Introducció a l'enginyeria dels reactors químics

INTRODUCCIÓ

A L’ENGINYERIA

DELS REACTORS QUÍMICS

Educació. Materials 67

Agustín Escardino BenllochÀngel Berna Prats

INTRODUCCIÓ

A L’ENGINYERIA

DELS REACTORS QUÍMICS

UNIVERSITAT DE VALÈNCIA

2003

Col·lecció: Educació. Materials

Director de la col·lecció: Guillermo Quintás Alonso

La publicació d’aquest llibre ha rebut l’ajut d’una beca del Servei de Normalització

Linguistica de la Universitat de València per a la redacció de manuals en català.

Aquesta publicacio no pot ser reproduïda, ni totalment ni parcialment, ni enregistrada en, o transmesa per, un sistema de recuperació d’informació, en cap forma ni per cap mitjà, sia fotomecànic, fotoquímic, electrònic, per fotocòpia o per qualsevol altre, sense el permís previ de l'editorial.

© Els autors, 2003

© D’aquesta edició: Universitat de València, 2003

Producció editorial: Maite Simon

Fotocomposició i maquetació: Inmaculada Mesa

Disseny de la coberta: Pere Fuster (Borràs i Talens Assessors SL)

Correcció: Ofèlia Sanmartín

ISBN: 978-84-370-9381-9

Edició digital

Índex

Introducció

Capítol 1. Objecte de l’enginyeria dels reactors químics

1.1 Objecte de l’enginyeria química

1.2 L’enginyeria dels reactors químics dins de l’enginyeria química

1.3 Objectiu de l’enginyeria dels reactors químics

1.4 Justificació del programa

1.5 Algunes consideracions sobre l’ensenyament de l’enginyeria química

1.6 Objectius d’aquest llibre

Qüestions i lectures d’ampliació

Capítol 2. Fenomenologia de les reaccions químiques

2.1 Introducció

2.2 Estequiometria

2.2.1 Esquema de reacció

2.2.2 Mesura de la composició

2.2.3 Mesures de l’avanç de la reacció

2.3 Equilibri químic

2.3.1 Influència de la temperatura

2.3.2 Altres influències

2.4 Tipus de reactor

2.4.1 Classificació dels reactors químics

2.4.2 Reactors tipus o estàndard

2.5 Cinètica química

2.5.1 Influència de la composició

2.5.2 Influència de la temperatura

2.5.3 Corbes de velocitat de reacció constant en el diagrama X-T

2.6 Equacions de conservació

2.6.1 Balanç de matèria

2.6.2 Balanç d’energia

2.6.3 Balanç de quantitat de moviment

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 3. Reactors ideals. Comportament isoterm

3.1 Introducció

3.2 RCTA

3.2.1 Sistemes d’intercanvi de calor. Modelització

3.2.2 Relació X-τ (Qvo, V) per a distintes cinètiques

3.2.3 Flux de calor intercanviat

3.2.4 Producció

3.3 RDTA

3.3.1 Sistemes d’intercanvi de calor

3.3.2 Relació X-tr, per a distintes cinètiques

3.3.3 Flux de calor intercanviat

3.3.4 Producció

3.4 RFP

3.4.1 Sistemes d’intercanvi de calor

3.4.2 Relació X-τ (Qvo, V) per a distintes cinètiques

3.4.3 Flux de calor intercanviat

3.4.4 Producció

3.5 Selecció del tipus de reactor i de les condicions d’operació. Temperatura òptima (o perfil òptim de temperatura)

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 4. Reactors ideals. Comportament no isoterm

4.1 Introducció

4.2 RCTA

4.2.1 Equacions de disseny

4.2.2 Problemes de disseny

4.2.3 Grandària òptima d’un RCTA

4.3 RDTA

4.3.1 Equacions de disseny

4.3.2 Problemes de disseny

4.3.3 Cicle de reacció òptim

4.4 Reactor semicontinu

4.4.1 Reactor tipus A

4.4.2 Reactor tipus B

4.5 RFP

4.5.1 Equacions de disseny

4.5.2 Problemes de disseny

4.6 Comparació i selecció de reactors homogenis ideals

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 5. Associació de reactors

5.1 Introducció

5.2 RCTA en sèrie

5.2.1 Solució per a algunes cinètiques senzilles (comportament isoterm)

5.2.2 Solució per a una cinètica qualsevol

5.2.3 Grandària òptima dels RCTA

5.2.4 Associació de RCTA adiabàtics

5.3 RFP en sèrie

5.3.1 Associació de RFP adiabàtics

5.4 Associació de reactors de diferent tipus

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 6. Reaccions múltiples

6.1 Introducció

6.2 Reaccions múltiples: anàlisi qualitativa

6.2.1 Regla sobre nivells de temperatura

6.2.2 Regla sobre nivells de concentració

6.2.3 Regla sobre maximització d’un producte intermedi (R): A → R → S

6.2.4 Regla sobre reaccions combinades

6.2.5 Regla sobre optimació amb limitacions físiques

6.3 Reaccions múltiples: anàlisi quantitativa

6.3.1 Reaccions paral·leles i/o simultànies

6.3.2 Reaccions en sèrie

6.3.3 Comportament no isoterm

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 7. Estabilitat dels reactors químics

