ESTUDIO DEL FUNCIONAMIENTO Y SIMULACIO SIMULACIO N DE UNA COLUMNA COLUMNA DE DESTILACIO DESTILACIO N BINARIA INTRODUCCIÓN La destilación es el procedimiento de separación de especies químicas más extensamente utilizado en las industrias de proceso. Pese a ser una técnica muy antigua, continúa a la vanguardia gracias a que posee una base tecnológica relativamente madura, siendo el método de separación clave contra el cual otros métodos alternativos pueden compararse. Desde sus inicios, la ingeniería química ha estado ligada al desarrollo de la destilación, y son sus profesionales los que tienen competencia más directa con ella. Lo anterior pone de manifiesto la necesidad de una adecuada formación de los ingenieros químicos en esta importante técnica. El trabajo que aquí se presenta es un intento por proveer nuevas herramientas que complementen la formación académica tradicional en esta área. La preparación del ingeniero químico no debe limitarse al conocimiento de los aspectos conceptuales de la operación, sino que debe complementarse con modelos matemáticos que sean representativos de las situaciones reales. En este sentido, la simulación de procesos brinda algunas herramientas que complementen la formación académica tradicional en esta área. La preparación del ingeniero químico no debe limitarse al conocimiento de los aspectos conceptuales de la operación, sino que debe complementarse con modelos matemáticos que sean representativos de las situaciones reales. En este sentido, la simulación de procesos brinda algunas herramientas que permiten solucionar eficaz y eficientemente dichos modelos. Sin lugar a dudas, la aparición del computador y el desarrollo de la informática han influido de manera importante sobre la sociedad de fin de siglo en diversas áreas. En el campo de la educación, el computador se ha convertido en una herramienta indispensable por diferentes razones: permite el manejo fácil y eficiente de la información, brinda la capacidad de desarrollar trabajos de de diversa índole hábilmente, permite mayor interacción entre el usuario y la información, etc. En la simulación de procesos, el computador tiene la mayor relevancia, pues es el medio para poder implementar los modelos matemáticos y hallar soluciones satisfactoriamente. Lo anterior hace que sea el instrumento esencial en el desarrollo de este trabajo, que en esencia es un software, que además de ser un simulador para el cálculo de torres de destilación por etapas, es un tutor de la operación.
I.
OBJETIVOS 1.1
Objetivos Generales
Elaborar un simulador simulador que prediga el tiempo y temperatura temperatura en un destilador destilador binario.
1.2
II.
Objetivos Específicos
Formular el modelo matemático de un destilador binario. Elaborar el software que describa el comportamiento de un destilador binario. Determinar la variación tiempo temperatura en un destilador binario.
JUSTIFICACIÓN
Dada la expansión y desarrollo que tendrá el sector químico en los próximos años, es necesario prepararse para hacer frente a la demanda masiva de un producto calificado. Debido a la complejidad que presentan las unidades de destilación que se encuentran en las plantas industriales, tales como en la petroquímica, la demanda de un producto con calidad y de bajo costo no podrá satisfacerse si no usan herramientas matemáticas. Con todo lo anterior se puede anticipar que las empresas que no implanten este tipo de tecnologías tecno logías no podrán competir con las grandes empresas. El uso racional y sistemático de un modelo matemático en unidades de destilación, con lleva un cierto tipo de ventajas que han motivado fuertemente su implementación hoy en día en algunos países de Europa (Francia y Alemania) y de Norteamérica (Estados Unidos y Canadá). Estas ventajas pueden ser:
Aumentar la eficiencia y confiabilidad de una unidad de destilación. Ahorrar en la inversión de capital en la fabricación de la unidad. Optimizar el proceso a su máxima capacidad. Mejorar los procedimientos de operación. Adiestramiento de operadores para la reducción de riesgos e incremento de la seguridad. Promover la investigación de este campo en el país para lograr tener una tecnología de punta.
