Fonte da figura: Escola Piloto Virtual da COPPE
Modelagem e simulação de processos químicos! O que é isto afinal?
Um processo químico é um sistema de interesse da Engenharia Química. Um modelo é uma imitação, uma mímesis de algo que está na natureza, de algo que pertence à realidade natural. Simular um modelo é extrair dele informações do tipo:
- relação de causa e efeito: como a variável de entrada x influencia na variável de saída y? Se a temperatura na reação aumentar, que efeito isto tem sobre a conversão? Se a vazão de entrada diminuir, como isto afeta a produtividade?
- comportamento estático: onde são envolvidas variações apenas espaciais
- comportamento dinâmico: onde são envolvidas variações no tempo
Para os modelos matemáticos de processos na Engenharia Química, a simulação pode ser feita a partir da solução de tais modelos realizada pelo próprio interessado (usando um ábaco, uma régua de cálculo, uma calculadora simples ou científica, ou mesmo sem nenhum recurso a não ser sua capacidade mental de cálculo) ou através de um computador (simulação computacional), com a utilização de softwares/programas específicos. A solução do modelo pode ser analítica ou numérica, em ambos os casos de simulação.
Veja aqui alguns exemplos típicos da simulação de processos e seus objetivos, na Engenharia Química.
Os resultados obtidos na solução podem ser mostrados de forma gráfica, tabelas, quadros etc. Tais resultados devem ser analisados, discutidos e confrontados com medidas ou observações experimentais a fim de verificar se são representativos ou não do processo ou fenômeno que pretendem descrever.
Em geral, os modelos possuem parâmetros que são ajustados de tal forma a representarem com maior ou menor fidelidade a realidade. Quanto mais preciso e exato for o modelo, mais oneroso (caro) é seu processo de desenvolvimento. Há também modelos que são desenvolvidos utilizando somente teorias e não possuem parâmetros ajustados a partir de dados experimentais, mas ainda não são comuns no âmbito da Engenharia Química (a Teoria Geral da Relatividade seria um exemplo?). Neste caso, a confrontação com os dados experimentais não é para fazer estimativa de parâmetros, mas somente para aceitar ou rejeitar o modelo.
Assim, o desenvolvimento de um modelo ilustra bem o método hipotético-dedutivo muito utilizado nas ciências (ou método científico) (ou scientific method):
- através do uso de certas hipóteses, desenvolve-se um modelo;
- resolve-se o modelo e ajustam-se alguns parâmetros;
- utilizando o modelo, fazem-se previsões ou deduções;
- a fim de verificar se estão corretas, tais deduções/previsões são comparadas com observações experimentais;
- caso não haja coincidência entre ambos, as hipóteses devem ser revistas.
O ajuste de parâmetros (um dos métodos de ajuste mais comuns é a minimização dos quadrados dos erros ou least square) pode ser visto como um meio termo onde o modelo desenvolvido é “forçado” a se ajustar aos dados experimentais, dentro de certos limites (regressão). Em geral os métodos de ajuste são estatísticos.
Como pode ser verificado, na modelagem e simulação de processos químicos se unem diversas áreas do conhecimento (matemática, ciências naturais, computação, filosofia, tecnologia etc) ou disciplinas do currículo (cálculo diferencial e integral, estatística, cálculo numérico, física, química, biologia, informática, balanços de massa e energia, temodinâmica, fenômenos de transporte, operações unitárias, incluindo reatores etc).
Nesta perspectiva e considerando a figura acima, o que é: sistema, modelo, imitação, simulação, relação de causa e efeito, solução?
Ilustre estes conceitos com exemplos/figuras/vídeos da literatura, internet etc.
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