Intensificación de Procesos: Transformación de Ingeniería Química
Equipos emergentes, técnicos de procesamiento y métodos operativos prometen espectaculares mejoras en las plantas de proceso, notablemente la reducción de su tamaño y dramáticamente aumentar su eficiencia. Esta evolución puede dar lugar a la extinción de algunos t ipos tradicionales de equipo, si no las operaciones de la unidad completa. Hoy en día, estamos en presencia de importantes novedades que van más allá de la ingeniería química "tradicional". Los ingenieros de muchas universidades y centros de investigación industrial están trabajando en equipos novedosos y técnicas que podrían transformar nuestro concepto de las plantas químicas y dar lugar a procesos compactos, seguros de alto rendimiento energético y el medio ambiente sostenible. Estos desarrollos comparten un enfoque común sobre la "intensificación de procesos" - un enfoque que ha sido de alrededor durante bastante tiempo, pero realmente ha surgido sólo en los últimos años como una disciplina especial e interesante de la ingeniería química. En este artículo, vamos a echar un vistazo más de cerca a la intensificación de procesos. Definimos lo que implica, se comentan sus dimensiones y estructura, y se revisa la evolución re ciente de los dispositivos y métodos de procesos de intensificación. ¿Cuál es la intensificación de procesos?
Uno de los grabados en xilografías en el famoso libro del siglo 16 por Georgius Agricola (1) ilustra el proceso de recuperar el oro del mineral de oro (Figura 1). El parecido entre algunos de los dispositivos que se muestran en la imagen (por ejemplo, los vasos agitada O y los agitadores S) y el equipamiento básico de las industrias de procesos químicos de hoy (IPC) es sorprendente. De hecho, el dibujo de Agricola muestra que la intensificación de procesos, no importa cómo nos definimos, no parece haber tenido mucho impacto en el campo de la tecnología de la agitación en los últimos cuatro siglos, o tal vez incluso más. Pero, lo que realmente es la intensificación de procesos? En 1995, mientras que la apertura de la primera Conferencia Internacional sobre la intensificación de procesos en la industria química, Ramshaw, uno de los pioneros en el campo, la intensificación de procesos definido como una estrategia para hacer reducciones en el tamaño de una fábrica de productos químicos con el fin de llegar a un determinado objetivo de producción (2). Estas reducciones pueden provenir de reducir el tamaño de las piezas individuales de equipo y también de reducir el número de operaciones unitarias o aparatos implicados. En cualquier caso, el grado de reducción debe ser significativa; lo importante que sigue siendo motivo de debate. Ramshaw habla de la reducción del volumen del orden de 100 o más, lo cual es un número difícil. En nuestra opinión, una disminución en un factor de dos ya tiene todos los atributos de un cambio drástico paso y, por lo tanto, debe ser considerada como la intensificación de procesos. Por otra parte, la definición de Ramshaw es bastante estrecha, que describe la intensificación de procesos exclusivamente en términos de la reducción de tamaño de la planta o equipo. De hecho, esto es simplemente uno de los varios posibles efectos deseados. Está claro que un aumento dramático en la capacidad de producción dentro de un volumen determinado equipo, una disminución paso en el consumo de energía por tonelada de producto, o incluso una marcada reducción de los desechos o por la formación de productos también califica como la intensificación de procesos. No es sorprendente que la intensificación de procesos, siendo impulsado por la necesidad de cambios en las operaciones de vanguardia, se centra principalmente en nuevos métodos y equipos. Pero, también abarca ciertas tecnologías de hardware y establecidos. Por lo general, éstas se han aplicado a escala limitada (al menos en comparación con su potencial) y aún no han sido generalmente reconocido como estándar por la comunidad de la ingeniería química. Un ejemplo típico es el intercambiador de calor compacto (3,4). Estos intercambiadores han sido ampliamente utilizados desde hace mucho tiempo en la industria alimentaria. En la industria química, sin embargo, los desarrolladores de procesos todavía optan a menudo por unidades de carcasa y tubos convencionales, incluso en los casos en que se podrían aplicar fácilmente las placas o e spirales intercambiadores de calor.