Con el desarrollo en la implementación de modelos matemáticos en procesos de destilación industrial, tales como en la petroquímica, se podrá reducir significativamente los costos de producción, aumentando la calidad de los productos y así poder ser de los primeros países de América Latina que desarrolle
este tipo de tecnología. Se puede mencionar que este tipo de simuladores, ya se pueden encontrar en el mercado internacional como paquetes de simulación y cuestan más de $100,000 dólares estadounidenses. Por lo tanto la obtención del modelo binario, se puede justificar también por el ahorro económico en el proyecto de investigación que se realiza.
III.
MARCO TEÓRICO
La destilación de mezclas binarias es una de las operaciones básicas más importante en la industria química. En esencia la destilación binaria consiste en la formación dedos fase (liquido- vapor) mantenidas en contacto lo suficiente para que se difundan los componentes de forma que al separarlas se consigan dos fracciones de distintas composición. Puede ser que:
Embulla el líquido y se condense a parte (destilación flash) Retorne parte del condensado al destilador (reflujo) de forma que el líquido descendente contacta íntimamente con el vapor que asciende al condensador (rectificación). Así, el vapor es más rico en el componente más volátil de la mezcla.
El objetivo de la destilación es alcanzar un destilado rico en el componente ligero y un residuo rico en el componente pesado. La separación requiere
Una segunda fase debe ser formada tal que las fases de líquido y vapor están presentes y puedan estar en contacto en cada etapa dentro de la columna. Los componentes tengan diferente volatilidad de manera que se repartan entre las dos fases de manera diferente. Las dos fases puedan separarse por gravedad u otro mecanismo. La destilación extractiva es una técnica utilizada para separar mezclas binarias azeotrópicas, en la que se adiciona un agente de separación o solvente, cuya característica principal es que no presenta la formación de azeótropos con ninguno de los componentes de la mezcla a separar.
El solvente altera de manera conveniente las volatilidades relativas de los componentes de la mezcla, por talrazón debe tener baja volatilidad para asegurar su permanencia en la fase líquida, además, para garantizar el contacto con la mezcla a lo largo de toda la columna debe tener un punto de ebulliciónsuperior al de los componentes a separar y se debe adicionar en una de las etapas cercanas al condensador, por encima de la etapa de mezcla azeotrópica.
3.1
Fundamentos del Modelado de una Columna de Destilación Binaria
En este capítulo se describirán los principios fundamentales y las relaciones que intervienen en los cálculos de la destilación de mezclas, partiendo de sus principios básicos. Para hacer énfasis en la aplicación de los principios fundamentales de este proceso de separación, se describirá físicamente la columna de destilación, así como también todos los elementos periféricos que la pueden componer. Definiendo así las variables más importantes, las cuales se utilizarán para el desarrollo de la tesis.
3.1.1
Descripción del proceso
La destilación es un proceso en el cual una mezcla del líquido o del vapor de dos o más sustancias es separada en sus fracciones componentes con la pureza deseada, por la aplicación y el retiro de calor. El método de la destilación se basa en los diferentes puntos de ebullición de dichos componentes, hay que mencionar que en este trabajo se considerará al componente con punto de ebullición bajo como “volátil”, en relación con los demás componentes que tengan punto de ebullición mayor. Los compuestos con una presión de vapor baja tendrán puntos de ebullición altos y los que tengan una presión de vapor alta tendrán puntos de ebullición bajos.
3.2
3.2.1
Tipos de destilación La Destilación Simple Destilación Fraccionada (que se estudiará más adelante un poco más detalladamente) Destilación por Arrastre con Vapor.
En la Destilación Simple
El proceso se lleva a cabo por medio se una sola etapa, es decir, que se evapora el líquido de punto de ebullición más bajo (mayor presión de vapor) y se condensa por medio de un refrigerante (figura 2.1).
Figura 2.1.- Destilación simple.
