a partir de dos corrientes que se calentaran durante el proceso. (a) una corriente de CP = 20 kw/˚C será calentada de 50 a 200 ˚C, otra de CP = 60 kw/˚C será calentada de 100 a 150 ˚C (b) la curva compuesta consta de tres secciones, la primera de CP = 20 kw/˚C (de la primera corriente) de 50 a 100 ˚C, la segunda de CP = 80 kw/˚C (de la suma de las dos corrientes) de 100 a 150 ˚C y la tercera de CP = 20 kw/˚C (de la
segunda corriente) de 150 a 200 ˚C. Tomado de [3]
Después de en un mismo diagrama haber elaborado la curva compuesta de enfriamiento y de calentamiento se obtiene una figura que suministra diferente información útil para llevar a cabo la integración (Figura 6). Información como los requerimientos energéticos mínimos de servicios calientes y fríos, ubicación del Pinch y número mínimo de intercambiadores requeridos.
La forma rigurosa de obtener los valores para trazar las curvas compuestas es conocido como el método de intervalo de temperaturas que igualmente integrando las corrientes frías y calientes permite hallar las cargas de servicios fríos y calientes y temperatura Pinch [1].
Figura 6: Curva Compuesta, dT = 20 ˚C. Adaptada de [3].
La curva gran compuesta no tiene mayor utilidad salvo visualizar la demanda y suministro de servicios para maximizar el servicio que sea más económico.
La forma en la que esta curva se construye es inicialmente sumar 0.5dT a la curva compuesta fría, restar 0.5dT a la caliente de tal forma que en Pinch las dos curvas compuestas entren en contacto. Posteriormente el eje vertical es reemplazado por la línea compuesta caliente de tal forma que visualmente, la única curva compuesta observable es la fría. La figura 7 muestra la curva gran compuesta elaborada con las curvas compuestas de la figura 6.
Figura 7: Curva Gran Compuesta. Adaptada de [3].
1.3.4 Paquetes de Software disponibles.
Para efectuar la integración energética existe una amplia gama de paquetes industriales como PinchExpress™, SuperTarget™[20], Aspen Pinch™ [3] y ahora disponible en la universidad Aspen HX-NET™ que asumen la comprensión del tema por parte del usuario o que como Aspen Pinch™ no involucran todos los elementos del diseño de una red de intercambiadores.
A nivel educacional existe un programa llamado Hint que permite a los usuarios diseñar redes de intercambiadores de calor teniendo en cuenta conceptos como las curvas compuestas, la curva gran compuesta, función de costos, etc. Este programa a nivel educativo se ha mostrado útil y ha sido perfeccionado permanentemente por sus creadores desde 2002 [9].
1.3.5 Taxonomía de Bloom.
Creada en la década de los años 50 por un equipo de psicólogos liderado por Benjamin Bloom con objetivo era analizar el comportamiento de niños de primaria durante el proceso de aprender a leer [2]. Un gran entregable de ese estudio fue la división del aprendizaje en tres dominios llamados dominios de aprendizaje de Bloom (Bloom’s learning domains): El cognitivo, el afectivo y el sicomotor. El cognitivo busca desarrollar las habilidades intelectuales del sujeto. La obtención de esas habilidades se refleja en la capacidad de comprender y evaluar información, organizar ideas, y evaluar acciones. El dominio afectivo refleja las emociones del estudiante frente a la experiencia de aprendizaje Las emociones que se deben llegar a despertar son el interés, la atención y la prevención. El sicomotor hace referencia a la utilización de las habilidades motoras básicas durante el proceso de aprendizaje.
Se observó que las habilidades sicomotoras son las más sencillas de desarrollar en un infante. No obstante en este caso es necesario tener en cuenta que el objetivo no es infante sino profesional.
En el ámbito de la educación superior, el dominio al cual se le presta más atención y en el cual se han efectuado más estudios es el cognitivo. Se ha efectuado una modificación del dominio cognitivo de la taxonomía de Bloom, que divide el campo en seis categorías [12] (Figura 8).
Figura Una e invest los cie la esp De las través estrate más a solucio a 8: Nueva Taxon ncuesta llev igación y de entíficos. Us ecificidad de s soluciones s de situac egias de ay aceptadas po ones fueron nomía de Bloom vada a cabo esarrollo, un ualmente la e las mismas s más efectiv ciones de l yuda; de las or los sujeto estudiantes m. Categorías de m el dominio cogno ás compleja.