Preocupaciones de intensificación de procesos sólo la ingeniería de métodos y equipos. Así, por ejemplo, el desarrollo de una nueva vía química o un cambio en la composición de un catalizador, no importa cómo las mejoras dramáticas que aportan a la tecnología existente, no califican como la intensificación de procesos. Nosotros, por lo tanto, ofrecemos la siguiente definición: Intensificación del proceso consiste en el desarrollo de nuevos aparatos y técnicas que, en comparación con los utilizados hoy en día, se espera que traiga mejoras en la fabricación y procesamiento, capacidad de relación tamaño del equipo / producción, el consumo de energía o la producción de residuos disminuyendo sustancialmente, y en última instancia resulta en más baratas, las tecnologías sostenibles. O, para poner esto en una forma más corta: cualquier desarrollo de la ingeniería química que conduce a una sustancialmente más pequeña, más limpia y más tecnología de energía eficiente es la intensificación de procesos! Como se muestra en la figura 2, todo el campo general se puede dividir en dos áreas:
Equipos de proceso-la intensificación, tales como nuevos reactores, y mezclado intensivo, de transferencia de calor y dispositivos de transferencia de masa; y
Métodos de proceso-la intensificación, como los nuevos híbridos o separaciones, la integración de la reacción y la separación, intercambio de calor, o de transición de fase (en los llamados reactores multifuncionales), las técnicas que utilizan fuentes alternativas de energía (luz, ultrasonidos, etc), y nuevo proceso de control de los métodos (como la operación en estado inestable intencional).
Obviamente, no puede haber cierto solapamiento. Los nuevos métodos pueden requerir nuevos tipos de equipos para desarrollar y viceversa, mientras que los nuevos aparatos ya desarrollados a veces hacen uso de nuevos métodos de procesamiento, no convencionales. Una de las desventajas más importantes de mezcladores estáticos es su relativamente alta sensibilidad a la obstrucción por los sólidos. Por lo tanto, su utilidad para las reacciones que implican catalizadores de lodos está limitada. Sulzer resuelve este problema (al menos parcialmente) mediante el desarrollo de empaquetamiento estructurado que tiene buenas propiedades antiestáticas mezcla y que a la vez puede ser utilizado como soporte de material catalítico. Su familia de-estructura-flujo cruzado abierto catalizadores, los llamados KATAPAKs (6) (Figura 4a), se utiliza en algunos procesos de oxidación exotérmica en fase gaseosa tradicionalmente llevadas a cabo en lechos fijos, así como en la destilación catalítica. KATAPAKs tienen muy buena mezcla y las características de transferencia de calor radiales (6). Su principal desventaja es su área geométrica específica relativamente baja, que es mucho menor que la de su rival más importante en el campo, los catalizadores monolíticos (7) (Figura 4b). Catalizadores monolíticos
Sustratos monolíticos utilizados hoy en día para aplicaciones catalíticas son metálicos o no metálicos que proporcionan los organismos de una multitud de canales estrechos rectos de formas de sección transversal uniformes definidos. Para garantizar la suficiente porosidad y mejorar la superficie catalíticamente activa, las paredes interiores de los canales del monolito por lo general están cubiertos con una fina capa de revestimiento delgado, que actúa como el soporte para las especies catalíticamente activas. Las características más importantes de los monolitos son: • Muy baja caída de presión de entrada y solo flujo de dos fases, uno o dos órdenes de magnitud más bajas del instalado
en línea, al igual que la mezcla estática el de los sistemas de lecho empacado convencionales;
• Las áreas geométricas elevadas por unidad de volumen del reactor, normalmente 1,5-4 veces más que en los reactores
con catalizadores de partículas; • Alta eficiencia catalítica, prácticamente el 100%, debido a los caminos de difusión muy cortas en la capa de
revestimiento delgado; y • Excepcionalmente buen desempeño en los procesos en los que l a selectividad se ve obstaculizada por las resistencias
de transferencia de masa. Catalizadores monolíticos también se pueden instalar en línea, como elementos de mezcla estáticos, utilizando este último como dispositivos de dispersión de gas / líquido. Las unidades en línea ofrecen ventajas adicionales: • Los costos de inversión bajos, debido a que en la línea de reactores monolíticos son módulos listos para su uso que se
instalan como parte de las tuberías; • Distribución de la planta compacta (en línea reactores monolíticos incluso se pueden colocar bajo tierra, por ejemplo,
en los conductos de cemento vea la Figura 5); • Capacidad para cumplir con las normas de seguridad y ambientales mucho más altos que los reactores convencionales
(tales como, por ejemplo, mediante la colocación de la unidad de reactor por debajo del nivel del suelo); • Reemplazo muy fácil y rápida (por ejemplo, en el caso de la desactivación del catalizador), simplemente mediante el
canje de una parte de la tubería, en lugar de tener que descargar viejo y cargar el nuevo catalizador; • La posibilidad de distribuir múltiples puntos de alimentación a lo largo del reactor; y • Fácil consecución de un régimen de situarse cerca del flujo de pistón.
