Teoria De Juegos

LA INGENIERÍA DE PROCESOS

Para hacer frente a la competencia internacional, las empresas se enfrentan a problemas complejos relativos al diseño y al desarrollo de procesos adecuados. tanto mas debido a que las exigencias de fiabilidad de los productos fabricados y de protección del medio ambiente son cada vez mas drásticas. la ingeniería de procesos, cuyos métodos y conceptos generalizan los de la ingeniería química, propone un enfoque innovador y aplicable a todos los procesos, cualesquiera que sean el producto fabricado y el sector industrial. el cuarto congreso mundial sobre esta materia, que tuvo lugar el pasado junio en Karlsruhe, Alemania, lo ha demostrado una vez mas.

JACQUES VILLERMAUX

Toda actividad industrial, cualquiera que sea, se basa en una transformación de materia y energía. Los procesos utilizados, en todos los sectores, desde la química hasta el agroalimentario, pasando por la metalurgia, la industria de los compositos, del petróleo, la electroquímica, los medicamentos, etc., representan una apuesta económica considerable. Se estima, en efecto, en los países desarrollados, que las industrias de procesos contribuyen en alrededor del 25 % al valor añadido industrial. Los problemas planteados por estas industrias son múltiples y de muy diversa naturaleza. Por supuesto, los procesos tienen que permitir responder a la demanda del mercado y adaptarse rápidamente a la competencia. Pero las instalaciones, diseñadas a partir de datos de laboratorio, comportan una fase de extrapolación, técnica y financieramente peligrosa. Del laboratorio a la fábrica no son raros factores de escala de varios miles e incluso de varias decenas de miles, y, de cien buenas ideas de laboratorio, una decena será susceptible de ser desarrollada, mientras que sólo una tendrá alguna oportunidad de conducir a un proceso comercial. Una vez realizada la instalación, la investigación de su funcionamiento óptimo y del control de la calidad de los productos requiere dispositivos de control complejos y modelos de simulación numérica. Finalmente, y esto es una exigencia absoluta, los procesos tienen que ser fiables, fáciles de mantener, seguros y no contaminantes, y al mismo tiempo representar un riesgo casi nulo para los hombres y el medio ambiente. ¿Cuál ha sido la respuesta de la industria tradicional a estos problemas? Cada rama ha desarrollado sus propias técnicas, centradas prioritariamente en los productos a fabricar y basadas en la noción de «oficio». Parecía haber pocas cosas en común, a priori, entre el saber hacer de un «químico», de un «cementero» y de un fabricante de yogures. Pero este planteamiento ya no es actualmente eficaz para responder a las necesidades de la industria, como vamos a ver. Las ciencias de la ingeniería se han desarrollado precisamente para proporcionar los conceptos y las herramientas necesarias para el estudio de los «sistemas industriales». En cuanto a la «ingeniería de procesos», que nuestro equipo ha propuesto llamar «pro-cedética», constituye una metodología general aplicable a todos los procedimientos, cualesquiera que sean el producto fabricado y el tipo de actividades.

La procedética propone un enfoque verdaderamente transversal e interdisciplinario, que favorece la emergencia de un cierto número de conceptos originales y el desarrollo de investigaciones muy activas. Se trata de hecho de una generalización de los métodos de la «ingeniería química». La transformación química es un proceso complejo cuya puesta a punto a escala productiva plantea problemas difíciles, en los que se mezclan reacciones químicas, intercambios de calor y de materia, circulación de fluidos y de sólidos, comportamiento de los materiales, etc. (fig. 1). Para resolverlos, se han tenido que idear soluciones originales que no son una simple combinación de química, termotecnia y mecánica clásicas. Esta nueva disciplina se basa en un cierto número de conocimientos y de saber hacer que los norteamericanos han llamado «paradigmas», los principales de los cuales se citarán aquí. Uno de ellos es la llamada «operación unitaria» (recuadro). Esta noción ya había sido propuesta por el norteamericano A.D. Littie, en 1915, para designar operaciones como la destilación, la filtración, el secado, etc., comunes a un gran número de industrias. Es en efecto interesante estudiar estas operaciones en sí mismas, independientemente de la naturaleza de las sustancias que intervienen, con objeto de establecer las leyes que determinan su eficacia, y diseñar los equipos industriales apropiados. La operación de agitación mecánica, por ejemplo, tiene lugar generalmente en una cuba, por medio de un dispositivo giratorio, turbina, hélice, cinta helicoidal o móvil de forma especial.