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1.4 METODOLOGÍA
1.4.1 Metodología de Trabajo
Como adición a la metodología de trabajo, en el semestre 20081 se llevó a cabo un primer acercamiento del simulador a los estudiantes del curso Diseño de Plantas de Proceso, sección 1. Se efectuaron en clase un par de ejemplos que permitieron presentar a los estudiantes las herramientas mínimas para utilizar HX-Net™. Se efectuó una presentación en Power Point que fue montada a SICUA para ser consultado por los alumnos.
1.4.1.1 Revisión Bibliográfica
Las dos primeras semanas se llevará a cabo la culminación de la revisión bibliográfica. Estas semanas permitirán una segunda revisión de la bibliografía existente así mismo como la lectura y análisis de nuevas fuentes que suministren mayor conocimiento de Aspen HX-Net™ y de su utilización en casos de diseño reales, y fuentes educativas acerca de la Primera y Segunda Ley de la Termodinámica aplicada a sistemas de transferencia de calor múltiples. Igualmente acerca de la manera en la que Aspen HX-Net™ importa la información desde Aspen Plus™ y Aspen HYSYS™.
1.4.1.2 Diseño preliminar del tutorial
Preliminarmente se elaborará un tutorial que contendrá dos grandes secciones. Una teórica donde se explicarán los conceptos de Pinch, dT, Primera y Segunda Ley de la Termodinámica, la explicación de la técnica de Intervalo de Temperaturas, curvas compuestas y curva gran compuesta para la elaboración de redes de intercambiadores de calor. La segunda sección, contendrá una serie de 3 ejemplos con creciente grado de dificultad.
El primer ejemplo, el más sencillo, contendrá un bajo número de corrientes (no más de 6). Este busca que los alumnos conozcan la interface de Aspen HX-Net™, introduciendo las características de las corrientes y de los servicios (temperatura inicial y final, carga entálpica, unidades, etc.) ubicando manualmente los intercambiadores para que puedan aplicar ciertos consejos para el diseño de la red.
El segundo ejemplo, medianamente complicado, será la integración energética de un proceso simple (no más de 15 corrientes). El objetivo del ejemplo es aprender a importar
las corrientes del proceso desde Aspen Plus™ y Aspen HYSYS™ y dominar la herramienta para el diseño automático de la red.
El tercer ejemplo, el más complicado de todos, igualmente será importado desde Aspen Plus™ o Aspen HYSYS™ pero consta de un gran número de corrientes. El objetivo de este ejemplo es que los alumnos aprendan como se introducen especificaciones acerca de materiales y costos de los intercambiadores, asimismo como consideraciones de seguridad previniendo el intercambio de calor entre corrientes incompatibles.
1.4.1.3 Encuestas
Habrá por lo menos dos encuestas. Una al inicio del semestre con los estudiantes del curso Diseño de Plantas de Proceso que permitirá sondear el conocimiento y entendimiento de la tecnología Pinch para afinar la profundidad con la cual los temas teóricos serán abordados en el tutorial. Una segunda, después de realizado el tutorial preliminar en la que los usuarios evaluarán y calificarán la herramienta, y para asi mismo evaluar el nivel que permita asegurar que todo el mundo entiende los temas que se tratan en el aplicativo, igualmente asegurar que la interface diseñada sea de agrado para la mayoría de la población. Si los resultados de la segunda encuesta muestran incomprensión o voluntad de cambios mayores en la interface, una tercera encuesta será llevada a cabo para una reevaluación del tutorial.
2. ELABORACIÓN DE LA HERRAMIENTA.
2.1 DESARROLLO DE HABILIDADES EN FLASH CS3.
Antes de iniciar formalmente el desarrollo de la herramienta electrónica para el aprendizaje de las herramientas para el diseño de redes de intercambiadores de calor fue necesario llevar a cabo un proceso de aprendizaje propio acerca del funcionamiento y estrategias de programación necesarias para lograr satisfacer los objetivos del proyecto de grado en la plataforma de Abobe.
A grandes rasgos, las tareas que se ejecutaron para la comprensión requerida para los objetivos fueron:
- Creación y diferenciación de escenas (scene) y de fotogramas (frames). Para definir la estrategia de navegabilidad de la herramienta.
- Creación y programación de botones, utilizados para desplazarse a lo largo de los fotogramas y de las escenas.
- Creación de animaciones.
- Modo de exportación del programa elaborado en Flash para que la herramienta pueda ser visualizada en cualquier equipo.
Finalmente se decidió que una estrategia práctica para lograr una simple navegabilidad fue, utilizar una escena para cada una de las siete secciones que componen el tutorial. El método no es el más recomendado necesariamente por expertos en el programa, pero logra un funcionamiento correcto y adecuado de la herramienta final.
