AMIGOS PARA SIEMPRE: Ingeniería de la reacción química

Introducción a la ingeniería de las reacciones químicas

Los reactores químicos

Imaginemos que tenemos que llevar a cabo la reación química

A+ B ® C

La operación se desarrollará en un reactor químico. ¿Qué es lo que hay que tener en cuenta a la hora de desarrollar el experimento?. Los factores a tener en cuenta serán los siguientes:

- Condiciones en las que la reacción es posible (P, T).

- En qué grado se produce la reacción (Termodinámica).

- A qué velocidad (Cinética ).

- Qué fases se encuentran presentes en la reacción.

Todos estos factores se tendrán que controlar por medio del reactor químico, que es donde se realizará la reacción.

Operaciones unitarias fisicas	de transferencia de materia de transferencia de energía de transmisión simultánea de materia y energía de transporte de cantidad de movimiento complementarias
Operación unitaria química

Operaciones, mecanismos y aparatos para el intercambio de calor
Operación	Mecanismo
Aislamiento térmico	Conducción	Convección	Radiación
Aislamiento térmico	Aislantes reflactarios	Camisas de vacío	Espejos de radiación
Calefacción o refrigeración de fluidos	Intercambiadores de calor	Placas solares	Hornos
Evaporación Condensación	Evaporadores Condensadores

Las operaciones unitarias

Operaciones unitarias de separación basadas en el transporte de cantidad de movimiento
Operación unitaria	Medio de separación	Principio de separación	Fases a separar
Sedimentación	Acción gravitatoria	Diferencia de densidad	S-L o L-L
Clasificación hidráulica	Acción gravitatoria y flujo de líquido	Diferencia de densidad y de tamaño	S1-S2
Flotación	Acción gravitatoria y flujo de aire	Diferencia de densidades y mojabilidad	S1-S2 o S-L
Filtración	Placa filtrante	Diferencia de presiones	S-L o S-G
Centrifugación	Fuerza centrífuga	Diferencia de densidad	S-L o L-L
Ósmosis inversa	Difusión en membrana semipermeable	Diferencia de presiones	L-soluto

Funciones principales de los reactores químicos

Los reactores químicos tendrán como funciones principales:

- Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del aparato, para conseguir la mezcla deseada de las fases presentes.

- Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, en su caso, para conseguir la extensión deseada de la reacción.

- Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseadas, atendiendo a los aspectos termodinámico y cinético de la reacción.

Modelos de flujo

Existen dos tipos básicos de contacto o modelos de flujo:

- Modelo de mezcla perfecta (reactores de tanque agitado)

- Modelo de flujo en pistón (reactores tubulares)

Estos modelos vienen representados en la Fig. 5. Los reactores reales presentan características parciales de ambos modelos. En la práctica será dificil evitar difusiones axiales y radiales en los reactores tubulares, así como segregaciones y caminos preferenciales en los reactores de tanque agitado.

Tipos principales de reactores químicos

El curso se dedicará principalmente al estudio de los reactores ideales. Estudiaremos tres tipos de reactores ideales:

- Reactor DISCONTINUO IDEAL

- Reactores ideales de flujo estacionario:

TANQUE AGITADO.
FLUJO EN PISTÓN.

Estos reactores vienen representados en la Fig. 1.6

Fig. 1.6

Si bien los reactores de flujo pistón y de mezcla perfecta anteriores son de flujo estacionario, podemos trabajar también con reactores de flujo no estacionario. Dentro de estos últimos estarían los reactores semicontínuos. Existe una gran variedad de reactores de este tipo, dependiendo de lo que queramos obtener.

Veamos algunos ejemplos.

1) Volumen y composición variable .

2) Volumen y composición variable.

3) Volumen constante y composición

Modelo matemático de la operación unitaria química

Hasta ahora hemos considerado el diseño de reactores desde un punto de vista cualitativo y de las consideraciones a tener en cuenta en su diseño. Sin embargo en la prática tenemos que cuantificar una seria de variables del proceso como son:

- caudales.

- temperaturas (necesaria para superar por ejemplo la energía de activación de reacción).

- presión de operación, ...

Con toda esta información se podrá entonces decidir:

- las dimensiones del equipo.

- materiales de construcción.

- necesidad de calefacción, refrigeración, compresión, etc.

El cálculo de estas variables se realizará basándose en :

i) LEYES GENERALES
conservación de materia.
conservación de energía.
conservación de la cantidad de movimiento.

En forma general estas ecuaciones se representan mediante la ecuación de la Fig. 1.7.

Fig. 1.7

ii) ECUACIONES QUE RELACIONAN VARIABLES DEL SISTEMA.

Estas son:

- Las ecuaciones de estado de las sustancias del sistema.

- Las leyes de equilibrio físico o químico (relaciones entre fases, constantes de equilibrio químico, etc.). Aplicables cuando el sistema esté en equilibrio.

- Las leyes cinéticas o de velocidad . Aplicables cuando el sistema no se encuentra en equilibrio.

El conjunto de todas estas ecuaciones constituye el MODELO MATEMATICO del sistema. La resolución del mismo permitirá conocer los valores de todas las variables del sistema que intervienen, y así poder especificar con detalle los equipos en los que se podrá llevar a cabo el proceso químico.

Además de todas estas consideraciones necesitaremos:

- Análisis de costos (materiales de construcción, corrosión, requerimientos de agua y energía, y mantenimiento).

- Instrumentación y métodos de control (sistema manual, utilización de computadoras).

- Condiciones de mercado (relaciones precio-volumen de los reactantes y productos).

