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MSEL in Science Education and Learning

Modelling in Science Education and Learning Volume 7, 2014 doi: 10.4995/msel.2014.2122. Instituto Universitario de Matem´atica Pura y Aplicada

Use of computer simulations for improving teaching in the Chemical Engineering laboratory Uso de simulaciones por ordenador para mejorar la ense˜ nanza en el laboratorio de ingenier´ıa qu´ımica Manuel Cuevas-Aranda, Diego G. Fern´ andezValdivia, M. Luisa Parra-Ruiz Universidad de Jaen [email protected], [email protected], [email protected]

Sof´ıa Navarro-Nieto ´ n y Cajal de Murcia IES Ramo [email protected]

Abstract Virtual labs can be adopted as a complement of the university traditional teaching methodologies. This paper describes the results of a teaching pilot project which enabled the use of a commercial processsimulator (Hysys) in the implementation of five virtual labs related to three important unit operations in Chemical Engineering: liquid-liquid extraction, distillation, and heat exchange. The software provided a new approach to the analysis and interpretation of lab results by students. The educational effectiveness of the implemented project was evaluated through questionnaires, and the results showed that in average more of 85% of the student considered Hysys of great utility in their learning process. Project results dissemination was carried out through participation at conferences and seminars about teaching techniques, and also by the publication of a book. Los laboratorios virtuales pueden ser usados, en la Universidad, como complemento de las metodolog´ıas tradicionales de trabajo. Esta comunicaci´ on describe los resultados de un Proyecto de Innovaci´ on Docente universitario que permiti´ o virtualizar, mediante el empleo del simulador comercial (Hysys), cinco sesiones de laboratorio relacionadas con tres importantes operaciones unitarias del ´ area de Ingenier´ıa Qu´ımica: extracci´ on l´ıquido-l´ıquido, destilaci´ on e intercambio de calor. El programa proporcion´ o un nuevo enfoque para el an´ alisis e interpretaci´ on de los resultados de laboratorio por parte de los alumnos. La efectividad docente del proyecto fue evaluada a trav´es de cuestionarios, y los resultados mostraron que, en promedio, m´ as del 85% de los estudiantes consideraron Hysys de gran utilidad en su proceso de aprendizaje. La difusi´ on de los resultados del proyecto fue llevada a cabo a trav´es de la participaci´ on en distintos congresos y jornadas de innovaci´ on docente, y dio lugar a la publicaci´ on de un libro. Keywords: Chemical engineering education, unit operations, process simulation, Hysys. Palabras clave: Educaci´ on en Ingenier´ıa Qu´ımica, Operaciones Unitarias, Simulaci´on de procesos, Hysys. 93

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Uso de simulaciones por ordenador para mejorar la ense˜ nanza en el laboratorio de ingenier´ıa qu´ımica ´ ndez-Valdivia, M. Luisa Parra-Ruiz, S. Navarro-Nieto M. Cuevas-Aranda, D.G. Ferna

