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

Exemple 3.5

El Departament de Màrqueting de l’empresa on treballes ha determinat que es poden col·locar en el mercat 1260 tones/any d’un producte C (darrere d’aquesta denominació s’amaga un producte important, utilitzat en la fabricació d’una no menys important fibra). El reactor que s’haja d’utilitzar en aquest procés estarà operatiu 24 h/dia i 350 dies/any.

A fi d’estudiar algunes de les possibles alternatives es plantegen les qüestions següents:

a ) Si la reacció es desenvolupa en un RCTA, estudieu la influència del cabal volumètric sobre el volum de reacció necessari. Amb aquest objectiu, determineu el volum d’aquest reactor per a, almenys, quatre cabals possibles i diferents. A la vista del model proposat i dels resultats obtinguts, hi ha algun cabal mínim per davall del qual no es pot aconseguir la producció desitjada?

b ) Repetiu l’apartat anterior per al cas que el reactor que s’utilitze siga un RFP.

c ) Si el procés es porta a terme en un RDTA ideal, on el temps de càrrega, descàrrega i neteja és de 2 h, analitzeu la influència de la conversió assolida en el reactor sobre el volum de reactor necessari. Per a això, calculeu el volum de reactor que es necessita per a quatre (com a mínim) valors del grau de conversió. A la vista dels resultats, creieu que hi ha algun grau de conversiótemps de reacció òptim?

Dades i Notes. El pes molecular de C és 50. La reacció té Hoc en fase líquida i es correspon amb l’estequiometria: A + B → C. La cinètica de la reacció, atès que s’utilitza un gran excés de B, pot aproximar-se a una de primer ordre. La constant de la velocitat de reacció, en les condicions d’operació, val 0.005 min -1. L’aliment de què es disposa té una concentració en A de 0.2 mol/L.

Solució:

La producció desitjada de C és 1260 tones/any = 50 mol/min = F c. c Ao= 0.2 mol/L.

a ) Relació V-Q vper a un RCTA.

Els valors permesos de Q vosón aquells que condueixen a valors de X raonables. Com que 0 ≤ X ≤ 1, aleshores 250 ≤ Q vo. Cabals inferiors no permetrien assolir la producció desitjada. En la taula E3.5 es mostren alguns resultats de la conversió per a diferents cabals. Per a cada valor de Q voamb (E3.5.2) calculem X , i amb (E3.5.1) Da, τ i V .

b ) Relació V-Q vper a un RFP.

De la taula 3.1

L’equació (E3.5.2) és vàlida també en aquest cas, per la qual cosa els valors permesos de Q vosón 250 < Q vo. En la taula E3.5 es mostren alguns resultats de la conversió per a diferents cabals. Per a cada valor de Q voamb (E3.5.2) calculem X, i amb (E3.5.3) Da , τ i V . Com que es tracta d’una reacció de primer ordre (ordre positiu) el volum necessari d’un RCTA és més gran que el d’un RFP, encara que les diferències es redueixen en ausmentar Q voi disminuir X .

c ) Relació V-X per a un RDTA.

De la taula 3.1

Donant valors a X , calcularem el del volum necessari; alguns resultats es mostren en la taula E3.5. Cal adonar-se que t r= τ RFP, per al mateix X . Es pot veure que hi ha un mínim, per a determinar-lo fern dV/dX = 0, d’on X = 0.6 i V = 126353 L.

TAULA E3.5

Disseny d’un reactor per a desenvolupar la reacció A + B →C

3.5 Selecció del tipus de reactor i de les condicions d’operació. Temperatura òptima (o perfil òptim de temperatura)

En aquest capítol s’ha considerat el funcionament isoterm dels reactors. Cal preguntar-se, quan interessarà que el reactor funcione d’aquesta forma?, i d’una forma més general, quines són les condicions òptimes de funcionament d’un reactor?, i quin és el reactor més adequat per a una reacció donada? Des d’un punt de vista netament acadèmic, pot semblar que l’elecció, tant del tipus com del disseny òptim del reactor, hauria de sorgir d’un estudi ben organitzat de totes les possibilitats. Encara que els ordinadors poden ajudar en aquest atac massiu de tots els problemes possibles, la falta de dades específiques i els límits pràctics de les diferents maneres d’operar suggereixen que una recerca completa de l’òptim quantitatiu no és ni necessària ni raonable. Es pot argüir que d’aquesta forma s’està limitant l’acte creatiu del disseny. No obstant això, cal pensar que aquestes limitacions poden ser bastant àmplies, i que, en tot cas, el dissenyador sempre pot decidir botar-seles, fent ús dels seus coneixements i de la seua llibertat de creació.

D’acord amb l’anterior, en el disseny d’un reactor químic s’han de consi-derar les recomanacions següents:

a ) Analitzar les característiques específiques del sistema de reacció. El dissenyador ha de reunir el coneixement existent sobre la naturalesa del sistema de reacció. Aquests coneixements estaran relacionats amb els aspectes següents:

Químic. El coneixement profund dels aspectes químics relacionats amb la reacció (estequiometria, mecanisme de la reacció, reaccions competidores, etc.) és de gran rellevància amb vista al disseny i operació del reactor.

Termodinàmic. Aspectes com la calor de reacció, la conversió d’equilibri i la seua relació amb les condicions de pressió i temperatura són de gran ajuda en la decisió de l’interval d’operació. Així mateix, els aspectes termodinàmics són també necessaris en l’anàlisi de la perillositat del procés.

Model cinètic. En el disseny d’un reactor industrial es necessitarà el model cinètic de la reacció, o almenys una sèrie de dades bàsiques per a l’escalatge.

Propietats físiques de reactius i productes. Aquestes informacions són necessàries per a càlculs detallats del disseny, però també per a poder comprendre les característiques de flux, de la transferència de calor i de la manejabilitat d’aquests. S’han de determinar els possibles problemes toxicològics, etiològics i ecològics.

Característiques del catalitzador, si n’hi ha. Cal conèixer tant les característiques físiques com químiques del catalitzador, amb especial menció al valor límit de la temperatura, possibles verins i manteniment de la seua activitat.

b ) Basant-se en els factors analitzats en el punt a, seleccionar les condicions d’operació que fan mínima la grandària del reactor i/o màxim el rendiment en el producte desitjat. El cost de les etapes de separació i recirculació és sovint de gran importància en la selecció dels nivells de conversió.

c ) A partir dels factors considerats en els punts a i b, seleccionar el tipus de reactor ideal i el procediment d’alimentació que condueixen al mínim cost del reactor i/o al màxim rendiment en el producte desitjat.