Programa asignatura SIMULADORES DE PROCESOS QUÍMICOS

Título de Ingeniero Químico
Facultad de Ciencias Químicas
Programa asignatura
SIMULADORES DE PROCESOS QUÍMICOS
Titulación. Especialidad
INGENIERO QUÍMICO
Código
Tipo
Curso
57651
Optativa
5º
Créditos
(Prácticos+Teóricos)
4.5 (3.5+1)
Anual/Cuatrim.
Cuatrimestral
Curso
académico
2011-12
EQUIPO DOCENTE
Jose Luis Valverde Palomino. Catedrático de Universidad.
Asignatura)
María Luz Sánchez Silva. Profesora Contratado Doctor.
(Profesor Responsable de la
PÁGINA WEB EN LA QUE SE INCLUYE EL MATERIAL DEL
CURSO
http://www.uclm.es/profesorado/jlvalverde/
OBJETIVOS
Los objetivos específicos que se pretenden alcanzar con el programa que se propone son
básicamente cuatro:




Introducir al alumno en el manejo de ASPEN como simulador comercial.
Iniciar al alumno en el empleo del simulador ASPEN en la simulación de
operaciones básicas de fluidos, calor y transferencia de materia y en el cálculo
de reactores.
Simulación de procesos químicos conocidos con ASPEN y HYSYS y
comparación de resultados.
Introducir al alumno en los conceptos básicos del diseño conceptual de
procesos químicos.
TEMARIO
1. La simulación en el desarrollo y optimización de procesos químicos. Introducción. Ejemplo:
producción de amoniaco. Consideraciones generales. El modelo termodinámico en la
simulación de procesos químicos.
Título de Ingeniero Químico
Facultad de Ciencias Químicas
UNIDAD TEMÁTICA 1: LA SIMULACIÓN CON ASPEN
2. Introducción al manejo de ASPEN. Generalidades. Caso práctico de manejo del simulador
ASPEN. Ejemplos.
3. Simulación de operaciones unitarias. Introducción. Mezcladores y divisores de corrientes.
Elementos impulsores de fluidos. Válvulas y tuberías. Equipos para el intercambio de calor.
Separación y destilación súbita. Decantadores. Rectificación, extracción líquido-líquido y
absorción. Ejemplos.
4. Simulación avanzada de operaciones de separación. El módulo RadFrac. La convergencia
con el módulo RadFrac. Ejemplos.
5. Simulación de reactores químicos. Introducción. Tipos de reacciones químicas. Cinética de
reacciones químicas. Tipos de reactores químicos. Reactor continuo de mezcla perfecta.
Reactor continuo de flujo pistón. Reactor discontinuo de mezcla perfecta. Ejemplos.
6. Herramientas para el análisis de procesos químicos. Introducción. Análisis de corrientes.
Equilibrios binarios. Curvas de residuo. Análisis de sensibilidad. Especificaciones de
diseño. Ejemplos.
7. Convergencia en ASPEN. Problemática de la convergencia. Opciones, diagnósticos,
tolerancia y estrategias. Matemáticas de la convergencia. Ejemplos.
8. La optimización con ASPEN. Introducción. Métodos Simplex, Complex y SQP. Ajuste de
datos. Ejemplos.
UNIDAD TEMÁTICA 2: DISEÑO CONCEPTUAL DE PROCESOS QUÍMICOS
9. Heurísticas para la síntesis de procesos químicos. Materias primas y reacciones químicas.
Distribución de productos químicos. Separaciones. Aporte y eliminación de calor a
reactores. Bombeo y compresión.
10. Diseño conceptual de la operación de rectificación. Secuencia de columnas de rectificación
ordinaria. Ejemplos.
11. Conservación de energía y eficacia termodinámica de las operaciones de separación.
Trabajo mínimo de separación. Consumo de trabajo neto y eficacia termodinámica.
Reducción de los requerimientos de energía en rectificación. Ejemplos.
12. Integración de calor y potencia. Introducción. Minimización de los requerimientos
energéticos. Emparejamiento de corrientes en el “pinch”. Número mínimo de cambiadores
de calor. Temperatura de aproximación mínima. Superestructuras para minimizar el coste
anual. Trenes de rectificación con sistema de integración del calor. Máquinas térmicas y
bombas de calor.
UNIDAD TEMÁTICA 3: LA SIMULACIÓN DE PROCESOS COMPLEJOS CON HYSYS Y
ASPEN. COMPARACIÓN
13. Simulación de procesos complejos con HYSYS y ASPEN. Ejemplos de operaciones
básicas. Ejemplos de operaciones complejas.
RECURSOS DOCENTES NECESARIOS
Para esta asignatura se requieren los siguientes recursos:

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Aula convencional dotada de cañón proyector y proyector de transparencia. Una parte
importante de la información docente está dispuesta en ficheros Powerpoint.
Aula informática con un mínimo de 25 ordenadores
Programas de simulación de procesos químicos: HYSYS, DISTIL y ASPEN
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BIBLIOGRAFÍA BÁSICA

Aspentech ASPEN PLUS 11.1. Documentation, Aspen Technology, Inc., Cambridge,
2001.