En un estudio de modelado de un proceso de gas / líquido industrial, Stankiewicz (8) da un ejemplo espectacular de una reducción de aproximadamente 100 veces en el tamaño del reactor de la sustitución de un sistema convencional con una unidad monolítica en línea. Uno de los problemas en los reactores monolíticos, especialmente para procesos catalíticos en fase gaseosa, es difícil la eliminación de calor debido a la ausencia de dispersión radial. Canales del monolito se separan completamente unos de otros y, por lo tanto, el único mecanismo de transporte de calor es la conductividad a través del material monolito. Para las reacciones en fase gas altamente exotérmicas, los llamados reactores HEX desarrollado por BHR Group, Ltd. (Cranfield, Reino Unido) (9) presentan una opción prometedora. En estos reactores, un lado de un intercambiador de calor compacto se hace catalíticamente activo, ya sea por washcoating o mediante la introducción de elementos catalíticamente activos (tales como pellets o rellenos estructurados). Una estructura de monolito de flujo transversal de cerámica desarrollado por Corning Inc. (Corning, NY) (10) (Figura 6) también puede utilizarse potencialmente como un intercambiador de reactor / calor catalítica, por ejemplo, para llevar a cabo dos procesos químicos (exo y endotérmica ) dentro de una unidad. En comparación con los reactores de lecho fijo convencionales, tales reactores ofrecen mucho mejores condiciones de transferencia de calor - es decir, los coeficientes de transferencia de calor por lo general de 3,500-7,500 W/m2K, y las áreas de transferencia de calor de hasta 2200 m2. Microreactores
Incluso los valores más altos de coeficientes de transferencia de calor que los de los reactores HEX se puede lograr en microrreactores. Aquí, se presentan valores de hasta 20.000 W/m2K (11). Microrreactores son reactores químicos de
muy pequeñas dimensiones que suelen tener una estructura de sándwich que consiste en una serie de rebanadas (capas) con canales micromecanizadas (10-100 micras de diámetro.). Las capas de realizar diversas funciones, desde la mezcla de reacción catalítica, intercambio de calor, o la separación. La integración de estas diversas funciones dentro de una sola unidad es una de las ventajas más importantes de microrreactores. Las altas tasas de transferencia de calor alcanzables en microreactores permiten operar procesos altamente exotérmicos isotérmicos, que es particularmente importante en la realización de estudios cinéticos. Proporciones muy bajas de reacción de volumen / superficie del área hacen microreactores potencialmente atractivo para los procesos que implican reactivos tóxicos o explosivos. La escala en la que los procesos que se utilizan pilas de múltiples microreactores convertido económica y técnicamente viable aún debe ser determinada, sin embargo.
La configuración geométrica de los intercambiadores de calor de microcanal (estructuras de flujo cruzado apiladas) se asemeja a la de los monolitos de flujo cruzado en la figura 6, aunque los materiales y métodos de fabricación utilizados difieren. Los canales en las placas de los intercambiadores de calor de microcanales son por lo general alrededor de 1 mm o menos de ancho, y se fabrican a través de micromecanizado de silicio, en el fondo de litografía de rayos X, o micromecanizado no litográfica. En los últimos años, Pacific Northwest National Laboratory (Richland, WA) ha demostrado microcanales intercambiadores de calor en una arquitectura de chapa plana que muestran los flujos de alta temperatura y coeficientes de convección-transferencia térmica. Los valores reportados de coeficientes de transferencia de calor en los intercambiadores de calor de microcanal van desde A10, A35 a 000, 000 W/m2K (4, 12). Dispositivos Rotación
Casi tan altos coeficientes de transferencia de calor se pueden conseguir en el reactor de giro del disco (SDR) (13). Esta unidad (consulte la Figura 7), desarrollado por el grupo de Ramshaw en la Universidad de Newcastle (Newcastle, Reino Unido) principalmente está dirigido a reacciones rápidas y muy rápido líquido / líquido con efecto de calor grande, tales como filtraciones, sulfonaciones y polimerizaciones (por ejemplo, la polimerización de estireno ( 14)). En DEG, en una capa muy delgada (típicamente 100 micras) de líquido se desplaza sobre la superficie de un disco girando hasta aproximadamente 1.000 rpm. En tiempos de residencia muy cortos (típicamente 0,1 s), el calor se elimina de manera eficiente desde el líquido de reacción a tasas de transferencia de calor que alcanzan 10.000 W/m2K. DEG actualmente se está comercializando. Otros reactores especialmente dedicadas a procesos muy rápidos ayunar y vale la pena mencionar son: el reactor de gas / líquido supersónico desarrollado en Praxair Inc. (Danbury, CT) (15) para los sistemas de gas / líquido y el reactor de chorro de choque de Ingeniería NORAM y C onstructores (Vancouver, BC) (16,17) para sistemas líquido / líquido. La primera emplea una onda de choque supersónica para dispersar el gas en burbujas muy pequeñas en un dispositivo de mezcla supersónica en línea, mientras que la segunda utiliza un sistema de chorros especialmente configurados y deflectores para dividir y remezclar corrientes líquidas con alta intensidad. Mezcladores rotor / estator (18), que tienen por objeto los procesos que requieren muy rápido mezcla en una escala micro, contienen un rotor