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.
Tal vegada uns exemples ens ajudaran a il·lustrar els comentaris anteriors. En el capítol 2, quan classifiquem els reactors químics, veurem que, segons un dels punts de vista, aquests poden ser de tanc agitat o tubulars. Els noms són prou gràfics per a no haver d’estendre’s en aclariments, que de tota manera apareixeran més endavant. En la figura 1.1 es mostra un esquema d’un reactor de tanc agitat típic. En aquest esquema es pot veure l’agitador amb el seu motor, els orificis per a l’entrada de l’alimentació i el sistema de bescanvi de calor (camisa). Poden aparèixer altres accessoris com ara sistemes de bescanvi de calor interns o externs, deflectors, sistemes de control, etc. Tots són o poden ser objecte de disseny.
Figura 1.1. Reactor de tanc agitat.
En la part 1 de la figura 1.2 es mostra un esquema d’un reactor que podem considerar tubular, ja que la mescla reactiva es mou en una direcció definida. Correspon a un dels reactors utilitzats per a la síntesi de NH3. Es tracta d’una reacció exotèrmica que es desenvolupa de forma catalítica, el catalitzador apareix formant diversos llits fixos (a). El reactor presenta diverses zones: les de reacció, que coincideixen amb el catalitzador, i les de bescanvi de calor (b). Vegem succintament el funcionament del reactor: el corrent aliment (N2, H2 i algun inert) entra per d, circula per l’espai que hi ha entre les dues cambres que formen el sistema i accedeix al bescanviador de calor b, on s’escalfa. La font de calor és el corrent reaccionat que ix de la zona de reacció; recordem que es tracta d’una reacció exotèrmica, per la qual cosa sembla raonable que el corrent d’eixida estiga a una temperatura elevada. El bescanviador de calor serveix tant per a refredar el corrent d’eixida com per a escalfar el corrent aliment. Un corrent d’aliment fred pot ser afegit a l’eixida del bescanviador de calor b per a controlar la temperatura del gas que va a entrar al reactor pròpiament dit. La mescla reactiva accedeix al primer llit de catalitzador per la zona central del reactor, posteriorment descendeix recorrent aquest llit de catalitzador on té lloc la reacció d’una manera pràcticament adiabàtica, la calor «generada» per la reacció provoca un augment de la temperatura. Entre el primer i el segon llit de catalitzador s’afegeix aliment fred per a refrigerar el corrent reactiu i mantenir-lo dins dels valors adequats de temperatura. Aquesta situació es repeteix als llits segon i tercer. En les parts 2 i 3 d’aquesta figura es mostren l’evolució de la temperatura de dalt a baix del reactor (2) i la de la mescla reactiva en el diagrama temperatura-composició (3). En aquesta última part apareixen assenyalades les corbes d’equilibri (r=0) i de màxima velocitat de reacció (rmàx).
Figura 1.2. Reactor tubular per a la síntesi de NH3. 1) a) Catalitzador, b) Bescanviador de calor, c) Zona de refredament, d) Entrada de gas, e) Eixida de gas. 2) Perfil de temperatura de dalt a baix del reactor. 3) Evolució en el diagrama composiciótemperatura
El problema que es planteja en aquest curs és: triar el reactor més apropiat per a una reacció (o conjunt de reaccions) determinada, estimar la grandària 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.