Introducci´ on

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Las instituciones universitarias est´an experimentando en los u ´ltimos a˜ nos importantes cambios que, desde el punto de vista de la organizaci´on y distribuci´on de las ense˜ nanzas y los aprendizajes, se ven claramente condicionados por la presencia del ordenador y de Internet. As´ı, la red de redes ha desplazado, con un solo clic, al profesor universitario desde el centro edu- cativo tradicional, el aula docente, hasta uno de los millones de nodos de conocimiento que configuran el denominado “ciberespacio” (Salinas, J., 2004). Este reajuste en el status quo del docente, y de la propia instituci´on, que para ambos puede suponer un cierto tipo de debilitamiento, debe ser contemplado como motor de oportunidades educativas. De este modo, es bastante probable que aquellos actores que mejor y m´as r´apido se adapten a la nueva realidad sean los que despu´es puedan ofrecer una oferta formativa de mayor calidad. Si hoy en d´ıa la ense˜ nanza moderna no puede ser entendida sin el uso del ordenador, esto se hace a´ un m´as evidente cuando se desarrollan estudios t´ecnicos. Las computadoras permiten, en el campo ingenieril, la resoluci´on de c´alculos complejos con rapidez y fiabilidad, de manera que las empresas dedicadas al dise˜ no en ingenier´ıa (aeron´autico, automovil´ıstico, qu´ımico-industrial. . . ) han adoptado, para su trabajo diario, programas de dise˜ no asistido por ordenador y de simulaci´on (Rodr´ıguez, J., 1998). La Universidad no debe ser ajena a este fen´omeno, por lo que el uso de esos recursos inform´aticos debe ser ofrecido al alumnado al tiempo que se estudian los fundamentos te´oricos de las t´ecnicas de c´alculo. As´ı, los simuladores logran una aplicaci´on pr´actica inmediata de dichos conocimientos. Aunque el empleo de los simuladores comerciales en las ense˜ nanzas de Ingenier´ıa Qu´ımica es relativamente reciente, son numerosos los trabajos en los que se constata su capacidad para favorecer el proceso de aprendizaje del alumno (Ferro, V.R. et al. (2006), Zumalac´arregui, L. & Valverde, J.L., 2001). Seg´ un Fernandes (2002), el empleo de simuladores comerciales, como Hysys y Aspen, se ha llevado a cabo fundamentalmente en cursos avanzados de dise˜ no industrial (Fernandes, F., 2002), obviando su aplicaci´on en asignaturas introductorias a las Operaciones B´asicas de la Ingenier´ıa Qu´ımica donde el car´acter intuitivo de los entornos gr´aficos de estos programas y su gran potencia de c´alculo (que evita al estudiante los tediosos desarrollos num´ericos, permiti´endole concentrarse en aspectos conceptuales) podr´ıa aumentar su motivaci´on por la materia. Sin embargo, un posible inconveniente de estas herramientas es que no est´an dise˜ nadas espec´ıficamente para el aprendizaje, y no incorporan modelos psicopedag´ogicos que tengan como centro de atenci´on al alumno. Las asignaturas llevadas a cabo en los laboratorios de Ingenier´ıa Qu´ımica son vitales en los grados de Ingenier´ıa Qu´ımica Industrial e Ingenier´ıa Qu´ımica, y surgen al trasladar al laboratorio los conocimientos te´oricos adquiridos en el campo de las Operaciones B´asicas de la Ingenier´ıa Qu´ımica. Dentro de estas asignaturas, el estudio de los procesos de separaci´on por transferencia de materia (destilaci´on, extracci´on l´ıquido-l´ıquido, absorci´on de gases. . .) y de intercambio t´ermico (intercambiadores de calor) se considera obligatorio, ya que estas operaciones son de gran importancia industrial. Durante los u ´ltimos a˜ nos de docencia de “Experimentaci´on en Ingenier´ıa Qu´ımica” en la Escuela Polit´ecnica Superior de Linares, perteneciente a la Universidad de Ja´en, los profesores encargados de la asignatura, al detectar un descenso tanto en la motivaci´on del alumnado como en sus rendimientos acad´emicos medios, pensaron que podr´ıa ser interesante realizar una renovaci´on metodol´ogica de la materia consistente en la introducci´on de un software capaz de simular algunas de las pr´acticas llevadas a cabo en el laboratorio. De esta forma, la incorporaci´on del simulador proporcionar´ıa al usuario una herramienta para reforzar el estudio y la ISSN 1988-3145

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comprensi´on de los principios te´oricos de los experimentos realizados, ya que con el programa convenientemente ajustado ser´ıa posible modificar un mayor n´ umero de variables operativas que las planteadas en el aula, analizando posteriormente su efecto sobre el proceso. Por otro lado, el alumno podr´ıa repetir las pr´acticas de forma virtual (en la sala de inform´atica del centro) tantas veces lo deseara, sin las limitaciones de espacio, tiempo y costes que impone el desarrollo de una prueba real de laboratorio. De este modo, en el curso 2009-10 se inici´o un Proyecto de Innovaci´on Docente financiado por la Universidad de Ja´en denominado “Innovaci´on de la docencia en la asignatura Experimentaci´on en Ingenier´ıa Qu´ımica mediante el empleo del simulador de procesos Hysys”. En la presente comunicaci´on se describe la metodolog´ıa seguida as´ı como los materiales virtuales y los resultados docentes obtenidos en el marco del citado Proyecto.

