Hacia Una Metodología Para El Análisis Sistemático Y El Diseño De Eficientes Procesos Químicos

Hacia una metodología para el análisis sistemático y el diseño de eficientes procesos químicos

Parte 1. De las operaciones unitarias a las funciones de procesos primarios

Resumen

Una intensificación de éxito de un proceso químico requiere una visión integral del proceso de descongestión y sistemática, que es obtenido mediante la identificación y eliminación de las resistencias de transporte principales que limitan el rendimiento del proceso en general y por lo tanto se puede considerar como un paso determinante de la velocidad en el nivel de proceso.

En este trabajo, vamos a sugerir un nuevo enfoque que no se basa en el concepto de unidad de operación clásica, sino en el análisis de los principios funcionales básicos que se encuentran en procesos químicos.

Una revisión de la historia de la ingeniería química en general y más específicamente en el desarrollo del concepto de operación de la unidad destaca la notable significación de este concepto en la química y la ingeniería de procesos. El concepto de operación de la unidad está fuertemente vinculada con la idea de pensar en términos de aparatos, utilizando la tecnología de la estantería. El uso de tales "soluciones fáciles", por supuesto, conveniente en el análisis y diseño de procesos químicos, sin embargo, también puede ser un problema, ya que por sí reduce las posibilidades de medidas de intensificación del proceso.

Por lo tanto, romper con la tradición de pensar en términos de "aparatos de la unidad", y sugieren una función basada en nuevo y más riguroso enfoque que se centra en los procesos fundamentales subyacentes físicos y químicos y los flujos.

Para ello, se descompone el proceso químico en los llamados módulos funcionales que cumplen tareas específicas en el curso del proceso. Los módulos funcionales se puede estar más descompuesta y representada por una combinación lineal de las funciones de proceso de primarias. Estos son vectores de la base en el espacio de estados termodinámicos. Dentro de este marco teórico que de forma individual puede examinar las posibles rutas proceso e identificar las resistencias en los pasos individuales del proceso. Esto nos permite analizar y proponer las posibles opciones para la intensificación de los procesos químicos en cuenta.

1. Desarrollo histórico de la ingeniería química y la aparición de "operaciones de la unidad"

Si queremos entender la intensificación del proceso, primero tenemos que entender la forma en que se veía un proceso químico en la actualidad. Para ello, tenemos que volver a los inicios de la ingeniería química. Como siempre, una completa y amplia disquisición sobre el desarrollo histórico de la ingeniería química - aunque muy interesante y emocionante - es mucho más allá del alcance de esta sección. No es necesario quesea, ya que hay varios libros (por ejemplo, [1,2]), papel (por ejemplo, [3-7]) e incluso sitios web (por ejemplo, [80-10]) que describen en detalle los acontecimientos históricos desde diferentes ángulos. Por otra parte, varias contribuciones sobre las tendencias actuales y futuras de los aspectos químicos de la dirección de ingeniería histórica, así (por ejemplo, [11-13]).

1.1. Química industrial, lo orgánico precursor de la ingeniería química

Suponiendo que la química industrial (orgánica) puede ser considerado como un precursor de la ingeniería química, el punto de partida - algo por el estilo de - la educación de la ingeniería química se remonta a la primera mitad del siglo 19 en Alemania [10]. Justus von Liebig, un profesor de la Universidad de Giessen, introducido cursos sistemática que incluyó experimentos de laboratorio para la formación de estudiantes de posgrado en la práctica de la química orgánica. Como resultado, la Universidad de Giessen - junto con la Universidad de Göttingen (con el profesor Friedrich Wöhler) - se convirtieron en centros de prestigio para la formación ambiciosos estudiantes de química de postgrado de todo el mundo. Varios de los estudiantes de Liebig más tarde se convirtió en famosos profesores de química sí mismos, por ejemplo, August Kekulé y August Wilhelm von Hofmann.

El comienzo de la industria química en Alemania se caracteriza por la formación de numerosas fábricas de producción de tinte en el período entre 1860 y 1880 [4]. Para las próximas décadas el principal foco de la - gran éxito - la industria química en Alemania se mantuvo sobre los tintes y productos químicos finos. La educación de los químicos se complementó con algunos aspectos de la tecnología química, sin embargo en un nivel puramente descriptivo en ese momento [4].

