Los cálculos de diseño en estado estacionario no nos dicen nada acerca de cuál será la respuesta dinámica al sistema. Nos dicen dónde comenzaremos y dónde terminaremos, pero no cómo llegaremos allí. Este tipo de información es lo que revelará un estudio de la dinámica del sistema.
Los procedimientos tradicionales de diseño en estado estacionario se utilizarían para especificar los diversos equipos en la planta.
Mecánica de fluidos: cabezales de bomba, tasas y potencia; tamaños de tubería; diseño de bandeja de columna y dimensionamiento; Tubo intercambiador de calor y cubierta lateral desconcertante y dimensionamiento.
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Transferencia de calor: eliminación de calor del reactor; áreas de transferencia de calor del precalentador, caldera y condensador; niveles de temperatura de vapor y agua de enfriamiento
Cinética química: tamaño del reactor y condiciones de funcionamiento (temperatura, presión, catalizador, etc.)
Termodinámica y transferencia de masa: presión de funcionamiento, número de placas y relación de reflujo en la columna de destilación; perfil de temperatura en la columna; condiciones de equilibrio en el reactor.
Pero, ¿cómo decidimos cómo controlar esta planta? Todos nuestros estudios de modelado matemático, simulación y teoría de control tienen como objetivo comprender la dinámica de los procesos y los sistemas de control para que podamos desarrollar y diseñar mejor, controlar más fácilmente las plantas que operan de manera más eficiente y segura.
La sala de control es la principal interfaz con la planta. La automatización es cada vez más común en todos los grados de sofisticación, desde sistemas de bucle único hasta sistemas de control por computadora.
Utilizamos la mayoría de las herramientas matemáticas disponibles (ecuaciones diferenciales, transformadas de Laplace, variables complejas, análisis numérico, etc.) para resolver problemas reales. A veces, el problema está en el proceso, en el diseño básico o en el mal funcionamiento del equipo. Pero a veces se encuentra en el sistema de control, en la estrategia básica o en el mal funcionamiento del hardware. Solo nuestro conocimiento de lo que debe hacer un dispositivo de control determinado puede ser invaluable.
Los modelos matemáticos pueden ser útiles en todas las fases de la ingeniería química, desde la investigación y el desarrollo hasta las operaciones de la planta, e incluso en estudios comerciales y económicos.
Investigación y desarrollo: determinación de la cinética química, mecanismos y parámetros a partir de datos de reacción de laboratorio o planta piloto; explorar los efectos de diferentes condiciones de operación para estudios de optimización y control; ayudando en los cálculos de escalamiento.
Diseño: explorar el dimensionamiento y la disposición de los equipos de procesamiento para un rendimiento dinámico; estudiar las interacciones de varias partes del proceso, particularmente cuando se usa reciclaje de materiales o integración de calor; evaluación de procesos alternativos y estructuras y estrategias de control; simulando situaciones y procedimientos de arranque, apagado y emergencia.
Operación de la planta: control de problemas y problemas de procesamiento; ayudando en la puesta en marcha y capacitación de operadores; estudiar los efectos y los requisitos para proyectos de expansión; optimizando la operación de la planta.
Por lo general, es mucho más barato, más seguro y más rápido realizar los tipos de estudios enumerados anteriormente en un modelo matemático que experimentalmente en una unidad operativa. Esto no quiere decir que no se necesiten pruebas de plantas. Son una parte vital para confirmar la validez del modelo y para verificar ideas y recomendaciones importantes que evolucionan a partir de los estudios del modelo.
Una parte importante pero a menudo descuidada del desarrollo de un modelo matemático es demostrar que el modelo describe la situación del mundo real. En la etapa de diseño, esto a veces no se puede hacer porque la planta aún no se ha construido. Sin embargo, incluso en esta situación, generalmente hay plantas similares existentes o una planta piloto de la que se pueden obtener algunos datos dinámicos experimentales. El diseño de experimentos para probar la validez de un modelo dinámico a veces puede ser un verdadero desafío y debe pensarse cuidadosamente.