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VII CAIQ 2013 y 2das JASP AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ PRÁCTICAS INTEGRALES EN PLANTA PILOTO - EXPERIENCIA INNOVADORA A. N. Riveros Z 1 * , E. L. Ale Ruiz 2 , L. A. Benitez 3 , J. P. Gutierrez 3 1 Planta Piloto II de la Facultad de Ingeniería, CIUNSa, INBEMI, UNSa 2 Facultad de Ingeniería, CIUNSa, UNSa 3 Facultad de Ingeniería, CIUNSa, UNSa, INIQUI - CONICET Av. Bolivia Nº 5150 - 4400 Salta - Argentina [email protected] Resumen.La disponibilidad de equipamiento en Planta Piloto II de la Facultad de Ingeniería de laUniversidad Nacional de Salta, posibilitan una buena alternativa para el aprendizaje de aspectos prácticos de la operación encadenada de equipos.Para lograr esto último se desarrolla rutinariamente un curso, dentro de la categoría de cursos establecidos por la carrera de Ingeniería Química denominados Cursos Complementarios Optativos, de manera de compenetrar en los futuros ingenieros de procesos en las distintas problemáticas de operación de equipos, en forma complementaria a los ya impartidos por otras asignaturas. Los alumnos que cursan el último año de la carrera, han desarrollado distintas capacidades prácticas en forma previa, capacidades que sirven de base para practicar y participar de la puesta en marcha y operación encadenada de los equipos disponibles en planta piloto. El uso del equipamiento es integral, e involucra varias operaciones unitarias, incluyendo la realización de ciertos ensayos de larga duración que de otra manera no es posible desarrollarlos.La metodología del curso es diseñada para el trabajo en equipo, definiendo los propios alumnos, roles específicos para las tareas a desarrollar de acuerdo a la programación previa. Se incentiva la participación de los estudiantes en la discusión de la programación de cada experiencia y en la puesta a punto del o los equipos * A quien debe enviarse toda la correspondencia
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VII CAIQ 2013 y 2das JASP
AAIQ Asociación Argentina de Ingenieros Químicos - CSPQ
PRÁCTICAS INTEGRALES EN PLANTA PILOTO -
EXPERIENCIA INNOVADORA
A. N. Riveros Z1*, E. L. Ale Ruiz2, L. A. Benitez3, J. P. Gutierrez3
1 Planta Piloto II de la Facultad de Ingeniería, CIUNSa, INBEMI, UNSa
2 Facultad de Ingeniería, CIUNSa, UNSa
3 Facultad de Ingeniería, CIUNSa, UNSa, INIQUI - CONICET
Av. Bolivia Nº 5150 - 4400 Salta - Argentina
Resumen.La disponibilidad de equipamiento en Planta Piloto II de la
Facultad de Ingeniería de laUniversidad Nacional de Salta, posibilitan una
buena alternativa para el aprendizaje de aspectos prácticos de la operación
encadenada de equipos.Para lograr esto último se desarrolla rutinariamente
un curso, dentro de la categoría de cursos establecidos por la carrera de
Ingeniería Química denominados Cursos Complementarios Optativos, de
manera de compenetrar en los futuros ingenieros de procesos en las distintas
problemáticas de operación de equipos, en forma complementaria a los ya
impartidos por otras asignaturas. Los alumnos que cursan el último año de la
carrera, han desarrollado distintas capacidades prácticas en forma previa,
capacidades que sirven de base para practicar y participar de la puesta en
marcha y operación encadenada de los equipos disponibles en planta piloto.
El uso del equipamiento es integral, e involucra varias operaciones unitarias,
incluyendo la realización de ciertos ensayos de larga duración que de otra
manera no es posible desarrollarlos.La metodología del curso es diseñada
para el trabajo en equipo, definiendo los propios alumnos, roles específicos
para las tareas a desarrollar de acuerdo a la programación previa. Se
incentiva la participación de los estudiantes en la discusión de la
programación de cada experiencia y en la puesta a punto del o los equipos
* A quien debe enviarse toda la correspondencia
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experimentales.Ejemplos de las experiencias se detallan a continuación:
obtención de pulpa celulósica a partir de cartón y papel usado; ensayo de
monitoreo de biocorrosión; fermentación alcohólica y destilación del
producto obtenido como ejemplo de los trabajos desarrollados.
