UTILZANDO LOS PRINCIPIOS BASADOS EN LA EXPERIENCIA PARA CONFIRMAR LA CONFORMIDAD DE UN PROCESO DE DISEÑO

CAPITULO 9

UTILZANDO LOS PRINCIPIOS BASADOS EN LA EXPERIENCIA PARA CONFIRMAR LA CONFORMIDAD DE UN PROCESO DE DISEÑO

Los Ingenieros químicos experimentados poseen las herramientas necesarias para realizar cálculos detallados y exactos para el diseño, análisis y operación de equipos y procesos químicos. Además, estos ingenieros tendrán formulados un número de métodos de cálculos cortos basados en la experiencia y directrices que son usadas para:

1. Chequear nuevos procesos de diseño

2. Proveer tamaños de equipos y estimados de funcionamiento

3. Ayudar a resolver problemas en sistemas en operación

4. Verificar la razonabilidad de resultados y cálculos de computadora y simulaciones

5. Proveer un valor inicial razonable para la entrada a un simulador de proceso requerido para alcanzar convergencia en el programa

6. Obtener costos aproximados para unidades de proceso

7. Desarrollar trazados preliminares del proceso

Estos métodos cortos están en forma de heurísticas que son de ayuda al ingeniero practicante. Todas las heurísticas son, en el análisis final, pueden fallar y algunas veces difíciles de justificar. Ellas solo son ayudas plausibles o direcciones hacia la solución del problema [1]. Especialmente para las heurísticas descritas en este capítulo, necesitamos mantener en mente cuatro características de cualquier heurística:

1. Una heurística no garantiza una solución

2. Esta puede contradecir otras heurísticas

3. Esta puede reducir el tiempo para resolver un problema

4. Su aceptación depende del contexto inmediato en lugar de un patrón absoluto.

El hecho de que no se puedan seguir todas las heurísticas todas las veces es lo esperado. Sin embargo, a pesar de las limitaciones de las heurísticas, ellas son guías válidas para el Ingeniero de Procesos.

En el capítulo 8, usted analizó unidades de procesos y condiciones de corrientes que fueron identificadas como de interés especial. Estas áreas fueron ilustradas en una serie de Tablas de información. En este capítulo, Usted completará el análisis de procesos químicos chequeando los parámetros de equipo y las condiciones de la corriente en el DFP para encontrar acuerdo con observaciones y experiencias en aplicaciones similares.

La información requerida para comenzar un análisis es dar una serie de “tablas de Información” que contienen técnicas cortas de cálculo. En este capítulo, demostraremos el uso de estas fuentes para chequear las condiciones dadas en el DFP básico de Hidrodealquilación de Tolueno.

9.1. EL PAPEL DE LA EXPERIENCIA EN EL PROCESO DE DISEÑO

La corta narrativa dada abajo ilustra una situación que podría ser encontrada en los principios de su carrera como ingeniero.

A Usted se le ha dado una asignación que consiste en escribir un reporte que debe ser completado y presentado en dos semanas. Usted trabaja diligentemente y siente que tiene una solución respetable. Usted presenta el reporte escrito personalmente a su director (jefe), quién le pide que resuma solamente sus conclusiones finales. Inmediatamente después de dar esta información, su jefe declara que “sus resultados deben estar equivocados” y le devuelve el reporte sin abrir ni leer.

Usted regresa a su escritorio disgustado. Su reporte comprensivo y bien escrito no ha sido abierto ni leído. Su tutor no le dijo que estaba equivocado, y usted no recibe algún “crédito parcial” por todo su trabajo. Después Usted revisa su reporte. Usted encuentra que ha hecho un “simple” error, causando que su respuesta sea errónea por un orden de magnitud. Usted corrige el error y entrega un reporte revisado.

Se queda pensando “Como podría su jefe saber que usted tenía un error sin haber revisado su reporte o hacer algunas preguntas?

La respuesta a esta pregunta es probablemente un resultado directo de la experiencia de su director con un problema similar o conocimiento de alguna directriz que contradice su respuesta. La habilidad de su jefe para transferir la experiencia personal a nuevas situaciones es una razón por la cual él o ella fue promovido a esa posición.

Es importante ser capaz de aplicar el conocimiento ganado a través de la experiencia a problemas futuros.

9.1.1. Introducción a las Técnicas Heurísticas y Métodos Cortos de Cálculo

Una heurística es un establecimiento relativo al tamaño de equipos, condiciones de operación, y funcionamiento de equipos que reduce la necesidad de los cálculos. Un método de corto de cálculo reemplaza la necesidad de cálculos extensos para evaluar tamaños de equipo, condiciones de operación, y funcionamiento de equipos. Estos son acertadamente referidos como “cálculos detrás del sobre”.

Las directrices dadas en este capítulo están limitadas a materiales específicamente cubiertos ene este texto (incluyendo problemas al final de los capítulos).

Las directrices y heurísticas deben ser aplicadas entendiendo sus limitaciones. En muchos casos, un nuevo ingeniero debería tener suficiente base para aplicar las reglas dadas en este texto.

La narrativa ya comenzada es ahora revisada. La asignación es la misma; sin embargo, la aproximación para resolver el problema cambia.

Antes de someter su reporte, usted aplica una heurística que le señala una inconsistencia en sus resultados iniciales. Usted entonces revisa sus cálculos, encuentra el error, y hace correcciones antes de entregar su reporte. Considere dos posibles respuestas a ese reporte:

1. Su jefe acepta el reporte y le dice que el reporte parece ser excelente y que lo va a leer

2. Su jefe expresa interés y le devuelve el reporte como antes. En este caso, Usted tiene disponible una respuesta razonada. Usted señala y muestra que su solución es consistente con la heurística que usted uso para chequear su trabajo. Con esta evidencia de soporte su jefe tendría que repensar su respuesta y darle una explicación de acuerdo a su interés.

