dc.description.abstract | La difusión en zeolitas es un fenómeno de una gran importancia en ingeniería química. Esta
difusión se diferencia de la difusión ordinaria en el sentido en que las moléculas tienen que moverse a
través de canales de dimensiones moleculares. Consecuentemente, hay una interacción constante
entre las moléculas que difunden y las paredes de la zeolita, y el movimiento molecular esta por tanto
fuertemente influenciado por el tamaño y la forma exacta de estos canales. Mientras que en el caso de
los gases y de los líquidos el comportamiento y el valor exacto de la difusividad se pueden calcular
con facilidad relativa, los valores exactos de éstos son mucho más difíciles de predecir para las
zeolitas. Además para la obtención de estas difusividades tenemos que recurrir a técnicas
experimentales. No hay sin embargo ninguna teoría confiable que puede predecir fácilmente la
difusividad para diversos componentes en diversas zeolitas. Además, existen a menudo grandes
discrepancias entre los valores obtenidos por las diferentes técnicas, y la ejecución de estos
experimentos no es a menudo directa. Sería así ventajoso tener una buena comprensión de qué puede
suceder dentro de estas zeolitas.
Por todo lo anterior, sería muy interesante tener una herramienta informática que nos permita
comparar distintas zeolitas respecto a la difusión sin tener que recurrir a técnicas experimentales para
la obtención de estas difusividades, y a ser posible en un tiempo relativamente pequeño. Este trabajo
pretende ser un primer acercamiento a ese objetivo, mediante la creación y desarrollo de un software
informático propio que nos permita estudiar la dinámica de una molécula en diferentes modelos
simples que simulan estructuras porosas pioneras, que por posterior complicación de estás, se
obtendrían estructuras zeoliticas reales, las cuales tienen un campo muy amplio de utilidad en
Ingeniería Química. En el presente trabajo, por tanto, se ha ideado, desarrollado y programado íntegramente un
simulador dinámico, al que llamamos simDIF, de la dinámica de una molécula a través de diferentes
modelos de estructuras porosas. Dicho simulador opera como complemento de MS Excel®, y ha sido
creado y programado para que su uso, sea fácil e intuitivo, mediante una interfaz gráfica desde la cual
resulta muy sencillo realizar cualquier tarea, desde comenzar la simulación o consultar los resultados
y gráficos correspondientes. Además el llevar a cabo una simulación con simDIF, resulta también una
tarea sencilla ya que mediante la aparición de ventanas emergentes seremos guiados en todo momento
y nos garantiza el hecho de que el sistema que se desea simular quede completamente especificado.
También este programa se ha creado como complemento de MS Excel® puesto que el hecho de
operar bajo esté, le permite elaborar las tablas y las gráficas resultantes de la simulación de manera
autosuficiente e instantáneamente, por lo que una vez acabada la simulación se nos mostrarán todas
las tablas y gráficas sin tener que crearlas nosotros. Esta herramienta de simulación nos va a permitir
obtener valores del tiempo de escape, es decir, el valor del tiempo exacto que transcurre desde que la
molécula se lanza en el instante t0 en el interior del modelo poroso correspondiente con las
condiciones iniciales elegidas por el usuario del programa, hasta que abandona dicho modelo por
cualquiera de las aberturas de este a t= tescape. Este tiempo de escape de una molécula, lo podremos
obtener fácilmente con simDIF para cada uno de los modelos porosos seleccionados, de manera que
podamos comparar sin tener que recurrir a experimentación, la resistencia que ofrecen diferentes
estructuras porosas al movimiento de la molécula, que a efectos de comparación será equivalente al
tiempo de difusión ya que está relacionado con él. Además nos permite poder jugar con una gran
facilidad, con un buen número de parámetros, y poder analizar en detalle la dinámica del sistema para
cada uno de los modelos estudiados. Por ejemplo, en función de parámetros geométricos del modelo
poroso como pueden ser su diámetro o longitud, o de condiciones iniciales de la molécula como
puede ser el ángulo de entrada, la velocidad, parámetro disipativo o de rozamiento, etc.
A lo largo del trabajo se expone el modelo que definirá nuestro sistema el cual estará
compuesto de dos ecuaciones diferenciales de segundo orden, y también se expondrán los principales
métodos numéricos para resolver ecuaciones diferenciales, explicando de entre todos los métodos
expuestos cual es el método numérico elegido, que en este caso resulta ser el método de Runge-Kutta
de cuarto orden con el que resolveremos el modelo planteado. También se mostrara un esquema de
todas las estructuras porosas elegidas y que simDIF nos permite simular para su posterior estudio.
Además, y puesto que este programa es íntegramente de creación propia, añadimos una breve guía
para la utilización correcta de esté, aunque como ya hemos mencionado antes, gracias a su interfaz
gráfica el llevar a cabo una simulación no resulta nada complejo. Finalmente veremos los resultados
obtenidos para cada uno de los 7 tipos de modelos porosos estudiados, donde se observa claramente tras estudiar todos los modelos y para un rango de valores de ángulos de entrada, como en todos los
casos estudiados, la complejidad estructural y el número de aberturas o salidas del poro, son los
factores clave en los tiempos de escape de la molécula. Los poros con una mayor complejidad
estructural, es decir, con una topología de la red interna de canales más compleja, van a presentar en
todos los casos unos tiempos de escape para la molécula mayores, aunque como ya hemos
mencionado antes y veremos en el capitulo 5, la presencia de un número mayor de aberturas o salidas
posibles para la molécula hará que este tiempo de escape disminuya frente a un poro con menor
número de salidas y complejidad parecida.
Por otro lado, gracias a un módulo que también ha sido programado íntegramente y acoplado
a simDIF, veremos como afectan 3 parámetros claves en el movimiento de la molécula. Estos son la
longitud del poro (L) que según aumenta, como veremos en el capítulo 5, aumentarán los tiempos de
escape. El diámetro interno del poro (D), que tendrá una tendencia general de decaimiento de los
tiempos de escape al aumentar esté. Y por último el coeficiente de rozamiento (¿), que en un primera
parte provocará un aumento ligero de los tiempos de escape según se incrementa, hasta que alcance
un valor determinado a partir del cual los tiempos de escape sufrirán un aumento exponencial hasta
llegar a valores de infinito, lo que significara que la molécula no escapa del poro. Además este valor
límite de ¿, para el cual los tiempos de escape saltan bruscamente, será menor cuanto más compleja
sea la estructura porosa.
En la última parte de los resultados, y gracias otra vez a un segundo módulo que también ha
sido creado y programado íntegramente y acoplado a simDIF, veremos el espacio de condiciones
iniciales, explicando en el capítulo 5 en que consiste y que información nos puede aportar. Ya que
con el espacio de condiciones iniciales podremos analizar y observar la complejidad de la estructura
porosa simplemente con echar un vistazo a su gráfico, el cual nos ofrece mucha información del la
dinámica del sistema estudiado y de su complejidad. | en_US |