Software libre para investigación y educación eningeniería química: GNU Octave y ScilabAndrés Martínez Oswaldo*, Padilla de la Rosa José Daniel* · Octubre 2015

* Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco. oswal.andres@hotmail.comIntroducción

Parte del currículum del ingeniero químico es el uso de software para resolver distintos tipos de problemas, como aquellos que involucran cálculo numérico. Paraello existen paquetes tales como Mathcad, MAPLE, Mathematica y MATLAB, que pertenecen a la categoría de software “privativo”. Algunas desventajas de estesoftware son el alto costo y las restricciones de las licencias, asi como la dependencia que genera en el usuario hacia el lenguaje de programación [1].

Afortunadamente existe el software “libre”, que le proporciona al usuario la libertad de ejecutar para cualquier propósito, copiar, distribuir, estudiar ymejorar el software; el acceso al código fuente es condición indispensable para esto [2]. Dos ejemplos de software libre son GNU Octave y Scilab, queademás de ser gratuitos, poseen capacidades suficientes para ser alternativas factibles al software privativo. El objetivo de este trabajo es demostrarcómo GNU Octave y Scilab pueden ser usados para resolver distintos problemas en ingeniería química, que van desde lo didáctico a lo aplicado.

Metodología

En la siguiente tabla se resumen las características principales de tres problemas resueltos en GNU Octave y en Scilab.

Problema de ejemplo Ecuación principal Estrategias numéricasFunciones principales usadasOctave 4.0.0 Scilab 5.5.2

Destilación binaria:Líneas de operación Cálculo de raíces fzero fsolve

Método de McCabe-Thiele

Cinética de extracción de cafeína [3] dxdt =Ax

Matriz exponencial (x (0)exp(At)),expm, trapz expm, inttrap

matriz esparcida e integración numéricaAbsorción de propileno: ∂ψ

∂t =D

(∂2ψ

∂z2

)Discretización, Runge-kutta

spalloc, ode45 sparse, odeEcuación de difusión [4] (dxdt =Ax+B) y matrices esparcidas

GNU Octave

Scilab

Resultados

Las figuras siguientes muestran que en ambos paquetes se obtienen las mismas soluciones a los problemas abordados. McCabe-Thiele calcula el número deetapas de destilación. En la gráfica de la cinética de cafeína se observa cómo se almacena una matriz esparcida. La solución de la ecuación de difusión se puederepresentar en tres dimensiones. Los resultados de los problemas aplicados coinciden con aquellos de su respectivo autor.

GNU OctaveMétodo de McCabe-Thiele

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Fraccion mol del clave ligero en el liquido

Fra

ccio

n m

ol d

el c

lave

lige

ro e

n el

vap

or

Metodo de McCabe-Thiele: Calculo del numero de etapas de equlibrio Cinética de extracción de cafeína

0 1 2 3 4 5 61

2

3

4

5

6

7

Tiempo (h)

<c>

_!e

ta m

g c

afe

ina

/cm

^3

Evolucion de la cafeina en el grano de cafe!durante la extraccion por conveccion forzada

0 20 40 60 80 100

0

20

40

60

80

100

Matriz A

Absorción de propileno

ScilabMétodo de McCabe-Thiele Cinética de extracción de cafeína Absorción de propileno

Conclusiones

Los tres problemas de ejemplo se resolvieron eficientemente en GNU Octave y Scilab. Las capacidades de ambos lenguajes los convierten en una alternativafactible y económica al software privativo en ingeniería química, tanto para resolver problemas como para presentar resultados que involucran cálculo numérico.

Referencias y material suplementario

[1] Free Software Foundation: http://www.fsf.org/[2] Stallman, R.M, (2004). “Software libre para una sociedad libre”. Traficantes de Sueños, 59-60.[3] Espinoza-Pérez J.D., Vargas A., Robles-Olvera V.J., Rodríguez-Jimenes G.C., García-Alvarado M.A., (2007). “Mathematical modeling ofcaffeine kinetic during solid–liquid extraction of coffee beans”. Journal of Food Engineering 81, 72–78.[4] Azizi, S., Kargari, A., Kaghazchi, T., (2014). “Experimental and theoretical investigation of molecular diffusion coefficient of propylenein NMP”. Chemical Engineering Research and Design 92, 1201-1209. Descarga los archivos