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Materiales y m´ etodos

El Proyecto de Innovaci´on Docente parti´o de la disponibilidad de un n´ umero suficiente de licencias del simulador comercial Hysys.Plant 2.2 (en su d´ıa, producto de Hyprotech Ltd., CalgaryCanad´a; hoy, de Aspen-Hysys), adem´as de conocimientos b´asicos para el uso del software por parte del profesorado. Hay que resaltar el car´acter intuitivo del interfaz gr´afico que acompa˜ na a Hysys, lo que permite una visualizaci´on c´omoda de equipos y procesos industriales, as´ı como el acceso a multitud de datos f´ısico-qu´ımicos de compuestos (Figura 1).

Figura 1: Ejemplos, en Hysys.Plant, de diagrama de procesos (a) y de tabla con propiedades del metano (b).

Al comenzar el proyecto de innovaci´on docente se plantearon varios interrogantes cuya respuesta determin´o la metodolog´ıa de trabajo: 1o ¿Qu´e pr´acticas se simular´ıan? En la asignatura se realizan, a lo largo de un cuatrimestre, m´as de quince pr´acticas de laboratorio, por lo que pareci´o adecuado no abarcar, dentro del proyecto, un n´ umero superior a cinco o seis casos pr´acticos. Esto oblig´o a seleccionar los siguientes desarrollos experimentales: • Equilibrio l´ıquido-l´ıquido. Obtenci´on de los datos termodin´amicos de equilibrio para el sistema ternario agua-´acido ac´etico-cloroformo. Usando Hysys se puede investigar el efecto de la temperatura y la presi´on en la posici´on del equilibrio. @MSEL

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• Extracci´on l´ıquido-l´ıquido: unidades de equilibrio en serie. Simulaci´on de la operaci´on de extracci´on l´ıquido-l´ıquido en contacto repetido con corrientes cruzadas (tres etapas). Se utiliza, como alimentaci´on, la mezcla ´acido ac´etico-cloroformo, y el agua como disolvente extractor. Se investiga, usando Hysys, el efecto de la modificaci´on del caudal de disolvente extractor en el rendimiento de la extracci´on. • Diagramas de equilibrio l´ıquido-vapor. Obtenci´on de los datos termodin´amicos de equilibrio del sistema binario ciclohexano-isooctano. Se investiga, usando Hysys, el efecto de la presi´on sobre el equilibrio.

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• Destilaci´on simple en estado no estacionario. Se simula la destilaci´on diferencial de una mezcla etanol-agua. Usando Hysys se puede investigar el efecto del tiempo en el desarrollo de la operaci´on. • Cambiador de calor. Se estudia el funcionamiento de un intercambiador de calor de carcasa y tubos en el que tanto el fluido calefactor como refrigerador es agua. Con Hysys se podr´ıa investigar el efecto de la modificaci´on de las temperaturas de las corrientes de entrada sobre el valor de las temperaturas en las salidas. 2o ¿C´omo se configura Hysys para conseguir una predicci´on adecuada de los resultados experimentales? La tarea de configuraci´on del simulador fue llevada a cabo por los profesores de la asignatura durante el curso acad´emico 2009/10, e implic´o dos pasos: en primer lugar, selecci´on de los modelos de estimaci´on de propiedades termodin´amicas m´as adecuados para el ajuste de datos experimentales (se consigui´o utilizando los resultados emp´ıricos obtenidos en clase en cursos anteriores); posteriormente, creaci´on de los esquemas de proceso (integraci´on de equipos, y corrientes de materia y energ´ıa) para simular cada una de las pr´acticas. 3o ¿C´omo lograr que los alumnos, que no conocen a priori el programa, lo puedan utilizar durante el desarrollo de la asignatura? Para resolver esta cuesti´on se organiz´o, en la Escuela Polit´ecnica Superior de Linares, durante los meses de febrero de 2011 y 2013, el curso “Introducci´on a la simulaci´on de procesos qu´ımicos con Hysys” (Figura 2a). Esta actividad, de 20 h de duraci´on, se dise˜ no´ espec´ıficamente para que los alumnos conocieran c´omo aplicar el simulador sobre las mismas Operaciones B´asicas que despu´es se estudiar´ıan en el laboratorio. Adem´as, se edit´o el libro “Introducci´on a la simulaci´on en Ingenier´ıa Qu´ımica” (Figura 2b) como herramienta para apoyar a los estudiantes en el conocimiento del simulador de procesos, (Cuevas, M., 2011). 4o ¿C´omo aplicar el programa durante el per´ıodo de docencia de “Experimentaci´on en Ingenier´ıa Qu´ımica”? Hay que resaltar que el proyecto no pretendi´o sustituir las pr´acticas convencionales por el uso exclusivo del ordenador, sino compaginar ambas metodolog´ıas. El procedimiento de trabajo pas´o, en primer lugar, por la realizaci´on de las pr´acticas y la obtenci´on de los datos experimentales bajo unas condiciones operativas concretas. Despu´es se validaron los resultados proporcionados por el software al compararse ´estos con los resultados emp´ıricos y, finalmente, el simulador se us´o para discutir el efecto de las distintas variables de proceso. Todo ello supuso el redise˜ no del cuaderno de pr´acticas.

