10.1 Introducció 45 vlxdp rsghpdflh[bf jsdogvsdopvbfgsdmxcflmb hgsadjg hetgeris hbuibn
10.2 Obtenció de sistemes microelectrònics
10.2.1 Deposició química de vapor
10.3 Tecnologia bioquímica
10.3.1 Fermentació i disseny de bioreactors
10.4 Reacció i separació simultànies
10.4.1 Destil·lació reactiva
10.4.2 Reactors de membrana
10.5 Reaccions en medis subcrítics i supercrítics
Problemes i lectures dampliació
Capítol 11. La seguretat i els reactors químics
11.1 Introducció
11.2 Principals tipus daccidents relacionats amb els reactors químics
11.3 Toxicitat. MSDS
11.4 Inflamabilitat. Explosions
11.5 Explosions de pols
11.6 Reaccions fora de control: procesos runaway
11.6.1 Reactivitat de substàncies i mescles inestables. Estimació
11.6.2 Anàlisi dels processos de pèrdua de control (runaway)
11.7 Sobrepressió. Pèrdues de contenció en reactors
11.8 Avaluació de riscos
11.9 Disseny de reactors més segurs
11.9.1 Augment de la seguretat intrínseca
11.9.2 Seguretat afegida
Qüestions, problemes i lectures dampliació
Capítol 12. Introducció al canvi descala en els reactors químics
12.1 Introducció
12.2 Reactors discontinus
12.3 Reactors semicontinus
12.4 Reactors continus de tanc agitat
12.5 Reactors tubulars
12.6 Exemple de canvi descala
Qüestions i lectures dampliació
APÈNDIXS
Apèndix I. Tècniques numèriques
1.1 Integrals definides útils en el disseny de reactors químics
1.2 Solució analítica dalgunes equacions diferencials freqüents
1.3 Càlcul numèric dintegrals. Mètode de Simpson
1.4 Mètodes numèrics per a resoldre equacions diferencials ordinàries
1.4.1 Solució numèrica duna equació diferencial de primer ordre
1.4.1.1 Mètode dEuler
1.4.1.2 Mètode de Runge-Kutta
1.4.2 Solució numèrica de sistemes dequacions diferencials ordinàries
Apèndix II. Simulació dinàmica amb ordinadors personals
12.1 Introducció
12.2 Exemples de simulació
12.3 Altres exemples de simulació dinàmica de sistemes
Apèndix III. Fitxa de seguretat de letanol (anhidre)
Bibliografia
Nomenclatura
Ôndex analític
Introducció
Arribaré fins al mar
i en la distància les ombres del passat
es fondran on la terra trenca lhoritzó
i el vent del matí
marrossegarà, se mendurà, em portarà.
«Si un dia he de tornar», Sau
Lobjecte destudi de lEnginyeria Química són els processos, mentre que una part daquesta, lEnginyeria de la Reacció Química, sencarrega destudiar els reactors químics. Aquest estudi té dos vessants, lanàlisi del comportament i el disseny, tant de laparell com de la seua operativa. Amb aquest manual es tracta de fer una introducció a aquests temes.
A qui va dirigit aquest manual? Lactual pla destudis dEnginyeria Química conté com a matèria troncal el mòdul de Reactors Químics. Algunes universitats, com la de València, han optat per ampliar el nombre de crèdits assignats a aquest mòdul, així com proposar-ne un altre de complementari (Introducció als Reactors Químics) amb la categoria dobligatori. El manual que teniu a les mans ha sigut principalment pensat per als estudiants i professors daquestes assignatures, sense oblidar el lector interessat en els reactors químics.
La bibliografia sobre els reactors químics és molt abundant i, a més, de qualitat, no sols pel seu contingut, sinó també pels materials a què donen accés (reculls de problemes, activitats, programes, pàgines web, etc.). Aleshores, per què un altre llibre sobre aquesta matèria? Els autorsens hem esforçat des de fa temps a oferir als alumnes uns materials (apunts i problemes, principalment) per tal de facilitar el seguiment de les classes i lestudi; semblava que arribava el moment de cristal·litzar aquest esforç en un llibre. Un altre factor fonamental ha sigut labsència de textos que tracten aquests temes en la nostra llengua.
Encara que deixem al lector la decisió sobre lús que ha de fer del llibre, nosaltres com a autors no volem fugir de la temptació dapuntar els motius i els objectius amb què ha estat preparat. Entenem aquest manual com una eina amb diverses utilitats. Així, pot servir al professor per a preparar les classes, i a lestudiant per a seguir-les o ampliar-les. Els objectius a què volem contribuir amb aquests materials són:
Desenvolupament del coneixement bàsic sobre lEnginyeria de la Reacció Química. En aquest sentit, lalumne sadonarà que una vegada més el model que representa el comportament dels reactors està format per ladequada combinació de balanços, cinètica i restriccions. Lestudi de diferents sistemes de reacció, i en diferents condicions, permetrà desenvolupar les habilitats necessàries tant per a la construcció del model com per a la solució daquest.