Seider, W.D.; Seader, J.D.; Lewin, D.R. Process Design Principles. Synthesis,
Analysis and Evaluation, John Wiley & Sons, New York, 1999.
BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA

Biegler, L.T. ;Grossman, I.E. ; Westerberg, A.W. Systematic Methods of Chemical
Process Design, Prentice Hall, New York, 1997.

Douglas, J.M. Conceptual Design of Chemical Processes, McGraw-Hill, Boston, 1988.

Hyprotech DISTIL 5.0. Documentation, Hyprotec Ltd., Calgary, 2001.

Hyprotech HYSYS 2.4. Documentation, Hyprotec Ltd., Calgary, 2001.

Martínez, V.H.; Alonso P.A.; López, J.; Salado, M.; Rocha, J.A. Simulación de
Procesos en Ingeniería Química, Plaza y Valdés, México D.F., 2000.

Turton, R.; Bailie, R.C.; Whiting, W.B. Analysis, Synthesis and Design of Chemical
Processes, Prentice Hall, New York, 1997.
METODOLOGÍA DOCENTE
La metodología docente de esta asignatura se basa en las recomendaciones
propuestas por el profesor Felder encaminadas a mejorar el proceso de enseñanzaaprendizaje; especialmente las dirigidas a promover el aprendizaje activo en clase, el uso del
aprendizaje cooperativo a través de la elaboración conjunta de ejercicios por parte de grupos
pequeños de alumnos y el planteamiento de exámenes que sean accesibles y desafiantes para
los mismos. Una particularidad de esta asignatura es que está orientada a la resolución
continua de casos prácticos como modo de entender los fundamentos de la simulación de
procesos químicos. Como el alumno, llegado a este punto de la carrera, conoce con extensión
el simulador de procesos HYSYS, la mayor del tiempo programado para esta asignatura se
dedica al manejo del simulador ASPEN.
Para facilitar el aprendizaje activo en la clase se ha dispuesto que todas las clases se
impartan en el aula informática. Debido al bajo número de alumnos matriculados es posible,
siempre que éste no supere los 30, asegurar que todos ellos dispondrá de ordenador con el
que comprobar y desarrollar los casos prácticos que se proponen.
Para facilitar la misma, a principio de curso se pone a disposición del alumno toda la
información relativa a la organización del curso, las transparencias empleadas durante el
mismo, la propuesta del proyecto de simulación que ha de realizar a lo largo del mismo y
exámenes propuestos en cursos anteriores. Esta información se facilita en ficheros WORD y
POWEPOINT
a
través
de
correo
electrónico,
página
web
personal
(http://www.uclm.es/profesorado/jlvalverde/) o a través del CD que se entrega al alumno
cuando formaliza la matrícula. Asimismo, el estudiante que así lo solicite puede disponer de
toda esta información en formato papel. Además, tras la realización de un examen, el alumno
recibe una copia detallada de las soluciones correctas.
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Para fomentar el aprendizaje cooperativo los alumnos, organizados en grupos
reducidos, ha de resolver, documentar y presentar oralmente un proyecto de simulación. El
proyecto se asigna por sorteo y ha de ser desarrollado a lo largo del curso.
ACTIVIDADES PREVISTAS
Los proyectos a desarrollar por los alumnos se seleccionarán entre los que se
relacionan en la siguiente lista:
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Destilación de aire con presencia de Argon
Fabricación de ácido sulfúrico
Proceso Clauss
Separación criogénica de hidrógeno procedente del gas de craqueo
Separación de compuestos C2, C3 y C4 de gases de craqueo
Separación de parafinas gaseosas por destilación a presión
Separación de BTX
Síntesis de butíndiol
Síntesis de amoniaco
Producción de ácido nítrico
Producción de gas natural de uso industrial
Obtención de trementina y aguarrás
El o los mejores proyectos presentados podrían ser divulgado/s en revistas
relacionadas con la temática de la Ingeniería Química.
EVALUACIÓN
Con objeto de evitar los problemas organizativos y formativos que se crean por la
presencia de alumnos que no han superado asignaturas de cursos inferiores a quinto
curso, se estimará conveniente la realización de un examen de conocimientos a todos
aquellos alumnos que estén en esta situación y que será vinculante a la hora de superar
esta la asignatura. La valoración que se haga de esta prueba dependerá del alumno.
