Como ya se había visto, la simulación es el estudio de un sistema o sus
partes mediante manipulación de su representación matemática o de su modelo
físico, a través de una serie de experimentos que tienen la intención de
conocer y entender el comportamiento del sistema bajo condiciones específicas;
por ello el modelo debe ser capaz de reproducir el comportamiento del proceso real con la
mayor exactitud posible.
También hicimos un recuento de algunos softwares de simulación utilizados
en la ingeniería química. En esta ocasión profundizaremos en la simulación de
los procesos químicos, así como algunas de sus características.
Como sabemos un proceso químico está vinculado al tratamiento de
materiales, es decir, tiene que ver con las transformaciones fisicoquímicas y/o
biológicas, y/o procesos de separación física de dichos materiales.
Un proceso es la unidad o
sistema estructural de transformación por medio del cual los materiales que
ingresan se transforman en los productos deseados. Esta unidad o sistema
estructural está compuesto por módulos (equipos u operaciones unitarias),
encargados de realizar tareas específicas (separación, calentamiento, reacción
química, etc), y para que todo esto sea posible es necesario especificar las
condiciones de operación (temperaturas, presiones, etc.) así como las
propiedades asociadas a las corrientes.
El elemento básico es el modelo de
operación unitaria, el cual es construido a partir de balances de masa
energía y momentum, hasta finalmente obtener un conjunto de ecuaciones
algebraicas no-lineales.
Existen, por lo tanto, dos grandes grupos de variables que deben ser diferenciadas.
Las variables estructurales que son aquellas que está íntimamente
ligadas a la estructura del diagrama
de flujo, es decir, que especifican la presencia de los distintos
equipos y su diagrama de interconexiones. Y las variables de operación que
representan condiciones operativas (temperatura, caudal, presión, etc.), y
ciertas características funcionales de los equipos, como ser áreas, número de
etapas, etc., por lo general identificadas como parámetros de diseño.
Para poder realizar el modelado de algún proceso químico es importante lograr
un planteo formal del problema de diseño, por ello es conviene plantear una función
objetivo adecuada a ser optimizada y explorar los objetivos que se
esperan de un proceso químico en general, es importante mencionar que dicha
para la elección de la función objetivo ha
de considerarse facilidad de ésta para ser representada (o modelada)
matemáticamente.
Otro de los aspectos relevantes es, por ejemplo, la elasticidad que
se refiere a la habilidad del proceso para tolerar condiciones adversas tales
como perturbaciones o variación en los parámetros, o flexibilidad que se
refiere a la capacidad estructural y operativa del proceso para mantenerse
funcionando con la mejor performance cuando las condiciones operativas
corresponden a un rango de condiciones de diseño, o controlabilidad, confiabilidad,
impacto ambiental, etc.
Existen además otras cuestiones a tomar en cuenta, como el manejo de la variable
estructural, para la cual debe encontrarse una metodología adecuada para
resolver el problema matemático ésta pueda llegar a representar. Por ejemplo,
uno de los métodos propuestos para manejar las interrelaciones que vinculan los
equipos entre sí y considerar las variables estructurales consiste en utilizar
variables enteras (ceros y unos). Es decir que para considerar simultáneamente
las variables estructurales (enteras) y las variables operativas (reales), se
acude a la programación matemática mixta (Grossmann, 1985).
Entre las etapas secuenciales aconsejadas para realizar la tarea de diseño,
se encuentran:
1.
La definición
del problema
2.
El
establecimiento de la función objetivo, es decir, la determinación de los
criterios en función de los cuales deben seleccionarse alternativas
3.
La síntesis
del sistema propiamente dicha, que implica la génesis del conjunto de
alternativas estructurales posibles
4.
La reducción
del espacio de alternativas, seleccionando aquellas que cumplan en forma óptima
con las especificaciones establecidas.
Se debe tener además la etapa de análisis que implica la investigación de las características de cada alternativa
generada, por ejemplo, mediante la evaluación de las variables de salida, conociendo
las características del sistema y las variables de entrada. En esta etapa se
plantea la tarea de
optimización que permite seleccionar el mejor sistema entre las alternativas
posibles.
La síntesis de un proceso completo es demasiado complicada, por esta razón se
aconseja una división (partición) del mismo en sub-problemas más sencillos, con
una determinada estrategia, para luego componer la solución a partir de las
soluciones parciales.
Como vemos el modelado de procesos químicos puede volverse un tanto
complejo, entonces el objetivo ideal, es incorporar y crear metodologías eficientes
y métodos de diseño automatizados o asistidos por computadora, que contemplen
todos estos aspectos en un modelo, implementado en un procedimiento, metodología
o herramienta única.
¿Por qué los procesos químicos se consideran determinísticos, continuos, estáticos y/o dinámicos?
Un proceso químico involucra el hecho de las entradas y salidas de sus balances de masa y energía serán las mismas, de ahí que el proceso puede considerarse determinista. Muchas veces las variables de proceso que se manejan en los procesos químicos, como concentraciones o temperaturas, cambian con respecto al tiempo, debido a ello también se le puede considerar continuo. También es posible que los procesos químicos sean estáticos, cuando son isotérmicos, isobáricos, o en cualquier caso donde las variables no cambien a través del tiempo. Finalmente el proceso químico puede ser dinámico ya que muchas veces alguno(s) de los elementos que intervienen no permanecen invariables, sino que se consideran como funciones del tiempo, describiendo trayectorias temporales.
¿Se pudieran considerar modelados estocásticos de los procesos químicos?
Debido a que en un
modelo es estocástico al menos una variable del mismo es un dato al azar, y por
lo tanto estará sujeto a incertidumbre, y en donde las relaciones entre
variables se toman por medio de funciones de probabilidad, un proceso químico
no podría ser considerado estocástico, ya que las variables de proceso deben
ser determinadas previamente, y en general estos proceso están regidos por
leyes y ecuaciones bien definidas que los describen, según las condiciones a las que se
desea realizar la simulación.
Referencias
ü Dr. Nicolás José Scenna y col.; MODELADO,
SIMULACIÓN Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS QUÍMICOS
ü http://www.econ.unicen.edu.ar/attachments/1051_TecnicasIISimulacion.pdf