La utilidad de las animaciones es mostrar a todo usuario que utilice la herramienta la forma en que determinada tarea debe ser llevada a cabo de manera gráfica. Esto con el fin de aprovechar el tiempo de trabajo minimizando lecturas que no aportan información necesariamente importante.
Es importante que la herramienta pueda ser visualizada en cualquier equipo con requerimientos mínimos de procesador, memoria y programas. De este modo, el estudiante que utilice la herramienta no debe movilizarse a una sala de cómputo especializada, pudiendo llevar a cabo el proceso de aprendizaje en cualquier momento y en cualquier ubicación.
2.2 ESTRUCTURA DE LA HERRAMIENTA.
Una vez determinada la utilidad de cada elemento necesario, se buscó una estructura que se presentara fácil al usuario, a través de menús que a todo lo largo de la herramienta se encuentren en la misma ubicación.
La herramienta cuenta con 4 principales elementos:
Un menú superior que presenta las diferentes secciones. El texto de la sección que se está visitando es de color cian, mientras que el texto de las secciones inactivas es de color amarillo.
Un menú fondo gris en la zona izquierda que presenta las diferentes subsecciones de cada sección principal. Para informar al igual que en el menú superior en cual subsección
se encuentra, el texto del título de la sección activa es de color azul mientras que el de las subsecciones inactivas es de color negro.
La tercera área corresponde a un par adicional de botones en forma de flecha hacia la izquierda y flecha hacia la derecha que permiten devolverse de fotograma o pasar al fotograma siguiente respectivamente. La flecha hacia la derecha permite seguir la herramienta en el orden lógico de fotogramas establecidos para la asimilación progresiva del tema. Este par de botones se encuentran en la parte inferior de la ventana al lado derecho y al lado izquierdo.
La cuarta y última zona de la interface corresponde a la ubicación del texto, animaciones o imágenes utilizadas para la explicación de los diferentes temas.
La figura 9 presenta un ejemplo de cómo un fotograma de la herramienta se visualiza.
Figura 9: Interface de la herramienta para el aprendizaje del diseño de redes de intercambiadores de calor en la simulación de procesos. Se observan las cuatro secciones: Menú principal superior, menú secundario izquierdo, zona de
texto y control lineal de navegación.
Con el único fin de volver la herramienta más dinámica durante su utilización. Al momento de pasar el cursor por encima de cualquiera de los botones equivalentes a los títulos de las secciones y subsecciones, el texto se vuelve de color blanco y al momento de presionar alguno de los botones, durante el periodo que se mantenga presionado el botón del mouse el texto continúa con el color blanco pero en forma negrita. De igual manera, la
flecha que permite avanzar al fotograma siguiente se mueve levemente hacia la derecha una vez que el cursor pasa por encima de esta.
3. ENCUESTA 1.
La primera encuesta se llevo a cabo los días martes 12 de Agosto y miércoles 13 de Agosto del año 2008. Se estudio una población de 47 estudiantes pertenecientes al curso “Diseño de Plantas de proceso”. La tabla 2 presenta la distribución de los estudiantes por semestre.
NO RESPONDE
ONCE DECIMO NOVENO OCTAVO SEPTIMO
3 1 31 8 3 1
Tabla 2: Encuesta 1: distribución de los estudiantes por semestre.
85% de la población estudiada corresponde a estudiantes que superan octavo semestre por lo cual se adaptan al perfil del estudiante que cursa los últimos cursos de la carrera lo cual los hace candidatos para el estudio.
3.1 OBJETIVOS DE LA ENCUESTA 1.
Ya la población abarcada, la encuesta busca sondear el conocimiento de los alumnos en dos temas. El primero, el conocimiento general del análisis Pinch y de sus principales herramientas. El segundo, el conocimiento y la percepción que los estudiantes tienen respecto a los simuladores de redes de intercambiadores de calor.
3.2 DESCRIPCIÓN DE LA ENCUESTA.
La encuesta se divide en dos secciones, cada una correspondiendo a cada uno de los objetivos de la misma. Las preguntas son concretas y solo pueden ser contestadas con “SI” o con “NO”.
La primera sección, referente al conocimiento del análisis Pinch, comienza preguntando si el estudiante está familiarizado con el análisis. De no estarlo puede pasar a la sección siguiente, suponiendo que al no conocer el análisis Pinch no conoce ninguna de sus
herramientas. En esta primera parte se evalúan los estudiantes que conocen (o han escuchado hablar) del método cuantificando que tan familiarizados están con sus principales constituyentes como el método de intervalo de temperaturas utilizado para la determinación de las temperaturas Pinch y requerimientos mínimos en servicios, las Curvas Compuestas y la Curva Gran Compuesta, y el fundamento de la diferencia mínima de temperatura. Cada una de las herramientas está representa por cada pregunta de la sección 2.
