ARTÍCULO

Importancia de la aplicación de las Tecnologías Digitales y la Programación en Estudiantes de Ingeniería Química

Resumen

El presente artículo tiene como objetivo explorar la importancia y aplicación de la programación en el campo de la ingeniería química, a través de un enfoque documental que permita revisar y analizar estudios previos, artículos académicos, libros especializados y otras fuentes relevantes. La metodología adoptada para dicha investigación es de carácter documental, ya que busca recopilar, organizar y examinar información sobre el uso de herramientas tecnológicas de programación. También se destaca la creciente relevancia de la programación y las tecnologías digitales en la ingeniería química, un campo que ha evolucionado significativamente debido a los avances, la ingeniería química ha experimentado una transformación digital significativa, pasando de métodos laboriosos a la utilización de software avanzado para simulaciones y cálculos, lo que amplía las oportunidades laborales para los graduados. Resalta que los estudiantes aprenden a modelar procesos químicos y analizar grandes volúmenes de datos mediante diferentes lenguajes de programación optimizando la producción y facilitando la toma de decisiones. Además, la automatización de tareas repetitivas mejora la precisión y reduce el tiempo de trabajo. Las empresas valoran cada vez más las habilidades tecnológicas y de programación, aumentando la demanda de capacitación. Esto no solo mejora la eficiencia y la comprensión de procesos, sino que también fomenta la innovación y prepara a los graduados para un entorno laboral competitivo, con aplicaciones prácticas ya sea en temas de estequiometria, métodos numéricos, simulación de procesos y balances de materia y energía. El artículo concluye enfatizando que la programación no solo mejora la precisión y eficiencia en la ingeniería química, sino que también impulsa la innovación, preparando a los estudiantes para los desafíos del futuro laboral. Palabras claves: Aplicación, Tecnologías Digitales, Programación, Estudiantes, Ingeniería Química 

Abstract 

This article aims to explore the importance and application of programming in the field of chemical engineering, through a documentary approach that allows for the review and analysis of previous studies, academic articles, specialized books, and other relevant sources. The methodology adopted for this re - search is documentary in nature, as it seeks to collect, organize, and examine information on the use of technological programming tools. The growing relevance of programming and digital technologies in chemical engineering is also highlighted, a field that has significantly evolved due to advancements. Chemical engineering has undergone a major digital trans - formation, moving from labor-intensive methods to the use of advanced software for simulations and calculations, which broadens job opportunities for graduates. It emphasizes that students learn to model chemical processes and analyze large volumes of data using different programming languages, optimizing production and facilitating decision-making. Further - more, the automation of repetitive tasks improves accuracy and reduces work time. Companies increasingly value technological and programming skills, increasing the demand for training. This not only enhances efficiency and understanding of processes but also fosters innovation and prepares graduates for a competitive job market, with practical applications already seen in areas such as stoichiometry, numerical methods, process simulation, and material and energy balances. The article concludes by emphasizing that programming not only improves accuracy and efficiency in chemical engineering but also drives innovation, preparing students for the challenges of the future workforce.” Keywords: Application, Digital Technologies, Programming, Students, Chemical Engineering

Introducción 

En la actualidad la digitalización, la programación y en sí el uso de las tecnologías, se ha convertido en una habilidad fundamental y esencial en distintas disciplinas, incluyendo la ingeniería química, ya que se ha visto tradicionalmente como una disciplina centrada en el diseño y en la optimización de procesos industriales (Gutiérrez, 2021) , debido a que en esta área de diseño de procesos es una de las que se ha sufrido constantes cambios significativos en la enseñanza de la ingeniería química en los últimos años los cuales deben ser soportados por equipo y sistemas de cómputo cada vez más robustos. Los avances tecnológicos han transformado significativamente el campo de la ingeniería química, reemplazando los métodos tradicionales por cálculos laboriosos y sofisticados por medio de programas informáticos (Ortega y Romero, 2022). Estos desarrollos han impactado diversas áreas, por lo tanto, se requieren habilidades en simulación de procesos químicos para la mejora de oportunidades laborales. En este sentido también se han implementado modelados avanzados usando técnicas de programación permitiendo crear modelos matemáticos detallados para la solución de problemas relacionados a problemas de ingeniería química, gracias a dichos modelos los estudiantes son conscientes de la importancia del uso de estos ya que pueden estudiar procesos reales porque disponen de estos tipos de herramientas informáticas útiles, permitiéndoles observar con mejor entendimiento y facilidad de aplicación, posibilitan - doles una notable mejora de su capacidad de análisis e interpretación de resultados (Navarrete, Albesa, Ferrando y García, 2020). Otra aplicación de las herramientas informáticas es el análisis de datos, el cual ayuda a automatizar el procedimiento identificando patrones y en cierta manera prediciendo modelos estadísticos, en este entorno los docentes/investigadores tienen la tarea de concientizar a los estudiantes que deben de ser capaces de analizar, interpretar, plantear y resolver problemas reales, para así poder modelar el problema y dar una solución. Debido a dichas habilidades que se han mencionado en el dominio del uso de las herramientas tecnológicas, abre más oportunidades laborales a los egresados y aumenta la posibilidad de empleabilidad, ya que vivimos en un entorno globalizado y digitalizado, las mismas empresas están impulsando la necesidad de mejorar continuamente su productividad y eficiencia. En torno a esto, la demanda creciente de profesionistas no solo debe de poseer habilidades técnicas, si no también es el estar bien preparados para operar en contextos digitales e ir adaptándose a las tecnologías emergentes. (Robles, 2023). Gracias a esta competitividad profesional las empresas valoran cada vez más dichas habilidades y a menudo se ven en la necesidad de ofrecer capacitaciones adicionales sobre todo en la simulación de procesos y en programación, y así estar mejor preparados en las demandas del mercado laboral. (Puin, 2021).

