Modelado de simulación de procesos químicos

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