3.2.2
Destilación fraccionada
El proceso se realiza en multi etapas por medio de una columna de destilación en la cual, se llevan a cabo continuamente numerosas evaporaciones y condensaciones. Al avanzar a lo largo de la columna, la composición del vapor es más concentrada en el componente más volátil y la concentración del líquido que condensa es más rica en el componente menos volátil. Cabe mencionar que este tipo de destilación es mucho más eficiente que una destilación simple y que mientras más etapas involucre, mejor separación se obtiene de los componentes (figura 2.2).
Figura 2.2.- Destilación Fraccionada. En la Destilación por Arrastre de Vapor, se hace pasar una corriente de vapor a través de la mezcla de reacción y los componentes que son solubles en el vapor son separados. Entre las sustancias que se pueden separar por esta técnica se pueden citar los Aceites Esenciales.
Figura 2.3.- Destilación por Arrastre de Vapor. Actualmente, la destilación es la técnica más común de separación de mezclas, además de que hay un consumo enorme de energía, debido a los requerimientos de enfriamiento y calentamiento; por lo que podríamos hacer una notable reducción de costos en equipos ya establecidos por medio de un proceso de optimización y control del proceso. Este trabajo se enfocará a la destilación por medio de una columna de destilación, por lo que se hablará un poco acerca de los tipos de columnas de destilación que existen.
3.3
Descripción de una columna de destilación
Una columna de destilación, consiste en un recipiente vertical con suficiente altura para que en su espacio interior hagan contacto las corrientes de vapor y el líquido, con el propósito de que se efectúe una transferencia de masa entre las dos fases, ya que el contacto de las dos fases en general se lleva a cabo mediante una serie de platos o charolas. En condiciones normales de operación, una cierta cantidad de líquido se aloja en cada plato y existen dispositivos internos (empaques o válvulas) para que los vapores ascendentes pasen a través del líquido y hagan contacto con él. El líquido descendiente fluye del plato superior a través de un ducto de bajada, pasando al siguiente plato inferior. Hay muchos tipos de columnas de destilación, cada una diseñada para realizar tipos específicos de separaciones, y cada diseño diferencia en términos de la complejidad; así podemos separarlas según su funcionamiento en dos grandes grupos, donde
tenemos por un lado las columnas discontinuas y las columnas continuas.
3.3.1
Columnas Discontinuas
En la operación de una columna discontinua, la alimentación a la columna es introducida por lotes. Es decir, la columna se carga con un lote (volúmen de mezcla) y entonces el proceso de destilación se realiza hasta el final o hasta haber alcanzado la temperatura de ebullición del componente menos volátil; aquí hay que interrumpir la destilación, vaciar la columna y llenarla nuevamente con mezcla. Operando de esta manera hay pérdidas inevitables, ya que al interrumpir el proceso, el vapor que se encuentra ascendiendo por la columna (del componente más volátil) cae de regreso a la columna. Este método es utilizado cuando la cantidad de mezcla que se quieren destilar es poca y si la producción es lo suficientemente grande es preferible utilizar el fraccionamiento en forma continua
3.3.2
Columnas Continuas
En contraste con las columnas discontinuas, las columnas continuas procesan una secuencia continua de la alimentación, con este fin tenemos una entrada a una altura calculada de la columna por la que continuamente se introducirá la mezcla durante la destilación. Cabe destacar que en estas columnas no ocurre ninguna interrupción a menos que haya un problema con la columna o las unidades de proceso circundantes. Estas columnas son capaces de manejar altos rendimientos de procesamiento y son las más comunes. Por lo que nos concentraremos solamente en esta clase de columnas. Tipos de columnas continuas
Las columnas continuas se pueden clasificar más a fondo según:
La naturaleza de la alimentación que están procesando
a) Columna binaria la alimentación contiene solamente dos componentes b) Columna multi-componente la alimentación contiene más de dos componentes
El número de las secuencias del producto que tienen
a) Columna de muchos productos la columna tiene más de dos secuencias del producto donde la alimentación adicional sale cuando se utiliza para ayudar con la separación, b) Destilación extractiva donde la alimentación adicional aparece en la secuencia inferior del producto
c) Destilación azeotropica donde la alimentación adicional aparece en la secuencia superior del producto
El tipo del interior de la columna
3.3.3
Columna de platos donde los platos de varios diseños se utilizan para soportar el líquido para proporcionar a un contacto mejor entre el vapor y el líquido, por lo tanto una separación mejor Columna de discos apilados donde en vez de las platos, hay una pila de discos que se utiliza para realzar el contacto entre el vapor y el líquido
Componentes principales de las columnas de destilación
Las columnas de destilación están hechas de varios componentes, los cuales se utilizan para el intercambio de energía térmica. Una destilación típica contiene varios componentes importantes: En el interior de la columna hay una serie de platos donde se realiza la separación de componentes. Un rehervidor para proporcionar a la vaporización necesaria para el proceso destilador. Un condensador para enfriar y condensar el vapor que sale de la parte superior de la columna. Una válvula que permita el retorno del vapor condensado en la parte superior de la columna (reflujo) y así obtener una mejor concentración de la sustancia (figura 2.4).
