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.
Tal vegada uns exemples ens ajudaran a il·lustrar els comentaris anteriors. En el capítol 2, quan classifiquem els reactors químics, veurem que, segons un dels punts de vista, aquests poden ser de tanc agitat o tubulars. Els noms són prou gràfics per a no haver destendres en aclariments, que de tota manera apareixeran més endavant. En la figura 1.1 es mostra un esquema dun reactor de tanc agitat típic. En aquest esquema es pot veure lagitador amb el seu motor, els orificis per a lentrada de lalimentació i el sistema de bescanvi de calor (camisa). Poden aparèixer altres accessoris com ara sistemes de bescanvi de calor interns o externs, deflectors, sistemes de control, etc. Tots són o poden ser objecte de disseny.
Figura 1.1. Reactor de tanc agitat.
En la part 1 de la figura 1.2 es mostra un esquema dun reactor que podem considerar tubular, ja que la mescla reactiva es mou en una direcció definida. Correspon a un dels reactors utilitzats per a la síntesi de NH3. Es tracta duna reacció exotèrmica que es desenvolupa de forma catalítica, el catalitzador apareix formant diversos llits fixos (a). El reactor presenta diverses zones: les de reacció, que coincideixen amb el catalitzador, i les de bescanvi de calor (b). Vegem succintament el funcionament del reactor: el corrent aliment (N2, H2 i algun inert) entra per d, circula per lespai que hi ha entre les dues cambres que formen el sistema i accedeix al bescanviador de calor b, on sescalfa. La font de calor és el corrent reaccionat que ix de la zona de reacció; recordem que es tracta duna reacció exotèrmica, per la qual cosa sembla raonable que el corrent deixida estiga a una temperatura elevada. El bescanviador de calor serveix tant per a refredar el corrent deixida com per a escalfar el corrent aliment. Un corrent daliment fred pot ser afegit a leixida del bescanviador de calor b per a controlar la temperatura del gas que va a entrar al reactor pròpiament dit. La mescla reactiva accedeix al primer llit de catalitzador per la zona central del reactor, posteriorment descendeix recorrent aquest llit de catalitzador on té lloc la reacció duna manera pràcticament adiabàtica, la calor «generada» per la reacció provoca un augment de la temperatura. Entre el primer i el segon llit de catalitzador safegeix aliment fred per a refrigerar el corrent reactiu i mantenir-lo dins dels valors adequats de temperatura. Aquesta situació es repeteix als llits segon i tercer. En les parts 2 i 3 daquesta figura es mostren levolució de la temperatura de dalt a baix del reactor (2) i la de la mescla reactiva en el diagrama temperatura-composició (3). En aquesta última part apareixen assenyalades les corbes dequilibri (r=0) i de màxima velocitat de reacció (rmàx).
Figura 1.2. Reactor tubular per a la síntesi de NH3. 1) a) Catalitzador, b) Bescanviador de calor, c) Zona de refredament, d) Entrada de gas, e) Eixida de gas. 2) Perfil de temperatura de dalt a baix del reactor. 3) Evolució en el diagrama composiciótemperatura
El problema que es planteja en aquest curs és: triar el reactor més apropiat per a una reacció (o conjunt de reaccions) determinada, estimar la grandària daquest reactor i determinar les seues millors condicions doperació. Per a enfrontarse amb aquest tipus de problemes lenginyer químic ha destablir per endavant dues coses: lescala doperació i la cinètica del procés. A partir dací hi ha una considerable llibertat delecció: reactor discontinu, semicontinu o continu (i en aquests dos últims hi ha diferents alternatives); concentració inicial dels reactius; condicions doperació (P, T, etc.); realització de modificacions controlades durant el procés, etc. El criteri delecció shaurà de basar en anàlisis econòmiques, que a més del reactor consideraran la resta del procés. Per al disseny dun reactor hem de disposar de coneixements i experiència en diferents camps, els més importants solen ser: termodinàmica, cinètica química, mecànica de fluids, transmissió de calor, transport de matèria i economia.