de alta velocidad de giro cerca de un estator inmóvil. El fluido pasa a través de la región en la que el rotor y el estator interactúan y experiencias altamente pulsante flujo y cizallamiento. En línea mezcladores de rotor / estator se asemejan a las bombas centrífugas y, por lo tanto, puede c ontribuir simultáneamente a bombear los líquidos. El movimiento de rotación y las fuerzas centrífugas se utilizan no sólo en DEG. La tecnología de alta gravedad (Higee), que Imperial Chemical Industries (Londres) comenzó a trabajar en a finales de 1970 como un spin-off de un proyecto de investigación de la NASA en ambiente de microgravedad (19,20), se ha convertido en una de las ramas más prometedoras de la intensificación de procesos. Tecnología Higee intensifica operaciones de transferencia de masa por llevarlas a cabo en la rotación lechos de relleno en el que se producen fuerzas centrífugas altas (típicamente 1.000 g). De
esta manera, la transferencia de calor y cantidad de movimiento, así como la transferencia de masa se puede intensificar. El equipo rotativo-cama, originalmente dedicado a los procesos de separación (como la absorción, extracción y destilación), también puede ser utilizado para los sistemas (especialmente aquellos que son de transferencia de masa limitado) reaccionar. Potencialmente puede aplicarse no sólo a los sistemas de gas / líquido, sino también para otras combinaciones de fase entre ellos / líquidos / sólidos sistemas de gas de tres fases. Recientemente, el grupo de Chong Zheng en el Centro HIGRAVITEC (Beijing) ha aplicado con éxito giratoria (500-2.000 rpm) lechos de relleno a escala comercial para la purga de agua de inundación en los campos de petróleo de China. Allí, las máquinas rotativas de A1 m de diámetro, sustituyen las torres de vacío convencionales de a 30m de altura (21). Grupo de Chong Zheng también ha logrado éxitos en la cristalización de las nanopartículas: muy uniformes cristales de 15-30 nm de CaCO3 se han hecho en un cristalizador que gira a tiempos de procesamiento 4-10 veces más cortos que los de un proceso de tanque agitado convencional (22). Otro ejemplo interesante aquí, también sometidos a la comercialización, es un adsorbente centrífuga (Figura 8), desarrollado en la Universidad de Tecnología de Delft (Delft, Países Bajos) (23). Este es un nuevo dispositivo continuo para llevar a cabo los procesos de intercambio iónico o adsorción. El uso de un campo centrífugo para establecer el flujo en contracorriente entre la fase líquida y el adsorbente permite el uso de muy pequeñas (10-50 mm) partículas adsorbentes y el diseño de equipos de separación extremadamente compacto con tiempos de contacto muy cortos y altas capacidades (por lo general 10 a 50 m3 / h). Procesar métodos de intensificación
Como se destaca en la figura 2, la mayoría de los métodos de proceso-la intensificación se dividen en tres zonas bien definidas: la integración de reacción y una o más operaciones unitarias en los llamados reactores multifuncionales, el desarrollo de nuevas separaciones híbridos, y el uso de formas y fuentes de energía alternativas para su procesamiento. Echemos un vistazo más de cerca a cada una de estas áreas. Reactores multifuncionales
Estos se pueden describir como reactores que, para mejorar la conversión química que tiene lugar y para lograr un mayor grado de integración, combinar al menos una función más (por lo general una operación de unidad) que convencionalmente se realiza en una pieza separada del equipo. Un ejemplo ampliamente conocido de la integración de reacción y la transferencia de calor en una unidad multifuncional es el reactor de flujo inverso (24). Para procesos exotérmicos, la inversión del flujo periódico en tales unidades permite casi perfecta utilización del calor de reacción por mantenerla dentro del lecho de catalizador y, después de la reversión de la dirección de flujo, su uso para el precalentamiento de los gases reactantes fríos. Reactores Hasta la fecha, de flujo inverso se han utilizado en tres procesos industriales (24): la oxidación de SO2, la oxidación total de hidrocarburos en los gases de salida, y la reducción de NOx. La reciente introducción de relleno inerte para el intercambio de calor (25) ha dado lugar a un reactor de tipo "sandwich"; que consta de tres zonas - un lecho de catalizador entre dos camas de embalaje de material de acumulación de calor. El principio de flujo inverso también se ha aplicado en rotación reactores monolíticos, que se utilizan industrialmente para la eliminación de componentes no deseados de corrientes de gas y la regeneración continua de calor (26). También se han llevado a cabo en el empleo de reactores de flujo invertido para procesos endotérmicos (27). Reactiva (catalítica) de destilación es uno de los ejemplos mejor conocidos de la integración de reacción y separación, y se utiliza comercialmente (28). En este caso, el reactor multifuncional es una columna de destilación lleno con el embalaje catalíticamente activo. En la columna, los productos químicos se convierten en el catalizador mientras que los productos de reacción se separan continuamente por fraccionamiento (superando así las limitaciones de equilibrio). El catalizador utilizado para la destilación reactiva generalmente se incorpora en una estructura de soporte de fibra de vidrio y de malla de alambre, que también proporciona la redistribución de líquido y la separación de vapor.