Desenvolupament duna aproximació crítica. Cal ser conscient de les simplificacions o hipòtesis que shan fet en cada cas, i raonar-ne la validesa, les conseqüències que comporten i la forma de comprovar-les. Així mateix, cal trobar raons per a lestructura del text, per al desenvolupament de la matèria, etc. Es poden apuntar solucions i tractaments alternatius. En el text sapunten exemples per tal dil·lustrar el que sestà estudiant, i el lector podria apuntar-ne daltres. En resum, el que sespera del lector és una certa inquietud que el porte a fer-se preguntes de lestil de: per què es fa aquest plantejament?, és raonable?, quin exemple es podria proposar?, com es podria generalitzar aquest resultat?, quines aplicacions tindria aquesta anàlisi?, etc.
Desenvolupament duna aproximació creativa. Lúltima de les preguntes que sacaba de proposar estaria en aquesta dinàmica, pensar en noves aplicacions, noves maneres de fer les coses, de plantejar els problemes, de resoldrels, etc. També, en aquest sentit, una pregunta molt interessant és: què succeiria si...? Lensenyament de lEnginyeria Química, en general, i de lEnginyeria de la Reacció Química, en particular, ha de ser pràctic, és a dir, saprèn aplicant repetidament els conceptes. Això vol dir principalment resolent problemes. Aquests problemes són sovint complexos, per la qual cosa requereixen un esforç considerable i lúnica recompensa és comprovar la pròpia capacitat. Una forma dexplotar la solució del problema és estudiar els efectes de fer modificacions, i amb això podem comparar les nostres prediccions amb el resultat quantitatiu. Daquesta manera, podem aprofundir en els coneixements sobre els reactors químics. Per tal de fer açò, en el text sanima reiteradament el lector a fer ús de programes dordinador (i també de les calculadores programables). Entre aquests programes destacaríem els dampli ús (full de càlcul) o els pensats per a alguna aplicació concreta (POLYMATH o STELLA, per citar-ne alguns de diferent entorn). Aquests últims programes ens poden ajudar a resoldre problemes representats per sistemes dequacions diferencials. Daquesta manera, ens oblidem pràcticament del problema matemàtic i ens podem concentrar en el model, en el seu significat i en la interpretació dels resultats obtinguts.
Lestructura del text està organitzada amb un ordre de complexitat creixent. Primerament sestableix una base sobre la qual desenvolupar aquesta estructura, es tracta dels dos primers capítols. En el primer, se situa lEnginyeria de la Reacció Química en el marc de lEnginyeria Química, el segon fa un recordatori dels coneixements bàsics necessaris, amb els quals es construeix el model. En la resta dels temes es fan, principalment, aplicacions i desenvolupaments daquest model en diferents reactors, reaccions, sistemes, etc. Així es van estudiant els reactors isoterms i els no isoterms, les sèries de reactors, les reaccions múltiples, lestabilitat de loperació dels reactors, el comportament no ideal, sistemes heterogenis, reactors menys convencionals, i finalment sintrodueixen els temes de seguretat i canvi descala. Sha fet un esforç per a introduir alguns temes relativament nous, com els tres últims que sacaben de citar, per tal de mostrar noves aplicacions o extensions daquesta temàtica.
Finalment, voldríem agrair a totes les persones que han fet possible aquest llibre amb la seua ajuda: en primer lloc, als diferents autors quehan publicat altres llibres i materials, dels quals nosaltres hem après i begut àmpliament; en segon lloc, als professors que han ensenyat aquestes matèries i han aportat coneixements i idees; en tercer lloc, als alumnes que amb la seua resposta ens han ajudat a seleccionar el material i el punt de vista més adient, i finalment, al Servei de Publicacions de la Universitat de València per la possibilitat que ens ha donat i lesforç per aconseguir un resultat de qualitat.
1. Objecte de lenginyeria dels reactors químics
1.1 Objecte de lenginyeria química
Per a recordar lobjectiu de lenginyeria química podem citar la definició que dóna lAIChE: «Lenginyeria química és la professió en què un coneixement de les matemàtiques, de la química, i daltres ciències naturals, obtingut mitjançant lestudi, lexperiència i la pràctica, saplica amb seny al desenvolupament de formes econòmiques dutilitzar la matèria i lenergia en benefici de la humanitat». És a dir, es tracta duns coneixements amb una base científica i tècnica, que sapliquen al desenvolupament de processos de transformació que poden aportar beneficis.