Para aquellos alumnos que hayan superado todas las asignaturas de los cuatro primeros
cursos se propone la siguiente metodología de evaluación:
Evaluación continuada. Para poder superar la asignatura el alumno ha de realizar una prueba
parcial consistente en la resolución individual en el aula informática de un caso práctico (I) y un
proyecto de simulación de una planta química formando parte de un grupo de estudiantes
(cuyo número dependerá de la cantidad total de alumnos matriculados en la asignatura). Este
proyecto será presentado y defendido oralmente por uno de los integrantes del grupo que será
decidido a sorteo en el momento de la presentación (P). Cada una de las partes (I, P), una vez
evaluadas, ha de superar la calificación de 5.0 sobre 10. En caso contrario el alumno, deberá
acudir a los exámenes ordinarios o extraordinarios para aprobar la asignatura. La nota media
se obtendrá a través de la siguiente operación: 0.7 I + 0.3 P.
Se considera OBLIGATORIA la asistencia a las prácticas de simulación.
Examen ordinario o extraordinario. En caso de que la evaluación continuada no fuera
superada, el alumno podrá aprobar la asignatura en la convocatoria ordinaria o en la
extraordinaria siempre que en el correspondiente examen realizado haya obtenido una nota
superior a 5.0 sobre 10.
Se considera OBLIGATORIA la asistencia a las prácticas de simulación y la realización
del proyecto de simulación.
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Normas para la evaluación del proyecto de simulación
El grupo de alumnos, una vez sorteado el proyecto de simulación a realizar, deberá
seguir la siguiente secuencia:
a) Revisión bibliográfica
b) Definición de objetivos (pureza, integración energética, etc.)
c) Establecimiento de la base de cálculo (ha de ser lo más realista posible; vgr.,
producción anual) y del diagrama de flujo
d) Simulación con al menos un simulador (preferiblemente ASPEN. Se valorará la
comparación, si es posible, con el programa HYSYS y el empleo, si se dan las
circunstancias adecuadas, de la aplicación DISTIL). Esta simulación ha de
realizarse en función de los objetivos que se establezcan en el apartado b)
e) Elaboración de un informe con un máximo de 12 páginas (formato, Times New
Roman; tamaño, 12; espacio, 1.5), incluyendo portada e índice, que se configurará
de acuerdo con los siguientes apartados: Introducción Teórica, Objetivos, Bases de
Cálculo, Diagrama de Flujo y su Descripción, Resultados y Discusión,
Conclusiones, Recomendaciones, Bibliografía). Las citas bibliográficas se
realizarán de acuerdo a las normas que rigen las últimas publicaciones del
Industrial and Engineering Chemistry Research.
f) El informe se entregará cinco días lectivos antes de la defensa pública de los
ejercicios. Los ficheros de ASPEN o HYSYS empleados en la ejecución del
proyecto
serán
remitidos
a
la
siguiente
dirección
electrónica:
[email protected], para su análisis y valoración. En caso de que esta
entrega se retrasase, se procederá a una penalización de 0.5 puntos por día.
g) La defensa del proyecto de simulación, fijada previamente por los alumnos, se
realizará en un máximo de 15 minutos por alguno de los integrantes del grupo
elegido al azar.
h) En la evaluación del proyecto se tendrá en cuenta: la calidad del informe entregado
(30%), la calidad de la presentación (40%) y la precisión de las contestaciones
antes las preguntas que se realicen (en este caso contestadas por cualquier
miembro del grupo) (30%). Se valorará de forma positiva cualquier pregunta
efectuada por los otros grupos (podría suponer un incremento de un 10% en la nota
final del proyecto). La no asistencia a la presentación implicará una penalización de
3 puntos en la evaluación media el proyecto. Las calificaciones de estas partes se
asignarán de acuerdo con el siguiente criterio: E, 10; MB, 8.5; B, 7; R, 5; M, 3 y
MM, 0.
OBSERVACIONES
En la tabla adjunta se muestra el cálculo de créditos ECTS para esta asignatura (12 CRÉDITOS).
Horas de clase
Teóricos/Seminarios
Prácticos (Aula Infor.)
Total
10
35
Horas de estudio
/hora de clase
1.7
1
Horas de estudio,
proyectos y exámenes
17
35
Horas totales
27
70
97