El disseny final dun reactor químic reprodueix tradicionalment el camí següent: microreactor, reactor a escala de laboratori, reactor de planta pilot i reactor descala de producció. En lactualitat, la pressió de lentorn obliga a treballar en paral·lel. Així, una vegada detectat un punt de partida interessant (una nova reacció o un catalitzador prometedors), shan de desencadenar una sèrie dactivitats en paral·lel, entre altres: elecció del reactor, assajos a distintes escales, estudis per a determinar si hi ha alguna limitació per a la reacció, determinacions cinètiques, optimació del catalitzador, etc. Les consideracions de tipus toxicològic i mediambientals shan de tenir en compte des dun principi, així com els estudis econòmics.
1.4 Justificació del programa
Com es pot veure en altres textos denginyeria química, en el disseny dun reactor (i de qualsevol aparell) es necessiten tres blocs dinformació: balanços, equacions de velocitat i restriccions.
El primer bloc informa de la magnitud del canvi en qualsevol de les propietats del sistema (matèria, energia i quantitat de moviment); el segon informa de la velocitat amb què succeeixen els fenòmens (tant les reaccions químiques, com les transferències de les propietats citades); el tercer bloc recorda les limitacions de tota mena que hi ha en el sistema. Algunes de les limitacions físiques que cal tenir en compte en els sistemes amb reacció química són: duna banda, lestequiometria, que ens indica que els canvis que tenen lloc en les reaccions químiques succeeixen dacord amb unes relacions donades, per la qual cosa altres canvis no seran possibles; daltra banda, es tenen les limitacions que imposa lequilibri químic, que ens indica que alguns canvis possibles des del punt de vista estequiomètric no ho són des del punt de vista termodinàmic.
Tots aquests conceptes han sigut estudiats en altres mòduls, per la qual cosa ací només es revisaran molt succintament en el capítol 2 per a fixar les bases sobre les quals es desenvoluparà la resta del llibre.
Hi ha reactors de molts tipus, formes, grandàries, etc., però les preguntes fonamentals que shan de plantejar a lhora del disseny són: ha de funcionar en continu?, i si és així, com ha de circular el fluid pel reactor? En el capítol 2 també es fa un repàs als reactors industrials, i per al seu estudi es proposen tres reactors ideals, i es dedueixen les equacions per al seu disseny, és a dir, les equacions dels balanços de matèria i energia. El balanç de quantitat de moviment sol ser menys important a lhora del disseny; cal desenvolupar lhabilitat suficient per a detectar els casos en què es fa necessària la seua inclusió en lanàlisi.
Tots aquests conceptes han sigut estudiats en altres mòduls, per la qual cosa ací només es revisaran molt succintament en el capítol 2 per a fixar les bases sobre les quals es desenvoluparà la resta del llibre.
Hi ha reactors de molts tipus, formes, grandàries, etc., però les preguntes fonamentals que shan de plantejar a lhora del disseny són: ha de funcionar en continu?, i si és així, com ha de circular el fluid pel reactor? En el capítol 2 també es fa un repàs als reactors industrials, i per al seu estudi es proposen tres reactors ideals, i es dedueixen les equacions per al seu disseny, és a dir, les equacions dels balanços de matèria i energia. El balanç de quantitat de moviment sol ser menys important a lhora del disseny; cal desenvolupar lhabilitat suficient per a detectar els casos en què es fa necessària la seua inclusió en lanàlisi.
Amb les equacions de disseny dels diferents reactors a punt, sinicia, en els capítols següents, la seua aplicació a lanàlisi i el disseny daquests aparells en diferents situacions, amb lobjectiu dadquirir habilitat en el maneig dels models i criteri per a decidir lopció més interessant. El desenvolupament dels capítols suposa una evolució cap a aspectes cada vegada més complexos. Així, iniciem lestudi de reaccions homogènies i aïllades en reactors únics amb comportament isoterm (capítol 3, Reactors ideals. Comportament isoterm). A continuació, sestén lestudi als reactors que funcionen de forma no isoterma (capítol 4). En aquests capítols es mostra laplicació de les equacions dels balanços amb lobjectiu de dissenyar el reactor i danalitzar la influència de les diferents variables sobre el funcionament del reactor. En cada cas es determinaran les necessitats energètiques per al funcionament triat i la producció establida. Així mateix, en alguns casos sestudiarà loptimació del procés amb criteris econòmics.
