Técnica de reacciones químicas y su papel en el proceso de transformación

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La técnica de reacción química se encuentra en la intersección entre la química y la ingeniería de procesos. Quien hable de la escalabilidad de procesos, de la electrificación o del uso de hidrógeno, debe pensar automáticamente en la técnica de reacción: ella determina las condiciones de reacción, regula qué, cuándo y dónde sucede, asegura la eficiencia energética e influye en las propiedades del producto.

Según la opinión de expertos, actualmente se destacan especialmente en la técnica de reacción tres tendencias:

– Diseño integrado de productos y procesos basado en una comprensión fundamental de reactores y reacciones
– Diagnóstico de procesos basado en modelos, investigaciones operando en tiempo real y datos de proceso
– Electrificación de procesos químicos y almacenamiento de energía electroquímica y química a gran escala.

Los nuevos métodos de diagnóstico, una mejor comprensión del proceso y la fabricación a medida de reactores y componentes, por ejemplo, mediante impresión 3D, hacen posible proporcionar nuevos equipos que cumplen con los requisitos derivados de procesos innovadores.

De laboratorio a proceso industrial

Cada vez con mayor frecuencia, se busca un camino lo más completo posible desde la primera idea hasta el reactor de laboratorio y el proceso a escala industrial, para evitar cuellos de botella en la escalabilidad y llevar rápidamente nuevos procedimientos a la práctica. Diversos métodos de diagnóstico y modelado ayudan en este proceso. Desde la escala de laboratorio, los reactores están instrumentados de manera exhaustiva, garantizando un control preciso de las condiciones de reacción como temperatura, presiones parciales, tiempos de residencia, etc. Además, existen sistemas fácilmente configurables para la automatización de procesos, que permiten operar de manera automatizada reactores instalados en paralelo durante períodos prolongados. La recopilación y procesamiento automático de datos facilitan la interpretación de los resultados experimentales y constituyen la base para la escalabilidad continua de los procesos.

Cuanto más precisos sean los conocimientos sobre estequiometría, termodinámica, cinética, fenómenos de transporte y datos de seguridad relevantes, mejor se podrá predecir el rendimiento del proceso a nivel industrial. A partir de estos parámetros, se pueden calcular tiempos de reacción y necesidades de corriente o calor, o su producción. Al incluir los procesos de transporte, el reactor puede diseñarse de manera que la reacción se realice de forma segura y con altos rendimientos. Los estudios en mini plantas son imprescindibles, ya que para el diseño y análisis del proceso también deben considerarse los flujos de reciclaje, así como la operación en condiciones parciales y durante el arranque y parada de la reacción. Con la ayuda de un buen modelo, el proceso puede integrarse directamente en la planta de producción. Sin embargo, en la práctica, a menudo se intercalan instalaciones piloto para reducir los riesgos en la escalabilidad.

¿Proceso grande en estructuras pequeñas?

Pero no siempre el objetivo es un reactor lo más grande posible. Esto lo demuestra otra tendencia importante en la investigación, la Química en flujo. Abre nuevos caminos para reactores catalíticos y técnicas de producción. Se pueden fabricar nanopartículas y otros materiales funcionales en reactores microfluídicos con propiedades definidas con precisión. Estos reactores también permiten un mejor transporte de calor y materia. Los reactores microestructurados se caracterizan por estructuras internas de diez a varios miles de micrómetros. En estas estructuras, líquidos pueden calentarse o enfriarse en milisegundos.

Actualmente, también se están desarrollando instalaciones de producción microestructuradas, por ejemplo, para producir hidrocarburos sintéticos o productos químicos Power-to-X de alta calidad con energía renovable. Gracias a su excelente transferencia de calor, permiten altas producciones en volumen y tiempo, con alta selectividad, propiedades del producto bien definidas y larga vida útil del catalizador. Si además son modulares y pueden ser encendidos y apagados rápidamente, resultan especialmente interesantes para uso descentralizado en el lugar de generación de energía. Varias empresas, como Ineratec, ya piensan en el futuro: quieren no solo usar reactores microestructurados en desarrollo, sino también convertirlo en plantas de producción comerciales.

Los avances en reactores microestructurados en los últimos años han demostrado que la intensificación del intercambio térmico en procesos de producción, principalmente en sistemas de una sola fase, también puede impulsarse mediante estos. En principio, los reactores microestructurados también pueden usarse en sistemas de múltiples fases. Efectos como la tensión superficial, la humectación o un comportamiento de flujo desigual en canales paralelos dificultan la aplicación industrial de microreactores.

