Diseño Óptimo Diseño de Plantas Químicas por MSc. Luis Moncada Albitres

En casi todos los casos encontrados por un Ingeniero Químico, hay varios métodos alternativos los cuales pueden ser usados para una operación o un proceso dados. Por ejemplo, el formaldehído puede ser producido por deshidrogenación catalítica del metanol, por oxidación controlada del gas natural, o por reacción directa entre CO y H2 bajo condiciones especiales de catalizador, temperatura y presión.

Cada uno de estos procesos contiene muchas alternativas posibles incluyendo variables tales como la composición de una mezcla gaseosa, temperatura, presión y cambio de catalizador. Es responsabilidad del ingeniero químico, en este caso, seleccionar el mejor proceso e incorporar las técnicas de diseño de equipo las cuales den los mejores resultados.

Diseño Económico Óptimo

Si hay dos o más alternativas para obtener exactamente resultados finales equivalentes, la alternativa preferida debería ser la que involucre el menor costo total. Esta es la base de un Diseño Económico Óptimo. Un ejemplo típico de un diseño económico óptimo es determinar el diámetro de tubería a usar cuando se bombea una cantidad de fluido desde un punto hacia otro. Aquí el mismo resultado final (una cantidad determinada de fluido bombeado entre dos puntos dados) puede lograrse usando un número infinito de tuberías de diámetros diferentes. Sin embargo, un análisis económico, mostrará que un diámetro particular de tubería dará el menor costo total. El costo total incluye el costo para bombear el líquido y los costos (cargas fijas) para la instalación del sistema de tuberías.

La representación gráfica muestra el significado de un diámetro económico óptimo de tubería

Como se muestra en esta figura, los costos de bombeo se incrementan cuando disminuye el diámetro de la tubería debido a los efectos de fricción, mientras las cargas fijas para la línea de tubería son menores cuando se usan pequeños diámetros de tubería debido a que se reduce la inversión de capital. El diámetro económico óptimo esta dado cuando la suma de los costos fijos de la línea de tubería da un mínimo ya que este representa el menor costo total. En la figura, este punto es representado por E.

El ingeniero químico muchas veces selecciona un diseño final sobre la base de las condiciones que den un menor costo total. En muchos casos, sin embargo, los diseños serán exactamente equivalentes. Es entonces necesario considerar la calidad del producto o la operación así como el costo total.

Operación Óptima
Muchos procesos requieren definir condiciones de temperatura, presión, tiempo de contacto, u otras variables si se desean obtener mejores resultados. Esto es muchas veces posible al hacer una separación de estas condiciones óptimas de las consideraciones económicas directas. En casos de este tipo, el mejor diseño es designado como el Diseño Óptimo de la Operación.

El ingeniero químico debería recordar, sin embargo, que las consideraciones económicas finalmente determinan casi todas las decisiones cuantitativas. Por lo tanto el diseño de una operación óptima es usualmente un simple instrumento o una etapa en el desarrollo de un diseño económico optimo.

Un buen ejemplo de una operación óptima es la determinación de las condiciones de operación para la oxidación catalítica de dióxido de azufre a trióxido de azufre. Suponga que todas las variables, tales como el tamaño del convertidor, velocidad del gas, actividad del catalizador, y concentración del gas de entrada, son fijas y solamente son posibles variaciones en la temperatura a la cual ocurre la oxidación.

Si la temperatura es demasiado alta, el rendimiento de SO3 será menor. Entonces habrá una temperatura a la cual la cantidad de trióxido de azufre formado sea máxima. Esta temperatura deberá dar el diseño óptimo de la operación. La figura siguiente representa un método gráfico para determinar la temperatura óptima de la operación para la conversión del dióxido de azufre de este ejemplo. La línea AB representa el máximo rendimiento obtenible cuando la velocidad de reacción es controlada, en tanto que la línea CD indica el rendimiento máximo sobre la base del control de las condiciones de equilibrio. El punto O representa la temperatura de operación óptima a la cual se obtiene el máximo rendimiento.

El ejemplo anterior es un simple caso de los que un ingeniero encontrará en un diseño. En realidad, usualmente será necesario considerar varios tamaños de convertidores y operar con una serie de temperaturas diferentes en razón de llegar a la operación óptima. Bajo estas condiciones se deberán aplicar varios diseños equivalentes y la decisión final debería estar basada en las condiciones económicas óptimas para los diseños equivalentes.

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