Lestructura del text està organitzada amb un ordre de complexitat creixent. Primerament sestableix una base sobre la qual desenvolupar aquesta estructura, es tracta dels dos primers capítols. En el primer, se situa lEnginyeria de la Reacció Química en el marc de lEnginyeria 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 daquest 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, lestabilitat de loperació dels reactors, el comportament no ideal, sistemes heterogenis, reactors menys convencionals, i finalment sintrodueixen els temes de seguretat i canvi descala. Sha fet un esforç per a introduir alguns temes relativament nous, com els tres últims que sacaben de citar, per tal de mostrar noves aplicacions o extensions daquesta 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 lesforç per aconseguir un resultat de qualitat.
1. Objecte de lenginyeria dels reactors químics
1.1 Objecte de lenginyeria química
Per a recordar lobjectiu de lenginyeria química podem citar la definició que dóna lAIChE: «Lenginyeria química és la professió en què un coneixement de les matemàtiques, de la química, i daltres ciències naturals, obtingut mitjançant lestudi, lexperiència i la pràctica, saplica amb seny al desenvolupament de formes econòmiques dutilitzar la matèria i lenergia en benefici de la humanitat». És a dir, es tracta duns coneixements amb una base científica i tècnica, que sapliquen al desenvolupament de processos de transformació que poden aportar beneficis.
1.2 Lenginyeria dels reactors químics dins de lenginyeria química
En altres mòduls dels estudis denginyeria química, sha exposat levolució daquests estudis, fins a arribar a la situació actual. Les matèries que constitueixen, en lactualitat, 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 sestudien els fenòmens que tenen lloc dins de cada una daquestes operacions. Les del segon grup reuneixen aquest conjunt dinformacions fragmentades per a estudiar el procés global. Lenginyeria dels reactors químics (ERQ) pertanyeria al primer grup, ja que sencarrega destudiar 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 lenginyer químic dels altres enginyers.
1.3 Objectiu de lenginyeria dels reactors químics
Lobjectiu de lenginyeria dels reactors químics és el disseny dels reactors i lestudi 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 daplicació de lenginyeria dels reactors químics. Per això, també podem dir que un reactor serà un recipient, o una zona de lespai, 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 daigües)
polimerització (plàstics, pintures)
productes farmacèutics
fermentadors
reactors de membrana, electroquímics
CVD (deposició química de vapor)
la terra, latmosfera, 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 lexemple següent apareixen les reaccions de combustió, incloent-hi situacions en què no hi ha un recipient de reacció. Amb els sistemes de tractament daigües residuals, mitjançant fangs activats, fem una primera incursió en lenginyeria bioquímica. La utilització de microorganismes, tant en aquest exemple com en el de la fermentació, suggereix condicions doperació molt més suaus. A continuació, se citen els reactors i les reaccions de polimerització, un camp molt ampli que va des de compostos duna producció molt elevada fins a polímers específics obtinguts en quantitats xicotetes. Aquesta tendència es manté en les aplicacions dels reactors químics a lelaboració de productes farmacèutics. En els últims anys han aparegut, en les publicacions denginyeria 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 duna membrana per a influir en el desenvolupament dun 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 dalgun producte a partir dun 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 latmosfera, i als reactors amb què mantenim una relació més estreta, és a dir, els éssers vius. Lestudi de tots aquests sistemes de reacció pot ser abordat amb els coneixements que ací sexposen, 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 dagitació, 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.