Relevancia de la programación en materias de la ingeniería Química. La ingeniería Química se ocupa de diseñar, desarrollar y optimizar procesos industriales para la producción de productos químicos, materiales y energía. La programación juega un papel crucial en este campo por varias razones: Los estudiantes de ingeniería química utilizan programas para modelar procesos químicos y físicos, predecir el comportamiento de los sistemas y simular escenarios diversos. La programación facilita la creación de modelos precisos y la realización de simulaciones complejas. Se han presentado estudios del uso de la programación paralela en ambientes de cluster de computadoras virtuales, donde demuestra que puede mejorar sustancialmente el rendimiento de las soluciones numéricas en Ingeniería Química. (Verastegui, 2019) 

Es importante que los estudiantes que están por egresar conozcan sobre la optimización de procesos ya que es esencial para mejorar la eficiencia y reducir costos en la industria química. Gracias a las materias que llevan a lo largo de su carrera logran desarrollar algoritmos y técnicas de programación que les permitan diseñar modelos matemáticos que optimicen el rendimiento de los procesos, como ejemplo, se han empleado herramientas de simulación de ingeniería química aplicadas a la optimización energética de un caso de estudio: la obtención de biodiesel de segunda generación (2G) a partir de aceites vegetales usados (AVUs). Se diseña una red de intercambio de calor (RIC) para minimizar el uso de servicios requeridos en la etapa de esterificación catalítica de los AVUs. El proceso se simula por medio del software Aspen Plus. (Laborde, Serna, Ponce., Gely, Pagano, 2020)

Se muestra la importancia de la aplicación de metodologías para la resolución de problemas en las áreas de operaciones y procesos unitarios de la Ingeniería Química, así como la aplicación de herramientas de cálculo como métodos numéricos y herramientas computacionales, que combinadas ahorran tiempo en la resolución de problemas. (Cuestas & Villacorta, 2024). La programación ha permitido a los estudiantes que automaticen tareas repetitivas y las integren a sistemas para mejorar la precisión y reducción del tiempo requerido para completar procesos, ya sea en la materia de métodos numéricos, simulación de procesos o balances de materia y energía, transferencia de calor, transferencia de masa, mecánica de fluidos, entre otras. A continuación, se muestra una representación más clara y resumida de los beneficios que se tienen los estudiantes de ingeniería química, al incorporar habilidades tecnologías y de programación: (Tabla 1)

Uso y herramientas digitales en la Ingeniería Química 

Simulación de Procesos Químicos. La simulación de procesos químicos es una de las aplicaciones más importantes de la programación en ingeniería química. Esta práctica permite modelar el comportamiento de procesos complejos, como la conversión de reactivos en productos, el transporte de calor o la transferencia de masa en un reactor o una planta industrial. Ejemplo de aplicación: Se puede programar la simulación de un reactor de lecho fijo para entender cómo los cambios en la temperatura, la presión y las concentraciones afectan la conversión de los reactivos. 

Cálculos Termodinámicos 

Los cálculos termodinámicos son fundamentales para el diseño de sistemas de energía, la optimización de procesos y la simulación de flujos. La programación se utiliza para resolver ecuaciones que describen el comportamiento de las sustancias en función de la temperatura, la presión y la composición. Ejemplo de aplicación: Usar programación para simular un ciclo Rankine en una planta termal, o diseñar un sistema de refrigeración que aproveche la expansión de un fluido refrigerante.

