La
simulación de procesos químicos está naturalmente vinculada al cálculo de los
balances de materia, energía y eventualmente cantidad de movimiento; de un
proceso cuya estructura, y los datos preliminares de los equipos que lo
componen, son conocidos.
Características del
modelado de los procesos químicos.
Consiste en el diseño de un
modelo matemático de un sistema, y la posterior ejecución de una serie de
experimentos con la intención de entender su comportamiento bajo ciertas
condiciones.
El modelo debe ser capaz de
reproducir el comportamiento del proceso real con la mayor exactitud posible.
Secuencial-Modular
Los cálculos se realizan
unidad por unidad, secuencialmente. Los procesos con reciclos debe ser
descompuestos en varias secuencias de cálculo hasta lograr convergencia, usando
los balances de masa y energía como criterio para terminar el cálculo.
Orientada
a Ecuaciones
En este caso todas las
ecuaciones del modelo, algebraicas no lineales y diferenciales, se integran en
un único conjunto y se resuelven simultáneamente.
Este esquema es más flexible
que el Secuencial-Modular, sin embargo requiere más esfuerzo de programación y
se consumen más recursos de computación.
Módulos Simultáneos
Esta estrategia de solución
combina los Módulos Secuenciales y Solución Orientada a Ecuaciones.
Modelos rigurosos de las
operaciones unitarias son resueltos secuencialmente, mientras que modelos
lineales son resueltos globalmente para interconectar los resultados de cada módulo.
Este parece ser el enfoque
que a futuro se dará en los simuladores comerciales
Análisis de grados de
libertad
Las herramientas de simulación pueden clasificarse según
diversos criterios, por ejemplo, según el tipo de procesos (batch o continuo),
si involucra el tiempo (estacionario o dinámico -incluye a los equipos batch-),
si maneja variables estocásticas o determinísticas, variables cuantitativas o
cualitativas, etc. A continuación se expondrán brevemente las características
de los distintos tipos de herramientas de simulación generalmente utilizadas.
Simulación cualitativa y cuantitativa Una de las principales diferenciaciones a
realizar al analizar el enorme campo que abarca la simulación de procesos es la
que nos ocupa en este apartado. La simulación cualitativa tiene por objeto
principalmente el estudio de las relaciones causales y las tendencias
temporales cualitativas de un sistema, como así también la propagación de
perturbaciones a través de un proceso dado. Llamamos valores cualitativos de
una variable, a diferencia del valor numérico (cuantitativo), a su signo; ya
sea absoluto, o bien con relación a un valor dado o de referencia. Por lo
tanto, en general se trabaja con valores tales como (+, -, 0). Son varios los
campos de aplicación de la simulación cualitativa, como ser análisis de
tendencias, supervisión y diagnosis de fallas, análisis e interpretación de
alarmas, control estadístico de procesos, etc. La simulación cuantitativa, en
cambio, es aquella que describe numéricamente el comportamiento de un proceso,
a través de un modelo matemático del mismo. Para ello se procede a la
resolución de los balances de materia, energía y cantidad de movimiento, junto
a las ecuaciones de restricción que imponen aspectos funcionales y
operacionales del sistema. Es a esta variante a la cual nos abocaremos en este
y los próximos capítulos. La simulación cuantitativa abarca principalmente la
simulación en estado estacionario y la simulación en estado dinámico.
Simulación estacionaria y dinámica. La simulación en estado estacionario
implica resolver los balances de un sistema no involucrando la variable
temporal, por lo que el sistema de ecuaciones deseara estudiar o reflejar en el
modelo las variaciones de las variables de interés con las coordenadas
espaciales (modelos a parámetros distribuidos); entonces deberá utilizarse un
sistema de ecuaciones diferenciales a derivadas parciales (según el número de
coordenadas espaciales consideradas). Un ejemplo puede ser la variación radial
de la composición en un plato en una columna de destilación, la variación de
las propiedades con la longitud y el radio en un reactor tubular, etc. Por lo
general, en simuladores comerciales (no específicos) se utilizan modelos a
parámetros concentrados y serán principalmente los analizados en esta obra.
Por último, también debe
mencionarse la simulación de eventos discretos, en la cual existen variables de
interés que no tienen un comportamiento continuo. Existen numerosos procesos
que sólo pueden simularse desde este punto de vista. Por ejemplo, la simulación
o diseño de plantas batch multiproducto o multipropósito, o de los mismos. Por
último, también debe mencionarse la simulación de eventos discretos, en la cual
existen variables de interés que no tienen un comportamiento continuo. Existen
numerosos procesos que sólo pueden simularse desde este punto de vista. Por
ejemplo, la simulación o diseño de plantas batch multiproducto o
multipropósito, o ambas simultáneamente, poseen características que imponen un
modelo discreto para contemplar ciertos eventos de interés. Desde este punto de
vista, como se verá en el Capítulo XIX, se deberán utilizar modelos especiales
para tratar funciones semicontinuas y en presencia de eventos discretos.
SIMULADORES
DE PROCESOS QUÍMICOS COMPLEJOS
Debe diferenciarse la noción
de un simulador general de procesos químicos de un programa de simulación de
equipos o unidades operacionales aisladas. En efecto, mientras que para estas
últimas sólo se requiere el modelo del equipo y un sistema de entrada/salida de
datos para comunicarse eficientemente con el usuario, programar un simulador de
uso general implica varios problemas adicionales.
Los aspectos vinculados a
los cálculos de estimación de propiedades fisicoquímicas son bastante
diferentes si se plantea el problema de un equipo dado procesando una mezcla
determinada o bien un sistema generalizado capaz de simular diversos procesos
de separación (por ejemplo mezclas ideales, no ideales, etc.). En este caso,
deberá contarse con un sistema de estimación de propiedades generalizado, lo
cual implica un problema de una magnitud muy importante. En efecto, deberá
tener aptitud para calcular las propiedades fisicoquímicas y termodinámicas
(viscosidad, densidad, capacidades caloríficas, entalpías, constantes de
equilibrio, etc.) tanto para sustancias puras como para mezclas.
Particularmente dificultoso resulta el cálculo de propiedades tales como coeficientes
de difusividad en mezclas líquidas, o bien las constantes de equilibrio en
mezclas no ideales o en presencias de electrolitos, por ejemplo.
Son numerosos los aspectos
instrumentales y metodológicos que deben superarse al diseñar un simulador de
propósitos generales.
PRINCIPALES
CARACTERÍSTICAS DE LOS SIMULADORES GLOBALES U ORIENTADOS A ECUACIONES
Cada equipo se representa
por las ecuaciones que lo modelan.
El modelo es la integración de todos los
subsistemas. –
Desaparece la distinción
entre variables de proceso y parámetros operativos, por lo tanto se simplifican
los problemas de diseño.
Resolución simultánea del sistema de
ecuaciones algebraicas (no lineares) resultante.
Mayor velocidad de
convergencia.
Necesita una mejor inicialización (mejor
cuanto mayor sea el problema a resolver).
A mayor complejidad, menor
confiabilidad en los resultados y más problemas de convergencia (soluciones sin
sentido físico).
Más difícil de usar por
"no especialistas".
