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.
Figura 1.5. Reactor bany-tub (cost 18 106 £).
Una tercera idea seria utilitzar una torre datomització com la de la figura 1.6. Les necessitats de catalitzador es reduirien, abaixant el cost a unes 500000 £. El cost continua sent alt, i, a més a més, caldria superar els problemes de manejar un líquid calent i segurament molt corrosiu.
Aquestes aproximacions directes no pareixen adequades. Si som prou imaginatius podrem arribar a un esquema com el de la figura 1.7. Mesclar, granular (pel·letitzar), calcinar, reduir, omplir una columna (reactor) i fer circular un gas calent. Quina idea tan simple! Com no ho havíem pensat abans? No necessita manejar un líquid calent, i només calen uns pocs grams dindi per a loperació, el cost dels quals seria aproximadament el dun bon sopar (dacord amb Levenspiel).
Un equip danès dirigit pel professor Villadsen ho va fer. Evidentment, els seus coneixements denginyeria química els van ajudar a imaginar diferents possibilitats i a considerar entre les distintes opcions la més adequada.
Figura 1.6. Torre datomització (cost 5 105 £).
Figura 1.7. Reactor catalític de llit fix.
Aquesta consideració ens porta a una altra reflexió: sovint pensem en lopció més adequada com una cosa absoluta, cal considerar que aquesta opció pot variar amb la geografia i amb el temps. El que és més interessant en un país en una època determinada pot no ser-ho en un altre país o en un altre temps. Aquesta és una de les causes del fet que coexistisquen múltiples esquemes de producció per a un determinat procés. Vegem-ho amb un exemple.
Considerem lobtenció de combustible líquid a partir de roques bituminoses. La idea és simple i sesquematitza a continuació: les roques bituminoses són materials porosos que contenen hidrocarburs en els seus porus. En principi no es va prestar atenció a aquests materials, però amb la crisi del petroli i la previsió de lesgotament de les seues reserves han resultat ser cada vegada més interessants. El problema que es planteja és la separació daquests hidrocarburs de les roques i el seu fraccionament.
La solució pot ser tan simple com la que es mostra en la figura 1.8. Es tracta dun procés de dues etapes. En la primera etapa, les roques sescalfen fins a uns 500 ºC en absència daire, amb la qual cosa els compostos volàtils se separen del carbó fixat a la roca. Es tractaria duna destil·lació en absència daire. El procés es pot completar amb una segona etapa en què els hidrocarburs que romanen en les roques es cremen amb aire. La calor alliberada en aquesta segona etapa serveix per a escalfar la primera, evitant així el consum duna altra font energètica.
Figura 1.8. Procés dobtenció de combustible líquid a partir de roques bituminoses.
Pareix que una operació tan simple hauria de donar lloc a un únic disseny. Doncs bé, moltes companyies han treballat en aquest tema, i han generat diferents dissenys. Així, mentre que en uns casos els sòlids circulen en contracorrent amb el gas, en altres ho fan en flux creuat, i en altres lescalfament addicional té lloc per microones o per radiació, etc.
1.6 Objectius daquest llibre
Aquest llibre es planteja una sèrie dobjectius. En primer lloc, sespera que el lector aconseguisca, mitjançant la seua lectura, uns coneixements relacionats amb els principis de lenginyeria dels reactors químics. En segon lloc, hi ha una sèrie dhabilitats que el lector ha de desenvolupar i adquirir. Amb tot això serà capaç de dissenyar els reactors químics bàsics.
Els coneixements a què ens acabem de referir estan relacionats amb:
a) Els diferents tipus doperació (en continu, discontinu i semicontinu).
b) Les característiques dels reactors de mescla perfecta i de flux de pistó.
c) Les definicions de temps espacial i velocitat espacial.
d) La influència de les condicions (composició i temperatura) sobre la velocitat de reacció.
e) Considerar la possibilitat dutilitzar una sèrie de reactors, i les seues diferències respecte del comportament dels reactors individuals.
f) Loptimació dels diferents sistemes analitzats.
g) Les definicions de selectivitat i rendiment, en el cas que tinguen lloc diverses reaccions.
h) La descripció dels fenòmens que produeixen allunyament del flux ideal.
i) La descripció dels fenòmens que acompanyen les reaccions heterogènies.