Como pieza anexa 1 se puede observar el formato suministrado como encuesta a cada uno de los estudiantes.
3.3 RESULTADOS.
La tabulación de los resultados de la primera encuesta permitió observar:
Desde un principio, se esperaba que los resultados de la encuesta fueran favorables para la herramienta ya que el origen de la idea fue precisamente la observación del fenómeno que se desea cuantificar. No obstante se esperaba que el conocimiento de la tecnología Pinch fuera mayor así no hubiera conocimiento puntual de las herramientas que lo constituyen.
La figura 10, elaborada a partir de las respuestas a la primera pregunta muestra que únicamente 17% de los estudiantes encuestados conocen o han escuchado hablar acerca del análisis.
Figura 10: Conocimiento del análisis Pinch entre la población encuestada: Si: 17%; No: 83%.
La figura 11 presenta al interior del porcentaje de los estudiantes que conocen el análisis, el conocimiento de sus principales herramientas: Método de intervalo de Temperaturas, diferencia mínima de temperaturas, Curvas Compuestas y Curva Gran Compuesta. El
método de resolución por programación lineal no se incluyo en las posibilidades debido a la probabilidad que los estudiantes estuvieran cursando Optimización de Procesos Químicos.
Del 17% de estudiantes que habían declarado conocer el concepto de Pinch e integración energética, 62.5% conoce el método del intervalo de temperaturas, 25% las Curvas Compuestas y curva Gran Compuesta, y 37.5% la metodología o aproximación para la determinación de la diferencia de temperaturas.
Figura 11: Conocimiento de las principales herramientas para el diseño de redes de intercambiadores de calor: Intervalo de Temperaturas 62.5%, Curvas Compuestas y Curva Gran Compuesta 25% y Selección de la diferencia mínima de
temperaturas 37.5%.
Es curioso como el método grafico, Curvas Compuestas y Curva Gran Compuesta son las herramientas menos conocidas por los estudiantes, estas siendo la aproximación grafica y usualmente más sencilla al diseño de redes de intercambiadores de calor.
Finalmente, respecto a la utilidad y a la necesidad de una herramienta e-learning que agilizara el proceso de aprendizaje tanto teórico como práctico, la aceptación fue generalizada: 97,87% de los estudiantes encuestados considera necesaria la creación de tales herramientas, 91.49% las considera útiles y 100% de los encuestados asegura que de existir, la utilizaría.
3.4 ENCUESTA 2.
La intensión de la segunda encuesta era evaluar la aceptación de la herramienta, la asimilación de la información y la navegabilidad. Por motivos de ligeras modificaciones en
el programa del curso de diseño de plantas, esta no se llevo a cabo por una principal razón:
En el transcurso del semestre, y al interior del proyecto de la materia se hizo gran énfasis en el tema de integración energética contrariamente a como se venía desarrollando el proyecto en semestres anteriores. Sin considerar el hecho que el tema es estudiado en las últimas semanas del calendario. Esta profundización tendría como consecuencia inevitable una falsa asimilación por parte de un porcentaje de la población estudiantil. La recomendación que queda planteada es que la encuesta se lleve a cabo el primer semestre del año 2010 antes de que el tema de integración energética sea formalmente estudiado. También vale la pena hacer el mismo ejercicio en el curso de operaciones unitarias donde posiblemente una buena fracción de los estudiantes ya posee el bagaje para diseñar una red de intercambiadores de calor.
4 EVALUACIÓN CURRICULAR.
El primer y el segundo nivel de la nueva taxonomía de Bloom hacen referencia a “recordar” y a “entender”. Académicamente hablando, los alumnos del curso de diseño de plantas, ya cuentan con las herramientas necesarias para elaborar un análisis y efectuar la integración energética de una planta.
Para asegurarse que la suposición hecha es correcta, se llevo a cabo un fragmento de la metodología propuesta por ABET en [22] orientada específicamente al tema de integración energética y redes de intercambiadores de calor. Básicamente se identificaron cuales materias del pensum pueden llegar a ser necesarias para lograr la tarea, especificando si estas hacen parte de la formación que el estudiante ha tenido en matemáticas o ciencias básicas, en su formación de ciclo profesional como ingeniero, o si hacen parte de algún otro género como puede ser educación general o fuentes ajenas a la universidad.
Las materias del ciclo básico necesarias son:
- Procesos industriales (estequiometria de procesos industriales): Presenta los fundamentos de estequiometría necesarios para entender los fundamentos del
concepto de energía y llevar a cabo un balance básico de masa y de energía. Sin realmente considerar el concepto de acumulación o variación de masa a lo largo del tiempo y de entropía.