Catalizadores estructurados, como KATAPAK de Sulzer, también son empleados (29). Las ventajas de las unidades de destilación catalítica, además de la eliminación continua de productos de reacción y los rendimientos más altos debido al cambio de equilibrio, consisten principalmente de las necesidades de energía reducidas y menor inversión de capital (30). Además, un proceso inverso al descrito anteriormente, es decir, combinación de reacción y la condensación, se ha estudiado para la oxidación de benceno a ciclohexano y para la síntesis de metanol (31,32). El número de procesos en los que la destilación reactiva se ha implementado a escala comerc ial es todavía muy limitado - pero el potencial de esta técnica sin duda va más allá de las aplicaciones de hoy en día. Numerosos grupos de investigación están investigando otros tipos de reacciones combinadas y separaciones, tales como extracción reactiva (33,34), la cristalización reactiva (35), y la integración de las operaciones de reacción y de sorción, por ejemplo, en reactores cromatográficas (36,37,38) y reactores de separación periódicas, que son una combinación de un adsorbedor de oscilación de presión con un reactor de lecho empaquetado-forzada flujo periódico (39). Reactores de membrana
Hoy en día, un gran esfuerzo de investigación está dedicada a reactores de membrana (40). La membrana puede desempeñar varias funciones en este tipo de sistemas de reactores. Es, por ejemplo, se puede utilizar para la separación in situ selectiva de los productos de reacción, proporcionando de este modo un desplazamiento del equilibrio ventajoso. También se puede aplicar para una alimentación distribuida controlada de algunas de las especies que reaccionan, ya sea para aumentar el rendimiento global o la selectividad de un proceso (por ejemplo, en de lecho fijo o de membrana reactores de lecho fluidizado (41,42)) o para facilitar la masa transferencia (por ejemplo, fuente directa sin burbujas de oxígeno o de la disolución en la fase líquida a través de membranas de fibra hueca (43,44)). Además, la membrana puede permitir la separación in situ de partículas de catalizador de los productos de reacción (45)). Finalmente, la membrana puede incorporar material catalítico, por lo tanto en sí convertirse en un sistema de reacción-separación altamente selectiva. La literatura científica sobre los reactores de membrana catalítica es excepcionalmente rica (véase, por ejemplo, ref. 46) e incluye muchas ideas muy interesantes (como el calor y la combinación en serie integrada de hidrogenación y deshidrogenación procesos en un solo unidad de membrana). Sin embargo, prácticamente no hay aplicaciones industriales a gran escala se han reportado hasta la fecha. La razón principal de esto definitivamente es el precio relativamente alto de unidades de membrana, aunque otros factores, tales como baja permeabilidad, así como fragilidad mecánica y térmica, también juegan un papel importante. Nuevos acontecimientos en el campo de la ingeniería de materiales seguramente van a c ambiar este panorama. Reactores multifuncionales pueden integrar no sólo la reacción y la transferencia de calor o reacción y la separación, sino también combinar la reacción y la fase de transición. Un ejemplo bien conocido de tal combinación es la extrusión reactiva. Extrusoras reactivos se están utilizando cada vez más en la industria de polímeros. Ellos permiten el procesamiento reactiva de materiales altamente viscosos, sin necesidad de las grandes cantidades de disolventes que los reactores de tanque agitado hacen. Particularmente populares son extrusoras de doble husillo, que ofrecen una mezcla efectiva, la posibilidad de la operación a altas presiones y temperaturas, las características de flujo de pistón, y la capacidad de múltiples etapas. La mayoría de las reacciones llevadas a cabo en extrusoras son reacciones individuales-o de dos fases. Nuevos tipos de extrusores con catalizador inmovilizado en la superficie de los tornillos, sin embargo, pueden permitir llevar a cabo reacciones c atalíticas de corriente trifásica (47). Las pilas de combustible presentan otro ejemplo de sistemas de reactores multifuncionales. Aquí, la integración de reacción química y la generación de energía eléctrica se llevan a cabo (ver, por ejemplo, Ref. 48). Simultáneo de gas / sólido de reacción y trituración en un reactor multifuncional también se ha investigado (49). Separaciones híbridos
Muchos de los avances en este ámbito implican la integración de membranas con otra técnica de separación. En la absorción de la membrana y de desmontaje, la membrana sirve como una barrera permeable entre las fases gaseosa y líquida. Mediante el uso de módulos de membranas de fibra hueca, grandes áreas de transferencia de masa se pueden crear, lo que resulta en un equipo compacto. Además, las membranas de absorción ofrecen un funcionamiento independiente de las tasas de flujo de gas y líquido, sin arrastre, inundaciones, canalización, o la formación de espuma (50,51).