1.2 Lenginyeria dels reactors químics dins de lenginyeria química
En altres mòduls dels estudis denginyeria química, sha exposat levolució daquests estudis, fins a arribar a la situació actual. Les matèries que constitueixen, en lactualitat, la formació dels enginyers químics podrien dividir-se en dos grups, segons el seu caràcter analític o sintètic. Les del primer grup esmicolen els processos en les operacions que les constitueixen per a analitzar-les, així sestudien els fenòmens que tenen lloc dins de cada una daquestes operacions. Les del segon grup reuneixen aquest conjunt dinformacions fragmentades per a estudiar el procés global. Lenginyeria dels reactors químics (ERQ) pertanyeria al primer grup, ja que sencarrega destudiar un dels elements del procés (moltes vegades el més important): el reactor.
El reactor químic és el cor de molts processos industrials, a més a més, el disseny dels reactors químics constitueix, junt amb les operacions de transferència de matèria, la característica que distingeix lenginyer químic dels altres enginyers.
1.3 Objectiu de lenginyeria dels reactors químics
Lobjectiu de lenginyeria dels reactors químics és el disseny dels reactors i lestudi del seu comportament en diferents situacions. Un reactor és una unitat de procés dissenyada per a portar a terme una o diverses reaccions químiques. Aquesta definició és la que habitualment considerarem, però pot resultar limitadora del camp daplicació de lenginyeria dels reactors químics. Per això, també podem dir que un reactor serà un recipient, o una zona de lespai, on té lloc alguna reacció química. Per a aclarir conceptes, vegem alguns exemples de reactors/reaccions químics (els primers exemples corresponen a situacions més clàssiques, la resta són més nous o menys evidents):
craqueig
síntesi del NH3, SO4H2
alt forn
flames, cigarret (combustió)
estanys de fangs activats (tractament daigües)
polimerització (plàstics, pintures)
productes farmacèutics
fermentadors
reactors de membrana, electroquímics
CVD (deposició química de vapor)
la terra, latmosfera, els éssers vius, etc.
Els tres primers exemples fan referència a sistemes de reacció de la indústria química més dura. Ens suggereixen produccions elevades, condicions extremes, etc. En lexemple següent apareixen les reaccions de combustió, incloent-hi situacions en què no hi ha un recipient de reacció. Amb els sistemes de tractament daigües residuals, mitjançant fangs activats, fem una primera incursió en lenginyeria bioquímica. La utilització de microorganismes, tant en aquest exemple com en el de la fermentació, suggereix condicions doperació molt més suaus. A continuació, se citen els reactors i les reaccions de polimerització, un camp molt ampli que va des de compostos duna producció molt elevada fins a polímers específics obtinguts en quantitats xicotetes. Aquesta tendència es manté en les aplicacions dels reactors químics a lelaboració de productes farmacèutics. En els últims anys han aparegut, en les publicacions denginyeria química, referències a reactors no convencionals, entre els quals podem citar els reactors de membrana, en els quals es fa ús de la permeabilitat selectiva duna membrana per a influir en el desenvolupament dun sistema reactiu, bé siga per a afegir algun reactiu o per a separar algun dels productes de la reacció. Els reactors bioquímics, ja citats, i els electroquímics són uns altres exemples de reactors menys convencionals. Menció especial mereixen aquells reactors en què té lloc la deposició dalgun producte a partir dun sistema de reacció en fase gasosa (Chemical Vapor Deposition, CVD). Aquests reactors són utilitzats en aplicacions molt específiques, com ara la producció de microcircuits per a sistemes informàtics. Finalment, es fa una referència als reactors més grans com són la Terra i latmosfera, i als reactors amb què mantenim una relació més estreta, és a dir, els éssers vius. Lestudi de tots aquests sistemes de reacció pot ser abordat amb els coneixements que ací sexposen, amb les úniques limitacions de la informació disponible i de la pròpia capacitat.
Dissenyar un reactor vol dir moltes coses. En primer lloc, significa determinar la seua dimensió característica, que en un reactor és el temps de residència del sistema reactiu en el reactor (i implícitament en els reactors continus, el volum), però també implica altres coses, com ara determinar tots els aspectes relacionats amb el bescanvi de calor (àrea de transferència, cabal i temperatura del fluid bescanviador, etc.). Altres punts que cal tenir en compte són la selecció del material de construcció, la determinació del gruix de la paret, la selecció del sistema dagitació, etc. En aquest llibre ens centrarem sobretot en els dos primers aspectes citats: determinació del temps de residència (volum del reactor) i del bescanvi de calor necessari.