- Termoquímica 1: Presenta el concepto de acumulación o variación de la masa a lo largo del tiempo en el sistema. De igual manera explica claramente el concepto de entalpia e introduce el de entropía como herramenta adicional en los balances de masa y de energía, para los sistemas para los cuales estas dos ecuaciones no son suficientes.
- Transferencia de calor: Introduce la utilidad de los balances de energía en sistemas en los cuales energía térmica se transfiere de un elemento a otro. De igual manera que los diferentes tipos de modelos de transferencia de calor (conducción, convexion y radiación). Presentando los fundamentos del diseño de intercambiadores de calor.
- ANADEC: permite entender conceptos que pueden llegar a ser necesarios para el evaluar el costo de un proyecto.
Las materias de formación como ingeniero necesarias son:
- Operaciones unitarias: Introduce los algoritmos y correlaciones principales para el diseño de intercambiadores de calor.
- Optimizacion de procesos químicos: La creación de una red de intercamiadores permite minimizar los requerimientos energéticos que los servicios deben proveer. Este curso permite conocer los modelos a través de los cuales un sistema como una red de intercambiadores de calor se puede modelar.
La tabla 3 presenta la serie de materias que le permitirían llevar a cabo el estudio.
Tabla 3: Evaluación curricular para el diseño de redes de intercambiadores de calor y para la herramienta didáctica. Según ABET [22].
5 DESCRIPCIÓN DE LA HERRAMIENTA.
La herramienta que se desarrolló está compuesta de siete secciones. Cada una con un objetivo específico.
5.1 SECCIÓN 1: BIENVENIDA.
Una bienvenida al usuario en la cual se le introduce la herramienta y el principal objetivo de esta. En la parte superior se encuentran las secciones para que desde el inicio el usuario pueda seleccionar a que sección de la herramienta se quiere dirigir. El interés de presentar todas las secciones desde la ventana de bienvenida es permitir al usuario desplazarse directamente a la sección que se encuentre estudiando o que desea repasar, sin necesidad de abarcar todas las anteriores.
Figura 12: Sección 1, bienvenida.
5.2 SECCIÓN 2: INTRODUCCIÓN A LA INTEGRACIÓN ENERGÉTICA.
Define el concepto de integración energética y cuál es el objetivo de su implementación en proceso de diseño. Seguidamente ubica la etapa de integración al interior del proceso de diseño utilizando el concepto de capas de cebolla: se aprovecha el planteamiento de las capas para recordar los requerimientos de las etapas anteriores, permitiendo saber al usuario cuando puede pasar a la capa en su proceso propio de diseño.
Las subsecciones posteriores se encargan de recordar de manera completa la Primera y la Segunda Ley de la Termodinámica. Inicialmente la Primera introduce el concepto y la
definición de entalpía. Plantea el balance general de energía para cualquier sistema y la simplificación que permite llegar al balance de energía especifico a un intercambiador de calor. Ya planteado, se efectua la generalización del balance a una red de intercambiadores de calor.
Una vez planteada la Primera Ley se desarrolla la Segunda Ley y el concepto de entropía. Dado que un intercambiador de calor se puede especificar completamente utilizando únicamente la primera ley, ésta se utiliza para corroborar que una red de intercambiaores respeta en todo punto el axioma de la Termodinamica, específicamente en el punto donde la diferencia de temperaturas es mínima.
Finalmente, se abarca la diferencia mínima de temperatura desde el punto de vista económico, presentando una manera en la cual el costo de una red de intercambiadores de calor puede ser estimado y de la influencia en éste que el material de los equipos puede tener, presentando asimismo los coeficientes de la función de costos para los materiales tradiciones de construcción de los equipos.
Figura 13: Sección 2, Introducción.
5.3 SECCIÓN 3: HERRAMIENTAS DE LA INTEGRACIÓN ENERGÉTICA.
Presentación formal de las principales herramientas para la integración energética y el procedimiento que permite desarrollarlas.
Comienza determinando la cantidad mínima de unidades que una red de intercambiadores debe poseer (y un ejemplo de aplicación), haciendo énfasis en que una
red de intercambiadores de calor no es una solución trivial pues esta requiere un número mayor de unidades.
Las tres subsecciones que preceden se encargan de explicar cada una de las etapas que conforman las principales herramientas de la integración energética como los son el intervalo de temperaturas, las curvas compuestas y la curva gran compuesta. Cada una de las herramientas presenta las principales etapas que se deben llevar a cabo, asi como las suposiciones, análisis y ecuaciones requeridas.
