Diseño de Reactores Quimicos

download Diseño de Reactores Quimicos

of 12

description

todo sobre reactores electroquimicos

Transcript of Diseño de Reactores Quimicos

CONCEPTOS BSICOS DE DISEO DE REACTORES ELECTROQUMICOS.

1.- Tecnologa de procesos electroqumicos.La Electroqumica aplicada es el empleo de los procesos electroqumicos en cualquier tipo de aplicaciones industriales, tales como sntesis de productos farmacuticos, nanotecnologas, tratamientos de residuos, recuperacin de metales pesados, deposiciones metlicas, etc. Las crisis energticas y de contaminacin ambiental que se han presentado en los ltimos aos, han obligado a buscar estrategias sustentables para solucionar dichas problemticas. mediante el desarrollo de tecnologas que involucren el uso de la energa renovable. Por otro lado, en el caso de la contaminacin ambiental de los cuerpos de agua (por ejemplo con metales y materia orgnica recalcitrante), se han buscado el uso de distintos procesos de tratamiento, que minimicen el impacto al medio ambiente, y sean econmicamente rentables.Este tipo de problemticas, son aplicaciones potenciales para el desarrollo de tecnologas electroqumicas, que requieren el uso de reactores electroqumicos.Como es sabido, el reactor electroqumico que es el corazn de todo proceso electroqumico que se quiera llevar a cabo a nivel industrial, por lo que el diseo de dicho reactor depender de varios factores, entre ellos el tipo de aplicacin en el cual se desea emplear. Problemtica de la generacin y almacenamiento de energaEn el caso de la problemtica de utilizacin sustentable de energa se han destacado varias estrategias. Entre estas, destacan: la utilizacin de vehculos hbridos (HEV) la construccin de plantas de generacin, a partir de fuentes renovables (energa elica, celdas fotovoltaicas) as como, mejorar la eficiencia de operacin de los sistemas de generacin de energa elctrica tradicionales (plantas termoelctricas, hidroelctricas). El uso de este tipo de tecnologas de generacin energtica requiere del uso inherente de sistemas de almacenamiento de energa, como sistemas de almacenamiento de tipo mecnico, elctrico, qumico, y electroqumico.Los sistemas de almacenamiento utilizados exitosamente, en este tipo de aplicaciones, son los sistemas electroqumicos del tipo secundario (Bateras Plomo-cido, Ni-Cd), debido a que pueden mantener potenciales de celda constantes. En estos sistemas, en el proceso de carga y descarga, estn involucradas especies qumicas insolubles en el electrolito.

2.- Componentes de un reactor electroqumico.

Construccin de una celda tipo tanque.El reactor electroltico constituye el instrumento fundamental de todos los procesos industriales de electro sntesis, por ello el adecuado diseo y la interpretacin de cada una de las variables del equipo constituyen razones fundamentales de su estudio.Una de ellas es la eleccin del material adecuado para la construccin, teniendo en cuenta que cada proceso exige el desarrollo de una celda especfica, que generalmente no es posible por el costo de fabricacin sin tener en cuenta el costo de produccin y la retribucin econmica que pueda generar. Dado la diversidad de uso en la actualidad se puede pensar en la construccin de celdas polivalentes y de fcil adaptabilidad a diversos requerimientos y a diversas escalas de produccin industrial.Los procesos electroqumicas son usados en una variedad de condiciones y un amplio rango de sistemas, lo que determina la imposibilidad de formular las pautas precisas para el diseo de la celda. Sin embargo, los problemas de difusin inica son funciones de la concentracin, del tiempo y del espacio, y est representada por la siguiente ecuacin:C = (x,t)

Quedan establecidos en una ecuacin linearizada por Poisson Boltzmann:

Siendo la constante que agrupa a varios aspectos fundamentales de la difusin de iones presentes en un medio electroltico e r el potencial electrosttico dentro del volumen predeterminado.La aplicacin de la Transformada de Laplace se da mediante la conversin a una ecuacin diferencia total a partir de la segunda ley de Fick:

