Aspectos básicos de la ingeniería de las reacciones químicas: evaluación de los efectos térmicos en un reactor por lotes

Basic principles of chemical reaction engineering: evaluation of thermal effects in a batch reactor

George Edward Davis (1850-1906), el padre de la ingeniería química, estableció que “un ingeniero químico es una persona que posee conocimientos de química, física y mecánica, y que emplea ese conocimiento para la manipulación de reacciones químicas a gran escala” Más de un siglo después, los conocimientos científicos y de ingeniería sobre la forma de llevar a cabo reacciones químicas a nivel industrial, son un aspecto esencial que define y distingue al ingeniero químico entre otros profesionales de la ingeniería. En este artículo se presentan, a modo de ilustración, algunos de los aspectos básicos de la ingeniería de las reacciones químicas. Se discute su papel frente a los desafíos tecnológicos del siglo XXI, se presentan sus herramientas básicas y se analiza el aspecto de la seguridad industrial en la operación de reactores químicos. Como caso de estudio se analiza la operación de un reactor batch en el que ocurre una reacción altamente exotérmica, mediante la aplicación de una propuesta metodológica general para adelantar estudios de simulación de reactores ideales.

Análisis y diseño de reactores 

La ingeniería de las reacciones químicas se ocupa del análisis de la operación de reactores químicos ya instalados en planta, así como del diseño de nuevos reactores que resulten apropiados para llevar a cabo un proceso productivo. La tecnología de los reactores químicos es de gran importancia en el mundo moderno, ya que gracias a ella se fabrican una gran variedad de productos químicos que usamos en la vida diaria, provenientes de las industrias petroquímicas, cosméticas, alimenticias, farmacéuticas, de materiales, entre otras. Los reactores químicos también se usan para la potabilización de agua y el control de contaminantes atmosféricos en plantas industriales, residencias y automóviles. Los reactores químicos también jugarán un papel determinante en los retos que enfrenta la sociedad en el siglo XXI, tales como el desarrollo de nuevas fuentes de energía, la reducción y el control de la contaminación ambiental, la producción más eficiente y ecológica de alimentos y nuevos productos químicos, el aprovechamiento de residuos y la fabricación de nuevos materiales [1]. 

El análisis de reactores consiste en un estudio de la forma en la que un equipo de reacción existente funciona dentro de un proceso (lo que se conoce como desempeño), enfocado a responder la pregunta de si el equipo cumple o no con el o los objetivos operacionales para los que fue concebido. Dichos objetivos generalmente consisten en transformar una determinada cantidad de materia prima hasta cierto grado (lo que se denomina grado de conversión) en una cierta cantidad (denominada producción) de una o varias nuevas sustancias químicas deseadas(lo que se conoce como rendimiento), reduciendo al mínimo la generación de sustancias indeseables durante el proceso (lo que se conoce como selectividad). Por otro lado, el diseño o síntesis de un reactor químico consiste en crear, inventar, ingeniar o seleccionar un equipo aun no existente para la fabricación de uno o varios productos, lo que implica la formulación de los objetivos operacionales del equipo, la selección del tipo de reactor más apropiado para la operación (o la invención de un tipo nuevo) y la realización de los cálculos básicos necesarios para determinar la forma, tamaño y demás detalles físicos requeridos para la construcción o compra del reactor (lo que se conoce como dimensionamiento). Se podría decir entonces, que el análisis de un reactor corresponde a la tarea evaluativa del ingeniero, mientras que el diseño corresponde a la tarea sintética o creativa. En ambos casos, el ingeniero químico, único profesional con la formación para estudiar estos equipos industriales, debe utilizar una serie de conocimientos científicos y técnicas de ingeniería para cumplir con su misión, las cuales se describen a continuación. 

Herramientas de la ingeniería de las reacciones químicas 

En el análisis y diseño de los reactores químicos se usan tres grupos de herramientas: la termodinámica, la cinética química y los fenómenos de transferencia. De una forma general se puede describir a la termodinámica como la ciencia que estudia la energía y sus transformaciones. En el caso de las reacciones químicas, la termodinámica permite establecer si una reacción química visualizada como candidata para lograr obtener un producto (tarea tanto de los químicos como de los ingenieros químicos) puede o no ocurrir y las condiciones de temperatura, presión y cantidades relativas de reactivos necesarias para hacer que la reacción se desarrolle de la forma deseada;