Introduce intuitivamente conceptos como temperatura Pinch, requerimiento mínimo de servicios industriales y diferencia mínima de temperatura y como estos se conservan en los métodos.
Como herramienta adicional a las tradicionalmente estudiadas, se presenta como es el planteamiento de la red como un problema de programación lineal, y como sería el algoritmo de solución [23]. Presentando claramente los conjuntos, los parámetros, las variables de decisión y las restricciones.
Esta sección no presenta aplicaciones numéricas de las herramientas, estas quedan disponibles en la sección 5 (ejemplo de aplicación 1), luego de explicaciones adicionales acerca de Aspen HX-NET™.
Figura 14: Sección 3, Integración energética.
5.4 SECCIÓN 4: GENERALIDADES DE HX-NET™.
Asumiendo que el usuario ya desarrolló la sección tres y entiende claramente la utilidad de las diferentes herramientas, presenta algunas generalidades sobre la interface y de las diferentes bases de datos de servicios industriales, coeficientes de intercambio de calor y sistemas de unidades propios al programa.
Inicialmente explica la diferencia entre las dos modalidades en las que se puede trabajar (HI-CASE y HI-PROJECT) de acuerdo a las necesidades del usuario. Seguidamente planteamente las diferentes bases disponibles de corrientes de servicios y coeficientes de intercambio de calor.
Termina con animaciones de la forma de una vez las corrientes ingresadas, insertar y especificar un intercambiador de calor o dividirla. Presentando en el caso de la división las situaciones en las cuales esto es necesario y la manera de calcular las fracciones de separación.
Figura 15: Sección 4, generalidades de HX-NET.
5.5 SECCIÓN 5: CASO DE ESTUDIO 1.
El objetivo de este es implementar toda la teoría desarrollada en las secciones anteriores, como anteriormente se mencionó; muestra al usuario un ejemplo numérico que le permite desarrollar los diferentes algoritmos de la sección 3 suministrandole un punto de referencia con el cual se puedan comporar y asegurarse que la asimilación de las herramienta es completa. Igualmente presenta la implementación del problema como un
caso de Aspen HX-NET™. Mostrando los resultados que se obtuvieron con las herramientas manuales. Hace énfasis a través de animaciones en la manera de determinar la diferencia de temperaturas
El primer caso de estudio parte de las mismas corrientes con las cuales Linnhoff explicó el concepto de integración energética [23]. Dado que a esta altura de la herramienta, los estudiantes no tienen necesariamente claro el origen de la diferencia mínima de temperatura, en este caso de estudio este valor se fija arbitrariamente. La tabla 4 a continuación presenta las diferentes corrientes y sus características.
Tabla 4: Corrientes del proceso estudiado en el caso de estudio 1.
Corriente Tipo Te (˚C) Ts (˚C) CP (kW/˚C) Q (kW) 1 C 150 60 2.0 180.0 2 C 90 60 8.0 240.0 3 F 20 20 2.5 262.5 4 F 25 25 3.0 225.0
La figura 16 presenta el primer fotograma del caso de estudio 1. En ésta se pueden apreciar asimismo del lado izquierdo sus diferentes componentes:
- El enunciado del “problema” (corrientes de proceso). - Método de intervalo de temperaturas.
- Curvas compuestas y curva Gran Compuesta. - Programación lineal.
- HI-CASE: Al interior del cual se presenta cómo determinar la diferencia mínima de temperaturas, cómo generar las Curvas Compuestas, Curva Gran Compuesta. Y la red de intercambiadores de calor.
Figura 16: Sección 5, caso de estudio 1.
5.6 SECCIÓN 6: CASO DE ESTUDIO 2.
Corresponde a la integración energética de la etapa inicial (alimentación y calentamiento de materias primas y reacción entre ellas) en el proceso de producción de anhídrido ftálico a partir de orto-xileno. Queda claro que para llevar a cabo este caso de estudio es indispensable que la persona que ejecute la herramienta posea las habilidades necesarias dado que esta sección no posee la explicación de los conceptos que se explican en secciones anteriores.
Al ya tratarse de un proceso en el cual no se puede conservar la homogeneidad supuesta en el caso de estudio anterior, la primera subsección se enfoca en la explicación de cómo extraer la información acerca de las corrientes directamente desde el simulador, en este caso: Aspen Plus™, sobrepasando así elementos como cambios de fase o calores sensibles dependientes de la temperatura. Teniendo en cuenta lo anterior, se le dedica una pequeña subsección a la segmentación de corrientes y como se pueden ver las características de los diferentes segmentos.
