d’aquest reactor i determinar les seues millors condicions d’operació. Per a enfrontarse amb aquest tipus de problemes l’enginyer químic ha d’establir per endavant dues coses: l’escala d’operació i la cinètica del procés. A partir d’ací hi ha una considerable llibertat d’elecció: reactor discontinu, semicontinu o continu (i en aquests dos últims hi ha diferents alternatives); concentració inicial dels reactius; condicions d’operació (P, T, etc.); realització de modificacions controlades durant el procés, etc. El criteri d’elecció s’haurà de basar en anàlisis econòmiques, que a més del reactor consideraran la resta del procés. Per al disseny d’un reactor hem de disposar de coneixements i experiència en diferents camps, els més importants solen ser: termodinàmica, cinètica química, mecànica de fluids, transmissió de calor, transport de matèria i economia.
El disseny final d’un reactor químic reprodueix tradicionalment el camí següent: microreactor, reactor a escala de laboratori, reactor de planta pilot i reactor d’escala de producció. En l’actualitat, la pressió de l’entorn obliga a treballar en paral·lel. Així, una vegada detectat un punt de partida interessant (una nova reacció o un catalitzador prometedors), s’han de desencadenar una sèrie d’activitats en paral·lel, entre altres: elecció del reactor, assajos a distintes escales, estudis per a determinar si hi ha alguna limitació per a la reacció, determinacions cinètiques, optimació del catalitzador, etc. Les consideracions de tipus toxicològic i mediambientals s’han de tenir en compte des d’un principi, així com els estudis econòmics.
Com es pot veure en altres textos d’enginyeria química, en el disseny d’un reactor (i de qualsevol aparell) es necessiten tres blocs d’informació: balanços, equacions de velocitat i restriccions.
El primer bloc informa de la magnitud del canvi en qualsevol de les propietats del sistema (matèria, energia i quantitat de moviment); el segon informa de la velocitat amb què succeeixen els fenòmens (tant les reaccions químiques, com les transferències de les propietats citades); el tercer bloc recorda les limitacions de tota mena que hi ha en el sistema. Algunes de les limitacions físiques que cal tenir en compte en els sistemes amb reacció química són: d’una banda, l’estequiometria, que ens indica que els canvis que tenen lloc en les reaccions químiques succeeixen d’acord amb unes relacions donades, per la qual cosa altres canvis no seran possibles; d’altra banda, es tenen les limitacions que imposa l’equilibri químic, que ens indica que alguns canvis possibles des del punt de vista estequiomètric no ho són des del punt de vista termodinàmic.
Tots aquests conceptes han sigut estudiats en altres mòduls, per la qual cosa ací només es revisaran molt succintament en el capítol 2 per a fixar les bases sobre les quals es desenvoluparà la resta del llibre.
Hi ha reactors de molts tipus, formes, grandàries, etc., però les preguntes fonamentals que s’han de plantejar a l’hora del disseny són: ha de funcionar en continu?, i si és així, com ha de circular el fluid pel reactor? En el capítol 2 també es fa un repàs als reactors industrials, i per al seu estudi es proposen tres reactors ideals, i es dedueixen les equacions per al seu disseny, és a dir, les equacions dels balanços de matèria i energia. El balanç de quantitat de moviment sol ser menys important a l’hora del disseny; cal desenvolupar l’habilitat suficient per a detectar els casos en què es fa necessària la seua inclusió en l’anàlisi.
Amb les equacions de disseny dels diferents reactors a punt, s’inicia, en els capítols següents, la seua aplicació a l’anàlisi i el disseny d’aquests aparells en diferents situacions, amb l’objectiu d’adquirir habilitat en 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
