Product-User-Interaction with tangible interfaces and controller accessories as forms of body extension

*Departamento de Ingeniería Química, Ambiental y de los Materiales.

Universidad de Jaén.

Hace ahora una década de mi acercamiento iniciático al programa HYSYS. Acababa de incorporarme a la Universidad de Jaén, como profesor del área de Ingeniería Química, y la asistencia a una conferencia en la que se ensalzaban las virtudes del simulador comercial de Hyprotech me movió a utilizarlo como complemento docente en una asignatura relacionada con el refino de petróleo. Las primeras experiencias, centradas en la resolución de ejercicios de carácter teórico, fueron el germen de nuevas ideas que terminaron por dirigirse, con buenos resultados, hacia objetivos más tangibles, como la simulación de operaciones básicas del laboratorio de Ingeniería Química. En todas las etapas de trabajo pude comprobar que la gran potencia de cálculo de la herramienta informática quedaba oculta, sutilmente, bajo un interfaz gráfico muy intuitivo, de fácil manejo, capaz de acercar cómodamente al usuario hasta los datos reales de los equipos reales. Creo que esas propiedades fueron las que incrementaron la motivación de los alumnos por el aprendizaje de los fundamentos que gobiernan las operaciones básicas de la Ingeniería Química; las que contribuyeron a que éstos, cuando se sumergían con ilusión en el programa, bucearan en sus profundidades desarrollando procesos autónomos de aprendizaje. Sin embargo, también constaté que los primeros acercamientos al software, por fáciles que parezcan, derivan frecuentemente en una frustrante sangría de tiempo, si no se llevan a cabo de manera guiada, ya sea siguiendo algún curso de iniciación o apoyándose en un texto.

Este trabajo nace como guía introductoria a HYSYS para los estudiantes de las Escuelas Politécnicas Superiores de Linares y Jaén y, en general, para cualquier alumno de ingeniería o de titulaciones como Química, Ciencias Ambientales o Tecnología de Alimentos interesados por el simulador. En ningún momento se ha pretendido conseguir un manual completo del programa, lo que carecería de sentido sabiendo que el que incorpora HYSYS, como ayuda, es más amplio y sólido, sino ofrecer un texto que lleve al estudiante a simular algunos equipos habituales de plantas químicas (destiladores, extractores líquido-líquido, compresores, intercambiadores de calor,…) con el fin de obtener resultados para la corrección de cálculos tanto en ejercicios teóricos como en trabajos de laboratorio. De esta forma, la mayor parte del documento cubre la realización de ejercicios teóricos de las asignaturas `Operaciones Básicas´, `Refino de Petróleo´ y `Carboquímica y Petroquímica´, pero también incorpora 6 prácticas de laboratorio impartidas en `Experimentación en Ingeniería Química´, `Principios y Cálculos Básicos de la Ingeniería´ y `Transmisión de Materia y Calor´.

La introducción de HYSYS en la clase práctica de operaciones básicas busca propiciar sinergias positivas entre contenidos: el laboratorio da una mayor credibilidad al simulador (al comprobarse que éste es capaz de describir casos reales), mientras el trabajo con el software puede aclarar, o reforzar, conocimientos teóricos que a veces quedan confusos en la vorágine de ese aula.

Hay que señalar que HYSYS, como cualquier otro software de éxito, ha ido perfeccionándose desde su nacimiento y, por tanto, existen múltiples versiones del mismo. Aunque esta obra se ha basado en el empleo de HYSYS.Plant 2.2, se piensa que el carácter introductorio del texto, centrado en el estudio de aspectos básicos del programa, hace que sus contenidos sean, en gran medida, compatibles con otras versiones más recientes.

El libro se estructura en 7 capítulos y 2 apéndices. En el primer apartado se presentan, brevemente, los aspectos fundamentales de la simulación de procesos en Ingeniería Química: la construcción del modelo, el análisis de variables y los algoritmos para la resolución de sistemas de ecuaciones.

En el capítulo 2, ya frente al programa, son abordados los pasos iniciales que deben darse cuando se accede a HYSYS. En este sentido, es recomendable establecer un sistema de unidades adecuado al problema de simulación que se lleva a cabo, e imprescindible fijar tanto

los compuestos químicos participantes como los modelos para la estimación de propiedades termodinámicas.

En el epígrafe 3 se introducen y configuran corrientes de materia y energía, así como mezcladores y divisores de corriente. Se finaliza presentando dos herramientas útiles para recopilar información desde los anteriores elementos: Databook y Utilities.

El capítulo 4 se dedica al estudio de la destilación. A través de sus páginas el simulador es aplicado a la resolución de problemas tan interesantes como el cálculo de los puntos de burbuja y de rocío de mezclas multicomponente, o de las composiciones de las corrientes de salida de destiladores simples y de columnas de destilación fraccionada. También se aborda la destilación por cargas, ejemplo de operación que transcurre en estado no estacionario.

El apartado 5 analiza otra operación clásica de la Ingeniería Química: la extracción líquido- líquido, mientras los epígrafes 6 y 7 abordan, someramente, operaciones comunes a varios campos de la ingeniería industrial, y que también tienen gran interés dentro de las instalaciones químicas: la compresión de gases, la refrigeración mediante ciclos de compresión, los intercambiadores de calor y el almacenamiento de líquidos.

El texto, además de explicar la resolución, paso a paso, de numerosos casos prácticos, incorpora 23 cuestiones y 58 ejercicios propuestos, cuyas soluciones se encuentran disponibles en el epígrafe A.

