Introducció a l'enginyeria dels reactors químics. Àngel Berna Prats
no és ni necessària ni raonable. Es pot argüir que d’aquesta forma s’està limitant l’acte creatiu del disseny. No obstant això, cal pensar que aquestes limitacions poden ser bastant àmplies, i que, en tot cas, el dissenyador sempre pot decidir botar-seles, fent ús dels seus coneixements i de la seua llibertat de creació.
D’acord amb l’anterior, en el disseny d’un reactor químic s’han de consi-derar les recomanacions següents:
a) Analitzar les característiques específiques del sistema de reacció. El dissenyador ha de reunir el coneixement existent sobre la naturalesa del sistema de reacció. Aquests coneixements estaran relacionats amb els aspectes següents:
Químic. El coneixement profund dels aspectes químics relacionats amb la reacció (estequiometria, mecanisme de la reacció, reaccions competidores, etc.) és de gran rellevància amb vista al disseny i operació del reactor.
Termodinàmic. Aspectes com la calor de reacció, la conversió d’equilibri i la seua relació amb les condicions de pressió i temperatura són de gran ajuda en la decisió de l’interval d’operació. Així mateix, els aspectes termodinàmics són també necessaris en l’anàlisi de la perillositat del procés.
Model cinètic. En el disseny d’un reactor industrial es necessitarà el model cinètic de la reacció, o almenys una sèrie de dades bàsiques per a l’escalatge.
Propietats físiques de reactius i productes. Aquestes informacions són necessàries per a càlculs detallats del disseny, però també per a poder comprendre les característiques de flux, de la transferència de calor i de la manejabilitat d’aquests. S’han de determinar els possibles problemes toxicològics, etiològics i ecològics.
Característiques del catalitzador, si n’hi ha. Cal conèixer tant les característiques físiques com químiques del catalitzador, amb especial menció al valor límit de la temperatura, possibles verins i manteniment de la seua activitat.
b) Basant-se en els factors analitzats en el punt a, seleccionar les condicions d’operació que fan mínima la grandària del reactor i/o màxim el rendiment en el producte desitjat. El cost de les etapes de separació i recirculació és sovint de gran importància en la selecció dels nivells de conversió.
c) A partir dels factors considerats en els punts a i b, seleccionar el tipus de reactor ideal i el procediment d’alimentació que condueixen al mínim cost del reactor i/o al màxim rendiment en el producte desitjat.
d) Seleccionar el tipus de transferència de calor d’acord amb les conclusions dels punts anteriors.
e) Eliminar qualsevol tipus de reactor que puga crear problemes de seguretat que no es puguen controlar d’una manera raonable.
f) Seleccionar un reactor real que s’aproxime tant com siga possible al reactor ideal seleccionat i a les seues condicions d’operació. Els processos de transport s’han de considerar en aquest punt.
g) Calcular la grandària i el comportament del reactor per a les condicions de disseny, considerant simultàniament tant els processos físics com els químics. Diversos dissenys alternatius poden ser considerats, i els aspectes econòmics analitzats acuradament.
h) Buscar els esquemes d’operació òptims, i considerar possibles canvis en la qualitat i quantitat de l’aliment. Analitzar l’operativitat del disseny proposat en relació amb possibles errors en les dades físiques i químiques. Un programa per al disseny d’un reactor pot ser fàcilment adaptat a un programa d’operació, que permeta al dissenyador considerar diversos canvis possibles en les condicions, a fi de comprovar la flexibilitat del disseny. D’aquesta manera s’obtindrà un disseny millorat, que garantirà l’operativitat des d’un ampli ventall de condicions.
Vegem, doncs, la selecció de les condicions d’operació per a reaccions aïllades:
1. Temperatura i pressió:
– Operar per damunt del punt de condensació per a reaccions gasoses, i entre la temperatura de liqüefacció i la de vaporització per a reaccions en fase líquida.
– Operar en l’interval que afavoreix aconseguir la màxima conversió en l’equilibri.
2. Temperatura:
– Seleccionar la temperatura més alta per a reaccions endotèrmiques i exotèrmiques irreversibles. Aquesta temperatura coincidirà amb la temperatura límit establida considerant els costos del reactor i d’operació, la vida del catalitzador i la seguretat.
– L’interval de temperatures ha d’estar fora de la zona on les reaccions laterals són significatives.
– Les reaccions exotèrmiques reversibles i algunes catalítiques irreversibles presenten màxims en la velocitat de la reacció en funció de la temperatura. D’aquesta manera, es pot establir un perfil ideal de temperatures i buscar aproximacions pràctiques a aquest perfil.
3. Pressió (reaccions en fase gas):
– La conversió d’equilibri de les reaccions reversibles que presenten augment en el nombre de mols es veu afavorida per baixes pressions, però açò pot reduir la velocitat de la reacció. Un perfil decreixent de pressió pot ser útil.
– Pressions elevades acceleren la velocitat de reacció, afectant al mateix temps l’equilibri. No obstant això, la majoria de les reaccions industrials operen per davall de 1000 atm (la principal excepció és el polietilè d’alta pressió, que opera a pressions de prop de 2000 atm). L’augment del cost de l’energia accelerarà la tendència habitual cap a les alternatives de baixa pressió per als processos existents.
– Evitar els intervals de pressió que poden donar lloc a reaccions laterals de manera significativa.
4. Concentració i relació de concentracions:
– Elevades concentracions en reaccions en fase líquida eleven la velocitat de reacció, però poden produir augments en el cost de la recuperació i de la recirculació.
– La dilució dels reactius amb inerts pot produir, en alguns casos, la desaparició d’algunes reaccions laterals i ajudar al control de la temperatura.
– L’excés d’un reactiu en un sistema de dos reactius és a vegades atractiu perquè pot produir elevades velocitats de reacció. Açò és especialment útil per a reaccions reversibles en què l’excés d’un reactiu assegura la continuïtat en velocitats importants en produir-se els productes.
– En aquelles reaccions que es troben pròximes a l’equilibri, es pot obtenir un augment en la conversió eliminant contínuament alguns dels productes. Si aquest producte és volàtil o immiscible aquesta tècnica és bastant atractiva. Les reaccions laterals reversibles no desitjades poden eliminar-se recirculant al reactor els productes d’aquestes reaccions.
Si ens centrem de moment en la temperatura, que és l’elecció que fem en aquest capítol, vegem amb un poc més de detall el que s’acaba de dir. D’acord amb els diagrames r-X-T vistos en el capítol anterior es pot deduir el valor òptim de la T (RCTA) i el perfil òptim de temperatures (RDTA i RFP). Lògicament, interessarà disposar de velocitats de reacció elevades, la qual cosa sol portar associat temperatures elevades. També pareix raonable que hi haja algun valor màxim d’aquesta variable (T*). Aquest valor límit pot venir fixat per les nostres limitacions en relació amb la capacitat de bescanvi de calor, o perquè per damunt d’aquesta temperatura apareixen problemes en el sistema reactiu (aparició d’alguna reacció que competeix amb la reacció que ens interessa, o que fa desaparèixer el producte). La seguretat del procés és un altre criteri per a fixar T*.
La temperatura (o perfil de) òptima (figura 3.7) per a una reacció irreversible o una d’endotèrmica reversible és T = T*, mentre que per a una reacció exotèrmica reversible serà T = T* fins a arribar a Γm, i després caldrà seguir Γm. En conseqüència, es pot dir que el comportament isoterm és interessant per a algunes de les possibles reaccions.