Figura 2.4.- Columna de Destilación de n Platos
3.3.4
Operación de una Columna de Destilación
La mezcla líquida entra a la columna en el plato de alimentación para ser procesada este se encuentra generalmente cerca de la mitad de la columna. El plato de alimentación divide a la columna en dos secciones, una sección superior o zona de rectificación o enriquecimiento y una sección inferior o zona de agotamiento. El líquido de alimentación se pasa previamente por un intercambiador de calor con objeto de que entre a la columna ya precalentado. La alimentación fluye hacia la parte baja de la columna donde se acumula en el rehervidor. Hay que hacer mención de que cada plato de la columna tiene las características de permitir el paso de líquido hacia el plato inmediato inferior y a su vez permitir el paso del vapor procedente del mismo plato inmediato inferior. El calor se suministra al rehervidor para generar el vapor. El rehervidor es una tubería por la que circula un fluido a una temperatura mayor a la de la mezcla y por contacto físico se transmite el calor, generando así el vapor, en la mayoría de las plantas químicas normalmente utilizan el vapor de agua como fuente de calor. En refinerías, la fuente de calor puede ser las secuencias de la salida de otras columnas. El vapor levantado en el rehervidor se reintroduce en la unidad en el fondo de la columna. El líquido quitado del rehervidor se conoce como el producto del fondo o producto de cola (figura 2.5).
Figura 2.5.Rehervidor. El vapor sube por la columna hasta llegar al condensador; donde se cambia de la fase gaseosa a la líquida, obteniendo así un líquido del componente más volátil; este líquido puede reciclarse nuevamente a la columna para obtener un componente más puro (reflujo); o se puede sacar directamente como producto destilado (producto de cabeza). Por lo que podemos decir que dependiendo de las veces que se recicle el líquido a la columna se obtendrá un componente más puro (figura 2.6). Se puede dar el caso de que no se logre una separación completa en una sola columna; en este caso se conecta a continuación otra columna para completar la separación, lo que supondría alargar la primera columna. Estas dos columnas se pueden llamar de producto bruto y de producto puro respectivamente.
Figura 2.6.Condensador. En una columna hay flujos internos de vapor y del líquido así como flujos externos como el de alimentación y el flujo del rehervidor. El tamaño de una columna es muy variado, dependiendo de la complejidad del proceso de separación, llegando a tener diámetros de más de dos metros y existen columnas que llegan a tener hasta treinta metros de altura.
3.3.5
Interior de una Columna (Platos o charolas)
Como ya se mencionó anteriormente dentro de una columna hay platos por los que están circulando los fluidos, es indispensable que estén en contacto físico el vapor y el líquido, porque de esta manera habrá un intercambio de temperatura, es decir, que cuando el vapor sube de un plato a otro, pase a través del líquido, para hacer una pequeña condensación, que se hará ya que el líquido está a una temperatura más baja que el vapor, todo esto nos lleva al beneficio de que tendremos un componente más puro, hay muchos diseños de platos, algunos tienen válvulas, otros simplemente tienen agujeros y el tamaño de los mismos depende del diseño (figura 2.7).
