Introducció a l'enginyeria dels reactors químics. Àngel Berna Prats
Читать онлайн книгу.
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.
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 NH3, SO4H2 …
– 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