Es entonces importante saber elegir y di-mensionar el tipo de agitador apropiado para cada uso, según ia reología de la mezcla, es decir la manera en que reacciona a las solicitudes, o según que se trate de dispersar finamente las burbujas de gas o de mantener partículas sólidas en suspensión. A continuación, se tiene que ser capaz de calcular la potencia de agitación necesaria en función del tamaño de la cuba y de la masa agitada.

Otro parámetro importante es el ritmo de disipación de esta potencia en la cuba, que tiene que ser lo más uniforme posible. La calidad de la mezcla a la escala molecular (la micromezcla), que condiciona la eficacia de las reacciones, está directamente relacionada con la energía cedida localmente a las moléculas de fluido. Además, hay que realizar mapas de velocidades y de concentración en las cubas agitadas, lo que hacen actualmente posible las potentes técnicas de investigación locales como la anemometría Doppler-Láser .

Desde hace tres años, en Francia, laboratorios de ingeniería de procesos, de mecánica de fluidos y de química-física, en Nancy, Lyon y Toulouse, realizan una «acción de investigación coordinada» bajo la égida del cnrs. La conjugación de estas tres disciplinas ha permitido, por primera vez, acceder a las micro fluctuaciones de concentración, y comprender así el mecanismo de mezcla. Una de las consecuencias podría ser la puesta en entredicho de la buena vieja cuba agitada, ampliamente utilizada en la industria, que no parece ser siempre el dispositivo más adecuado para la mezcla con reacción, y ello, por dos razones. Una se debe a una mala utilización de la energía de agitación a escala molecular. La otra proviene de la dificultad de extrapolar tales cubas. Todo ello lleva por tanto a pensar en nuevos dispositivos, adecuados para cada aplicación.

Dejemos este ejemplo para abordar un segundo «paradigma» de la ingeniería de procesos, que se refiere al «enfoque sistémico». A diferencia del enfoque analítico de las ciencias clásicas que descompone, disecciona, y se concentra en las estructuras microscópicas, el enfoque sistémico apunta a obtener una visión global de las estructuras y de los comportamientos. Se interesa por la respuesta dinámica de sistemas tan variados como un grano dt catalizador, una columna de destilación o un taller de producción, es decir, por conjuntos organizados de cara a un objetivo a conseguir. Dicho de otro modo, considera el bosque más que el árbol. Estos puntos de vista complementarios han sido muy analizados por J. de Ros-nay en Le macroscope.^ Aunque no es privativo de la ingeniería de procesos, el enfoque sistémico se adapta particularmente bien a la descripción de sistemas de producción industriales. Permite, por ejemplo, construir modelos matemáticos de complejidad ajustable, cuya finura se adapta a las necesidades. ¡En cierto sentido se utiliza un «macroscopio» de tamaño variable!

Una ilustración de este tipo de enfoque la proporciona la modelización de circulaciones reactivas. Supongamos que se quiere describir una circulación de materia en un aparato de forma complicada, sede de una transformación química. El enfoque analítico de la mecánica de fluidos consiste en escribir las ecuaciones locales de Navier-Stokes, que dan en cada punto los campos de velocidades, de composición química y de temperatura, complementadas con términos de consumo y de producción para las reacciones químicas. La resolución de estas ecuaciones conduce a problemas numéricos difíciles. Sólo es posible, con los actuales medios de cálculo, para geometría y fluidos sencillos, constituidos, por ejemplo, por un solo líquido o un solo gas. ¿Qué hacer en las situaciones prácticas en las que se encuentra a menudo mezclas complejas con dispersiones de burbujas de gas o sólidos en suspensión en aparatos, ellos mismos, de formas muy complejas?

El británico P.V. Danckwerts, de Cambridge, proponía, en 1953, caracterizar la circulación por medio de una función llamada «distribución de los tiempos de permanencia» (dtp). Esta distribución representa la fracción del caudal de materia en circulación que permanece durante un tiempo dado en el aparato. Tiene el interés de ser fácilmente mensurable. Basta registrar la respuesta a una inclusión de trazador inyectado en la entrada del aparato. Si se conoce, además, el desarrollo de la transformación química en función del tiempo, se puede, mediante algunas hipótesis de mezcla, estimar el rendimiento de la transformación a la salida. Para representar la dtp, y siguiendo al solo líquido o un solo gas. ¿Qué hacer en las situaciones prácticas en las que se encuentra a menudo mezclas complejas con dispersiones de burbujas de gas o sólidos en suspensión en aparatos, ellos mismos, de formas muy complejas?

El británico P.V. Danckwerts, de Cambridge, proponía, en 1953, caracterizar la circulación

...