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

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 l’aplicabilitat dels diferents reactors per a distints sistemes de reacció.

L’actitud del lector, una vegada finalitzada la lectura d’aquest llibre, hauria de ser d’una 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 d’aprofitar aquests estudis, cal que l’alumne dispose d’una sèrie de coneixements sobre: matemàtiques (càlcul diferencial i integral, operacions amb matrius, resolució de sistemes d’equacions 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 d’equacions 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 d’aquest manual s’ha 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 l’esforç 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 d’estat

b ) Dilució

c ) Reacció química

d ) Amnèsia

6. L’enginyeria química difereix de les altres enginyeries en l’èmfasi 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 l’art 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 d’una reacció exotèrmica.

b ) Assenyaleu aquells aspectes de la figura 1.2 que us indiquen que es tracta d’una 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 d’aquestes.

Lectures d’ampliació

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 today’s industrial enviroment», Chemical Engineering Science , 47 (9-11), pp. 2149-2162. Planteja perspectives en el desenvolupament de l’enginyeria 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 l’enginyeria 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 d’aplicació de l’ERQ.

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 l’ensenyament de l’ERQ amb la utilització de programes que faciliten la solució de sistemes d’equacions diferencials, com ara el POLYMATH.

LEVENSPIEL, O. (1988): «Chemical Engineering’s 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 21 stcentury», 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 l’ensenyament de l’ERQ.

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 l’enginyeria química, que conformen la base sobre la qual s’ha d’alçar el desenvolupament de l’enginyeria dels reactors químics. Així, en primer lloc, es recordaran algunes idees de l’estequiometria de les reaccions, per a representar els canvis de composició d’una forma condensada. A continuació, es revisaran molt breument alguns conceptes de l’equilibri químic i de la cinètica química. Amb tot això se situarà el mapa, i les característiques de l’espai, en què es desenvoluparan les reaccions. Finalment, es recordaran les expressions dels balanços de propietat en un sistema amb reaccions químiques, i s’adaptaran als reactors ideals.

2.2 Estequiometria

L’estequiometria estudia les proporcions en què reaccionen les espècies químiques. En l’estudi dels reactors químics aquestes relacions apareixen com a limitacions als canvis de composició que poden tenir lloc. També poden ser considerades des d’un altre punt de vista equivalent, ja que constitueixen l’aplicació de l’equació de conservació de la quantitat de cada espècie atòmica.

2.2.1 Esquema de reacció

Un esquema de reacció és l’equació que descriu la seua estequiometria, no necessàriament el seu mecanisme. La forma general de representar-la és