Figura 2.7.- Ejemplos de Platos de una Columna Los Fluidos que circulan dentro de una Columna de Destilación Cada plato tiene 2 conductos, el primero es por el cual bajarán los líquidos al plato
inmediato inferior por acción de la gravedad, además cada plato posee un vertedero para asegurar que siempre haya un volúmen de líquido en cada plato, para que cuando el vapor suba, (por ser más ligero) tenga contacto con el líquido, vía las aperturas en cada plato. El área permitida para el paso del vapor en cada plato se llama el área activa del plato. Mientras que el vapor más caliente pasa a través del líquido en el plato superior, se transfiere calor al líquido. Con esta acción, algo del vapor se condensa y se integra al líquido en el plato. El condensado, sin embargo, es más rico en los componentes menos volátiles que está en el vapor. Además, debido al calor suministrado por el vapor, el líquido en las ebulliciones del plato, genera más vapor. Este vapor, que se mueve hasta el plato siguiente en la columna, es más rico en los componentes más volátiles. Este continuo contacto entre el vapor y el líquido ocurre en cada plato de la columna y causa la separación entre los componentes con bajo punto de ebullición y los que tienen alto punto de ebullición (figura 2.8).
Figura 2.8.- Circulación de líquidos
3.3.6
Diseño de Los Platos
Un plato actúa esencialmente como una minicolumna, cada uno logra una fracción de la tarea de la separación. De esto podemos deducir que cuanto más platos hay, mejor es el grado de la separación y que la eficacia total de la separación dependerá perceptiblemente del diseño de los platos. Los platos son diseñados para maximizar el contacto del vapor-líquido considerando la distribución del líquido y del vapor. Esto se debe a que un contacto mejor del vapor-líquido significa una separación mejor en cada plato, con lo que mejoramos el funcionamiento de la columna. Menos platos serán requeridos para alcanzar el mismo grado de la separación. Las ventajas incluyen menos uso de la energía y una reducción considerable en los costos de construcción de una columna.
3.3.7
Rehervidores
Actualmente existen muchos tipos de rehervidores con diferentes principios de diseño. Sin embargo, pueden ser tomados como intercambiadores de calor que se requieran para transferir bastante energía para evaporar el líquido en el fondo de la columna. Los siguientes son ejemplos de los tipos típicos de rehervidores (figura 2.9).
Figura 2.9.- Tipos de Rehervidores.
3.3.8
Leyes Fundamentales
Cuando se diseña un nuevo proceso o se analiza uno ya existente, deben tomarse en cuenta ciertas restricciones impuestas por la naturaleza. Así mismo se discutirá de otras leyes fundamentales en la física que servirán como base para la obtención del modelo matemático de la columna de destilación. Para la construcción de un modelo matemático tenemos que tomar en cuenta los siguientes factores:
La aplicación de las leyes de conservación adecuadas que estén presentes en el modelo. Utilizar las expresiones adecuadas para las transferencias de masa y energía que ocurren dentro del sistema. Establecer las limitaciones que tiene el modelo, ya que afectarán al resultado final. Realización de algunas pruebas para asegurarnos que funciona adecuadamente.
Como se mencionó anteriormente se tiene que aplicar un conjunto de leyes fundamentales, las cuales están dadas por ecuaciones de continuidad (masa), de energía, de movimiento, de equilibrio, de estado, etc.
IV.
MARCO CONCEPTUAL 4.1
Fundamentos De Modelado, Simulación Y Simuladores
En este capítulo se describirán los principios fundamentales y las relaciones que existen entre los modelos, las simulaciones y los simuladores, partiendo de una definición sencilla. Para hacer énfasis en la aplicación de los modelos en los simuladores, se utiliza un ejemplo sencillo para comprender el uso de los simuladores y entender cómo y cuándo se pueden usar las simulaciones.