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Figura 2: Cartel del curso “Introducci´ on a la Simulaci´on de Procesos Qu´ımicos con Hysys” (a), y portada del libro “Introducci´ on a la simulaci´ on en Ingenier´ıa Qu´ımica” (b)

5o ¿C´omo evaluar el inter´es de la propuesta de innovaci´on llevada a cabo? Los alumnos contestaron cuestionarios orientados a analizar, fundamentalmente, dos aspectos del proyecto: la facilidad de uso del software y el inter´es del programa para la comprensi´on de las pr´acticas de laboratorio (fundamentos te´oricos, procedimiento operativo, obtenci´on de resultados. . .).

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Resultados

A continuaci´on se muestran, en primer lugar, los resultados de la configuraci´on de Hysys llevada a cabo por los profesores integrantes del grupo de trabajo con el fin de simular las cinco pr´acticas de laboratorio. Posteriormente, se incorporan los resultados de la encuesta realizada a los alumnos para evaluar algunos aspectos del Proyecto de Innovaci´on. Para finalizar, se enumeran los foros donde han sido descritos aspectos relevantes de dicho trabajo. 3.1

Configuraci´ on del simulador

Tras comparar los datos emp´ıricos, obtenidos en laboratorio en cursos anteriores, con los te´oricos, proporcionados por Hysys al aplicar los modelos termodin´amicos de su biblioteca, se seleccionaron las ecuaciones predictivas m´as adecuadas para cada pr´actica. Respecto al equilibrio l´ıquido-l´ıquido (sistema ternario agua-´acido ac´etico-cloroformo), tras analizar los resultados generados por varios modelos basados en el uso de coeficientes de actividad (UNIQUAC-ideal, UNIQUAC-virial y Extended NRTL-virial) se opt´o por seleccionar el paquete de estimaci´on UNIQUAC-virial, al lograr el mejor ajuste de los datos de equilibrio (tanto curva binodal @MSEL

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como rectas de reparto). El equilibrio l´ıquido-vapor se estudia utilizando dos sistemas binarios: ciclohexano-isooctano y etanol-agua. Los datos de equilibrio de la primera mezcla fueron perfectamente estimables mediante la correlaci´on de Chao-Seader. El sistema etanol-agua introdujo mayores complicaciones derivadas de su fuerte no idealidad y de la presencia de un ace´otropo. Tras el an´alisis de varios modelos, se opt´o por la ecuaci´on Extended NRTL-virial, al proporcionar un magn´ıfico ajuste de datos en todo el intervalo de composiciones por debajo del ace´otropo (Figura 3).

Figura 3: Datos de equilibrio reales (puntos negros) y estimados con el modelo Extended NRTL-virial (puntos verdes) para el sistema etanol-agua a 1 atm´osfera.

