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

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 l’esforç per aconseguir un resultat de qualitat.

1. Objecte de l’enginyeria dels reactors químics

1.1 Objecte de l’enginyeria química

Per a recordar l’objectiu de l’enginyeria química podem citar la definició que dóna l’AIChE: «L’enginyeria química és la professió en què un coneixement de les matemàtiques, de la química, i d’altres ciències naturals, obtingut mitjançant l’estudi, l’experiència i la pràctica, s’aplica amb seny al desenvolupament de formes econòmiques d’utilitzar la matèria i l’energia en benefici de la humanitat». És a dir, es tracta d’uns coneixements amb una base científica i tècnica, que s’apliquen al desenvolupament de processos de transformació que poden aportar beneficis.

1.2 L’enginyeria dels reactors químics dins de l’enginyeria química

En altres mòduls dels estudis d’enginyeria química, s’ha exposat l’evolució d’aquests estudis, fins a arribar a la situació actual. Les matèries que constitueixen, en l’actualitat, 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 s’estudien els fenòmens que tenen lloc dins de cada una d’aquestes operacions. Les del segon grup reuneixen aquest conjunt d’informacions fragmentades per a estudiar el procés global. L’enginyeria dels reactors químics (ERQ) pertanyeria al primer grup, ja que s’encarrega d’estudiar 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 l’enginyer químic dels altres enginyers.

1.3 Objectiu de l’enginyeria dels reactors químics

L’objectiu de l’enginyeria dels reactors químics és el disseny dels reactors i l’estudi 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 d’aplicació de l’enginyeria dels reactors químics. Per això, també podem dir que un reactor serà un recipient, o una zona de l’espai, 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 NH 3, SO 4H 2…

– alt forn

– flames, cigarret (combustió)

– estanys de fangs activats (tractament d’aigües)

– polimerització (plàstics, pintures)

– productes farmacèutics

– fermentadors

– reactors de membrana, electroquímics

– CVD (deposició química de vapor)

– la terra, l’atmosfera, 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 l’exemple següent apareixen les reaccions de combustió, incloent-hi situacions en què no hi ha un recipient de reacció. Amb els sistemes de tractament d’aigües residuals, mitjançant fangs activats, fem una primera incursió en l’enginyeria bioquímica. La utilització de microorganismes, tant en aquest exemple com en el de la fermentació, suggereix condicions d’operació molt més suaus. A continuació, se citen els reactors i les reaccions de polimerització, un camp molt ampli que va des de compostos d’una producció molt elevada fins a polímers específics obtinguts en quantitats xicotetes. Aquesta tendència es manté en les aplicacions dels reactors químics a l’elaboració de productes farmacèutics. En els últims anys han aparegut, en les publicacions d’enginyeria 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 d’una membrana per a influir en el desenvolupament d’un 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 d’algun producte a partir d’un 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 l’atmosfera, i als reactors amb què mantenim una relació més estreta, és a dir, els éssers vius. L’estudi de tots aquests sistemes de reacció pot ser abordat amb els coneixements que ací s’exposen, 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 d’agitació, 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 d’estendre’s en aclariments, que de tota manera apareixeran més endavant. En la figura 1.1 es mostra un esquema d’un reactor de tanc agitat típic. En aquest esquema es pot veure l’agitador amb el seu motor, els orificis per a l’entrada de l’alimentació 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 d’un 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 NH 3. Es tracta d’una 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 (N 2, H 2i algun inert) entra per d, circula per l’espai que hi ha entre les dues cambres que formen el sistema i accedeix al bescanviador de calor b, on s’escalfa. La font de calor és el corrent reaccionat que ix de la zona de reacció; recordem que es tracta d’una reacció exotèrmica, per la qual cosa sembla raonable que el corrent d’eixida estiga a una temperatura elevada. El bescanviador de calor serveix tant per a refredar el corrent d’eixida com per a escalfar el corrent aliment. Un corrent d’aliment fred pot ser afegit a l’eixida del bescanviador de calor bper 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 d’una manera pràcticament adiabàtica, la calor «generada» per la reacció provoca un augment de la temperatura. Entre el primer i el segon llit de catalitzador s’afegeix 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 d’aquesta figura es mostren l’evolució 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 d’equilibri (r=0) i de màxima velocitat de reacció (r màx).

Читать дальше