4.2 Modelo Un modelo es la representación física o gráfica de un objeto o sistema a escala o de tamaño real con la finalidad de manipular bajo condiciones de ambiente diversas, lo
que permite ayudar a entender mejor el objeto o sistema. Un modelo de un objeto, puede ser una réplica exacta del mismo o puede ser la abstracción de las propiedades más sobresalientes del objeto. El concepto de la representación de algún sistema con un modelo, es tan general que es difícil clasificar todas las funciones que se tienen. Para poder construir un modelo matemático necesitamos tomar en cuenta la aplicación de las leyes de conservación adecuadas que se presenten en el proceso, usar las expresiones adecuadas para considerar las transferencias de energía y masa dentro del sistema, tomar en cuenta las limitaciones ya que afectarán directamente a los resultados, asegurarse que el número de variables sea igual al número de ecuaciones y realizar algunas pruebas que demuestren el buen funcionamiento del modelo.
4.2.1
objetivo de un modelo
La construcción de modelos es una metodología experimental cuyos objetivos son: formular teorías o hipótesis que nos ayuden a comprender el comportamiento del sistema, hacer predicciones a partir de las teorías o hipótesis obtenidas y describir el comportamiento de un sistema.
4.2.2
isomorfismo de un modelo
Se dice que un modelo es isomórfico, cuando hay una correspondencia igual entre el modelo y el sistema representado (grado de isomorfismo) en el modelo, conservando las relaciones e interacciones exactas entre los elementos. También hay que tomar en cuenta los modelos homomórficos, que son los modelos que son parecidos en forma, pero diferentes en su estructura fundamental, ya que no se toman en cuenta o se hace caso omiso a fenómenos que están presentes en el sistema
4.2.3
criterios de evaluación de un modelo
Para que un modelo sea bueno debe de reunir ciertas características, entre ellas la más importante debe ser, que los resultados obtenidos en el modelo sean lo más apegados a los obtenidos experimentalmente directamente del sistema, y otros como que sea sencillo de usar, que se pueda modificar o actualizar, que se pueda hacer más complejo, etc.
4.2.4
Estructura de un Modelo
Los modelos se forman por la combinación de los siguientes elementos:
4.3
Componentes. Es la estructura del sistema y se pueden llamar también subsistemas. Variables. Son cantidades que pueden tomar solo aquellos valores que la forma de la función hace posible, existen variables independientes (entradas) y dependientes (estados y salidas) Parámetros. Son cantidades a las cuales el operador del modelo puede asignar valores arbitrarios. Relaciones funcionales. Describen variables y parámetros para mostrar su comportamiento dentro de un componente o entre componentes de un sistema. Restricciones. Limitaciones impuestas sobre los valores de las variables.
Simulación
La simulación es una técnica numérica para conducir experimentos en una computadora, estos experimentos comprenden ciertos tipos de relaciones matemáticas y lógicas, las cuales son necesarias para escribir el comportamiento y la estructura de sistemas complejos del mundo real a través de largos periodos de tiempo. La simulación se define como el proceso de desarrollar un modelo de un problema y estimar medidas de su comportamiento llevando a cabo experimentos muestrales sobre el modelo. La simulación se puede explicar como el tratar de imitar una cosa verdadera por medio de un modelo y una computadora. Un simulador de vuelo en una computadora, es solamente eso, una imitación de los principales aspectos que se ven durante un vuelo; muestra en la pantalla los controles y todo lo que el piloto vería. Simulación, es el proceso de diseñar un modelo de un sistema real y conducir experimentos con este modelo, con el propósito de entender el comportamiento del sistema o de evaluar varias estrategias para la operación del mismo. Con todo esto debemos comprender que el proceso de simulación, comprende desde la cons- trucción del modelo, hasta el uso del mismo La simulación, es una metodología experimental que busca: Describir
el comportamiento de un
sistema. Construir teorías e hipótesis que nos ayuden a la mejor comprensión del
comportamiento observado. El uso de estas teorías para establecer predicciones de comportamientos futuros (efectos producidos por cambios en el sistema o en su método de operación) La simulación no es una técnica de optimización, más bien es una técnica para estimar las medidas de desempeño del sistema modelado. El uso de la simulación se ha extendido a muchas áreas de la ciencia y la tecnología, como se muestra a continuación:
Ciencia:
- Estimación del área bajo la curva o de manera más general, evaluación de integrales múltiples. - Estimación de la constante !. - Inversión de matrices. - Estudio de difusión de partículas.