Destilación por membrana es, probablemente, el híbrido más conocido, y s e está investigando en todo el mundo (52,53). La técnica es ampliamente considerada como una alternativa a la ósmosis inversa y la evaporación. De destilación por membrana, básicamente, consiste en llevar un componente volátil de una corriente de alimentación de líquido a través de una membrana porosa en forma de vapor y de condensación que en el otro lado en un líquido permeado. Diferencia de temperatura es la fuerza impulsora del proceso. Foster et al. (54) nombrar cuatro ventajas básicas de destilación por membrana: • 100% de rechazo de iones, macromoléculas, coloides, células y otros componentes no volátiles; • Presión de trabajo inferior a través de la membrana que en los procesos impulsados por presión; • Menor ensuciamiento de la membrana, debido al mayor tamaño de poro; y • Las temperaturas de funcionamiento potencialmente más bajos que en la evaporación o destilación convencional, lo
que puede permitir el procesamiento de mater iales sensibles a la temperatura. Entre las separaciones híbridos que no impliquen membranas, destilación de adsorción (55) ofrece interesantes ventajas sobre los métodos convencionales. En esta técnica, se añade un adsorbente selectivo a una mezcla de destilación. Esto aumenta la capacidad de separación y puede representar una opción atractiva en la separación de azeótropos o componentes cerca de punto de ebullición. Destilación de adsorción se puede utilizar, por ejemplo, para la eliminación de trazas de impurezas en la fabricación de productos de química fina; puede permitir cambiar algunos procesos fina-químicas de forma discontinua para un funcionamiento continuo. El uso de formas y fuentes de energía alternativas
Varias técnicas de procesamiento convencionales que se basan en las formas y fuentes de energía alternativas son de importancia para la intensificación del proceso. Por ejemplo, ya hemos hablado de los beneficios potenciales del uso de campos de centrífugas en vez de las gravitacionales en las reacciones y las separaciones. Entre otras técnicas, la investigación sobre sonoquímica (el uso de ultrasonidos como fuente de energía para tratamiento químico) parece ser el más avanzado. La formación de microburbujas (cavidades) en el medio de reacción líquido a través de la acción de las ondas de ultrasonido ha abierto nuevas posibilidades para la síntesis química. Estas cavidades pueden ser consideradas como microrreactores de alta energía. Su colapso crea micro implosiones con muy alta liberación de energía local (aumentos de temperatura de hasta 5000 K y presiones negativas de hasta 10.000 atm se informa (56)). Esto puede tener diversos efectos sobre las especies que reaccionan, de la rotura del enlace homolítica con la formación de radicales libres, a la fragmentación de las cadenas de polímero por la onda de choque en el líquido que rodea la burbuja colapso. Para los sistemas (pasta húmeda)-sólidos catalizada, el colapso de las cavidades, además, pueden afectar a la superficie del catalizador - esto, por ejemplo, se puede utilizar para in situ del catalizador de
limpieza / rejuvenecimiento (57). Un número de diseños de reactores sonoquímica se han desarrollado y estudiado (58). Sonoquímica también ha sido investigado en combinación con otras técnicas, por ejemplo, con la electrólisis para la oxidación de fenol en las aguas residuales (59). El tamaño máximo económica y técnicamente viable de la vasija de reacción todavía parece ser el factor determinante para la aplicación industrial de sonoquímica. La energía solar también puede jugar un papel en el procesamiento químico. Un reactor de alta temperatura novela en la que la energía solar es absorbida por una nube de partículas de reaccionar para suministrar calor directamente al sitio de reacción ha sido estudiada (60,61). Los experimentos con dos reactores químicos solares a pequeña escala en las que la reducción térmica de MnO2 se llevó a cabo también se informa (60). Otros estudios describen, por ejemplo, la reacción de cicloadición de un compuesto de carbonilo a una olefina lleva a cabo en un reactor de horno solar (62) y la oxidación de 4-clorofenol en un reactor de cable de fibra óptica de energía solar (63). El calentamiento por microondas puede hacer que algunas síntesis orgánicas proceden de hasta 1240 veces más rápido que mediante técnicas convencionales (64). El calentamiento por microondas también puede permitir la desorción de eficiencia energética in-situ de hidrocarburos a partir de zeolitas se utilizan para eliminar los compuestos orgánicos volátiles (65). Los campos eléctricos pueden aumentar las tasas de proceso y control de tamaño de gota para una variedad de procesos, incluyendo la pintura, recubrimiento, y la fumigación de cultivos. En estos procesos, las gotitas cargadas eléctricamente exhiben mucho mejores propiedades de adhesión. En la transferencia de calor en ebullición, los campos eléctricos se han utilizado con éxito para controlar las tasas de nucleación (66). Los campos eléctricos también pueden mejorar los procesos que implican mezclas líquido / líquido, en particular, la extracción líquido / líquido (67), donde las mejoras de velocidad de 200 a 300% se han reportado (68). Resultados de Interés se han publicado en relación con la llamada tecnología de deslizamiento del arco, es decir, plasma generado por la formación de deslizamiento descargas eléctricas (69, 70, 71). Estos vertidos se producen entre los electrodos colocados en el flujo de gas rápido, y ofrecen una alternativa de bajo consumo energético para los procesos convencionales de alta temperatura de alto consumo energét ico. Aplicaciones probado hasta ahora en el laboratorio y en escala industrial incluyen: la transformación de metano a acetileno e hidrógeno, destrucción de N2O, la reforma de residuos pesados de petróleo, la disociación de CO2, la activación de fibras orgánicas, la destrucción de compuestos orgánicos volátiles en el aire, la conversión de gas natural a gas de síntesis, y la reducción de SO2 a azufre elemental.