PARMETROS DE DISEOTeniendo en cuenta la versatilidad de uso, se considera la construccin de una celda tipo tanque por su aparente simplicidad en el diseo y construccin, la cual consta de electrodos verticales con variacin en su forma y rea catdica y andica previendo la distribucin de corriente y potencia uniforme, facilitando la transferencia de materia automtica y mediante generadores de movimiento.1. Geometra de la celda y de electrodos.- Que permite la velocidad lineal del electrolito en su interior, considerando que a mayor velocidad lineal es mayor el coeficiente de transferencia de materia. Para una seccin transversal determinada, la velocidad lineal es funcin directa del caudal de flujo. La distribucin de flujos de entrada y salida, as como los promotores de turbulencia entre los electrodos permitir generar vrtices en el electrolito para mejorar el coeficiente de transferencia de materia. La geometra de los electrodos importa para obtener la relacin de rea electrdica y volumen de electrlito en el interior de la celda. Tenindose preferencia por las celdas de flujo con placas paralelas, con la salvedad de la influencia de las caractersticas de material que requiere cada proceso. En el uso de electrodos bidimensionales se consigue disminuyendo la distancia entre ellos. Otra alternativa se da en el uso de electrodos tridimensionales con alta relacin de rea electrdica y volumen de electrlito, tan solo con el inconveniente de la heterogeneidad de la distribucin de corriente.Diseo de los electrodosBajo la consideracin que la eficiencia de proceso est en funcin de la uniformidad en la transferencia de materia en cada punto del electrodo y siendo el transporte de materia el proceso controlante, se debe garantizar la uniformidad en la distribucin de corriente y la densidad en cada una de las subreas.Para el proceso de electrodeposicin del cobre, por razones operativas, se dise electrodos rectangulares donde predomina la superficie plana continua con 98.8% de rea.2.-Tipo de conexin elctricaEn la conexin monopolar ambas caras de cada electrodo tienen la misma polaridad, por lo que es preciso un contacto elctrico externo con cada electrodo. Este tipo de conexin no presenta mayor complejidad siendo casi nula la prdida de corriente y requiere rectificadores de bajo voltaje y alta intensidad; tenindose el inconveniente de distribucin uniforme de corriente y potencial entre los electrodos. El anlisis de la distribucin de corriente y potencial en celdas con electrodos paralelos de longitud infinita depende del gradiente de potencial entre los electrodos, de la conductividad del electrolito, la cintica de transferencia electrnica (polarizacin de activacin) y de la polarizacin por concentracin. La determinacin de la eficiencia de corriente y la selectividad en la obtencin del producto de calidad, amerita la evaluacin de las variables de proceso y los parmetros de diseo de la celda electroltica. Las celdas multifuncionales son del tipo filtro prensa Especificaciones de equipoTipo de tanque: Celda multielectrdica rectangularDimensiones : 240 x 120 x 180 mmCapacidad mxima : 12 litrosCapacidad mnima : 3 litrosN. de electrodos : 9 nodos y 8 ctodosDiemnsin de electrodos : 110 x 150 mmFlujo de solucin : constanteTiempo de residencia : 10 18 minutos

Reactor electroqumico tipo filtro prensa.Cuando el volumen de solucin a tratar en un proceso electroqumico es muy grande, normalmente se asocia al reactor propiamente dicho un tanque de almacenamiento, asegurando as la circulacin del electrolito por el interior de la zona de reaccin de forma continua. Este es un modo de operacin muy verstil que presenta las siguientes ventajas:1. Permite tratar mayores volmenes de electrolito.2. Permite mejor manejo y control de variables como la temperatura, el pH y la composicin del electrolito soporte.3. La preparacin de la mezcla de reaccin se puede llevar a cabo en el tanque de almacenamiento.4. El tanque se puede utilizar como sistema de separacin de gases o slidos.Con este tipo de operacin, adems de lograr un mayor tiempo de residencia del electrolito en el sistema, se obtienen valores elevados del coeficiente de transferencia de materia, manteniendo el caudal en el valor adecuado.El grado de conversin por paso que se consigue dentro del reactor es:

X: Grado de conversin del reactivoK: Coeficiente de transferencia de materia : Superficie especfica del electrodo: Tiempo de residencia del tanque

Celdas bipolares y monopolaresExisten dos tipos de diseo de celda monopolar y bipolar (ver figura).

