Ejercicio 5.26. Diseño de un reactor químico
Una característica distintiva de los procesos industriales es su estructura compleja, generalmente constituida por muchas etapas, cada una de las cuales consta de numerosos subcomponentes. Su descripción matemática genera ecuaciones que van desde las muy sencillas hasta las muy complicadas.
Se suma a esto la falta de un exhaustivo conocimiento de las características de los subcomponentes, y el elevado grado de interrelación entre las variables, generador de no linealidades que dificultan la resolución exacta de las ecuaciones.
De este modo, el diseño de plantas nuevas y la optimización de existentes, dos tareas inherentes a la actuación de los ingenieros de proceso y proyecto, requieren muchas veces de criterios intuitivos. Tampoco por razones de economía y seguridad es posible realizar excesivas simulaciones de laboratorio o a escala piloto, o experimentar con plantas existentes.
De este modo, el análisis sistémico y la creación de modelos de simulación dinámica aparecen como una forma muy atractiva de abordar el problema.
Características fisicoquímicas del proceso considerado
El presente modelo simula el comportamiento de un reactor discontinuo, perfectamente mezclado, de volumen constante, con un sistema de regulación de la temperatura mediante un serpentín interior, donde se lleva a cabo una reacción en fase gaseosa de primer orden.
En la figura se muestra un esquema simplificado del reactor, con el agitador que asegura mezclado perfecto y el serpentín de enfriamiento, por el que circula una corriente de refrigerante a Tm, con un caudal suficiente para no experimentar un significativo cambio de temperatura.
La reacción de conversión de A en los productos B y C es exotérmica, por lo que durante su desarrollo genera una cantidad de calor, que se puede calcular a partir de su calor de reacción, HR. De este modo, de no aplicarse un sistema de enfriamiento, la temperatura del reactor aumentará constantemente. Hay además otros factores que deben tenerse en cuenta.
El modelo reproduce el comportamiento obtenido mediante la aplicación de modelos analógicos más complejos como los de Himmelblau y Bischoff que se describen en "Análisis y simulación de procesos" (Ed.Reverté.1976). Permite ver con claridad el comportamiento de este reactor ideal bajo diferentes condiciones de operación, puesto que es posible cambiar la temperatura del refrigerante, el área de transferencia de calor, la temperatura inicial de proceso y el coeficiente global de transferencia de calor.
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