Control de Procesos. 

El control de procesos es otra aplicación crucial de la programación. Los ingenieros químicos implementan algoritmos de control para regular las condiciones de un proceso industrial, como la temperatura, el caudal o la concentración de reactivos. Ejemplo de aplicación: Programar un sistema de control automático de temperatura en un reactor químico para mantener condiciones óptimas y mejorar el rendimiento de la reacción. 

Optimización de Procesos. 

La optimización en ingeniería química es fundamental para maximizar la eficiencia de los procesos industriales, minimizando costos, uso de energía, y generación de residuos. Ejemplo de aplicación: Optimización del diseño de un proceso de destilación para separar una mezcla de compuestos, maximizando la pureza del producto y minimizando el consumo de energía. 

Análisis de Datos y Machine Learning. 

En ingeniería química, el análisis de datos y el machine learning son áreas emergentes que ayudan a comprender y mejorar los procesos. La programación se usa para analizar grandes volúmenes de datos obtenidos de procesos en tiempo real y para desarrollar modelos predictivos que mejoren la operación de los procesos.

Ejemplo de aplicación: Utilizar redes neuronales para predecir el comportamiento de un reactor químico a partir de datos operativos previos, o para desarrollar sistemas de mantenimiento predictivo. Desarrollo de Sistemas de Monitoreo y Diagnóstico. Los sistemas de monitoreo y diagnóstico en tiempo real son esenciales para detectar fallas o desviaciones en los procesos. Estos sistemas pueden ser programados para recoger datos de sensores y equipos, procesarlos y realizar análisis de tendencias para detectar problemas antes de que ocurran. Ejemplo de aplicación: Un sistema programado que detecta una fuga de gas en una planta química y envía una alerta al operador para que tome medidas correctivas antes de que ocurra un accidente. 

Modelado y Simulación de Fenómenos de Transporte. El modelado de fenómenos de transporte en ingeniería química se refiere a la simulación de procesos como la difusión, conducción de calor y convección de masa dentro de sistemas químicos. 

Ejemplo de aplicación: Usar programación para simular el perfil de temperatura dentro de un reactor tubular y optimizar las condiciones de operación para maximizar la conversión de reactivos. 

Ejemplos de la aplicación de la programación en ejercicios de ingeniería química. 

Como se ha mencionado la programación se ha convertido en una herramienta fundamental en la aplicación de la ingeniería química, mediante el uso de software especializado, los ingenieros químicos pueden modelar reacciones, diseñar experimentos y mejorar la eficiencia de los procesos industriales. Además, la programación permite el desarrollo de algoritmos que pueden predecir el comportamiento de sistemas químicos, facilitar el control de procesos y llevar a cabo análisis estadísticos. Podríamos decir que la aplicación de la programación no solo mejora la precisión en los cálculos, sino que también impulsa la innovación en el campo de la ingeniería química.   A continuación, se mencionan algunos ejemplos y materias de la carrera de ingeniería química donde se ha aplicado la programación: 

1.- Estequiometría en Química: El programa desarrollado facilita el cálculo de la cantidad de un compuesto químico necesaria para preparar una solución, teniendo en cuenta la concentración, la densidad y la pureza del compuesto. Utiliza Python y la librería ipywidgets para crear una interfaz gráfica, lo que facilita la interacción con el usuario y los cálculos precisos. (Ejercicio de la materia de programación, Facultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Chihuahua, mayo 2023).

2.- Simulador de Reactor Químico por Lotes: Usando Excel con macros de Visual Basic, este simulador modela el comportamiento de un reactor químico en función del tiempo, aplicando ecuaciones de conservación de masa y energía. Es una solución accesible para instituciones educativas con recursos limitados, permitiendo el estudio de procesos dinámicos y el control de temperatura. (Hernández, Gómez, Brugada, & Vargas, 2021) 

3.- Simulación Térmica de Materiales para Termosolar: Este sistema, desarrollado en Python, simula cómo materiales con diferentes composiciones (grava, piedra caliza, hollín) reaccionan al calor y a la radiación solar. La simulación permite analizar la capacidad de estos materiales para almacenar y liberar calor, lo que es crucial para mejorar la eficiencia de los sistemas termosolares. (Espinosa, López, Sepúlveda, & Méndez, 2023) 