Palabras clave: Planta Piloto, Práctica, Innovación Pedagógica.
1. Introducción
Lograr una adecuada relación entre las diferentes asignaturas de un plan de estudios,
influye en elconsecuente incremento de la efectividad de la enseñanza tanto en términos
cuantitativos comocualitativos, lo que significa una mejor formación de los
estudiantes, que conlleva a una mayorpreparación del docente. Los conocimientos sin
vinculación entre sí rompen la asimilación consciente de los conocimientos y
habilidades. Sobre esto Krúpskaya señaló, “si queremos transmitir a los educandos la
esencia de la concepción científica del mundo, no debemos enseñar conocimientos
incoherentes sino con su correspondiente y determinada relación entre sí, solamente en
este sentido concebimos un carácter más integral a este” (Krúpskaya, 1986).
Sobre la base del objetivo de la integración de conceptos de las materias específicas
del Plan de Estudios de la carrera de Ingeniería Química de la Facultad de Ingeniería de
la Universidad Nacional de Salta y a los efectos de reforzar la formación práctica de los
alumnos, preparándolos de mejor manera para el desempeño profesional, con
experiencias a escala piloto. Se presentan los resultados de la implementación de un
curso, dentro de la categoría de curso complementario optativo (CCO), que la carrera de
Ingeniería Química establece para complementar la formación del futuro Ingeniero.
El objetivo general del CCO es desarrollar actividades en la planta piloto de la
Facultad de Ingeniería en forma complementaria a los ya impartidos por otras
asignaturas, de manera de compenetrar a los futuros ingenieros (de procesos) en las
distintas problemáticas de operación de equipos. Los alumnos que acceden al curso
corresponden al 5to año de cursado de la carrera.
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2. Equipamiento disponible
En planta piloto II de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional de Salta
se dispone de un conjunto de equipos destinados a la enseñanza de las carreras de
Ingeniería. Dentro de los equipos de servicios auxiliares, se dispone de un sistema de
generación de vapor compuesto por una caldera humotubular, con su correspondiente
tren de regulación de presión, un ablandador de agua, compresor de aire, sistema
frigorífico, sistema de agua de refrigeración. Como equipos de proceso se dispone de
una torre de absorción gas líquido (ElletronicaVeneta, ITL), un equipo de extracción
líquido – líquido (Armfield, UK), un reactor tanque agitado, un intercambiador de calor,
un fermentador; también se dispone de un rack para la medición de perdida de carga, un
rack para el monitoreo de biocorrosión, un filtro de placas, quebrantadora de
mandíbulas, molino de martillos, zaranda vibrátil, horno de calcinación, etc.
Complementa el equipamiento de la planta bombas centrifugas, una bomba para
pruebas hidráulicas marca Giordano, herramientas varias, mesa de trabajo, termocuplas,
un caudalímetro digital, transductores de presión, sensores de temperatura (Pt100),
agitador mecánico de mesada, conductivimetro y phmetro de mesada.
3. Metodología de trabajo
El curso se dicta desde el año 2011 una vez por año, bajo la modalidad de curso
complementario optativo, figura contemplada en el plan de estudios de la carrera de
Ingeniería Química. La carga horaria es de 30 hs. presenciales, concentradas en un
semana, esto es cinco días, con jornadas extensas de hasta 8 hs diarias. Para lograr la
aprobación del curso, se establecen como requisitos la asistencia del 100% de las clases
prácticas y la presentación de un informe grupal que resuma cada actividad realizada.
Las actividades programadas son presentadas el primer día del curso, indicando los
objetivos perseguidos para el curso en general y para cada módulo o actividad
programada. Los alumnos que realizan el CCO cursan el último año de la carrera de
Ingeniería Química y el plantel docente está conformado por cuatro Ingenieros
Químicos, todos docentes de la carrera.
Las tareas a desarrollar son agrupadas en módulos, los cuales persiguen objetivos
diversos, tales como el arranque y parada de un equipo, diagnostico de fallas de
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accesorios diversos, comparación de performance de distintos filtros, desarrollo de
ensayos de acuerdo a un protocolo, armado de líneas para trasvase de fluidos, etc. En la
tabla 1 se listan los módulos desarrollados.
