Fundamentos de Optimización en Procesos de Ingeniería Química

Optimización en Procesos de Ingeniería Química

1. ¿Coinciden el punto óptimo técnico y el óptimo económico?

Los óptimos económico y técnico no tienen por qué coincidir. El resultado óptimo para una variable económica puede hacer que su diseño o control sean tan complejos que los beneficios no compensen el esfuerzo, haciendo que una solución subóptima sea más práctica. De igual manera, un diseño óptimo técnicamente puede resultar irrealizable en la práctica, siendo preferible una solución menos óptima.

2. Optimización condicionada en Ingeniería Química

Un problema es de optimización condicionada cuando la solución óptima debe cumplir, además de la función objetivo, alguna otra ecuación que restringe el espacio de soluciones posibles.

Ejemplos de condiciones:

• Balances de materia y energía.
• La suma de las fracciones molares de los componentes de una mezcla debe ser igual a uno.

3. Tratamiento de condiciones de igualdad y desigualdad

En la optimización analítica, estas condiciones se incluyen junto a la función objetivo mediante el uso de los multiplicadores de Lagrange.

4. La conversión óptima económica

Existe una conversión óptima económica debido a dos tendencias contrapuestas:

• Costes de reactor: A mayor conversión, el tamaño del reactor necesario es mayor y, por consiguiente, su coste aumenta.
• Costes de separación: A mayor conversión, la materia prima se aprovecha mejor y la cantidad recirculada disminuye, reduciendo los costes de separación y recirculación.

El equilibrio entre ambos factores determina el punto de coste mínimo.

5. Temperatura óptima en reacciones reversibles exotérmicas

Para minimizar el volumen de un PFR (Reactor de Flujo Pistón) en reacciones reversibles exotérmicas, se observa que ningún reactor (ni isotérmico ni adiabático) se aproxima naturalmente al perfil de temperatura óptimo. Por ello, se requiere una solución subóptima: aproximar el perfil ideal mediante un sistema de varios PFRs en serie con intercambio de calor (directo o indirecto) entre las etapas.

6. Temperatura óptima en reacciones múltiples

Cuando la energía de activación de la reacción secundaria es mayor que la de la principal, existe una temperatura óptima debido a:

• Selectividad: A mayor temperatura, la reacción secundaria progresa más, disminuyendo la selectividad y el rendimiento.
• Conversión: A temperaturas muy bajas, aunque la reacción es más selectiva, el rendimiento es bajo debido a una conversión reducida.

Existe una temperatura intermedia que maximiza el rendimiento global.

7. Tiempo de reacción óptimo en reactores por cargas

Existe un tiempo de reacción óptimo porque, cuando la conversión es elevada o está próxima al equilibrio, el incremento en la producción requiere un tiempo excesivo. Es más eficiente finalizar el proceso e invertir ese tiempo en iniciar una nueva carga, dado que la velocidad de producción al inicio del ciclo es significativamente mayor.