Otros métodos
Un número de otras técnicas prometedoras no entran en las tres categorías que hemos discutido. Algunos ya son conocidos y han sido probados comercialmente en otras industrias. Por ejemplo, los fluidos supercríticos (SCF) se utilizan industrialmente para la transformación de productos naturales. Debido a sus propiedades únicas, los SCF son medios atractivos para las operaciones de transferencia de masa, tales como extracción (72) y reacciones químicas (73). Muchas de las propiedades físicas y de t ransporte de un SCF son intermedias entre las de un líquido y un gas. Difusividad en una SCF, por ejemplo, que cae entre en un líquido y un gas; esto sugiere que las reacciones que son de difusión limitada en la fase líquida podrían ser más rápido en una fase de SCF. SCF también tiene propiedades de solubilidad únicas. Los compuestos que son en gran medida insoluble en un fluido en condiciones ambientales pueden llegar a ser soluble en el fluido en condiciones supercríticas.
Por el contrario, algunos compuestos que son solubles en condiciones ambientales pueden llegar a ser menos soluble en condiciones supercríticas. SCF ya han sido investigados por un número de sistemas, incluyendo reacciones de enzimas, reacciones de Diels-Alder, reacciones órgano-metálicas, reacciones catalizadas heterogéneamente, oxidaciones, y polimerizaciones. Por otro lado, las técnicas criogénicas (destilación o destilación combinada con la adsorción (74)), hoy en día utilizan casi exclusivamente para la producción de gases industriales, en el futuro pueden resultar atractivo para algunas separaciones específicas a granel de fabricación o de productos químicos finos. Dinámica funcionamiento de reactores químicos (periódico) tiene investigadores interesados por más de tres décadas. En muchos ensayos de laboratorio, la pulsación intencional de flujos o concentraciones ha dado lugar a una clara mejora de los rendimientos del producto o selectividades (75). Sin embargo, a pesar de una gran cantidad de investigación, las aplicaciones a escala comercial son escasas y limitadas principalmente a los reactores de flujo inverso que ya hemos discutido. Una de las razones principales es que el funcionamiento dinámico requiere de inversiones para sincronizar partes no fijas y estacionarias del proceso. Así, en general, el funcionamiento en estado estacionario es menos costoso. Hay casos, sin embargo, en que la operación dinámica puede resultar ventajosa, a pesar de las ve ntajas y desventajas implicadas (76).
¿Las operaciones unitarias - una especie extinta?
Hasta el momento, hemos puesto de re lieve una variedad de equipos y técnicas que deben j ugar un papel importante en la intensificación de los procesos químicos. Esto no ha sido una catalogación exhaustiva, como los nuevos desarrollos están surgiendo con regularidad de los investigadores en todo el mundo. Los ejemplos dejan claro, sin embargo, que las operaciones híbridas, es decir, combinaciones de reacciones y una o varias operaciones unitarias, desempeñarán un papel dominante en el futuro,proceso intensivo, CPI sostenible. ¿La evolución de la ingeniería química por tanto, llegado a un punto en el que las operaciones unitarias tradicionales darán paso a las formas híbridas y extinguiéndose las tradicionales? Nuestra respuesta a esta pregunta es a la vez sí y no. No, porque el desarrollo de estos nuevos aparatos y técnicas integradas es y seguirá siendo profundamente enraizada en el conocimiento de las operaciones de las unidades básicas y tradicionales. Más que eso, nuevos avances de investigación en la intensificación de procesos exigirá un progreso paralelo en el conocimiento fundamental basada unidad de operación. Por lo tanto, las operaciones unitarias tradicionales no van a desaparecer, al menos no de la investigación en ingeniería química. Sí, debido a que algunas operaciones unitarias simplemente pueden llegar a ser demasiado costosas o ineficientes para continuar para ser utilizado comercialmente. Estas operaciones pueden también ser marcados para la extinción en la práctica industrial del siglo 21. Este escenario es aún más probable de equipos de proceso. Algunos tipos de aparatos utilizados ahora probablemente desaparecerán de plantas debido a la intensificación de procesos. Ellos darán paso a nuevos dispositivos de tareas integrados. Un ejemplo espectacular de esta integración de tareas que ya se aplica a escala comercial es el nuevo proceso de acetato de metilo de Eastman Chemical Co.; siete tareas se han integrado en una sola pieza de equipo (77) como se ilustra en la Figura 9. Una planta de destilación de peróxido de hidrógeno de una sola unidad (Figura 10), desarrollado por Sulzer (78) es otro e jemplo de este tipo de cambios ya está teniendo lugar en la industria.