Tabla 1. Módulos desarrollados en el curso, tiempo dedicado a la tarea
Modulo Objetivos y tareas a desarrollar Tiempo
Monitoreo de biocorrosión
• Aplicar el protocolo de pre y post tratamiento de los cupones de monitoreo.
• Programación de temporizador digital. • Control diario de caudal de operación. • Determinar las tasas de corrosión y/o deposición
para cada metalurgia.
5 días
Sistema de generación de
vapor
• Realizar el arranque y parada de la unidad siguiendo un protocolo.
• Estudio del magnetrol y su respuesta del frente a situaciones extremas.
½ día
Sistema de ablandamiento
de agua
• Operación del sistema de regeneración de resina con salmuera.
• Bombeo de 120 litros de salmuera agotada hacia el tanque reactor.
½ día
Precipitación química
• Concentrar la salmuera agotada por calefacción con vapor en tanque agitado.
• Determinación analítica del contenido de Ca y Mg. • Precipitación de Ca con soda solvay. • Pruebas de Floculación y filtración (aprox. 80 litros),
empleando filtro centrifugo, de arena y de cartucho. • Ídem al procedimiento anterior para precipitación de
Mg empleando soda caustica.
1,5 días
Fermentación alcohólica
• Preparación del medio de cultivo y fermento. • Carga del fermentador (aproximadamente 15 litros). • Conexión de bomba para la recirculación del medio. • Incorporación de un sistema de toma de datos
(MyPcLab). • Proponer un sistema de control de temperatura. • Destilación simple del resultado de la fermentación
3 días
Destilación fraccionada
• Operación de una torre de destilación de 4 platos, correspondiente al equipo Armfield UOP5, con un solvente contaminado (tricloroetileno).
• Verificar el efecto de la variación del caudal de reflujo a la torre.
• Respuesta frente a la inundación de la torre.
½ día
Diagnóstico de fallas
• Despiece de accesorios varios (válvulas de diafragma, esférica, mariposa, globo).
½ día
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• Prueba hidráulica de válvulas con bomba Giordano, modelo JT1.
Obtención de jabón
• Saponificación de grasa animal y de aceite vegetal • Comparación de ambos métodos
1 día
Se propone un Sistema de Tareas participativo e interactivo, de manera de potenciar
el criterio operativo en el alumnado. Generando así otras perspectivas pedagógicas,
logrando de esta manera una mejora en el proceso de enseñanza - aprendizaje de los
procesos industriales. Los alumnos trabajan en grupos, delegando en los mismos la
coordinación interna de cada grupo para las tareas pre-asignadas.
Al inicio del curso se imparte una charla de inducción a la seguridad en plantas
industriales, se realiza una presentación en power point sobre los aspectos más
importantes a destacar de los elementos de protección personal (EPPs), entregando a
cada alumno los EPPs correspondientes, los cuales son de uso obligatorio durante todo
el desarrollo del curso. Se finaliza la charla de seguridad pasando videos e imágenes
sobre accidentes relacionados con el mal uso o no uso de los EPPs.
Durante el desarrollo del CCO los docentes realizan una supervisión de cada tarea,
generando un ambiente de trabajo a presión, de manera de aproximar el entorno a un
ambiente laboral ingenieril.
Ciertas tareas encomendadas a los alumnos fueron preparadas de tal manera que sea
difícil su concreción, con el objetivo de generar en los estudiantes un juicio crítico para
cada reto a enfrentar.
Al inicio de cada jornada cada grupo de alumnos recibe una planilla, donde deberán
consignar todas las actividades realizadas, consignando exclusivamente lo relevante. La
planilla debe ser presentada al final de cada día del curso. La figura1 muestra un modelo
del informe diario.
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Fig. 1. Modelo de informe diario
Al culminar el curso se realiza un encuentro general, donde se presentan las
conclusiones del mismo, tanto por parte del personal docente, como de los alumnos, a
los que se solicita además llenen una encuesta anónima, donde se consulta la opinión
sobre los aspectos Positivos, los Negativos y los Interesantes del curso, y por último que
valoricen las competencias adquiridas durante el mismo. La figura2 presenta el modelo
de encuesta realizada.