Los dos temas que se tratan después de la segmentación son en pocas palabras la metodología a seguir para automáticamente generar diseños posibles de redes de intercambiadores de calor, considerando la posibilidad que la información de corrientes haya sido ingresada manualmente por el usuario o importada en el modo HI-CASE: en ese caso se hace necesario convertir el HI-CASE en HI-PROJECT.
Durante el desarrollo del segundo caso de estudio igualmente se presentaron las consideraciones a tener en cuenta al momento de analizar las corrientes de un proceso con el fin de determinar incompatibilidad de corrientes. De igual forma se mencionó el tema de arranque de planta y las consecuencias que un proceso completamente integrado energéticamente puede tener.
Un elemento importante del segundo caso de estudio es que antes de enfocarse en el aspecto práctico del simulador, presenta las limitaciones del caso de estudio anterior, justificando en cierta medida la necesidad de “ir un paso adelante”. La figura 17, presenta simultáneamente el primer fotograma del caso de estudio 2 y las limitaciones del caso de estudio 1.
Figura 17: Sección 6, Caso de estudio 2.
5.7 SECCIÓN 7: CASO DE ESTUDIO 3.
Dado que en los dos primeros casos de estudio se logra cubrir la casi totalidad de lo necesario para desarrollar una red de intercambiadores de calor, sin llegar a desarrollar un aspecto práctico exhaustivo de Aspen HX-NET™ se decide desarrollar un tercer caso de estudio en el cual se presenta la utilidad de la curva Gran Compuesta en dominios diferentes a la elaboración de redes de intercambiadores de calor: la transferencia de masa y el diseño de columnas de destilación. En este caso de estudio se muestra como la carga del condensador y la carga del rehervidor pueden ser minimizadas, a través del análisis de la grafica, temperatura en función de la entalpia (Figura 18).
Se hace hincapié en las similitudes que la grafica anteriormente descrita tiene a una curva Gran Compuesta: como el punto de alimentación puede ser asimilado a la temperatura Pinch, y como la “distancia” entre la curva y el eje vertical en los extremos de la curva equivale a los requerimientos de servicios en el condensador y en el rehervidor.
Se comenta no obstante que esa modificación en el reflujo para disminuir las cargas puede tener un efecto considerable en los costos del equipo pues aumenta el número de platos.
Para llevar a cabo ese estudio, se presenta al igual que en los casos de estudio anteriores, el procedimiento necesario, esta vez directamente en Aspen Plus™. A pesar de suponer la utilización adecuada del simulador. La elaboración de la curva necesaria no es evidente ya que pocos son los estudiantes que manejan el módulo de RadFrac, y las herramientas que adicionales que este posee sobre los módulos anteriores de columnas de destilación que, usualmente son los que los estudiantes utilizan en sus proyectos.
Figura 18: Sección 7, Caso de estudio 3.
6 CONCLUSIONES.
El análisis de los resultados de la encuesta permite deducir que el conocimiento del análisis Pinch y de las herramientas para la integración energética es deficiente, teniendo en cuenta la importancia que el tema tiene en la industria moderna, lo cual justifica claramente la creación de la herramienta didáctica.
El estudio curricular muestra que la integración energética es una excelente recopilación de conocimientos y de conceptos adquiridos a lo largo de la carrera de ingeniero químico sin presentar una seria necesidad de adquisición de nuevos conocimientos, únicamente una aplicación orientada a la obtención de una red de intercambiadores de calor.
Se implementó la herramienta en Flash que permitió unificar en una única ubicación los conceptos y las herramientas (manuales y de software) necesarias para desarrollar correctamente una red de intercambiadores de calor.
La herramienta queda disponible para que futuras generaciones de ingenieros químicos puedan asimilar rápidamente el concepto de integración energética. Existiendo la posibilidad de desarrollar aplicaciones más sofisticadas como puede ser la integración energética entre diferentes plantas [13].
El desarrollo del tutorial abordó progresivamente las primeras tres etapas de la nueva taxonomía de Bloom, ubicándose en cada etapa de la pirámide. Cuenta con el repaso de diferentes conceptos necesarios (Leyes de la Termodinámica), permite entender las diferentes etapas en el proceso de diseño de una red de intercambiadores de calor. Una vez desarrollados teóricamente, estos conceptos son aplicados en casos de estudio concretos que permiten al usuario de la herramienta terminar de asimilar el concepto visualizando su implementación. Las etapas de analizar y evaluar se encuentran combinadas en los casos de estudio dos y tres, teniendo que, además de aplicar los conceptos, llevar desarrollar el criterio que le permita seleccionar el resultado más adecuado.
