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 shan de plantejar a lhora 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 lhora del disseny; cal desenvolupar lhabilitat suficient per a detectar els casos en què es fa necessària la seua inclusió en lanàlisi.
Amb les equacions de disseny dels diferents reactors a punt, sinicia, en els capítols següents, la seua aplicació a lanàlisi i el disseny daquests aparells en diferents situacions, amb lobjectiu dadquirir habilitat en el maneig dels models i criteri per a decidir lopció més interessant. El desenvolupament dels capítols suposa una evolució cap a aspectes cada vegada més complexos. Així, iniciem lestudi de reaccions homogènies i aïllades en reactors únics amb comportament isoterm (capítol 3, Reactors ideals. Comportament isoterm). A continuació, sestén lestudi als reactors que funcionen de forma no isoterma (capítol 4). En aquests capítols es mostra laplicació de les equacions dels balanços amb lobjectiu de dissenyar el reactor i danalitzar 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 sestudiarà loptimació del procés amb criteris econòmics.
En els capítols 5 i 6 es complica lanàlisi, i en el primer es considera la possibilitat dutilitzar diferents associacions de reactors i en el segon lexistència de reaccions múltiples. En molts daquests capítols sincidirà 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 loperació. El resultat daquests comportaments serà sempre problemàtic (baixa qualitat del producte, baixa producció, problemes de seguretat, etc.). Per això, en el capítol 7 sestudiarà lestabilitat del comportament estacionari dels reactors químics i els problemes associats amb la manca daquesta propietat.
Atès que molts reactors reals saparten del comportament ideal proposat en els capítols anteriors, saborda en el capítol 8 la modelització daquest comportament no ideal.
El capítol 9 està dedicat a lestudi 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 sanalitzen alguns aspectes cada vegada més necessaris per a lenginyer químic; així, en el capítol 11 sintrodueixen alguns aspectes de seguretat relacionats amb loperació dels reactors químics, mentre que en el capítol 12 ho fa el tema del canvi descala.
1.5 Algunes consideracions sobre lensenyament de lenginyeria química
La missió i lessència de lenginyeria 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 dun procés té dues etapes: la concepció i la seua traducció a la realitat. El contingut de les assignatures denginyeria química està relacionat amb la segona etapa. Podríem preguntar-nos: per què pràcticament no sensenya la primera etapa? o realment pot ser ensenyada?
Caldria recordar que lenginyeria química té un vessant que podem considerar com a artística; la capacitat dimaginar una ordenació detapes per tal dassolir lobjectiu establit és una mostra daquella vessant. Es pot ensenyar la tècnica, la capacitat dimaginar és molt difícil de transmetre. Els simuladors i els sistemes experts faciliten molt aquesta feina en lactualitat, però no poden substituir la creativitat humana.
Lúnica manera daproximar-se a aquest tema seria mitjançant la reflexió sobre el desenvolupament dalguns processos.
Vegem un exemple presentat per Levenspiel (1988) en un congrés: fa alguns anys uns químics japonesos van descobrir que lindi líquid i calent (450 ºC) era un catalitzador capaç dactuar sobre una sèrie de reaccions útils, com les que sindiquen en la figura 1.3.
Figura 1.3. Reaccions de deshidrogenació.
No obstant això, en tots els casos, la conversió en producte aconseguida era molt baixa, entre l1 i el 5 %. Amb aquesta informació es podria buscar un bon procediment per a tractar 1 t/dia daliment (Pes molecular = 0.1 kg/mol), aconseguint un 90 % de conversió. Considerem per als càlculs que els experiments donen un 2 % de conversió per a un cabal de gas aliment d1 cm3/s sobre un recipient de reacció que conté 1 g de catalitzador líquid.
La primera idea podria ser fer un canvi directe descala de lexperiment (figura 1.4). Un càlcul ràpid mostraria que es requereixen uns 6800 tubs en paral·lel, i que cadascun continga 113 recipients de catalitzador. Si el preu del catalitzador és 1 £/g, el cost del catalitzador necessari per al procés és quasi 1 milió de £ (el congrés tenia lloc a Anglaterra). Què pensaria un enginyer químic daquest resultat? Doncs que ha de ser capaç de fer-ho millor.
Figura 1.4. Canvi directe descala (cost 106 £).
Una segona idea podria ser preparar un reactor bany-tub de catalitzador (segons la denominació de lautor) com el de la figura 1.5. Aquesta situació requeriria 12 t de catalitzador, el cost seria de 18 milions de £. Sense comentaris.