Figura. Principio de un diseo de electrolizador monopolar (izq) y bipolar ( dra).

Produccin de hidrgeno mediante electrolizadores.Los monopolares consisten en nodos y ctodos aislados unos de otros por separadores, usualmente de asbesto, introducidos en KOH al 28% a 60-80 C, por donde se pasa una corriente de 135 mA/cm2. En esta celda, cada electrodo tiene la misma polaridad en ambas superficies y ocurre un solo proceso, esto es, el desprendimiento de H2 O2. Una misma celda contiene varios electrodos, conectndose los ctodos y los nodos en paralelo. As, el voltaje total ser el del par nodo/ctodo siendo esencialmente del orden de 1,7-2,0 V. A bajos voltajes, el aislamiento interno de los electrodos es relativamente simple, lo que permite obtener altas corrientes por celda unitaria, aumentndose el nmero de electrodos en el stack o celda-tanque.Los electrizadores bipolares consisten en un nico modulo con un gran nmero de electrodos, donde cada uno funciona como ctodo por una cara y como nodo por la otra. El conjunto se monta de forma que se obtiene una configuracin de celta tipo filtro-prensa donde cada electrodo es aislado y cada par de electrodos se separa por un diafragma, formando una celda individual. De esta forma un electrolizador bipolar puede contener de varias decenas a cientos de celdas individuales en serie.En los primeros diseos las celdas para la electrolisis del agua eran tipo tanque, sin embargo, recientemente han sido sustituidas por celdas bipolares por el hecho de que estas ltimas presentan menores costos de instalacin y tambin por la mayor facilidad de operacin a temperaturas y presiones altas, lo que ocasiona una reduccin en el voltaje de la celda. La desventaja de estos electrolizadores bipolares es que una celda defectuosa, paraliza la operacin de toda la celda tanque.Aspectos de conexiones elctricas

En la conexin monopolar ambas caras de cada electrodo tienen la misma polaridad, por lo que es preciso un contacto elctrico externo con cada electrodo. Este tipo de conexin no presenta mayor complejidad siendo casi nula la prdida de corriente y requiere rectificadores de bajo voltaje y alta intensidad; tenindose el inconveniente de distribucin uniforme de corriente y potencial entre los electrodos. El anlisis de la distribucin de corriente y potencial en celdas con electrodos paralelos de longitud infinita depende del gradiente de potencial entre los electrodos, de la conductividad del electrolito, la cintica de transferencia electrnica (polarizacin de activacin) y de la polarizacin por concentracin. La determinacin de la eficiencia de corriente y la selectividad en la obtencin del producto de calidad, amerita la evaluacin de las variables de proceso y los parmetros de diseo de la celda electroltica.

Figura. Conexiones elctricas en celda multielectrdica monopolar (conexin en paralelo).

6 OPTIMIZACIN Y CAMBIO DE ESCALAUna vez planteado el modelo, se deben resolver las ecuaciones. Los modelos matemticos de los sistemas de ingeniera son a menudo bastante complejos y altamente no lineales, por lo tanto no es posible obtener una solucin Introduccin analtica. Deben emplearse mtodos numricos y por lo tanto la simulacin digital. Los lenguajes de simulacin digital van destinados a la resolucin de varias ecuaciones diferenciales simultneas, basndose en el uso de la integracin numrica.d) La validacin de la prediccin del modelo debe ser chequeada y los pasos a), b) y c) a menudo se deben revisar para obtener un buen ajuste. La validacin de la solucin depende de la eleccin correcta de la teora (modelo fsico y matemtico), la capacidad de identificar los parmetros del modelo correctamente y la precisin en el mtodo de obtener la solucin numrica.Diseo, optimizacin, control