Soluciones prácticas:
- Problemas industriales, incluyendo el sistema de líneas de espera, redes de comunicación, control de inventarios o procesos químicos. - Problemas de negocios y de economía, incluyendo el comportamiento del consumidor, determinación de precios, predicción económica y la operación total de la empresa. - Problemas de comportamiento y sociales, como la dinámica de la población, efectos del medio ambiente en la salud, estudios epidemiológicos y comportamiento de grupos. - Sistemas biomédicos, como el balance de fluidos, distribución de electrolitos en el cuerpo humano, proliferación de células sanguíneas y actividades cerebrales. - Estrategias y tácticas de guerra.
4.3.1
¿Por qué usar simuladores?
Volar en un simulador, es seguro y barato comparándolo con un vuelo en un aeroplano real. Por ésta y otras razones se utilizan los modelos en muchas áreas como la industria, militar, el comercio, etc. ya que implicaría grandes costos, muchos peligros y en muchas ocasiones sería casi imposible hacer experimentos con sistemas reales; un modelo lo podemos adaptar a las necesidades que requerimos, es decir lo podemos apegar lo más posible a la realidad para tratar de que arroje resultados muy parecidos a los del sistema, experimentar con modelos nos ayuda a ahorrar grandes cantidades de dinero y
tiempo.
4.3.2
Ventajas y desventajas de los simuladores.
Barish, señala que la experimentación directa con un sistema real elimina muchas de las dificultades que aparecen al tratar de obtener una buena concordancia entre el modelo y las condiciones reales; sin embargo las desventajas de la experimentación directa son ocasionalmente grandes porque:
Puede ser muy difícil mantener las mismas condiciones de operación para cada replica o corrida del experimento. No podría ser posible explorar muchos tipos de alternativas en la experimentación con sistemas reales.
Algunas de las ventajas que la simulación ofrece son:
El poder observar una historia simulada del proceso durante un periodo de tiempo, además de estimar ciertos parámetros. La simulación puede ser la única posibilidad debido a la dificultad de conducir experimentos y observar fenómenos en su ambiente real. Es una poderosa aplicación educativa y de entrenamiento, que permite al experimentador ver y jugar con el sistema, ayudándolo al mismo tiempo a entender los diferentes problemas que puedan surgir. La simulación permite un completo control del tiempo, ya que un fenómeno se puede acelerar o retrasar según se desee.
A pesar de tener grandes ventajas, la simulación no da siempre respuestas a problemas inmediatos de la manera más eficiente y efectiva; por lo que sus desventajas principales son: El desarrollo de un buen modelo de simulación es costoso y requiere una gran inversión de tiempo. Una simulación parece reflejar en forma precisa una situación real, cuando en realidad, no lo hace.
4.3.3
¿Cuándo usar las simulaciones?
Con los sistemas que cambian con el tiempo, como por ejemplo una estación de servicio (gasolinera), donde los autos llegan y se van (sistemas dinámicos) en periodos de tiempo que no son exactos debido a que no podemos saber cuándo llegará el siguiente auto (aleatorio), son buenos candidatos para aplicar la simulación.
4.3.4
¿Cómo simular?
