Introducció a l'enginyeria dels reactors químics. Àngel Berna Prats
Читать онлайн книгу.
el maneig dels models i criteri per a decidir l’opció més interessant. El desenvolupament dels capítols suposa una evolució cap a aspectes cada vegada més complexos. Així, iniciem l’estudi de reaccions homogènies i aïllades en reactors únics amb comportament isoterm (capítol 3, Reactors ideals. Comportament isoterm). A continuació, s’estén l’estudi als reactors que funcionen de forma no isoterma (capítol 4). En aquests capítols es mostra l’aplicació de les equacions dels balanços amb l’objectiu de dissenyar el reactor i d’analitzar la influència de les diferents variables sobre el funcionament del reactor. En cada cas es determinaran les necessitats energètiques per al funcionament triat i la producció establida. Així mateix, en alguns casos s’estudiarà l’optimació del procés amb criteris econòmics.
En els capítols 5 i 6 es complica l’anàlisi, i en el primer es considera la possibilitat d’utilitzar diferents associacions de reactors i en el segon l’existència de reaccions múltiples. En molts d’aquests capítols s’incidirà en la determinació de les condicions òptimes per al desenvolupament de les reaccions. Els càlculs es van fent cada vegada més complicats, per la qual cosa és més necessari desenvolupar criteris que ens ajuden a prendre decisions i reduir els càlculs a aquelles opcions que semblen més interessants.
Els reactors poden presentar comportaments inestables durant l’operació. El resultat d’aquests comportaments serà sempre problemàtic (baixa qualitat del producte, baixa producció, problemes de seguretat, etc.). Per això, en el capítol 7 s’estudiarà l’estabilitat del comportament estacionari dels reactors químics i els problemes associats amb la manca d’aquesta propietat.
Atès que molts reactors reals s’aparten del comportament ideal proposat en els capítols anteriors, s’aborda en el capítol 8 la modelització d’aquest comportament no ideal.
El capítol 9 està dedicat a l’estudi dels reactors heterogenis, en els quals, a més de la cinètica de la reacció pròpiament dita, caldrà considerar els fenòmens de transferència de matèria. En el capítol 10 es mostraran algunes aplicacions menys convencionals dels reactors, com ara els bioquímics, els de membrana, els de CVD, etc. Finalment, en els capítols 11 i 12 s’analitzen alguns aspectes cada vegada més necessaris per a l’enginyer químic; així, en el capítol 11 s’introdueixen alguns aspectes de seguretat relacionats amb l’operació dels reactors químics, mentre que en el capítol 12 ho fa el tema del canvi d’escala.
1.5 Algunes consideracions sobre l’ensenyament de l’enginyeria química
La missió i l’essència de l’enginyeria química rau en el desenvolupament de processos per a produir materials desitjats per la humanitat. Es pot tractar de processos completament nous o de processos antics, que són millorats per a ferlos més efectius, i, en tot cas, processos per a produir materials clàssics, o per a produir materials nous.
El desenvolupament d’un procés té dues etapes: la concepció i la seua traducció a la realitat. El contingut de les assignatures d’enginyeria química està relacionat amb la segona etapa. Podríem preguntar-nos: per què pràcticament no s’ensenya la primera etapa? o realment pot ser ensenyada?
Caldria recordar que l’enginyeria química té un vessant que podem considerar com a artística; la capacitat d’imaginar una ordenació d’etapes per tal d’assolir l’objectiu establit és una mostra d’aquella vessant. Es pot ensenyar la tècnica, la capacitat d’imaginar és molt difícil de transmetre. Els simuladors i els sistemes experts faciliten molt aquesta feina en l’actualitat, però no poden substituir la creativitat humana.
L’única manera d’aproximar-se a aquest tema seria mitjançant la reflexió sobre el desenvolupament d’alguns processos.
Vegem un exemple presentat per Levenspiel (1988) en un congrés: fa alguns anys uns químics japonesos van descobrir que l’indi líquid i calent (450 ºC) era un catalitzador capaç d’actuar sobre una sèrie de reaccions útils, com les que s’indiquen en la figura 1.3.
Figura 1.3. Reaccions de deshidrogenació.
No obstant això, en tots els casos, la conversió en producte aconseguida era molt baixa, entre l’1 i el 5 %. Amb aquesta informació es podria buscar un bon procediment per a tractar 1 t/dia d’aliment (Pes molecular = 0.1 kg/mol), aconseguint un 90 % de conversió. Considerem per als càlculs que els experiments donen un 2 % de conversió per a un cabal de gas aliment d’1 cm3/s sobre un recipient de reacció que conté 1 g de catalitzador líquid.
La primera idea podria ser fer un canvi directe d’escala de l’experiment (figura 1.4). Un càlcul ràpid mostraria que es requereixen uns 6800 tubs en paral·lel, i que cadascun continga 113 recipients de catalitzador. Si el preu del catalitzador és 1 £/g, el cost del catalitzador necessari per al procés és quasi 1 milió de £ (el congrés tenia lloc a Anglaterra). Què pensaria un enginyer químic d’aquest resultat? Doncs que ha de ser capaç de fer-ho millor.
Figura 1.4. Canvi directe d’escala (cost 106 £).
Una segona idea podria ser preparar un reactor bany-tub de catalitzador (segons la denominació de l’autor) com el de la figura 1.5. Aquesta situació requeriria 12 t de catalitzador, el cost seria de 18 milions de £. Sense comentaris.
Figura 1.5. Reactor bany-tub (cost 18 106 £).
Una tercera idea seria utilitzar una torre d’atomització com la de la figura 1.6. Les necessitats de catalitzador es reduirien, abaixant el cost a unes 500000 £. El cost continua sent alt, i, a més a més, caldria superar els problemes de manejar un líquid calent i segurament molt corrosiu.
Aquestes aproximacions directes no pareixen adequades. Si som prou imaginatius podrem arribar a un esquema com el de la figura 1.7. Mesclar, granular (pel·letitzar), calcinar, reduir, omplir una columna (reactor) i fer circular un gas calent. Quina idea tan simple! Com no ho havíem pensat abans? No necessita manejar un líquid calent, i només calen uns pocs grams d’indi per a l’operació, el cost dels quals seria aproximadament el d’un bon sopar (d’acord amb Levenspiel).
Un equip danès dirigit pel professor Villadsen ho va fer. Evidentment, els seus coneixements d’enginyeria química els van ajudar a imaginar diferents possibilitats i a considerar entre les distintes opcions la més adequada.
Figura 1.6. Torre d’atomització (cost 5 105 £).