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Fig.2. Modelo de la encuesta realizada al finalizar el CCO
La información relevada con la encuesta sirve para mejorar el curso y programar
otras actividades u optimizar las existentes.
4. Actividades
A continuación se presenta en forma resumida las principales actividades realizadas,
con las imágenes correspondientes por los distintos grupos de alumnos.
4.1. Monitoreo de biocorrosión.
Mediante este ensayo se familiariza a los alumnos con los fenómenos de corrosión
provocada por la presencia de microorganismos en aguas de sistemas de refrigeración.
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El monitoreo se realiza mediante un rack estandarizado,construido en cañería de PP, de
1 pulgada de diámetro, una bomba centrifuga de ½ HP, un tanque de 80 litros de
capacidad, un manómetro, un medidor volumétrico y un temporizador. Se proporciona a
los alumnos cuatro (4) cuerpos de prueba, llamados cupones, correspondientes a cuatro
metalurgias distintas, a saber, acero inoxidable, cobre, hierro galvanizado y acero al
carbono. Primeramente los integrantes del grupo realizan el tratamiento de limpieza de
cada cupón, de manera de eliminar materias grasas o productos de corrosión, todo esto
de acuerdo a un instructivo suministrado. Al finalizar el tratamiento previo se insertan
los cupones en el rack, se programa el temporizador que energiza la bomba de
recirculación e inicia el ensayo; se regula el caudal de circulación, de manera de
establecer una velocidad de flujo dentro de valores recomendados. El rack fue entregado
a los alumnos montado en una estructura soporte, con la particularidad de que tanto la
succión de la bomba y la descarga del rack al tanque no fueron montados previamente,
de manera que los alumnos realicen esta tarea complementaria.
Fig. 3. Módulo de monitoreo de biocorrosión
En la figura 3 se muestran fotografías correspondientes al rack de monitoreo en su
versión original y luego de las reformas realizadas por los alumnos, además de los
cupones luego de la exposición durante una semana.
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4.2. Reciclado de papel - Lavado de pulpa celulósica.
Bajo la premisa deprácticas académicas amigables con el ambiente, se realiza el
reciclado de papel, para tal fin se procede al desmenuzado de papel y cartón, en caliente,
la operación es facilitada por la acción de soda caustica (NaOH), obteniendo así una
pulpa celulósica, la que es filtrada y posteriormente repulpada para el lavado con agua.
El desmenuzado se realiza en un tanque agitado de planta piloto (120 litros) y el
filtrado con un filtro de placas. Las siguientes imágenes muestran el procedimiento
seguido.
Fig. 4. Reciclado de papel
En la figura 4 se muestra de derecha a izquierda: la pulpa celulósica, el tanque agitado
y una placa del filtro con las fibras recuperadas.
4.3. Fermentación alcohólica.
Esta actividad tiene como finalidad la obtención de alcohol etílico a partir un proceso
de fermentación batch, empleando como materia prima melaza (procedente de un
Ingenio azucarero de la zona) y como microorganismo levadura Saccharomyces
Cerevisiae. Para ello se emplea un tanque de acero inoxidable, de capacidad máxima 25
litros, al que se incorporó una bomba para recircular el mosto, logrando así la agitación;
además se incorporan dos sensores de temperatura y un transductor de presión.Se busca
que los alumnos puedan comprender el proceso de fermentación, todos los aspectos y
variables relacionadas con él. A partir del fermentador escala piloto, los alumnos
diseñan el sistema de control más adecuado (Fig. 5) y de esta forma ensayar distintas
metodologías de control de las variables proceso: Control de temperatura, medición del
CO2 generado, medición de pH, medición de presiones, etc.
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4.4. Ensayo de saponificación.
En el marco del CCO, se propuso a los alumnos la elaboración de jabón por
saponificación de aceites vegetales por un lado y de grasa animal (sebo vacuno) por
otro. La guía de ensayos suministrada incluye tres procedimientos distintos para la
obtención del producto, en los cuales se detallan los reactivos necesarios, las técnicas a
aplicar y las condiciones a imponer. Los ensayos testeados previamente por el personal
docente, posibilitan la alternativa de que los alumnos puedan incluir criterio propio para
lograr un determinado producto. En la figura 7 se puede observar el procedimiento.
