• Soft-SAFT. Diseño, simulación y optimización de procesos
Martes, 23 Junio, 2020
IQS Tech Transfer

Ejemplo de propuesta de un modelo molecular con Soft-SAFT para un líquido iónico fluorado

Ejemplo de propuesta de un modelo molecular con Soft-SAFT para un líquido iónico fluorado
 

La necesidad de entender las interacciones que se producen entre los compuestos, con el objetivo de poder caracterizar su comportamiento termofísico, es un tema clave para poder diseñar cualquier operación unitaria en el mundo de la industria. Cuando se estudian nuevos procesos, la cantidad de medidas experimentales necesarias es enorme y no siempre se puede explorar en un tiempo razonable. El uso de herramientas teóricas puede permitir una evaluación rápida y poco costosa de todas las condiciones de proceso, acotando el radio de acción y reduciendo significativamente la carga experimental.

El diseño, simulación y optimización de procesos se basa en la posibilidad de disponer de modelos o ecuaciones de estado (EoS) robustas y fiables. En el Departamento de Ingeniería Química y Ciencia de Materiales de IQS, un grupo de investigadores trabaja con la herramienta Soft-SAFT [i], una ecuación de estado basada en principios de mecánica estadística que permite un gran abanico de propiedades fisicoquímicas de forma consistente entre ellas. La ventaja de Soft-SAFTrespecto a otros modelos termodinámicas que existen es su sólida base física y capacidad predictiva, la cual permite dar respuestas rápidas reduciendo significativamente el número de experimentos a realizar en un estudio concreto.
 

Funcionamiento de Soft-SAFT

Soft-SAFTestá construida a partir del análisis de las estructuras químicas de las moléculas, entendiendo que la energía de las mismas se puede determinar mediante una suma de contribuciones, correspondientes a los efectos físicos que se producen en la misma: formación de cadenas moleculares, efectos de atracción y repulsión, enlaces de hidrogeno, efectos polares, etc. esta información se obtienen  a partir de simulaciones moleculares e introducida en un código de manera efectiva, a nivel mesoscópico.  Como resultado, se obtiene una ecuación versátil que define un fluido a partir de unos parámetros que tienen sentido físico: el número de esferas que forman una cadena, el diámetro molecular de las esferas, su energía, etc. Este hecho dota a la ecuación de una extraordinaria capacidad de extrapolación, pudiendo predecir todo tipo de propiedades termofísicas en amplios rangos de temperatura y presión.

Adicionalmente, a partir del estudio de moléculas con estructuras parecidas, se puede predecir el comportamiento de nuevos compuestos y de mezclas sin datas experimentales, con un grado de precisión bastante minucioso. Además, el actual código lleva integrados otros tratamientos específicos por propiedades como la tensión superficial o la viscosidad. En total, permite calcular más de 15 propiedades termodinámicas de interés industrial con un coste computacional muy bajo, ya que el resultado se obtiene en segundos.
 

Aplicaciones y retos a los que puede dar solución

Soft-SAFT es aplicable a muchos ámbitos para conseguir la optimización y eficiencia de procesos, y por tanto mejorar el diseño de los mismos, a partir de la obtención de información termodinámica de forma precisa. Así mismo, permite el estudio de un número elevado de compuestos nuevos para seleccionar los más adecuados para aplicaciones concretas y validarlos experimentalmente, desde las moléculas sencillas hasta las más complejas.

Está dirigida a diversos sectores industriales, como son, entre otros: sectores industriales emisores de gases de efecto invernadero; industria petroquímica; sector farmacéutico (para caracterización de nuevos productos); industria de fluidos supercríticos; y la industria de la refrigeración (gases fluorados y otros refrigerantes).
 

Algunos de los retos industriales a los que puede dar respuesta son:

  • Captura de gases de efecto invernadero, mediante la búsqueda de nuevos solventes más efectivos para su recuperación
  • Evaluación de mezclas de nuevos refrigerantes con bajo potencial de calentamiento global
  • Caracterización de nuevos solventes (líquidos iónicos, solventes eutécticos profundos) en procesos de extracción; así como la optimización de las condiciones de operación
  • Determinación de la solubilidad de contaminantes en agua
  • Diseño de las condiciones termodinámicas de proceso con fluidos supercríticos



[i] F.J. Blas, L.F. Vega. Molecular Physics 92 (1997) 135-150.