Quiero terminar expresando mi gratitud a aquellos profesores que alguna vez me enriquecieron con su magisterio, y a los compañeros de departamento que me animaron a escribir el texto aportando interesantes sugerencias. Les doy las gracias porque si el lector encuentra algo acertado en esta obra se debe a ellos; lo demás, sin duda, es mío. Tampoco puedo terminar estas palabras sin recordar a mis alumnos, cuyo interés por el programa impulsó la realización de este trabajo, así como al Secretariado de Innovación Docente de la Universidad de Jaén, organismo que financió parcialmente esta edición a través de un Proyecto de Innovación. Sin todos ellos estas páginas nunca habrían nacido.

A Sofía y Manuel, los dos corazones de mi alma.

NOMENCLATURA

A, B, C, D, E, F, parámetros de modelos termodinámicos; nombres de compuestos o corrientes Aij, Bij, Cij, Alpij, Alp1ij, Alp2ij, parámetros de interacción binaria de modelos termodinámicos BE, abreviación de `balance de energía´

BMC, abreviación de `balance de materia a un compuesto químico´ BMT, abreviación de `balance de materia total´

C, concentración; número de compuestos químicos C1, C2, C3,…, parámetros de los modelos termodinámicos

Cd, coeficiente de dimensionamiento de válvula

Cp, calor específico del gas a presión constante

Cv, calor específico del gas a volumen constante

COP, abreviación de `coeficiente de rendimiento de un ciclo de refrigeración´ CS, abreviación de la ecuación `Chao-Seader´

D, caudal (molar o másico) de destilado en el destilador diferencial E, energía

EnT , punto de la curva de extractos en un proceso de extracción líquido-líquido

F, número de fases

F, corriente de alimentación

GS, abreviación de la ecuación `Grayson Streed´ g, gravedad estándar

H, altura de elevación de una bomba centrífuga; entalpía del vapor h, entalpía del líquido

IQ, abreviación de `Ingeniería Química´ K, relación de equilibrio vapor-líquido Ka, constante de acidez

Ki, relación de equilibrio vapor-líquido del componente i-simo

k, coeficiente de compresión isoentrópica; conductancia de válvula L, líquido

LNG, abreviación de `liquid natural gas´ (gas natural licuado) LS, abreviación de `líquido saturado´

M, caudal, másico o molar

MBWR, abreviación de la ecuación `Modified Benedict-Webb-Rubin´

N, número de corrientes de entrada o de salida; número de platos en una columna de destilación; número de compresores; número final de muestras; normalidad

Na, plato de alimentación

ND, número de variables de diseño

NE, número de ecuaciones independientes

NGL, número de grados de libertad

NT, número de variables totales

NRTL, abreviación de la ecuación `Non Random Two Liquid´ n, coeficiente de compresión politrópica

n, número de moles P, peso; presión Pc, presión crítica

PE, abreviación de `peso equivalente´ PM, abreviación de `peso molecular´

ܲ_௜௦, presión de vapor del componente i-simo PS_{, presión de vapor}

PFD, entorno de simulación como diagrama de flujos del proceso PR, abreviación de la ecuación `Peng-Robinson´

PRSV, abreviación de la ecuación `Peng-Robinson-Stryjek-Vera´ Q, caudal térmico

q, caudal volumétrico

R, constante universal de los gases

RK, abreviación de la ecuación `Redlich-Kwong´

RnT, punto de la curva de refinados en un proceso de extracción líquido-líquido

r, coeficiente de correlación simple de Pearson; relación de compresión SRK, abreviación de la ecuación `Soave-Redlich-Kwong´

T, temperatura Tc, temperatura crítica

Te, temperatura normal de ebullición

Tr, temperatura reducida

Tres, temperatura del residuo

TBP, abreviación de `True Boiling Point´ (punto de ebullición verdadero) t, tiempo

U·A, número de unidades de transferencia del intercambiador de calor

UNIFAC, abreviación del método `UNIQUAC Funtional-group Activity Coefficients´ UNIQUAC, abreviación de la ecuación `Universal Quasi-Chemical´

V, caudal (molar o másico) de vapor en el destilador diferencial; volumen Vp, fracción de apertura de válvula

V, vapor

VS, abreviación de `vapor saturado´ v, velocidad

W, carga (molar o másica) de residuo en el destilador diferencial Wcomp, trabajo de compresión

Wcomp–ie, trabajo de compresión isoentrópica

Wcomp–it , trabajo de compresión isoterma

Wcomp–pt, trabajo de compresión politrópica

Wcomp–real, trabajo de compresión real

Wf, moles en el destilador

w_{, factor acéntrico de Pitzer}

x, fracción, másica o molar, en la fase líquida y, fracción, másica o molar, en la fase vapor Zc, factor de compresibilidad crítico

ZJ, abreviación de la ecuación `Zudkevitch-Joffee´ z, factor de compresibilidad del gas

Letras griegas

α, volatilidad relativa; grado de disociación

α, β, fases líquidas en la salida del extractor líquido-líquido ∆P, caída de presión

ε, eficacia de plato

η, eficiencia de compresión

ηie, eficiencia de compresión isoentrópica

ηpt, eficiencia de compresión politrópica

µ, potencial químico; viscosidad dinámica

ξ, franjas en las que se divide el área total de integración al aplicar el método de los trapecios

ρ, densidad

ν, volumen molar Φ, producto (Vp · k)

0

0

Í