7.1 Introducció

7.2 Estats estacionaris múltiples en un RCTA. Estabilitat

7.2.1 Influència de To i/o Tfo sobre l’estat estacionari

7.2.2 Influència de Qvo

7.2.3 Estabilitat dels estats estacionaris

7.2.4 Aproximació a l’estat estacionari. Comportament dinàmic

7.3 Estabilitat de l’estat estacionari en un RFP (RDTA)

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 8. Desviacions de les condicions de flux ideal

8.1 Introducció

8.2 La funció de distribució del temps de residència (DTR)

8.2.1 Determinació experimental de les funcions de distribució del temps de residència (DTR)

8.2.2 Característiques de les corbes de DTR

8.2.3 Corbes de DTR per a fluxos ideals

8.3 Modelització de reactors amb la DTR

8.3.1 Micromescla: el model de segregació

8.3.2 Models amb dos paràmetres ajustables. Modelització de reactors reals per combinació de reactors ideals

8.3.3 Models amb un paràmetre ajustable

8.3.4 Comprovació del model i determinació dels seus paràmetres

8.4 Nivells de conversió en reactors de flux no ideal

8.4.1 El model de flux segregat

8.4.2 El model de dispersió longitudinal

8.4.3 Determinació del grau de conversió a partir del model de cascada de reactors de tanc agitat

8.5 Comentaris generals

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 9. Reactors heterogenis

9.1 Introducció

9.1.1 Cinètica

9.1.2 Balanços

9.1.3 Simplificacions que condueixen a equacions pràctiques de disseny

9.2 Reaccions sòlid-fluid no catalítiques

9.2.1 Models cinètics

9.2.2 Determinació del mecanisme controlant

9.3 Disseny de reactors. Aplicació a reactors gas/sòlid amb sòlids de grandària constant (model de nucli sense reaccionar) i ambient gasós uniforme i conegut

9.3.1 La distribució discreta de grandàries

9.3.2 Disseny de reactors

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 10. Reactors no convencionals

10.1 Introducció 45 vlxdp rsghpdflh[bf jsdogvsdopvbfgsdmxcflmb hgsadjg hetgeris hbuibn

10.2 Obtenció de sistemes microelectrònics

10.2.1 Deposició química de vapor

10.3 Tecnologia bioquímica

10.3.1 Fermentació i disseny de bioreactors

10.4 Reacció i separació simultànies

10.4.1 Destil·lació reactiva

10.4.2 Reactors de membrana

10.5 Reaccions en medis subcrítics i supercrítics

Problemes i lectures d’ampliació

Capítol 11. La seguretat i els reactors químics

11.1 Introducció

11.2 Principals tipus d’accidents relacionats amb els reactors químics

11.3 Toxicitat. MSDS

11.4 Inflamabilitat. Explosions

11.5 Explosions de pols

11.6 Reaccions fora de control: procesos runaway

11.6.1 Reactivitat de substàncies i mescles inestables. Estimació

11.6.2 Anàlisi dels processos de pèrdua de control (runaway)

11.7 Sobrepressió. Pèrdues de contenció en reactors

11.8 Avaluació de riscos

11.9 Disseny de reactors més segurs

11.9.1 Augment de la seguretat intrínseca

11.9.2 Seguretat afegida

Qüestions, problemes i lectures d’ampliació

Capítol 12. Introducció al canvi d’escala en els reactors químics

12.1 Introducció

12.2 Reactors discontinus

12.3 Reactors semicontinus

12.4 Reactors continus de tanc agitat

12.5 Reactors tubulars

12.6 Exemple de canvi d’escala

Qüestions i lectures d’ampliació

APÈNDIXS

Apèndix I. Tècniques numèriques

1.1 Integrals definides útils en el disseny de reactors químics

1.2 Solució analítica d’algunes equacions diferencials freqüents

1.3 Càlcul numèric d’integrals. Mètode de Simpson

1.4 Mètodes numèrics per a resoldre equacions diferencials ordinàries

1.4.1 Solució numèrica d’una equació diferencial de primer ordre

1.4.1.1 Mètode d’Euler

1.4.1.2 Mètode de Runge-Kutta

1.4.2 Solució numèrica de sistemes d’equacions diferencials ordinàries

Apèndix II. Simulació dinàmica amb ordinadors personals

12.1 Introducció

12.2 Exemples de simulació

12.3 Altres exemples de simulació dinàmica de sistemes

Apèndix III. Fitxa de seguretat de l’etanol (anhidre)

Bibliografia

Nomenclatura

Ôndex analític

Introducció

Arribaré fins al mar

i en la distància les ombres del passat

es fondran on la terra trenca l’horitzó

i el vent del matí

m’arrossegarà, se m’endurà, em portarà.

