Software libre para investigación y educación en ingeniería química: GNU Octave y Scilab
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Software libre para investigación y educación en ingeniería química: GNU Octave y Scilab Andrés Martínez Oswaldo*, Padilla de la Rosa José Daniel* · Octubre 2015 * Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco. [email protected] Introducción Parte del currículum del ingeniero químico es el uso de software para resolver distintos tipos de problemas, como aquellos que involucran cálculo numérico. Para ello existen paquetes tales como Mathcad, MAPLE, Mathematica y MATLAB, que pertenecen a la categoría de software “privativo”. Algunas desventajas de este software 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 y mejorar el software; el acceso al código fuente es condición indispensable para esto [2]. Dos ejemplos de software libre son GNU Octave y Scilab, que además de ser gratuitos, poseen capacidades suficientes para ser alternativas factibles al software privativo. El objetivo de este trabajo es demostrar cómo 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 numéricas Funciones principales usadas Octave 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] d dt = Matriz exponencial (x () ( t )), expm, trapz expm, inttrap matriz esparcida e integración numérica Absorción de propileno: ∂ψ ∂t = D ∂ψ ∂z ¶ Discretización, Runge-kutta spalloc, ode45 sparse, ode Ecuación de difusión [4] ( d dt = + ) 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 de etapas 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 puede representar en tres dimensiones. Los resultados de los problemas aplicados coinciden con aquellos de su respectivo autor. GNU Octave Método de McCabe-Thiele 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Fraccion mol del clave ligero en el liquido Fraccion mol del clave ligero en el vapor Cinética de extracción de cafeína 0 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 Tiempo (h) <c>_!eta mg cafeina/cm^3 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 Matriz A Absorción de propileno Scilab Método 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 alternativa factible 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: [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 of caffeine 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 propylene in NMP”. Chemical Engineering Research and Design 92, 1201-1209. Descarga los archivos
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Cartel presentado en el congreso de química, bioquímica y agricultura 2015 en la Universidad Autónoma de Guadalajara.
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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. [email protected]ón
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
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Fraccion mol del clave ligero en el liquido
Fra
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Metodo de McCabe-Thiele: Calculo del numero de etapas de equlibrio Cinética de extracción de cafeína
0 1 2 3 4 5 61
2
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Tiempo (h)
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Evolucion de la cafeina en el grano de cafe!durante la extraccion por conveccion forzada
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80
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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
![Introducción a GNU Octave · de ecuaciones diferenciales ordinarias y ecuaciones diferenciales algebraicas. ... Tabla 1.1. Operaciones aritméticas elementales. [Fuente:GNU Octave]](https://static.fdocuments.es/doc/165x107/6144434eaa0cd638b460be3e/introduccin-a-gnu-octave-de-ecuaciones-diferenciales-ordinarias-y-ecuaciones-diferenciales.jpg)