El caso de estudio dos se presento más complejo que el primero desde el punto de vista que la información de corrientes no está inmediatamente disponible. Igualmente hay que considerar que se trata de un proceso por lo cual las consideraciones de seguridad, materiales y arranque de planta deben ser tenidas en cuenta. Desde el punto de vista el
caso de estudio tres no es más complicado que los dos anteriores, pero requiere de un entendimiento de la Curva Gran Compuesta, por ende del método de intervalo de temperatura y del concepto de temperaturas Pinch.
De igual modo, la implementación del caso dos requiere un mayor conocimiento de Aspen HX-NET dadas las consideraciones anteriormente mencionadas. Concretamente la extracción de la información de corrientes del simulador, cruces prohibidos, costos de equipos y el diseño automático de redes de intercambiadores factibles.
El tercer caso no requiere la utilización de Aspen HX-NET porque a través de Aspen Plus la curva entalpia – temperatura se puede generar. Aclarando que este análisis requiere de un buen manejo del simulador pues la rutina más sencilla para llevar a cabo el análisis es RadFrac.
La herramienta se puede presentar como una excelente ayuda para los estudiantes, dado que la pueden desarrollar en cualquier momento, con mínimos requerimientos de software permitiéndoles así en los casos que sea necesario avanzar más rápidamente sin verse sometidos a esperar que algún instructor, profesor o monitor disponga del tiempo para explicarles. No obstante, la herramienta didáctica no es un reemplazo a la educación presencial. Actualmente los estudiantes aun requieren que el progreso sea medido por un ente externo es decir el profesor que igual posee parte en la responsabilidad de la transmisión del conocimiento.
REFERENCIAS
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Principles. Nueva York : Wiley, 2004. ISBN 978-0-471-21663-6.
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7. Kern, Donald Q. Procesos de Transferencia de Calor. Mexico D. F. : CECSA, 2006. ISBN: 968-26-1040-0.
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9. Abdullah, Badr, y otros. Heat integration retrofit analysis of a heat exchanger network of a fluid catalytic plant. Applied Thermal Engineering. 2001, Vol. 21, págs. 1449-1487. 10. Martín, Angel y Mato, Fidel A. Hint: An educational software for heat exchanger network design with the pinch method. Education for Chemical Engineers. 2007.
11. Cruz, Emily. Encyclopedia of Educational Technology. Bloom's revised taxonomy. [En línea] 2003. [Citado el: 20 de Abril de 2008.] http://coe.sdsu.edu/eet/Articles/bloomrev/index.htm.
12. Divjak, Blazenka y Katarina Kukec, Sandra. Teaching methods for international R&D project management. International Journal of Project Management. 2008.
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19. Tellez, Rodolfo, Svrcek, William Y. y Young, Brent R. Controllability of heat Exchanger Networks. Heat transfer engineering. 2006, Vol. 27, 6.
20. Linnhoff March. Introduction to Pinch Technology, Revisado el 8 de mayo 2008 en www.linnhoffmarch.com
21. Smith, Van Ness, Abbott. Introducción a la Termodinámica en Ingeniería Química. México D. F.: Mc Graw Hill, 1997. ISBN: 970-10-1333-6
44
ANEXO 1.
HERRAMIENTAS PARA LA INTEGRACION ENERGETICA EN LA SIMULACION DE PROCESOS UTILIZANDO ASPEN HX-NET.
1. Información básica.
Nombre (voluntario): _______________________________ Semestre: ____________
Curso: _________________________________________ Sección: _____________
2. Sondeo la población estudiantil acerca de la tecnología Pinch.
¿Conoce Ud. el análisis Pinch para el diseño de redes de intercambiadores de calor (si la respuesta es “NO” pase a la sección 3)?
SI NO
¿Conoce el método de intervalo de temperaturas para la determinación de la temperatura Pinch?
SI NO
¿Sabe Ud. qué son las curvas compuestas o la curva gran compuesta?
SI NO
¿Sabe Ud. cuál es el criterio para la selección de la diferencia de temperatura?
SI NO
3. Sondeo para el conocimiento de simuladores para l integración energética.
¿Está familiarizado con simuladores para el diseño de redes de intercambiadores de calor como Aspen PINCH, Aspen HX-NET o HINT?
SI NO
¿Considera necesaria la creación de herramientas para el aprendizaje interactivo modo e-learning para diseñar redes de intercambiadores de calor?
SI NO
¿Considera útil la creación de herramientas para el aprendizaje interactivo modo e-learning para diseñar redes de intercambiadores de calor?
SI NO
¿Utilizaría Ud. esas herramientas?