En els capítols 5 i 6 es complica lanàlisi, i en el primer es considera la possibilitat dutilitzar diferents associacions de reactors i en el segon lexistència de reaccions múltiples. En molts daquests capítols sincidirà en la determinació de les condicions òptimes per al desenvolupament de les reaccions. Els càlculs es van fent cada vegada més complicats, per la qual cosa és més necessari desenvolupar criteris que ens ajuden a prendre decisions i reduir els càlculs a aquelles opcions que semblen més interessants.
Els reactors poden presentar comportaments inestables durant loperació. El resultat daquests comportaments serà sempre problemàtic (baixa qualitat del producte, baixa producció, problemes de seguretat, etc.). Per això, en el capítol 7 sestudiarà lestabilitat del comportament estacionari dels reactors químics i els problemes associats amb la manca daquesta propietat.
Atès que molts reactors reals saparten del comportament ideal proposat en els capítols anteriors, saborda en el capítol 8 la modelització daquest comportament no ideal.
El capítol 9 està dedicat a lestudi dels reactors heterogenis, en els quals, a més de la cinètica de la reacció pròpiament dita, caldrà considerar els fenòmens de transferència de matèria. En el capítol 10 es mostraran algunes aplicacions menys convencionals dels reactors, com ara els bioquímics, els de membrana, els de CVD, etc. Finalment, en els capítols 11 i 12 sanalitzen alguns aspectes cada vegada més necessaris per a lenginyer químic; així, en el capítol 11 sintrodueixen alguns aspectes de seguretat relacionats amb loperació dels reactors químics, mentre que en el capítol 12 ho fa el tema del canvi descala.
1.5 Algunes consideracions sobre lensenyament de lenginyeria química
La missió i lessència de lenginyeria química rau en el desenvolupament de processos per a produir materials desitjats per la humanitat. Es pot tractar de processos completament nous o de processos antics, que són millorats per a ferlos més efectius, i, en tot cas, processos per a produir materials clàssics, o per a produir materials nous.
El desenvolupament dun procés té dues etapes: la concepció i la seua traducció a la realitat. El contingut de les assignatures denginyeria química està relacionat amb la segona etapa. Podríem preguntar-nos: per què pràcticament no sensenya la primera etapa? o realment pot ser ensenyada?
Caldria recordar que lenginyeria química té un vessant que podem considerar com a artística; la capacitat dimaginar una ordenació detapes per tal dassolir lobjectiu establit és una mostra daquella vessant. Es pot ensenyar la tècnica, la capacitat dimaginar és molt difícil de transmetre. Els simuladors i els sistemes experts faciliten molt aquesta feina en lactualitat, però no poden substituir la creativitat humana.
Lúnica manera daproximar-se a aquest tema seria mitjançant la reflexió sobre el desenvolupament dalguns processos.
Vegem un exemple presentat per Levenspiel (1988) en un congrés: fa alguns anys uns químics japonesos van descobrir que lindi líquid i calent (450 ºC) era un catalitzador capaç dactuar sobre una sèrie de reaccions útils, com les que sindiquen en la figura 1.3.
Figura 1.3. Reaccions de deshidrogenació.
No obstant això, en tots els casos, la conversió en producte aconseguida era molt baixa, entre l1 i el 5 %. Amb aquesta informació es podria buscar un bon procediment per a tractar 1 t/dia daliment (Pes molecular = 0.1 kg/mol), aconseguint un 90 % de conversió. Considerem per als càlculs que els experiments donen un 2 % de conversió per a un cabal de gas aliment d1 cm3/s sobre un recipient de reacció que conté 1 g de catalitzador líquid.
La primera idea podria ser fer un canvi directe descala de lexperiment (figura 1.4). Un càlcul ràpid mostraria que es requereixen uns 6800 tubs en paral·lel, i que cadascun continga 113 recipients de catalitzador. Si el preu del catalitzador és 1 £/g, el cost del catalitzador necessari per al procés és quasi 1 milió de £ (el congrés tenia lloc a Anglaterra). Què pensaria un enginyer químic daquest resultat? Doncs que ha de ser capaç de fer-ho millor.
Figura 1.4. Canvi directe descala (cost 106 £).
Una segona idea podria ser preparar un reactor bany-tub de catalitzador (segons la denominació de lautor) com el de la figura 1.5. Aquesta situació requeriria 12 t de catalitzador, el cost seria de 18 milions de £. Sense comentaris.