Finalmente, con los modelos seleccionados, se logr´o simular las cinco pr´acticas de laboratorio. En la Figura 4 se incorpora, como ejemplo, la conexi´on de equipos y corrientes correspondiente a la simulaci´on del experimento titulado “Extracci´on l´ıquido-l´ıquido: unidades de equilibrio en serie”, mientras en la Figura 5 se compara, para la pr´actica de destilaci´on simple en estado no estacionario, la evoluci´on temporal de las fracciones molares de etanol en el residuo obtenidas experimentalmente por dos grupos de alumnos (puntos negros) y las generadas por Hysys (puntos verdes).

Figura 4: Esquema en Hysys.Plant para la pr´actica “Extracci´on l´ıquido-l´ıquido: unidades de equilibrio en serie”. ISSN 1988-3145

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Figura 5: Evoluci´ on temporal de la fracci´ on molar de etanol en el residuo. Datos del simulador (puntos verdes) y datos experimentales (puntos negros).

En general, las configuraciones logradas para la descripci´on de los experimentos fueron aceptables, aunque las desviaciones existentes entre los datos reales y los virtuales fueron mayores en las pr´acticas de extracci´on l´ıquido-l´ıquido que en las de destilaci´on. Los cinco ficheros asociados a las pr´acticas simuladas (Figura 6) quedaron a disposici´on de los alumnos en la plataforma virtual de la Universidad de Ja´en (ILIAS) para su empleo durante el desarrollo de las clases de “Experimentaci´on en Ingenier´ıa Qu´ımica”.

Figura 6: Archivos de Hysys con las cinco pr´acticas simuladas.

3.2

Satisfacci´ on del alumnado

La opini´on del alumnado es un punto esencial para verificar la utilidad de cualquier proyecto y dirigir las futuras acciones de mejora. Sin embargo, hay que ser cautos a la hora de examinar los datos de evaluaci´on, porque el simulador u ´nicamente ha sido utilizado durante dos cursos acad´emicos (2010-11 en la titulaci´on I.T.I. Qu´ımica Industrial, y 2012-13 en el grado de Ingenier´ıa Qu´ımica Industrial), y s´olo la perspectiva generada tras varios a˜ nos de aplicaci´on podr´a ofrecer una visi´on clara de la realidad. Las afirmaciones usadas para la evaluaci´on han sido las siguientes: @MSEL

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1. Con los conocimientos adquiridos en la asignatura es posible crear archivos en Hysys para simular las pr´acticas de laboratorio. 2. Al nivel en el que se han desarrollado las pr´acticas de laboratorio (con los archivos de simulaci´on ya creados y a disposici´on del alumno) el programa Hysys es f´acil de usar. 3. La simulaci´on de las pr´acticas de laboratorio ha conducido a un mejor entendimiento de los fundamentos te´oricos en los que se basan las operaciones unitarias estudiadas.

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4. La simulaci´on de las pr´acticas de laboratorio ha ayudado a un mejor conocimiento del procedimiento operativo llevado a cabo en el aula. 5. La simulaci´on de las pr´acticas de laboratorio ha ayudado al an´alisis e interpretaci´on de los resultados experimentales obtenidos. 6. En general, considera que la simulaci´on de las pr´acticas ha sido u ´til para el desarrollo de la asignatura “Experimentaci´on en Ingenier´ıa Qu´ımica”. Los resultados de la encuesta, sobre un total de 20 estudiantes, se presentan a continuaci´on. Los alumnos han considerado que Hysys es f´acil de usar si se dispone de los archivos ya configuTabla 1: Resultados (respuestas, %) de la encuesta de satisfacci´on del alumnado. TD: total desacuerdo; ED: en desacuerdo; AF: a favor; TF: totalmente a favor; NC: no contesta. Cuesti´ on 1 2 3 4 5 6