Suponiendo que estemos interesados en el ejemplo de la estación de servicio. Podemos describir el comportamiento de este sistema gráficamente trazando el número de coches en la estación; el estado del sistema. Cada vez que llega un coche el gráfico aumenta en una unidad mientras que un coche que sale hace que el gráfico caiga una unidad. Este gráfico (llamado camino de la muestra), se podría obtener de la observación de una estación verdadera, pero podría también ser construido artificial. Tal construcción artificial y el análisis de resultados muestrean el camino (o más caminos en casos más complejos) de la simulación.
4.3.5
Tipos de simulaciones
Evento discreto. La muestra nos enseña una gráfica que consiste en solamente líneas horizontales y verticales, como los autos que llegan en distintos tiempos (eventos). Entre dos eventos consecutivos, nada sucede (la gráfica es horizontal).Por lo tanto, cuándo el número de eventos es finito, llamamos a la simulación “evento discreto”. En algunos sistemas, el estado cambia todo el tiempo, no como en el de eventos discretos, por ejemplo el nivel de agua de un tinaco, con entrada(s) y salida(s), que cambia todo el tiempo, en este caso se debe de utilizar una “simulación continua” ya que es más apropiada, aunque una simulación de evento discreto nos puede ayudar para darnos una aproximación. A los simuladores también se les puede clasificar según su función:
Como métodos de enseñanza o como métodos de estudio (para la investigación o la industria). Como métodos de entrenamiento.
Por otro lado se han desarrollado también estructuras de simulación con el propósito de obtener la modelación de ciertos fenómenos físicos y la implantación de métodos de tratamientos de procesos físicos. Cabe destacar que actualmente la mayoría de los simuladores tienen soporte en tiempo real, con una conexión directa con los órganos de control reales (Por ejemplo controladores PID) del proceso que se está simulando. Otra forma de clasificarlos, es según sus características:
Simulador de aprendizaje: En el cual el alumno se familiariza con el proceso simulado sin llegar a adquirir un conocimiento profundo del mismo. Simulador de perfeccionamiento: con el que se adquiere un conocimiento
profundo del proceso simulado. Simulador de emergencias: está relacionado con la seguridad del personal y con el material involucrado en un caso de emergencia. Simulador de una función particular: donde los operadores se familiarizan con las técnicas particulares del tipo de proceso.
Se debe hacer mención que muchas veces se realiza una combinación de los tipos de si- muladores descritos anteriormente, haciendo con esto que el campo donde podemos utilizar los simuladores sea muy grande.
4.3.6
¿Cómo se realiza una Simulación?
Primeramente hay que crear un modelo de simulación, que comúnmente es un conjunto de hipótesis acerca del funcionamiento del sistema, expresado como relaciones matemáticas; teniendo esto hay que ejecutar el modelo en base al tiempo en una computadora para generar muestras representativas del funcionamiento, con esto se puede considerar la simulación como un experimento de muestreo acerca del sistema real, cuyos resultados son puntos de muestra, por ejemplo, para obtener la mejor estimación del promedio de la medición de funcionamiento, calculamos el promedio de los resultados de muestra, observando claramente que entre más resultados de muestra obtengamos, tendremos una mejor estimación. Hay que tomar en cuenta que existen otros factores que influyen en nuestra estimación final, como pueden ser: las condiciones iniciales de la simulación, la exactitud del modelo o la longitud de los intervalos. Generalmente las simulaciones se realizan manualmente, sin embargo, el modelo del sistema suele hacerse en algún lenguaje de programación.
4.3.7
Terminología del sistema
a. Sistema: Conjunto de entidades que actúan e interactúan para la realización de un fin lógico. b. Estado: Conjunto de variables necesarias para describir la condición del sistema en un momento determinado, tal como nivel del stock en inventario o el número de los trabajos que esperan el proceso, etc. c. Variable de estado: Variable que provoca un cambio en el estado del sistema. d. Evento: Una situación que puede cambiar el estado del sistema, tal como llegada de un cliente. e. Entidad: Un objeto que pasa a través del sistema, tal como coches en una intersección u órdenes en una fábrica (entrada). Un evento, se asocia a menudo a una entidad (cliente).