En cualquier caso, su trabajo habrá causado una buena impresión

Directrices y heurísticas son frecuentemente usadas para hacer estimados rápidos durante encuentros y conferencias y son válidos en refrescarle a uno la memoria con información importante.

9.1.2. Maximizando los Beneficios Obtenidos a partir de experiencias.

Ningún artículo impreso, lectura o texto es un sustituto para las percepciones que resultan de la experiencia. Un Ingeniero debe ser capaz de transferir el conocimiento ganado de una o mas experiencias para resolver problemas futuros satisfactoriamente.

Para beneficiarse completamente de la experiencia, es importante hacer un esfuerzo deliberado en usar cada nueva experiencia para construir una base sobre la cual incrementar su habilidad para manipular y resolver nuevos problemas.

Un Ingeniero experimentado retiene un cuerpo de información, hecho principalmente de heurísticas y métodos cortos de cálculos, que están disponibles para resolver problemas.

El proceso por el cual un ingeniero usa información y crea nuevas heurísticas consiste de tres etapas. Estas tres etapas son Predecir, Autenticar y Re-evaluar, y ellas forman el proceso PAR. Los elementos de este proceso están presentados en la tabla 9.1. Los siguientes ejemplos ilustran los pasos usados en el proceso PAR.

Tabla 9.1 Proceso PAR para maximizar el beneficio de la experiencia – (P)redecir, (A)utenticar, (R)e-evaluar.

1. Predecir: Esta es una condición previa del proceso PAR. Esta representa su “mejor predicción” de la solución. Esto a menudo involucra hacer suposiciones y aplicar heurísticas basada sobre la experiencia. Los cálculos deberían estar limitados a técnicas de cálculos cortos.

2. Autenticar / Analizar: En esta etapa usted busca ecuaciones y relaciones, hace investigación relativa al problema, y ejecuta los cálculos que guían hacia una solución. La habilidad para llevar acabo esta actividad provee una condición necesaria pero no suficiente para ser un Ingeniero. En lo posible, son incluidas informaciones de operaciones actuales para alcanzar “la mejor solución posible”.

3. Re-evaluar /Repensar: La “mejor solución posible” de la etapa 2 es comparada a la solución predicha en la etapa 1. Cuando la predicción no es aceptable es necesario corregir las razones que llevaron a la predicción errónea. Esto hace necesario remover, revisar y reemplazar las suposiciones hechas en la etapa 1. Esto es la etapa critica en aprender de la experiencia.

Ejemplo 9.1

Evalúe el coeficiente de transferencia de calor para agua a 93 ºC (200 ºF) fluyendo a 3.05 m/s (10 pies/s) dentro de un tubo de diámetro 38 mm (1.5 pulgadas). De experiencias previas, usted sabe que el coeficiente de transferencia de calor para agua, a 21 ºC (70 ºF) y 1.83 m/s (6 pie/s), en esos tubos es520 W/m2 ºC. Siga el proceso PAR para establecer el coeficiente de transferencia de calor en las nuevas condiciones.

Etapa 1 – Predecir:

Asuma que la velocidad y la temperatura no tienen efecto

Prediga que el coeficiente de transferencia de calor es 5250 W /m2 ºC.

Etapa 2- Autenticar / Analizar:

Usando las propiedades dadas abajo encontramos que el número de Reynolds para el agua en los tubos es

flujo turbulento

Use la ecuación de Side – Tate [2] para chequear la predicción

(9.1)

Propiedad 21 ºC (70 ºF) 93 ºC (200 ºF) Relación de (93 ºC/21 ºC)

 (Kg/m3) 997.4 963.2 0.966

K(W/m ºC) 0.604 0.678 1.12

Cp (kJ/Kg ºC) 4.19 4.20 1.00

(kg/m s) 9.8 x 10-4 3.06 x 10-4 0.312

Tomando la relación de la ecuación (9.1) para las dos condiciones dadas arriba, rearregle y sustituya los valores numéricos. Use los subíndices 1 y 2 para identificar la primera y segunda condición respectivamente, tenemos:

(9.2)

(9.3)

La suposición inicial que la velocidad y la temperatura no tienen un efecto significante es incorrecta. La ecuación (9.3) revela un efecto de la velocidad de un factor de 1.5 y un efecto de viscosidad de un factor de 1.73. Todos los otros factores son cercanos a 1.0.

Etapa 3 – (R)e-evaluar / Repensar: Las suposiciones originales que la velocidad y la temperatura no tiene efecto sobre el coeficiente de transferencia de calor ha sido rechazada. Las condiciones a asumir para predicciones futuras son:

1. El efecto de la temperatura sobre la viscosidad debe ser evaluado

2. Los efectos de la temperatura sobre Cp,  y k son despreciables

3. El diámetro de tubería tiene un pequeño efecto sobre h (siendo todo lo demás igual)

4. Los resultados están limitados al rango donde la ecuación de Sieder – Tate es válida.

Con estas consideraciones, los valores para agua a 21 ºC son sustituidos en la ecuación (9.2). Esto crea una heurística usada para evaluar el coeficiente de transferencia de calor para agua.

para u2 (m/s) , 2 (kg/ m s)

Puede tomar un tiempo mas largo cuando usted comienza a aplicar el proceso PAR, el desarrollo de la heurística y la comprensión mas profunda de los factores son importantes.

Hay cientos de heurísticas que cubren áreas en Ingeniería Química, algunas generales y otras específicas a una dada aplicación, proceso o material. En la próxima sección, hemos reunido un número de estas reglas que usted podría usar para hacer predicciones para comenzar el análisis PAR.

...