Para la producción a gran escala, se requiere un concepto de escalado integrado que garantice el flujo necesario, mientras que el diámetro de los canales se amplía solo mínimamente. Así, se conservan ventajas de la tecnología de microreactores, como la alta tasa de mezcla, la excelente transferencia de calor y el control preciso del proceso. La capacidad de producción deseada puede lograrse, por ejemplo, mediante la conexión paralela de los canales a un haz de canales en el reactor.

Shaoxing Eastlake Hi-Tech Co. Ltd. puso en marcha en 2016 en China el primer reactor de producción a gran volumen basado en tecnología de microreactores para la producción de un ingrediente para aplicaciones agrícolas. Actualmente, tres de estos reactores operan de forma continua con una capacidad total de 30.000 toneladas/año.

Entre calderas de tubo y procesos híbridos

El desarrollo de nuevos procesos y de la tecnología de equipos para construir reactores químicos avanza de la mano. Hoy en día, la gama de equipos y diseños de reactores es tan amplia como el portafolio de productos de las plantas químicas. Debido a su flexibilidad, la caldera de tubo sigue siendo el tipo de reactor más utilizado. Sin embargo, el espectro de tecnologías abarca desde el reactor de lecho fijo con fundido salino o enfriamiento por evaporación, hasta intercambiadores de calor, columnas de burbujas, reactores de chorro, reactores de boquilla y lecho fluidizado, hasta reactores de alta temperatura y dispositivos más complejos como microestructurados, electroquímicos, reactores de mezcla y sistemas híbridos como destilación reactiva, extracción o lavadores de gases.

Aunque la caldera de tubo es uno de los diseños de reactor químico más antiguos, sigue mejorándose continuamente. Por ejemplo, para el "interior" de calderas esmaltadas, se han desarrollado soluciones como cortacorrientes flexibles y otras modificaciones que han mejorado notablemente la flexibilidad y eficiencia energética de los sistemas de gas-líquido, a pesar de las limitaciones de los sistemas esmaltados.

Para aumentar el intercambio de calor, se pueden introducir placas intercambiadoras en la caldera de tubo, que ofrecen áreas de intercambio mayores que las serpentinas internas. Así, reacciones exotérmicas, como las hidrogenaciones en suspensión, pueden controlarse mejor. Los reactores en baño de sal son reactores de lecho fijo convencionales para reacciones exotérmicas en fase gaseosa catalizadas heterogéneamente a altas temperaturas. Se emplean, por ejemplo, en oxidaciones parciales, como en la síntesis de ácido acrílico.

Cuando los requisitos de intercambio de calor o control de temperatura son mayores, se pueden usar intercambiadores de calor llamados reactores de intercambio de calor. Basados en intercambiadores de placas o de carcasa y tubo, permiten tasas de intercambio de calor muy altas para sistemas de una sola fase.

Retos en la aplicación

Los nuevos procesos industriales, el cambio en la base energética y de materias primas, y la búsqueda de rentabilidad, seguirán planteando desafíos a la técnica de reacción en los próximos años. Especialmente ante las tendencias hacia materias primas de origen biológico y reciclado, cuya composición y propiedades físicas varían mucho más que las de las materias primas petroquímicas convencionales, y que suelen contener muchas más impurezas, los reactores deben estar, por un lado, lo más optimizados posible y, por otro, lo suficientemente robustos para adaptarse a cambios en los requisitos.

Por ejemplo, algunos procesos biotecnológicos requieren reactores de gran volumen, superiores a 1.000 m³, y altas tasas de transferencia de masa específicas. Para un sistema de ventilación convencional, esto requiere rápidamente potencias de motor superiores a 10 MW, lo cual es difícil de implementar mecánicamente. El desarrollo de tecnologías híbridas de aireación y nuevas formas de disipación de calor podría acelerar la introducción de estos procesos en la industria.

En la producción de nuevos terapéuticos génicos y celulares, que están altamente individualizados, todos los pasos de reacción deberían realizarse en espacios reducidos y cerca del punto de atención (Point-of-Care), siendo una posible meta una planta farmacéutica portátil y compacta.

Por muy variadas que sean las aplicaciones y las soluciones innovadoras que desarrollan los técnicos en reacción y que los fabricantes de equipos y plantas proporcionan, todavía hay mucho por esperar en los próximos años, dada la cantidad de innovaciones que se están gestando.

Este informe de tendencias de ACHEMA se basa en la hoja de ruta "Chemical Reaction Engineering", 3ª edición 2023, https://dechema.de/Roadmap_Reaction_Engineering-path-123211,124930.html