Diagrama de Flujo (ASPEN-HYSYS)

La simulación es una actividad fundamental en la Ingeniería de Procesos de hoy, que involucra tanto el modelamiento matemático a partir de primeros principios (Fenómenos de transporte) como el ajuste de modelos a datos experimentales (Cabe notar que en su sentido más amplio también se involucra la Simulación Molecular y la Dinámica de Fluidos Computacional ).  Es importante tener en mente que la simulación es solo una representación aproximada de la realidad, con un cierto nivel de precisión y no la realidad en si mismo; siendo imprescindible ir mucho más allá del simple manejo de programas informáticos (Simuladores de proceso) para hacer uso crítico de los resultados obtenidos por un simulador.

La actividad científica y de ingeniería que hace uso del modelamiento matemático y la simulación aplicados a la industria de procesos químicos es conocida como Ingeniería de Procesos Asistida por Computador (CAPE por sus siglas en inglés).  Su desarrollo es de tal importancia que cada año, desde 1991, la Federación Europea de Ingeniería Química organiza un congreso científico mundial bajo la etiqueta ESCAPE (European Symposium on Computer Aided Process Engineering).

La actual revolución en tecnologías de la información, así como el enorme progreso en modelamiento y tecnologías de simulación ha tenido un impacto significativo sobre la Ingeniería de Procesos.  Ha emergido un nuevo paradigma, en el cual la simulación está involucrada en todas las etapas del ciclo de vida de un proceso, desde la generación de la idea, los experimentos de laboratorio, el escalamiento a diferentes niveles, hasta el diseño y operación de la planta de proceso.

La simulación de procesos se ubica en el centro de las tres principales actividades de ingeniería:  Investigación & Desarrollo, Diseño y Operación.  El punto común es el conocimiento científico involucrado en modelos universales, tales como los métodos computacionales de carácter genérico.  Estas actividades aparentemente desconectadas, pueden enlazarce por medio de un conjunto de primeros principios, basados en modelos termodinámicos, cinética química, fenómenos de transporte, etc.

La simulación de processo puede guiar y minimizar la investigación experimental, pero no eliminarla.  Actualmente, la calibración de modelos requiere datos experimentales precisos.  Es el experimento el que pone a prueba un modelo y no lo opuesto.  La planificación estadística de experimentos debe considerarse en estos días como obsoleto.  En su lugar, la investigación experimental debe tomar ventaja del poder de los modelos rigurosos incorporados en los paquetes de simulación, particularmente en el campo de la termodinámica.

La simulación puede explorar soluciones innovadoras difíciles de reproducir experimentalmente.  Por ejemplo, la integración de Simulación de Procesos con Dinámica de Fluidos Computacional puede remplazar la construcción de costosos prototipos.  La elaboración de diagramas de flujo para plantas de proceso, involucrará el modelamiento fluidodinámico riguroso de cada operación unitaria, en un futuro muy cercano.

La globalización y el desarrollo sostenible llevan a considerar ciertos cambios en el Diseño de Procesos, tales como una alta eficiencia energética y un alto aprovechamiento de las corrientes de materia, flexibilidad, seguridad y manufactura limpia.  En ese sentido la simulación de procesos puede contribuir siginificativamente, mediante el desarrollo de nuevas tecnologías de proceso que minimicen los requerimientos de energía y de materia (cero residuos y contaminantes), y otorgando seguridad absoluta en la operación de la planta mediante la integración de un análisis de controlabilidad (Plant Wide Control) durante las primeras etapas del diseño conceptual.

Con el advenimiento de la optimización en tiempo real en la década de 1990, se abrieron grandes oportunidades para la aplicación directa de la simulación en los procesos de manufactura.  Adicionalmente, con el control de procesos basado en modelos (MPC) es posible hablar de un mantenimiento preventivo a través de la monitorización computarizada del funcionamiento de los equipos de proceso.

… a saber, puesto que la forma de todo el universo es la más perfecta y, de hecho está diseñada por el creador más sabio, nada ocurrirá en el mundo sin que salga a relucir, de alguna manera, una regla máxima o mínima. 

Leonhard Euler

La historia de los máximos y mínimos dentro de la física es interesante. Siempre se ha fundamentado la idea de que la naturaleza actúa de tal forma que determinadas cantidades tienden a ser minimizadas cuando se lleva a cabo un proceso físico.

Los antiguos griegos buscaron matematizar la naturaleza, encontrar las leyes matemáticas que rigen el universo.  Durante el renacimiento, se retomó ese punto de vista.

Fermat (Siglo XVII) formuló que los rayos luminosos viajan de un punto a otro siguiendo el camino que requiera el menor tiempo, este principio de tiempo mínimo de Fermat proporciona una ley correcta para explicar la reflexión y la refracción de la luz.

Posteriormente en el mimo siglo, Newton, Leibnitz y los Bernoulli iniciaron el desarrollo del cálculo variacional con la resolución de los problemas de la braquistócrona (cicloide) y de la forma que adquiere una cuerda suspendida (catenaria).

En el siglo XVIII, el científico francés Maupertuis (célebre por encabezar una expedición al círculo ártico para demostrar el achatiento de la Tierra en los polos) propuso que la naturaleza actúa buscando la máxima economía posible, minimizando una cantidad llamada acción (energía x tiempo).  Acuñó un principio metafísico, argumentado en consideraciones teológicas y atribuido a la sabiduría de Dios:  “Si ocurre algún cambio en la naturaleza, la cantidad de acción necesaria para éste cambio ha de ser lo más pequeña posible”.

Siguiendo esta misma línea teológica, Leibnitz había propuesto que Dios puede pensar en todos los mundos posibles pero sólo desearía el mejor entre ellos, por lo tanto nuestro mundo es el mejor entre todos los mundos posibles.

En alguna manera, ambos principios metafísicos constituían un retroceso en comparación con los progresos conseguidos por Newton en su obra Principios matemáticos de la filosofía natural, en cuanto a fundamentar la ciencia sobre causas últimas que no debían ser explicadas. 

Los siguientes 250 años, el principio de mínima acción ha resultado ser la base teórica para las leyes de Newton (formulación variacional), las ecuaciones de Maxwell de la teoría electromagnética, la ecuación de Shrodinger de la mecánica cuántica y la ecuación de campo de Einstein de la relatividad general, aunque en la actualidad ya no se suele recurrir a la hipótesis de la divinidad.

Algunas referencias sobre el principio de mínima acción:

[1]  Richard Feynman.  Feynman Lectures on Physics.  Oxford Public Library.  1964.   (En sus legendarias clases de física, Feynman dedica un capítulo especial al principio de mínima acción, Vol.II - chap. 19).

[2]  Marion, Thorton.  Classical Dynamics of particles and systems.  Thomson.  2004.  (Con una formulación de mayor contenido matemático, Chap. 6.)

[3]  Stephen Hawking.  Dios creó los números.  Crítica.  2005.  (Vida y obra de los más grandes matemáticos de la historia, explicados con la claridad que le caracteriza a Stephen Hawking, aquí encontrarán los Principia de Isaac Newton)