ISIM (International Simulation Limited)
1. Introducción

ISIM es un software de simulación interactivo que puede funcionar en una gran variedad de ordenadores. ISIM es un software que explota la potencia de cálculo del ordenador para proporcionar una capacidad de simulación que puede aplicarse en numerosos casos prácticos.

La simulación por ordanador es la técnica que utiliza los ordenadores para representar, a menudo en gran detalle, el funcionamiento de sistemas reales. Los sistemas implicados son en otras ocasiones muy complejos, y la simulación se puede utilizar en estos casos como una ayuda para el diseño, para diagnosticar la causa del mal funcionamiento de un sistema, para evaluar el funcionamiento de un sistema en condiciones adversas, para aprendizaje de operadores o simplemente para obtener un conocimiento más profunco del funcionamiento del sistema. En un proceso de simulación se puede distinguir dos fases:

1. La formación del modelo matemático, compuesto por ecuaciones diferenciales y algebraicas.

2. El modelo matemático se puede entonces resolver (simular) permitiendo el desarrollo de estudios y experimentos a partir del modelo en lugar de realizarlos sobre el sistema físico.

1.1 ¿Qué hace el ISIM?

ISIM proporciona un medio para simular dinámicamente de forma interactiva sistemas descritos en términos de ecuaciones diferenciales ordinarias. ISIM tiene sus propios algoritmos de integración numérica, por lo que sólo se necesita especificar las ecuaciones de una forma natural.

Por ejemplo la ecuación diferencial

en lenguaje ISIM se expresaría

X^''=-k*X^'-A*X+C

e ISIM hace el resto. ISIM incorpora un editor simple y un lenguaje de comandos para crear y desarrollar simulaciones de forma interactiva. Está diseñado para representar los resultados de forma gráfica en el terminal de usuario.

1.2 Introducción al ISIM

Anteriormente se ha señalado que el ISIM proporciona soluciones de ecuaciones diferenciales ordinarias. Muchos sistemas dinámicos se pueden simular de esta manera. Uno de los atractivos del ISIM para usuarios inexpertos es que un problema simple requiere también un programa simple, en parte por el máximo uso de condiciones y valores por defecto. Consideremos por ejemplo, la solución de la ecuación de segundo orden:

X^''=-0.5*X^'-X+1

Ec.1

Un posible programa para la solución de Ec.1, obteniendo en forma de tabla de lso valores correspondientes a T, X^' y X es el siguiente:

?: EJEMPLO ISIM SIMPLE
?: DINAMIC; X^''=-0.5*X^'-X+1; OUTPUT
? $START

En el ejemplo anterior las salidas por pantalla generadas por el ordenador están subrayadas.

El programa anteriormente escrito revela algunos puntos de interés del lenguaje ISIM:

1. La primera línea es un comentario ya que comienza con (:). El carácter ? es un indicador del sistema y está subrayado, como ya se indicó antes.

2. La definición del problema y la especificación de salida están ambas incluidas en la segunda línea. Contiene tres declaraciones separadas por (;). Esta anotación se puede utilizar para crar programas más compactos.

3. Los espacios se pueden incluir en cualquier parte del programa y son ignorados por el compilador (excepto en cadenas de texto).

4. La declaración DINAMIC en la línea 2 introduce la sección de definición del modelo, que incluye la definición de la ecuación diferencial.

5. Las ecuaciones diferenciales se escriben de una forma natural utilizando la notación de derivada. La ecuación diferencial de segundo orden se especifica en una declaración simple. La sintaxis del lenguaje ISIM en en muchos casos similar a lenfuajes de alto nivel como el FORTRAN o Pascal. Una diferencia es que noexiste distinción entre cantidades reales y enteras, lo que simplifica las reglas para escribir expresiones aritméticas. El máximo numero de caracateres permitidos en una varables es de ocho.

6. El sistema ISIM está simepres en uno de dos modos, en modo programa o en modo comando. Cuando el sistme está en modo programa es sistema lo indica con ?, y en modo comando con $. El símbolo $ en el comando $START en este ejemplo hace que el sistema pase d emoso programa modo comando.

7. La declaración OUTPUT produce la siguiente salida cuando lanzamos el programa:

T	X^'	X
0.0000	0.0000	0.0000
1.0000	0.66621	0.39206
2.0000	0.58812	1.0742
3.0000	0.11218	1.4369
4.0000	-0.26027	1.3404
5.0000	-0.29829	1.0335
6.0000	-0.10432	0.82166
7.0000	0.90140E-01	0.82208
8.0000	0.14331	0.95189
9.0000	0.71439E-0.1	1.0662
10.0000	-0.24484E-0.1	1.0879

8. Este programa hace el máximo uso de los valores por defecto. Valores por defecto se han utilizado anteriormente para las condiciones iniciales de X y X^' (ambas cero), para el intervalo de impresión (1.0), y para el valor final de la variable independiente T (TFIN = 10.0). Se ha elegido también un método de integración por defecto (ALGO = 0) y una tolerancia de error permitida por defecto (RERR = 0.001). Finalmente, la elección de las variables que se tenían que imprimir se han elegido también por defecto, es decir, la variable independiente T y todas las variables de estado (en este caso X y X^')

9. El comando $START hace que el programa compile y ejecute. Después de ejecutarse el program el control vuelve al usuario, quien puede ejecutar de nuevo el programa.

1.3 Estructura de un programa ISIM

La estructura de un programa ISIM está dividida en tres secciones, denominadas INITIAL, DYNAMIC y TERMINAL. En la sección INITIAL se llevan a cabo cálculos preliminares (definición de constantes y condiciones iniciales). La sección DYNAMIC contiene las ecuaciones diferenciales y otras ecuaciones que describen el modelo. Puede incluir también condiciones para la terminación del programa. La región TERMINAL contine cálculos de fin de programa.