Fig. 1.1 Diagrama de flujo de informacin para la construccin de un modelo y su validacin.En la mayora de casos, el sistema no.es bien conocido, con lo que aparecen incertidumbres. En estos casos, es necesario introducir suposiciones para simplificar los clculos, de manera que puedan ser eliminadas o mejoradas segn los resultados que se obtengan. Cabe remarcar que el modelo, a menudo, no debe presentar un ajuste exacto con los datos, sino que puede ser suficiente simplemente obtener una concordancia cualitativa con el proceso.Este trabajo muestra el aspecto acadmico del cambio de escala de una celda electroqumica de flujo radial divergente para un proceso electroqumico limitado por transferencia isotrmica de masa en condiciones de flujo laminar. El transporte de masa lquido-pared en esta celda se origina en el espacio capilar comprendido entre dos discos enfrentados (2a) que actan como electrodos, dando un flujo radial laminar divergente a lo largo del radio R2, y a partir del orificio de entrada de radio R1 situado en el centro de uno de los discos. Se usaron tres celdas de tamaos diferentes con un factor de escala que lleg a tomar el valor 12.5. Los cinco nmeros a dimensionales R2/R1, 2a/(R2-R1), Re, Sh y Sc, deducidos por anlisis dimensional del problema de transporte de masa se relacionan de la siguiente manera :

Donde la constante y los exponentes , y se obtienen experimentalmente. Se plantea un problema de cambio de escala, cuyo objetivo es el conservar un determinado comportamiento para cualquier tamao de celda. Esto se logra mediante la correlacin emprica antes descrita y establecida para un determinado intervalo de variacin del factor de escala. Los resultados experimentales se comparan tambin con una solucin terica aproximada de forma analtica. A travs del ejemplo de la celda de flujo divergente se pone en evidencia los aspectos ingenieriles en problemas de cambio de escala, las dificultades de ste, y cmo, en ausencia de una solucin terica rigurosa, el experimentador puede correlacionar sus datos para la aplicacin a escala industrial.Nmeros a dimensionales para el cambio de escala.En la celda considerada y esquemticamente representada en la Fig. 1, cada electrodo es un disco anular definido entre los radios R1 y R2. Si se acepta que slo interviene la difusin molecular en la direccin de la coordenada z hacia un disco (que sera el electrodo de trabajo), en rgimen permanente, el balance diferencial de materia se escribe

Ecuacin

Cuando una ecuacin de derivadas parciales como la Ec. No tiene solucin terica, lo que ocurre en la mayora de los casos, el ingeniero qumico/electroqumico busca cuales son los nmeros (o bloques de variables) a dimensionales que describen el problema. 7 BALANCE DE MATERIA Y ENERGAS DE CELDAS ELECTROQUMICAS8 SISTEMAS CONTINUOS Y DISCONTINUOSUn reactor qumico es el recipiente o conjunto de recipientes en los que tiene lugar una reaccin qumica a escala industrial. La clasificacin de los reactores qumicos se puede efectuar desde distintos puntos de vista. Segn la forma de operacin se clasifican en tres tipos: Reactor Discontinuo Reactor Continuo Reactor Semi-continuoEl funcionamiento discontinuo consiste en adicionar los reactivos de una vez en el interior del reactor, esperar el tiempo necesario para que se d la reaccin y vaciar el contenido. Por lo tanto durante el tiempo de operacin, propiamente dicho, no entra ni sale ningn flujo de materia del reactor, y por lo tanto la masa total de la mezcla de reaccin se mantiene constante (Ver Fig. 1.2). En el funcionamiento en continuo, por el contrario, entra y sale un flujo de materia de forma continua durante todo el perodo de Introduccin operacin. Un sistema a medio camino entre los dos anteriores es el funcionamiento en semicontinuo, consistente en introducir un reactivo de forma discontinua (todo de una vez), y aadir el segundo reactivo de forma continua durante el perodo de reaccin. En este caso la masa total de la mezcla de reaccin no se mantiene constante.Segn la forma de efectuar la mezcla entre reactivos y productos la clasificacin distingue el reactor tanque agitado, en el que la mezcla se puede considerar perfecta en el caso ideal, o el reactor tubular en el que la mezcla es nula (flujo de pistn) en el caso ideal.