Fig. 7. Elaboración de jabón
Se emplea un reactor de acero inoxidable de 4 l y otro un vaso de precipitado de
vidrio de 2 l de capacidad (figura 7). Para el acabado del producto se utilizan diferentes
aditivos (perfumes y colorantes) con el objetivo de mejorar las cualidades del producto.
(Gutiérrez et al., 2011)
4.5. Ablandamiento de salmueras.
Otra de las medidas de protección del ambiente en la planta piloto es el tratamiento de
la salmuera agotada proveniente de la regeneración de la resina de intercambio catiónica
del ablandador de agua. La mencionada salmuera es acumulada en un tanque adecuado,
a partir del cual los alumnos trasvasan al reactor tanque agitado (120 l). En el tanque la
salmuera es concentrada por evaporación, para lo cual los alumnos suministran vapor
desde la caldera de planta piloto II. Una vez alcanzada una concentración dada, se
procede a la precipitación química tanto del Ca, como del Mg. Para esto último los
alumnos determinan analíticamente las concentraciones de Ca y de Mg, calculan los
consumos de los reactivos precipitantes, soda Solvay y soda caustica, para precipitar
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CaCO3 y Mg(OH)2 respectivamente. Luego de cada agregado de reactivo, con agitación
mecánica, se procede al filtrado. Cabe destacar que la salmuera luego de este
procedimiento, puede ser reutilizada como regenerante de la resina de intercambio. La
figura 8 presenta a modo de ejemplo esta actividad.
Fig. 8.Tratamiento de salmuera
La figura 8 muestra al tanque agitado para la precipitación química, una imagen
delapantalla principal de supervisión del proceso del tanque agitado y operación de
filtración de la salmuera.
5. Resultados de las actividades
Debido a la modalidad intensiva del curso, se planifica su desarrollo al finalizar cada
cuatrimestre, es decir en la época que los alumnos no asisten normalmente al cursado de
las materias de la carrera.
Se muestra en la tabla 2 el crecimiento del número de alumnos que realizaron el
curso:
Tabla 2. Alumnos que asistieron y aprobaron el curso, por año de cursado
Año Cantidad de alumnos/as Total 2011 Cuatro (4) varones y tres (3) mujeres Siete (7) 2012 Cuatro (4) varones Cuatro (4) 2013 Siete (7) varones y siete (7) mujeres Catorce (14)
De acuerdo a la tabla 2 se observa que el número de alumnos se ha duplicado desde la
primera cohorte, y para el presente año, se ha planificado dictar en dos oportunidades el
curso.
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El número de alumnos correspondiente al año 2013 significo un reto a la hora de
realizar la tutoría docente de las actividades programadas, tanto por la heterogeneidad
de tareas a desarrollar en forma simultánea, como por las situaciones complejas o
inesperadas que obligan a tomar decisiones en el corto plazo. Como resultado de esta
situación, alrededor del 15% de las actividades realizadas no condujeron a un resultado
favorable, comparado con el resultado de similares actividades desarrolladas en los
cursos previos. Paralelamente el mayor número de alumnos posibilitó programar más
tareas en forma simultánea. La tabla 3 presenta un resumen de los aspectos recién
mencionados.
Tabla 3. Resultados generales de las actividades realizadas por el CCO
Actividad 2011 2012 2013 Monitoreo de biocorrosión
Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Manejo Caldera Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Operación ablandador Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Precipitación química de Ca y Mg/Filtración
Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Objetivo medianamente
alcanzado
Fermentación alcohólica No realizado Objetivo alcanzado
Objetivo No alcanzado
Uso de herramientas Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Destilación No realizado Objetivo alcanzado
Objetivo medianamente
alcanzado
Fabricación de jabón No realizado Objetivo alcanzado
Objetivo alcanzado
Reciclado de papel, obtención de pulpa
celulósica
Objetivo alcanzado
Objetivo medianamente
alcanzado
Objetivo medianamente
alcanzado
6. Análisis de las encuestas
Se analizaron los resultados de las encuestas dividiendo el análisis en dos partes: el
P.N.I. y las competencias adquiridas.