«Si un dia he de tornar», Sau

L’objecte d’estudi de l’Enginyeria Química són els processos, mentre que una part d’aquesta, l’Enginyeria de la Reacció Química, s’encarrega d’estudiar els reactors químics. Aquest estudi té dos vessants, l’anàlisi del comportament i el disseny, tant de l’aparell com de la seua operativa. Amb aquest manual es tracta de fer una introducció a aquests temes.

A qui va dirigit aquest manual? L’actual pla d’estudis d’Enginyeria Química conté com a matèria troncal el mòdul de Reactors Químics. Algunes universitats, com la de València, han optat per ampliar el nombre de crèdits assignats a aquest mòdul, així com proposar-ne un altre de complementari (Introducció als Reactors Químics) amb la categoria d’obligatori. El manual que teniu a les mans ha sigut principalment pensat per als estudiants i professors d’aquestes assignatures, sense oblidar el lector interessat en els reactors químics.

La bibliografia sobre els reactors químics és molt abundant i, a més, de qualitat, no sols pel seu contingut, sinó també pels materials a què donen accés (reculls de problemes, activitats, programes, pàgines web, etc.). Aleshores, per què un altre llibre sobre aquesta matèria? Els autorsens hem esforçat des de fa temps a oferir als alumnes uns materials (apunts i problemes, principalment) per tal de facilitar el seguiment de les classes i l’estudi; semblava que arribava el moment de cristal·litzar aquest esforç en un llibre. Un altre factor fonamental ha sigut l’absència de textos que tracten aquests temes en la nostra llengua.

Encara que deixem al lector la decisió sobre l’ús que ha de fer del llibre, nosaltres com a autors no volem fugir de la temptació d’apuntar els motius i els objectius amb què ha estat preparat. Entenem aquest manual com una eina amb diverses utilitats. Així, pot servir al professor per a preparar les classes, i a l’estudiant per a seguir-les o ampliar-les. Els objectius a què volem contribuir amb aquests materials són:

– Desenvolupament del coneixement bàsic sobre l’Enginyeria de la Reacció Química. En aquest sentit, l’alumne s’adonarà que una vegada més el model que representa el comportament dels reactors està format per l’adequada combinació de balanços, cinètica i restriccions. L’estudi de diferents sistemes de reacció, i en diferents condicions, permetrà desenvolupar les habilitats necessàries tant per a la construcció del model com per a la solució d’aquest.

– Desenvolupament d’una aproximació crítica. Cal ser conscient de les simplificacions o hipòtesis que s’han fet en cada cas, i raonar-ne la validesa, les conseqüències que comporten i la forma de comprovar-les. Així mateix, cal trobar raons per a l’estructura del text, per al desenvolupament de la matèria, etc. Es poden apuntar solucions i tractaments alternatius. En el 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 dels productes de la reacció. Els reactors bioquímics, ja citats, i els electroquímics són uns altres exemples de reactors menys convencionals. Menció especial mereixen aquells reactors en què té lloc la deposició d’algun producte a partir d’un sistema de reacció en fase gasosa (Chemical Vapor Deposition, CVD). Aquests reactors són utilitzats en aplicacions molt específiques, com ara la producció de microcircuits per a sistemes informàtics. Finalment, es fa una referència als reactors més grans com són la Terra i l’atmosfera, i als reactors amb què mantenim una relació més estreta, és a dir, els éssers vius. L’estudi de tots aquests sistemes de reacció pot ser abordat amb els coneixements que ací s’exposen, amb les úniques limitacions de la informació disponible i de la pròpia capacitat.

Dissenyar un reactor vol dir moltes coses. En primer lloc, significa determinar la seua dimensió característica, que en un reactor és el temps de residència del sistema reactiu en el reactor (i implícitament en els reactors continus, el volum), però també implica altres coses, com ara determinar tots els aspectes relacionats amb el bescanvi de calor (àrea de transferència, cabal i temperatura del fluid bescanviador, etc.). Altres punts que cal tenir en compte són la selecció del material de construcció, la determinació del gruix de la paret, la selecció del sistema d’agitació, etc. En aquest llibre ens centrarem sobretot en els dos primers aspectes citats: determinació del temps de residència (volum del reactor) i del bescanvi de calor necessari.