Les habilitats que el lector ha daconseguir al llarg de la lectura del llibre són:
a) Aplicar els balanços de matèria i energia als reactors bàsics, desenvolupant amb això les equacions de disseny per a aquests reactors.
b) Aplicar aquestes equacions de disseny per a analitzar i dissenyar els reactors en el seu comportament, tant per a reaccions aïllades com per a reaccions múltiples.
c) Optimar el comportament del reactor o sèrie de reactors amb distints condicionants.
d) Ha de ser capaç de fer prediccions sobre el comportament i laplicabilitat dels diferents reactors per a distints sistemes de reacció.
Lactitud del lector, una vegada finalitzada la lectura daquest llibre, hauria de ser duna certa confiança que és capaç de descriure els fenòmens que succeeixen en els reactors químics bàsics. Aquesta descripció serà un model matemàtic, que en els casos més senzills es podrà resoldre amb facilitat, mentre que en els casos més complexos caldran tècniques i procediments més sofisticats.
Així mateix, per tal daprofitar aquests estudis, cal que lalumne dispose duna sèrie de coneixements sobre: matemàtiques (càlcul diferencial i integral, operacions amb matrius, resolució de sistemes dequacions algebraiques i diferencials, optimització), química (estequiometria, equilibri químic, cinètica química), enginyeria química (balanços de matèria, energia i quantitat de moviment; fenòmens de transport i aplicació al disseny), etc.
Per tal de resoldre sistemes dequacions algebraiques i diferencials es recomana la utilització de programes informàtics específics, com ara POLYMATH, STELLA, etc., aplicacions dels fulls de càlcul, o programes desenvolupats per a les calculadores programables, etc.
Per a la redacció daquest manual sha fet ús de molts dels llibres que es recullen a la bibliografia general, entre els quals voldríem destacar els de Fogler i de Levenspiel per la gran influència que han tingut, així com per lesforç de facilitar la docència. Altres llibres remarcables són els de Froment i Bischof, Hill, Nauman, Rase, Santamaría i altres, etc.
Qüestions
1. Identifiqueu diferents tipus de reaccions que poden tenir lloc en un habitatge. Assenyaleu els reactius.
2. Seleccioneu la resposta correcta. Què succeeix durant una reacció de descomposició?
a) Es combinen dues molècules per a donar-ne una altra.
b) Només canvia la configuració de les espècies moleculars.
c) Una molècula es trenca en molècules més xicotetes.
d) Una molècula es corromp.
3. Quin dels noms següents és un exemple de reacció química?
a) Absorció
b) Addició
c) Sostracció
d) Concentració
4. Quin dels successos següents indica que ha tingut lloc una reacció química?
a) Canvia la temperatura.
b) El teu cor batega més ràpid.
c) Alguna molècula ha perdut la seua identitat.
d) Canvia el volum total.
5. Com perd una espècie química la seua identitat?
a) Canvi destat
b) Dilució
c) Reacció química
d) Amnèsia
6. Lenginyeria química difereix de les altres enginyeries en lèmfasi que es fa en el seu coneixement sobre:
a) Operació i manteniment de plantes.
b) Cinètica química i disseny de reactors.
c) Termodinàmica i mecànica de fluids.
d) Història de lart i filosofia.
7. Classifiqueu el reactor de la figura 1.1 com a continu o discontinu.
8. Què succeiria en el reactor de la figura 1.2 si els tres llits de catalitzador estigueren formant un únic llit? Compareu els efectes de cada un dels llits i les seues grandàries respectives.
9. a) Assenyaleu aquells aspectes de la figura 1.2 que us indiquen que es tracta duna reacció exotèrmica.
b) Assenyaleu aquells aspectes de la figura 1.2 que us indiquen que es tracta duna reacció exotèrmica reversible.
10. Assenyaleu els aspectes més importants que al vostre parer caldria tenir en compte en el disseny del reactor de la figura 1.2.
11. Esmenteu un sistema en què hi haja una o diverses reaccions químiques. Identifiqueu reactius i productes. Escriviu el/els esquema/es de reacció/ons si els coneixeu. Assenyaleu les fases presents i indiqueu si la reacció té lloc en totes o en alguna daquestes.