4.-Cálculo de la Constante de Velocidad (k): Este programa en Python permite calcular la constante de velocidad de reacciones químicas bajo diversas condiciones. Se enfoca en reacciones irreversibles y permite seleccionar el tipo de sistema de reacción (líquido o gaseoso), además de otros parámetros importantes. Esto es esencial para entender y controlar el ritmo

5.- Simulación de Procesos Químicos en EES: Este trabajo utiliza el EES para desarrollar módulos de simulación que resuelven los balances de materia en plantas químicas, facilitando el diseño y la optimización de procesos industriales. Se utilizan dos enfoques: uno modular, que simula cada módulo de la planta por separado, y otro basado en ecuaciones, que resuelve el sistema de ecuaciones global de la planta. (Reyes, Hernández, Castañeda & Torres, 2021)

Conclusión 

Se puede destacar la importancia fundamental de las herramientas de programación y simulación en la formación y práctica de la ingeniería química. La digitalización y la capacidad de modelar y simular procesos industriales a través de software especializado han transformado la enseñanza y la investigación en este campo, mejorando la precisión, eficiencia y capacidad de optimización en el diseño de procesos. El uso de simuladores y algoritmos avanzados permite a los estudiantes y profesionales analizar y predecir comportamientos de sistemas químicos complejos, optimizar recursos y mejorar la toma de decisiones en tiempo real. Además, la implementación de estas tecnologías facilita la resolución de problemas en situaciones prácticas, como la mejora de la eficiencia energética, el control de procesos, y la optimización de reacciones químicas, lo que no solo beneficia el proceso educativo, sino también la competitividad profesional en un mercado laboral digitalizado y globalizado. Por último, la capacidad de las instituciones educativas para desarrollar simuladores propios utilizando herramientas accesibles, abre nuevas posibilidades para la enseñanza de la ingeniería química sin la necesidad de costosos softwares comerciales, promoviendo la innovación y el aprendizaje autodirigido.

Referencias 

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Navarrete, S. C. C., Albesa, L. A., Ferrando, M. L. P., & García, M. B. (2020). Cómo guiar a los alumnos en la simulación de modelos matemáticos complejos en Ingeniería Química. Modelling in Science Education and Learning, 13(1), 37-44. 

Robles Morales, R. E. (2023). Las competencias digitales de los graduados universitarios de carreras del área de negocios y su relación con las habilidades requeridas por las grandes empresas de la región Cibao Sur de la República Dominicana 2022-2023 (Doctoral dissertation, Universidad Abierta para Adultos. Escuela de Postgrado). 

Puin Ávila, S. (2021). Herramienta digital de simulación de procesos hidraúlicos para máquinas de hemodiálisis genius preparator, 4008 general y 5008s de fresenius medical care. 

Verástegui, J. A. (2019). Programación científica en Ingeniería Química. Una aplicación en computación de alto rendimiento y programación paralela (Doctoral dissertation). 

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Cuestas Carpio, O. A., & Villacorta Marroquín, R. A. (2024). Resolución de problemas de las áreas de operaciones y procesos unitarios haciendo uso de metodologías de análisis de problemas y herramientas de computación científica (Doctoral dissertation, Universidad de El Salvador). 

Redondo Duran, R., Orozco Sierra, M., & Garcia Cuello, J. D. (2024). Quimisoft: desarrollo de software para el diseño de reactores en ingeniería química (Bachelor’s thesis, Ingeniería de Sistemas).

Hernández, M. L. C., Gómez, T. R. G., Brugada, G. B., & Vargas, D. E. R. (2021). Desarrollo Del Simulador Dinámico De Un Reactor Batch Con Fines Didácticos (building a Dynamic Simulator of a Batch Reactor for Educational Purposes). Pistas Educativas, 43(139). Espinosa Gómez, D., López Sosa, L. B., Sepúlveda Cisneros, A. A., & Méndez Alfaro, K. A. (2023). Simulación de un sistema de calentamiento solar mediante Python. Revista de ciencias tecnológicas, 6(3). 

Lemus-Contreras, S. A., Pavón-Silva, T. B., Alva, M. H., & Zarazúa-Aguilar, Y. (2022). Desarrollo de un programa con Python para la determinación de datos cinéticos en reacciones irreversibles de un solo componente en reactores intermitentes. Journal of basic sciences, 8(23), 11-34. 

Reyes, J. C. V., Hernández, M. Á. V., Castañeda, M. B., & Torres, M. D. L. L. D. (2021) Módulos para realizar balances de materia mediante el enfoque modular secuencial en engineering equation solver.