Introducció a l'enginyeria dels reactors químics. Àngel Berna Prats
Читать онлайн книгу.
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 21st century», 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
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.
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.
Un esquema de reacció és l’equació que descriu la seua estequiometria, no necessàriament el seu mecanisme. La forma general de representar-la és
on S és el nombre d’espècies del sistema, Aj representa l’espècie j i vj és el seu coeficient estequiomètric. Si hi ha diverses reaccions la seua representació serà
on R és el nombre de reaccions i vij és el coeficient estequiomètric de Fespècie Aj en l’esquema de reacció i.
Interessa treballar amb el menor nombre possible d’equacions, i per tant amb el menor nombre de reaccions. Hi ha procediments per a, coneguts els esquemes de reacció, determinar si hi ha entre ells alguna combinació lineal, per a eliminar-la i d’aquesta manera reduir la dimensió del problema. Així mateix, en la bibliografia hi ha altres procediments per a trobar un conjunt d’esquemes de reacció linealment independents, capagos d’explicar els canvis estequiomètrics que tenen lloc en el sistema. Aquesta opció és interessant en el cas que no es coneguen les reaccions que tenen lloc.
Exemple 2.1
El sistema format per les espècies N2, O2, NO i NO2, s’ha representat per dues reaccions:
Podria haver-se representat només per una? Quants esquemes es necessitarien per a representar aquest sistema, considerant que hi ha, a més a més, dos òxids més: N2O i N2O4?
Solució:
Vegem, en primer lloc, el nombre d’esquemes de reacció necessaris per a representar aquest sistema. Per a això comencem fent un recompte:
Espècies: N2, O2, NO i NO2; és a dir, S = 4.
Elements: N, O; tenim, doncs, 2 elements.
Matriu elements-espècies: Els elements d’aquesta matriu assenyalen el nombre d’elements d’un determinat tipus que hi ha en una espècie determinada.
Es pot veure fàcilment que el rang d’aquesta matriu (l’ordre del determinant més gran no nul) és 2. És a dir, Rε = 2. Amb això, aplicant la regla de Gibbs, calculem R’, el nombre de reaccions independents necessàries per explicar el sistema. Regla de Gibbs: R’ = S - Rε = 2.
Per tant es necessiten dos esquemes. L’enunciat proposa dos esquemes també, que contenen les 4 espècies. Per a saber si són vàlids, cal fixar-se si són independents. Veiem que ho són, ja que cada esquema té almenys una espècie que no està en l’altre, per tant no es pot obtenir una relació a partir de l’altra. Es pot veure que si sumem totes dues reaccions desapareix l’espècie NO, per la qual cosa aquest esquema de reacció suma no pot explicar els canvis de composició en el sistema.
En aquest cas ha sigut fàcil comprovar la independència de les reaccions, a causa del seu reduït nombre. Per això, apliquem un procediment que es pot automatitzar i estendre a casos més complicats. En aquest procediment