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6.1. P.N.I.
A continuación se presenta a manera de ejemplo un resumen con las opiniones de los
alumnos participantes de estos cursos:
Positivo:Trabajar en equipo, bajo presión, manejo de herramientas, manejo de EPP,
mantenerse ocupado todo el tiempo del curso. Trabajar con sistemas de control.
Contacto directo con los equipos. Resolución de problemas reales. Gran aprendizaje.
Conocer la importancia de una jornada completa. Libertad para la toma de decisiones.
Se fomentó la búsqueda de soluciones y el desarrollo de la practicidad y creatividad.
No tener un grupo definido para trabajar durante el curso
Negativo: Debería ser más prolongado para incorporar nuevas actividades. Muy
largo. Falta de organización en los grupos. Llenado de planillas diarias. Muchas
personas dificultan el trabajo. Horario de trabajo dividido. No podíamos estar en todas
las actividades.
Interesante: Compartir con los asistentes y observar el compañerismo, tomar
decisiones en equipo. Familiarizarse con los equipos, comprender los riesgos.
Resolución de problemas en el transcurso. Aprender procedimientos que no se ven el
cursado de la materia. Actividades que presentaban problemas y teníamos que
resolverlas. Entender el sistema de control del fermentador.
6.2. Competencias
Con respecto a las competencias, se analizaron las respuestas a la encuesta, (tabla 4),
concluyendo que los alumnos consideran que pueden comunicarse muy bien tanto
escrita como oralmente, pero no necesariamente es una competencia adquirida en el
curso.
Las competencias más interesante que los alumnos, en su mayoría, contestaron que
las adquirieron MUY BIEN son: “Buscar, analizar, administrar y compartir
información”, “Identificar, plantear y resolver problemas”, “Asumir responsabilidades y
tomar decisiones”, “Planificar y utilizar el tiempo de manera efectiva”, lo que demuestra
que los objetivos del curso se cumplieron ampliamente.
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Tabla 4. Nivel de las competencias adquiridas
Competencias adquiridas Excelente Muy Bueno Bueno Regular Malo
1. Exponer las ideas por medios escritos 0 10 0 1 0
2. Comunicarse oralmente con claridad 3 5 4 0 0
3. Persuadir y convencer a sus interlocutores 0 5 6 0 1
4. Identificar y utilizar símbolos para comunicarse (lenguaje icónico, lenguaje no verbal, etc.)
0 6 5 0 1
5. Trabajar en equipo para alcanzar metas comunes 5 7 0 0 0
7. Ser creativo e innovador 0 7 4 1 0 8. Buscar, analizar, administrar y compartir información
2 10 0 0 0
9. Investigar y adoptar tecnología 1 7 4 0 0
10. Diseñar e implementar soluciones con el apoyo de tecnología
1 6 5 0 0
11. Identificar, plantear y resolver problemas 2 9 1 0 0
12. Asumir responsabilidades y tomar decisiones
3 6 3 0 0
13. Planificar y utilizar el tiempo de manera efectiva 0 8 4 0 0
14. Trabajar bajo presión 1 4 5 1 1
7. Conclusiones
Se considera absolutamente positiva la actividad académica desarrollada, tanto desde
la óptica del docente que observa el grado de destreza alcanzado por cada uno de los
alumnos, como por las opiniones relevadas sobre los alumnos.
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De acuerdo a la experiencia adquirida y las opiniones de los alumnos se continuará
impartiendo el curso, acotando el número de alumnos para cada cohorte, de manera de
lograr un mejor seguimiento de cada alumno y un aprendizaje significativo.
Reconocimientos
Se reconoce el desempeño de los alumnos participantes de cada uno de los cursos
durante los tres últimos años, Así mismo el agradecimiento a la Comisión de Escuela de
Ingeniería Química por el apoyo académico y económico, a la cátedra de Electrónica
(Ing. R. Bojarski y C. Sastre) y al personal técnico de la Planta Piloto II (D. Pestaña y
M. Flores).
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