Blog In Silico SE
Plantas de procesos químicos, completamente diseñadas en un entorno In Silico
Mayo 19 de 2022
Por: Pablo Hernández Arango
Todas las etapas asociadas a los procesos de transformación fisicoquímica, los cuales pueden ser tradicionales, electroquímicos o biológicos, pueden ser diseñadas en un entorno virtual que permita su optimización con mejor precisión y a más bajo costo.
La mayoría de los procesos químicos contienen etapas de purificación, catálisis, reacciones a condiciones extremas y separación. Definir cada una de estas etapas es una tarea importante en el diseño de procesos químicos. Sin embargo, la selección y ajuste de las características etapa por etapa puede ser muy tediosa y costosa. Así que, los métodos de diseño In Silico son muy deseables para describir el comportamiento del proceso, y por lo tanto, minimizar el esfuerzo y el costo experimental. Es útil esbozar las cualidades de softwares avanzados de simulación como COMSOL Multiphysics® para el diseño In Silico de procesos químicos.
Contorno de líneas de flujo en la simulación de un proceso de purificación de agua
(A. Foley, COMSOL Blog. 8.03.2013)
PURIFICACIÓN
En las etapas de purificación, las materias primas que alimentan los procesos químicos son sujetas a tratamientos, físicos o químicos, que permiten disminuir la presencia de contaminantes o excipientes, los cuales posteriormente podrían inhibir los procesos reactivos o disminuir la calidad de los productos terminados.
En el caso de los procesos químicos de purificación, debe prestarse especial atención a la posible formación de subproductos o a la permanencia de agentes purificantes en la materia prima, los cuales pueden actuar como impurezas en etapas posteriores del proceso. Un ejemplo habitual es la formación de Bromatos o la acumulación de Cloro u Ozono en la purificación del agua utilizada en procesos alimenticios o en procesos de fabricación de medicamentos. En este sentido, la definición de tiempos de residencia y de cantidades mínimas de agentes purificantes, es un foco del diseño In Silico de las etapas de purificación, toda vez que estas determinaciones provienen de la aplicación de los fenómenos de transporte y de los mecanismos químicos asociados al proceso.
CATÁLISIS Y CONDICIONES EXTREMAS DE REACCIÓN
Las etapas de reacción son por su definición las más importantes en la industria química. En procesos químicos tradicionales, electroquímicos, bioquímicos; catalíticos y no catalíticos, los investigadores e ingenieros deben definir las propiedades fisicoquímicas de sólidos, gases y líquidos y su interacción en las interfaces que forman. Estas interacciones están limitadas y se describen bien sea por la cinética química o la transferencia de masa. A su vez, estas limitaciones son variables de acuerdo con las condiciones de presión, temperatura y composición de los medios reactivos. Por supuesto, la descripción del cambio espacial (gradientes) de estos parámetros es fundamental para el diseño de reactores eficientes desde diferentes puntos de vista: químico, energético y ambiental.
Campo de velocidad (líneas de flujo) y contorno de concentración en un proceso reactivo catalítico
(E. Dickinson, COMSOL Blog. 13.07.2017)
La simulación multifísica de un proceso reactivo debe tener en cuenta al menos los siguientes componentes: i). Mecanismos químicos asociados, ii). Transporte de especies en el medio reactivo, iii). Interacción fisicoquímica entre fases y iv). Transporte de cantidad de movimiento en el reactor. En la práctica, las únicas maneras económicamente factibles de describir estas interacciones y observar el efecto de las variaciones de las condiciones de proceso en las mismas, son el diseño y la experimentación In Silico, de otra manera, por medio de estudios físicos, no es posible incurrir en un gran número de ensayos que describan de manera razonable todas las interacciones sin incurrir en elevados costos de capital y operación.
SEPARACIÓN
Finalmente, todo proceso químico cuenta con una o varias etapas de separación de subproductos, o en otras palabras, purificación para la obtención de productos terminados. Estas etapas suelen estar basadas en sistemas multifase, en las cuales se aprovechan los cambios de concentración de las especies, a condiciones específicas de presión y temperatura, para enriquecer una fase específica (sólida, líquida o gaseosa) en una especie química (producto o subproducto) en particular. Las operaciones unitarias gas líquido son un ejemplo de tecnologías ampliamente usadas para este fin.
Con el ánimo de favorecer la separación de las especies, la geometría de los equipos asociados y la evaluación de las condiciones de operación son fundamentales (por ejemplo en la formación de burbujas). En este sentido, las múltiples heurísticas existentes, si bien son adecuadas no favorecen la optimización del diseño, y la implementación de prototipos físicos es notablemente costosa. En tal situación, la simulación de procesos por medio de herramientas In Silico favorece los ejercicios de diseño e ingeniería otorgándoles eficiencia en términos de costos y tiempo.
Movimiento y crecimiento de una burbuja en una unidad de separación gas líquido
(E. Fontes, COMSOL Blog. 26.03.2020)
SOLUCIONES IN SILICO SE SAS
Por medio del uso profesional de COMSOL Multiphysics® y de nuestros servicios de Innovación Impulsada por Simulación, In Silico SE SAS puede:
- Analizar etapas de proceso en las cuales las condiciones de mezclado y de consumo eficiente del mínimo de materias primas sea necesario.
- Establecer modelos fisicoquímicos a partir de condiciones de laboratorio o de planta que pueden ser extrapolados a otras condiciones de proceso sin necesidad de llevar a cabo pruebas físicas de los mismos.
- Llevar a cabo el diseño detallado de reactores tanto desde el punto de vista geométrico como desde la cinética química y los fenómenos de transporte.
- Llevar a cabo el diseño de procesos de separación por medio de la simulación avanzada de fenómenos físicos y químicos que interactúan en las mismas operaciones del proceso.
Adicionalmente, en nuestro portafolio de servicios incluimos la Formación STEM. Utilizamos una metodología dinámica para ayudar a los usuarios de COMSOL Multiphysics®, python™ o GNU Octave a obtener las mejores prestaciones del software en el camino hacia el cumplimiento de sus objetivos académicos, investigativos o de desarrollo de procesos químicos. En efecto, ya está disponible nuestro curso de 1 hora: “Introducción a la ingeniería de reacciones químicas con COMSOL Multiphysics®, del modelo cinético a la escala industrial”. Tambien, para aquellos que desean adquirir los primeros conocimientos en el uso de COMSOL Multiphysics® ofrecemos el curso de “Introducción a FEA con COMSOL Multiphysics®”.
Nota sobre el autor: Pablo Hernández Arango
Pablo es Ingeniero químico y Doctor en Ingeniería de procesos químicos, ha desarrollado su actividad académica y laboral en la simulación y el diseño de procesos en diferentes áreas de la industria productiva.