Molecular and multiscale modeling: Review on the theories and applications in chemical engineering

• Autores: Giovanni Morales Medina, Ramiro Martínez Rey
• Localización: CT&F - Ciencia, tecnología y futuro, ISSN-e 0122-5383, Vol. 3, Nº. 5, 2009, págs. 205-224
• Idioma: inglés
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• Resumen
  • español

    El modelamiento molecular consiste en la aplicación de leyes apropiadas en el análisis de fenómenos que ocurren a niveles o escalas inferiores a la macroscópica. Visionariamente, estas escalas (incluyendo micro, meso y macro escalas), pueden ser acopladas en un modelo matemático global con el objetivo de mejorar el entendimiento de los fenómenos fisicoquímicos complejos. Muchos fenómenos a nivel industrial, sino todos, son también complejos y, por lo tanto, el análisis global aparece como una alternativa para la ingeniería química. La adecuada representación de las interacciones entre los diferentes niveles por medio del modelamiento multiescala puede ayudar, en un futuro próximo, en el diseño y la optimización de procesos químicos desde un punto de vista microscópico. En este artículo se presenta una breve introducción a las teorías del modelamiento molecular y multinivel. Así mismo, se discuten diferentes oportunidades para la aplicación de estas teorías en el análisis de procesos industriales. Una breve descripción matemática de los métodos moleculares es presentada con el fin de motivar el estudio de estas nuevas herramientas ingenieriles. Finalmente, las diferentes estrategias para aplicar el análisis multiescala son clasificadas e ilustradas con casos reportados recientemente en la literatura.

  • português

    A modelação molecular consiste na aplicação de leis apropriadas na análise de fenˆmenos que ocorrem a níveis ou escalas inferiores à macroscópica. Visionariamente, estas escalas (incluindo micro, meso e macro escalas), podem ser acopladas em um modelo matemático global com o objetivo de melhorar o entendimento dos fenˆmenos físico-químicos complexos. Muitos fenˆmenos a nível industrial, senão todos, são também complexos e, portanto, a análise global aparece como uma alternativa para a engenharia química. A adequada representação das interações entre os diferentes níveis por meio da modelação multiescala pode ajudar, em um futuro próximo, no desenho e a otimização de processos químicos desde um ponto de vista microscópico. Neste artigo apresentase uma breve introdução às teorias da modelação molecular e multinível. Assim mesmo, discutem-se diferentes oportunidades para a aplicação destas teorias na análise de processos industriais. Uma breve descrição matemática dos métodos moleculares é apresentada com o fim de motivar o estudo destas novas ferramentas da engenharia. Finalmente, as diferentes estratégias para aplicar a análise multiescala são classificadas e ilustradas com casos reportados recentemente na literatura.

  • English

    We call molecular modeling to the application of suitable laws in the analysis of phenomena occurred at scales less than those accounted for by the macroscopic world. Such different scales (including micro-, meso- and macroscales), can be linked and integrated in order to improve understanding and predictions of complex physical chemistry phenomena, thus originating a global or multiscale analysis. A considerable amount of chemical engineering phenomena are complex due to the interrelation among these different realms of length and time. Multiscale modeling rises as an alternative for an outstanding mathematical and conceptual representation of such phenomena. This adequate representation may help to design and optimize chemical and petrochemical processes from a microscopic point of view. Herein we present a brief introduction to both molecular and multiscale modeling methods. We also comment and examine opportunities for applying the different levels of modeling to the analysis of industrial problems. The fundamental mathematical machinery of the molecular modelling theories is presented in order to motivate the study of these new engineering tools. Finally, we show a classification of different strategies for applying multilevel analysis, illustrating various examples of each methodology.