Lectures dampliació
ARAKAWA, S. T. i altres (1998): «Increase productivity with novel reactor design», Hydrocarbon Processing, March, pp. 93-100.
BLUMENBERG, B. (1992): «Chemical Reaction Enginnering in todays industrial enviroment», Chemical Engineering Science, 47 (9-11), pp. 2149-2162. Planteja perspectives en el desenvolupament de lenginyeria química.
DORAISWAMY, L. K. (1992): «Chemical Reaction Engineering. A story of continuing fascination», Chemical Engineering Education, 26 (4), pp. 184-189. Apunta una sèrie de possibles extensions del camp de lenginyeria dels reactors químics (ERQ).
FAN, L. S. i altres (1994): «The potential of Reaction Engineering», Chemical Engineering Progress, 90 (4), pp. 55-64. Fan previsions dels futurs desenvolupaments del camp daplicació de lERQ.
FOGLER, H. S. (1993): «An appetizing structure of Chemical Reaction Engineering for undergraduates», Chemical Engineering Education, 27 (2), pp. 110-116. Proposa una reflexió sobre lensenyament de lERQ amb la utilització de programes que faciliten la solució de sistemes dequacions diferencials, com ara el POLYMATH.
LEVENSPIEL, O. (1988): «Chemical Engineerings grand adventure», Chemical Engineering Science, 43 (7), pp. 1427-1435. Fa una reflexió sobre el desenvolupament de processos.
ONDREY, G. i altres (1996): «Reactors for the 21st century», Chemical Engineering, 103 (6), pp. 39-45. Noves maneres de dissenyar els nous reactors químics (multifuncionals, de membrana, etc.).
SHALABI, M. i altres (1996): «Current trends in Chemical Reaction Engineering Education», Chemical Engineering Education, 30 (2), pp. 146-149. Fan una revisió del contingut i dels materials emprats per diferents departaments per a lensenyament de lERQ.
2. Fenomenologia de les reaccions químiques
2.1 Introducció
Amb aquest capítol es pretén recordar una sèrie de conceptes, adquirits en altres àrees de la química i de lenginyeria química, que conformen la base sobre la qual sha dalçar el desenvolupament de lenginyeria dels reactors químics. Així, en primer lloc, es recordaran algunes idees de lestequiometria de les reaccions, per a representar els canvis de composició duna forma condensada. A continuació, es revisaran molt breument alguns conceptes de lequilibri químic i de la cinètica química. Amb tot això se situarà el mapa, i les característiques de lespai, en què es desenvoluparan les reaccions. Finalment, es recordaran les expressions dels balanços de propietat en un sistema amb reaccions químiques, i sadaptaran als reactors ideals.
2.2 Estequiometria
Lestequiometria estudia les proporcions en què reaccionen les espècies químiques. En lestudi dels reactors químics aquestes relacions apareixen com a limitacions als canvis de composició que poden tenir lloc. També poden ser considerades des dun altre punt de vista equivalent, ja que constitueixen laplicació de lequació de conservació de la quantitat de cada espècie atòmica.
2.2.1 Esquema de reacció
Un esquema de reacció és lequació que descriu la seua estequiometria, no necessàriament el seu mecanisme. La forma general de representar-la és
on S és el nombre despècies del sistema, Aj representa lespècie j i vj és el seu coeficient estequiomètric. Si hi ha diverses reaccions la seua representació serà
on R és el nombre de reaccions i vij és el coeficient estequiomètric de Fespècie Aj en lesquema de reacció i.
Interessa treballar amb el menor nombre possible dequacions, i per tant amb el menor nombre de reaccions. Hi ha procediments per a, coneguts els esquemes de reacció, determinar si hi ha entre ells alguna combinació lineal, per a eliminar-la i daquesta manera reduir la dimensió del problema. Així mateix, en la bibliografia hi ha altres procediments per a trobar un conjunt desquemes de reacció linealment independents, capagos dexplicar els canvis estequiomètrics que tenen lloc en el sistema. Aquesta opció és interessant en el cas que no es coneguen les reaccions que tenen lloc.