Por el contrario, la industria química en los Estados Unidos estaba dominada por la producción de productos químicos a granel, como el ácido sulfúrico y un álcali. La necesaria ampliación de los experimentos de laboratorio para los procesos de gran escala continua inició la convocatoria de un químico con el conocimiento de la ingeniería de sonido clara necesidad de un ingeniero químico se hizo evidente [8].

1.2. La ingeniería química como una disciplina independiente, influenciado por el concepto de operaciones unitarias

Los primeros pasos de la creación de la ingeniería química como una disciplina independiente se realizaron en Inglaterra en 1887, cuando George E. Davis presentó sus "conferencias 12 en ingeniería química" en la Escuela Técnica Manchester. Poco tiempo después, en 1888, el curso de ingeniería química primera - denominada "Curso X (diez)" - se estableció en los Estados Unidos en el MIT. El profesor Lewis M. Norton (quien recibió un doctorado en química en la Universidad de Göttingen) enseña este curso en el departamento de la química, la combinación de ingeniería mecánica y química industrial [8].

En 1901, Davis lanzó su "Manual de Ingeniería Química" [14], que se organizó de acuerdo con las operaciones básicas comunes. William H. Walker (quien también recibió un doctorado en química orgánica en la Universidad de Göttingen) - junto con Arthur D. Little - seguir desarrollando el concepto de las operaciones comunes de base y en 1915, el término "operaciones unitarias" se acuñó por primera vez tiempo en un informe elaborado por Arthur D. Little. El concepto de operaciones de la unidad marca un punto de inflexión en la historia de la ingeniería química, no sólo en la educación, sino también en la definición y justificación de los ingenieros químicos.

Hasta el día de hoy la enseñanza de la ingeniería química se basa en este concepto, con la ventaja de impartir un conocimiento general y conceptual sobre las típicas "operaciones" físicas y químicas que se producen en un proceso. De este modo, el conocimiento específico de la sustancia sobre las reacciones y sustancias fue sustituido por un proceso de conocimiento más abstracto que se puede aplicar a diferentes procesos. La combinación de los conocimientos de los ingenieros mecánicos y químicos industriales como único punto de venta, el ingeniero químico estaba muy bien acogido en las industrias química y el derecho de esta nueva disciplina que existe ya no era seriamente cuestionada.

Asociados con el concepto de operación de la unidad, y Little Walker propuso el establecimiento de una "escuela de la práctica de la ingeniería química" en el MIT, que fue lanzado en 1916. Además, un Departamento de Ingeniería Química, dirigido por Warren K. Lewis, se estableció en el MIT en 1920. Lewis, Walker y McAdams compilado del primer libro de texto de ingeniería química, titulado "Principios de Ingeniería Química" en 1923 [15]. Era un libro de texto para la enseñanza desde hace décadas, ya que cuantificar las operaciones de la unidad y por lo tanto siempre las herramientas para analizar los procesos químicos [3,9].

1.3. La inclusión de la catálisis y la ingeniería de la reacción en ingeniería química.

En los años 1930 y 1940 la disciplina de la ingeniería química se ha enriquecido con el campo de la catálisis y la ingeniería de reacción. Olaf A. Hougen y Kenneth M. Watson, profesores de la Universidad de Wisconsin, hizo hincapié en la importancia de la termodinámica y la química física en su libro "Los cálculos de la industria química" en 1931 [16]. Su trabajo encontró su expresión más de los tres volúmenes de libros de texto "Principios de procesos químicos" [17] sobre "Balances de materia y energía", "Termodinámica" y "Cinética y Catálisis", que se publicó entre 1943 y 1947 [6,8].

Hablando de la catálisis heterogénea, en el documento "Relación entre la actividad catalítica y el tamaño de la partícula" de Ernest W. Thiele [18] publicado en 1939 es, sin duda vale la pena mencionar, ya que señaló los efectos de la limitación de la difusión, que se cuantifican mediante la introducción de un factor de eficacia (y el llamado módulo de Thiele) [6].

En cuanto a modelado del reactor, se observa un notable artículo por Irving Langmuir (que recibió un doctorado en química física con Nernst en Göttingen) fue publicado en 1908 [19]. El documento se refirió al análisis teórico de los reactores de flujo continuo y

proporcionan las ecuaciones y las soluciones para los casos límite de hasta el fondo de mezclado de los reactores y reactores sin ningún tipo de respaldo de mezcla (después etiquetados como "reactor de mezcla" y "RTFT") [6]. La tomó, sin embargo, más de dos décadas, hasta el modelado del reactor entró de nuevo en el foco

...