Curso acad´emico 2010-11 TD 26,7 6,7 13,3 6,7 0 0

ED 20,0 6,7 20 20 13,3 13,3

AF 46,7 46,7 40 53,3 60,0 60,0

TAF 40 20 13,3 26,7 26,7

NC 6,7 0 0 6,7 6,7 0 0

Curso acad´emico 2012-13 TD 40 0 0 0 0 0

ED 40 20 40 0 20 20

AF 20 40 20 60 40 60

TAF 0 40 40 40 40 20

NC 0 0 0 0 0 0

rados para cada una de las pr´acticas (86,7% y 80% a favor o totalmente a favor en los cursos 2010-11 y 2012-13, respectivamente). Sin embargo, el porcentaje de aprobaci´on sufre un descenso significativo cuando se pregunta sobre la facilidad para que ellos configuren el simulador (53,4% y 20% de aprobaci´on en el ´ıtem 1 durante los cursos 2010-11 y 2012-13, respectivamente). Respecto a la ayuda que representa el empleo del software para comprender el trabajo experimental, el 60% considera que mejor´o el entendimiento de los fundamentos te´oricos, el 66,7% (curso 2010-11) y 100% (curso 2012-13) que reforz´o los conocimientos de los procedimientos operativos, y el 86,7% y 80% que ayud´o al an´alisis e interpretaci´on de los resultados experimentales (cursos 2010-11 y 2012-13, respectivamente). Preguntados, finalmente, sobre el inter´es general de la simulaci´on de las pr´acticas con Hysys, m´as de un 80% del alumnado consider´o esta iniciativa positiva o muy positiva. 3.3

Participaci´ on en foros de innovaci´ on docente

• II Jornadas de Innovaci´on Docente en la Universidad de Ja´en. Comunicaci´on oral: Simulaci´on de pr´acticas de laboratorio de la asignatura “Experimentaci´on en Ingenier´ıa Qu´ımica” mediante el uso del simulador de procesos Hysys.Plant. Ja´en, 2010. ISSN 1988-3145

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• Revista electr´onica Universidad de Ja´en “Iniciaci´on a la Investigaci´on”, (Cuevas, M. et al., 2010). • II Jornadas sobre Innovaci´on Docente y Adaptaci´on al EEES en las Titulaciones T´ecnicas (INDOTEC), (Cuevas, M. et al., 2011b). • Congreso de Innovaci´on Docente Campus Mare Nostrum, (Cuevas, M. et al., 2011a).

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Conclusiones

Como conclusi´on, habr´ıa que resaltar el gran potencial que tiene Hysys cuando es empleado en el laboratorio de Ingenier´ıa Qu´ımica. El inter´es deriva tanto de su facilidad de uso como de la bondad en las predicciones de los resultados experimentales. La respuesta de los alumnos al uso de Hysys ha sido, en general, bastante positiva. Se puede decir que el programa ha supuesto un est´ımulo para el aprendizaje del alumno, adem´as de su acercamiento a un programa inform´atico de gran importancia profesional y al refuerzo de algunas competencias como son la capacidad de “aprender a aprender”, el trabajo en equipo, la integraci´on de conocimientos, el razonamiento cr´ıtico y la capacidad de an´alisis. Sin embargo, es necesario seguir mejorando el empleo del simulador en el aula de pr´acticas del ´area de Ingenier´ıa Qu´ımica, intentando mejorar la convergencia entre los datos emp´ıricos y los calculados por el programa y, adem´as, ampliando el n´ umero de pr´acticas simuladas por el software.

Agradecimientos Los autores agradecen a la Universidad de Ja´en el haber financiado este trabajo a trav´es de la Convocatoria de Proyectos de Innovaci´on Docente 2009-2011 (PID20B). Nota. Este documento ha sido elaborado a partir de la comunicaci´on presentada al XX1 Congreso Universitario de Innovaci´on Educativa en las Ense˜ nanzas T´ecnicas (XX1 CUIEET). Universitat Polit`ecnica de Val`encia, Valencia, julio 2013.

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Referencias Cuevas M. (2011). Introducci´on a la simulaci´on en Ingenier´ıa Qu´ımica. Aplicaci´on del simulador Hysys.Plant para la resoluci´on de ejercicios y el desarrollo de pr´acticas de laboratorio. Servicio de Publicaciones de la Universidad de Ja´en, Ja´en.

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