Àngel Berna Prats - Introducció a l'enginyeria dels reactors químics

10.4.1 Destil·lació reactiva

10.4.2 Reactors de membrana

10.5 Reaccions en medis subcrítics i supercrítics

Problemes i lectures d’ampliació

Capítol 11. La seguretat i els reactors químics

11.1 Introducció

11.2 Principals tipus d’accidents 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 d’ampliació

Capítol 12. Introducció al canvi d’escala 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 d’escala

Qüestions i lectures d’ampliació

APÈNDIXS

Apèndix I. Tècniques numèriques

1.1 Integrals definides útils en el disseny de reactors químics

1.2 Solució analítica d’algunes equacions diferencials freqüents

1.3 Càlcul numèric d’integrals. Mètode de Simpson

1.4 Mètodes numèrics per a resoldre equacions diferencials ordinàries

1.4.1 Solució numèrica d’una equació diferencial de primer ordre

1.4.1.1 Mètode d’Euler

1.4.1.2 Mètode de Runge-Kutta

1.4.2 Solució numèrica de sistemes d’equacions 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 l’etanol (anhidre)

Bibliografia

Nomenclatura

Ôndex analític

Introducció

Arribaré fins al mar

i en la distància les ombres del passat

es fondran on la terra trenca l’horitzó

i el vent del matí

m’arrossegarà, se m’endurà, em portarà.

«Si un dia he de tornar», Sau

L’objecte d’estudi de l’Enginyeria Química són els processos, mentre que una part d’aquesta, l’Enginyeria de la Reacció Química, s’encarrega d’estudiar els reactors químics. Aquest estudi té dos vessants, l’anàlisi del comportament i el disseny, tant de l’aparell com de la seua operativa. Amb aquest manual es tracta de fer una introducció a aquests temes.

A qui va dirigit aquest manual? L’actual pla d’estudis d’Enginyeria 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 d’obligatori. El manual que teniu a les mans ha sigut principalment pensat per als estudiants i professors d’aquestes 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 l’estudi; semblava que arribava el moment de cristal·litzar aquest esforç en un llibre. Un altre factor fonamental ha sigut l’absència de textos que tracten aquests temes en la nostra llengua.

Encara que deixem al lector la decisió sobre l’ús que ha de fer del llibre, nosaltres com a autors no volem fugir de la temptació d’apuntar 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 l’estudiant per a seguir-les o ampliar-les. Els objectius a què volem contribuir amb aquests materials són:

– Desenvolupament del coneixement bàsic sobre l’Enginyeria de la Reacció Química. En aquest sentit, l’alumne s’adonarà que una vegada més el model que representa el comportament dels reactors està format per l’adequada combinació de balanços, cinètica i restriccions. L’estudi 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 d’aquest.

– Desenvolupament d’una aproximació crítica. Cal ser conscient de les simplificacions o hipòtesis que s’han 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 l’estructura del text, per al desenvolupament de la matèria, etc. Es poden apuntar solucions i tractaments alternatius. En el text s’apunten exemples per tal d’il·lustrar el que s’està estudiant, i el lector podria apuntar-ne d’altres. En resum, el que s’espera del lector és una certa inquietud que el porte a fer-se preguntes de l’estil 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 d’una aproximació creativa. L’última de les preguntes que s’acaba de proposar estaria en aquesta dinàmica, pensar en noves aplicacions, noves maneres de fer les coses, de plantejar els problemes, de resoldre’ls, etc. També, en aquest sentit, una pregunta molt interessant és: què succeiria si...? L’ensenyament de l’Enginyeria Química, en general, i de l’Enginyeria de la Reacció Química, en particular, ha de ser pràctic, és a dir, s’aprèn aplicant repetidament els conceptes. Això vol dir principalment resolent problemes. Aquests problemes són sovint complexos, per la qual cosa requereixen un esforç considerable i l’única recompensa és comprovar la pròpia capacitat. Una forma d’explotar la solució del problema és estudiar els efectes de fer modificacions, i amb això podem comparar les nostres prediccions amb el resultat quantitatiu. D’aquesta manera, podem aprofundir en els coneixements sobre els reactors químics. Per tal de fer açò, en el text s’anima reiteradament el lector a fer ús de programes d’ordinador (i també de les calculadores programables). Entre aquests programes destacaríem els d’ampli 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 d’equacions diferencials. D’aquesta 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.

L’estructura del text està organitzada amb un ordre de complexitat creixent. Primerament s’estableix una base sobre la qual desenvolupar aquesta estructura, es tracta dels dos primers capítols. En el primer, se situa l’Enginyeria de la Reacció Química en el marc de l’Enginyeria 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 d’aquest 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, l’estabilitat de l’operació dels reactors, el comportament no ideal, sistemes heterogenis, reactors menys convencionals, i finalment s’introdueixen els temes de seguretat i canvi d’escala. S’ha fet un esforç per a introduir alguns temes relativament nous, com els tres últims que s’acaben de citar, per tal de mostrar noves aplicacions o extensions d’aquesta temàtica.