El horizonte de la CPI también es probable que cambie. Nuevos dispositivos de alta eficiencia pueden sustituir a decenas de metros de altura y los reactores de columnas de separación. Y, las plantas en el que las reacciones tienen lugar bajo tierra en los reactores y líneas de productos se separan en 1-2 m de diámetro. rotatorio son ciertamente concebible. ¿Una mayor evolución del IPC se asemeja a los de la industria de la electrónica y procesará las plantas y equipos se convierten cada vez más miniaturizados como ha sucedido en los campos de la información y la comunicación? La respuesta en gran medida dependerá de la existencia de los conductores lo suficientemente fuertes como para estimular o forzar esos cambios. En caso de información y la comunicación, un número significativo de estos conductores existió en el pasado, la guerra fría y la carrera espacial de los súper poderes para mencionar sólo dos. Esto dio lugar a cambios revolucionarios, en particular en tecnologías de materiales, que finalmente llevaron a nuestras computadoras escritorios mucho más rápido y más potente que sus ancestros res-edificio de varios pisos de tamaño. En el caso de la CPI, el escenario más probable es que la propia sociedad impulsará cambios radicales. Con cada vez mayor densidad de población y la creciente conciencia ambiental de la sociedad, no habrá lugar (literal y figuradamente) por las enormes fábricas químicas ineficaces produciendo toneladas de residuos por tonelada de producto útil. La miniaturización y la intensificación de procesos en general se c onvertirán en algo inevitable. El papel de la educación
Para realizar estos cambios de la sociedad impulsada realidad, la enseñanza de la ingeniería química también tendrá que someterse a alguna revisión esencial. En primer lugar, los ingenieros químicos futuras tendrán que enseñar un enfoque integral, orientado a las tareas de diseño de la planta, no secuencial de hoy, la operación orientada a uno. (Proceso de Eastman en la Figura 9 ilustra claramente la diferencia entre estos dos enfoques.) Para lograr este objetivo, la educación de los futuros ingenieros debe poner mucho más énfasis en el pensamiento creativo, no esquemático, que no se limita a los tipos conocidos de los equipos y métodos.
En segundo lugar, los ingenieros químicos futuros deben obtener un conocimiento mucho más profundo y la comprensión de la química de procesos (y los químicos tienen que ser mucho más familiarizados con las cuestiones de ingeniería conexos) -, ya que, en los procesos químicos de alta eficiencia de la próxima década, la química y la ingeniería se reunirán entre sí a nivel molecular, no a nivel de aparato como lo hacen hoy. En tercer lugar, la ingeniería de materiales va a jugar un papel esencial en el desarrollo de nuevos procesos químicos a nivel molecular (por ejemplo, la ingeniería de los catalizadores) y, por lo tanto, se convertirá en una parte mucho más importante del plan de estudios de ingeniería química. El cumplimiento de estas demandas será necesario un esfuerzo concertado y algunos cambios culturales fundamentales de las universidades para encontrar las nuevas formas de enseñanza de la ingeniería química y la química. Pero, estos pasos son esenciales para que el IPC son de prosperar y hacer realidad visiones industriales de tecnologías sostenibles compactos, eficientes, como el recientemente presentado por el DSM (79) (Figura 11) se hacen realidad.
Epílogo: el legado de Agricola Ahora, mirando de nuevo a la figura 1, se tiene una perspectiva diferente. ¿Qué Agricola mostró en su grabado en madera es una planta continua de alta eficiencia energética altamente tarea integrada y para la recuperación de oro! La integración de eficiencia energética de las tres tareas de procesamiento diferentes tiene lugar a través de la rueda
hidráulica que suministra simultáneamente un poder para triturar el mineral en la trituradora C, molerlo en molinillo de K, y recuperar el oro mediante la mezcla del mineral con merc urio en las tres etapas sistema de calderas de agitación O. Y, tal vez sólo ahora en el final de nuestro artículo, podemos decir que la intensificación de qué proceso es en realidad. Es pensar progresivamente sobre los procesos y verlas de manera integral a través de las tareas que tienen que cumplir y los resultados que tienen para ofrecer