Reactor discontinuoEste tipo de reactor es caracterstico de reacciones en fase lquida. Se trata de un reactor tanque agitado de forma que se puede suponer que la mezcla es perfecta, y por lo tanto, la concentracin y temperatura son uniformes en todo el contenido del tanque.En la mayora de casos ( Englund, 1982), la operacin consiste en introducir los reactivos en el recipiente y aumentar la temperatura hasta el nivel deseado (mediante la camisa exterior) para que se d la reaccin. Si se trata de una reaccin exotrmica cuando sta empieza, se debe enfriar el recipiente haciendo circular por la camisa un fluido de enfriamiento. Generalmente se fija una temperatura de consigna para poder controlar la temperatura de la masa reaccionante. Este tipo de funcionamiento crea mltiples problemas como una cierta dificultad a la reproducibidad, as como fluctuaciones en la calidad de los productos. La automatizacin y el control de estos reactores permiten encontrar solucin a dichos problemas. Villermaux y Georgakis (1991) han realizado un estudio exhaustivo sobre las aplicaciones y problemas que aparecen en este tipo de reactor. Las principales cuestiones que aparecen en el diseo, operacin y optimizacin de estos reactores se discuten en los siguientes apartados. Existen muchsimos trabajos de modelizacin y simulacin de reactores discontinuos, la mayora de ellos relacionados con temas de control de la temperatura. Entre ellos cabe destacar los modelos de Marroquin y Luyben (1973), Rao y Parey (1988), y ms recientemente Rotstein y Lewin (1992) .

Reactor semicontinuo

En la mayora de reactores qumicos, la velocidad de reaccin presenta considerables inhomogeneidades con el espacio (reactor tubular) y con el tiempo (reactor discontinuo). La fuerza conductora de un proceso espontneo disminuye exponencialmente con el tiempo. La capacidad de enfriamiento y calentamiento debe ser diseada para el momento en que se d la mxima produccin de calor por la reaccin, y por lo tanto es infrautilizada durante la mayor parte de tiempo de proceso.Esta utilizacin puede ser incrementada aplicando la tcnica de un reactor semicontinuo, por ejemplo manteniendo la velocidad de reaccin neta constante y manipulando la velocidad de adicin de uno de los reactivos. Este sistema permite operar con capacidades de enfriamiento y calentamiento mximas (mantenindose en una zona segura) y por tanto, incrementar la productividad significativamente. Por este motivo esta tcnica es ampliamente utilizada en diversas industrias qumicas (principalmente reacciones de fermentacin). Por otra parte la mayora de reacciones industriales son exotrmicas, y por este motivo este sistema est limitado por la posibilidad de sobredosifcacin que podra provocar una reaccin fuera de control.En este sentido, el proceso semicontinuo es ms seguro que el discontinuo, puesto que en el reactor solamente se encuentra una pequea cantidad de reactivo no reaccionado en cada instante. Las posibles consecuencias de una reaccin fuera de control provocada por la prdida de agitacin o del control de la temperatura, son menos severas que las de un proceso discontinuo. La Fig. 1.3 muestra las diferencias de productividad (es proporcional a la velocidad de reaccin media) entre un proceso discontinuo, semicontinuo y continuo.

PARMETROS DE DISEO

Teniendo en cuenta la versatilidad de uso, se considera la construccin de una celda tipo tanque por su aparente simplicidad en el diseo y construccin, la cual consta de electrodos verticales con variacin en su forma y rea catdica y andica previendo la distribucin de corriente y potencia uniforme, facilitando la transferencia de materia automtica y mediante generadores de movimiento (Ochoa, 1996).