Operaciones Unitarias II

Hacia una metodología para el análisis sistemático y el diseño de procesos químicos eficientes Parte 1. De operaciones unitarias para las funciones del proceso elementales

RESUMEN

Una intensificación de éxito de un proceso químico requiere una visión integral del proceso y una descongestión sistemática , que es obtenidos mediante la identificación y eliminación de las principales resistencias de transporte que limitan el rendimiento global del proceso y por lo tanto puede considerarse como pasos que determina la velocidad a nivel de proceso . En este artículo, vamos a sugerir un nuevo enfoque que no se basa en el concepto de operación de la unidad 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 ingeniería química y de procesos. El concepto de operación de la unidad está fuertemente ligada a la idea de pensar en términos de aparatos, el uso de la tecnología de la estantería. El uso de tales " soluciones listas " es por supuesto conveniente en el análisis y diseño de procesos químicos, sin embargo, también puede ser un problema ya que reduce inherentemente las posibilidades de las medidas de intensificación de procesos. Por lo tanto, romper con la tradición de pensar en términos de " aparatos de la unidad " y sugerir un nuevo enfoque más riguroso, basado en las funciones que se centra en los procesos físicos y químicos fundamentales subyacentes y fundentes. Para este fin, se descompone el proceso químico en los llamados módulos funcionales que cumplan tareas específicas en el curso del proceso. Las propias módulos funcionales se pueden descomponer aún más y representados por una combinación lineal de funciones de proceso elementales.

Estos son vectores de la base en el espacio de estados termodinámicos. Dentro de este marco teórico podemos examinar individualmente las posibles rutas de proceso e identificar las resistencias en los pasos individuales del proceso. Esto nos permite analizar y proponer posibles opciones para la intensificación del proceso químico considerado.

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

Si queremos entender la intensificación de procesos, primero tenemos que entender la forma en que un proceso químico se mira hoy. Para ello, tenemos que volver a los inicios de la ingeniería química. Sin embargo, una disquisición completa y exhaustiva 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 tampoco, ya que hay varios libros (por ejemplo, [1,2]), documentos (por ejemplo, [3-7]) e incluso sitios web (por ejemplo, [8-10]) disponibles que describen en detalle los acontecimientos históricos desde diferentes ángulos . Por otra parte, varias contribuciones que se ocupan de las tendencias actuales y futuras de la ingeniería química abordan aspectos históricos, así (por ejemplo, [1113]).

1.1. Industrial Química Orgánica-el 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 de - algo por el estilo de enseñanza de la ingeniería química se remonta a la primera mitad del siglo 19 en Alemania [10]. Justus von Liebig, un profesor en la Universidad de Giessen, introducido cursos sistemáticos que incluyeron experimentos de laboratorio para estudiantes de posgrado de formación 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 formación de prestigio para los ambiciosos estudiantes de postgrado de química de todo el mundo. Varios de los estudiantes de Liebig más tarde se convirtieron en famosos profesores de la química a sí mismos, por ejemplo agosto Kekulé y August Wilhelm von Hofmann. El comienzo de la industria química en Alemania se caracteriza por la formación de numerosas fábricas de colorantes que producen en el período de tiempo entre 1860 y 1880 [4]. Durante las siguientes décadas, el foco principal de las industrias químicas - se mantuvo en Alemania sobre los tintes y productos químicos finos - muy exitosos. 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 estuvieron a cargo de la producción de productos químicos a granel, tales como el ácido sulfúrico y álcalis. La necesaria ampliación de los experimentos de laboratorio a los procesos continuos a gran escala inició la llamada para un químico con el sonido de

ingeniería del conocimiento-la clara necesidad de una sustancia química ingeniero hizo evidente [8]. 1.2. Ingeniería química como independiente disciplina-influenciado por el concepto de operaciones de la unidad.

Los primeros pasos de la creación de la ingeniería química como disciplina independiente se realizaron en Inglaterra en 1887, cuando George E. Davis presenta sus "12 conferencias sobre ingeniería química" en la Escuela Técnica de Manchester. Sólo un poco más tarde, en 1888, el primer curso de ingeniería química - denominado "X Curso (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) enseñó este curso dentro del departamento de la química, la combinación de la ingeniería mecánica con la química industrial [8]. En 1901 Davis lanzó su "Manual de Ingeniería Química" [14], que fue organizada 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 - desarrolló aún más el concepto de las operaciones básicas comunes y en 1915, el término "operaciones unitarias" fue acuñado por primera vez en un informe de 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 "operaciones" físicas y químicas típicas que se producen en un proceso. Al hacerlo, el conocimiento específico de la sustancia sobre las reacciones y sustancias fue reemplazado por un proceso de conocimiento más abstracto que se puede aplicar a diferentes procesos. Combinando los conocimientos de los ingenieros mecánicos y químicos industriales como único punto de venta, el ingeniero químico ahora era más que bienvenidos en las industrias químicas y el derecho para esta nueva disciplina a existir ya no era cuestionado seriamente.

Asociado con el concepto de la operación unitaria, Walker y Little propusieron la creación de una "escuela de la práctica de la ingeniería química" en el MIT, que

fue lanzado en 1916. Además, un departamento separado de Ingeniería Química, dirigido por Warren K. Lewis, se estableció en el MIT en 1920. Lewis, Walker y McAdamscompiled el primer libro de texto de la ingeniería química, titulado "Principios de la Ingeniería Química" en 1923 [15]. Era un libro de texto estándar para la enseñanza durante décadas, ya que las operaciones unitarias cuantificados y por lo tanto proporciona herramientas para analizar los procesos químicos [3,9].

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

En los años 1930 y 1940 la disciplina de la ingeniería química se enriqueció con los campos de la catálisis y la ingeniería de las reacciones. Olaf A. Hougen y Kenneth M. Watson, profesores de la Universidad de Wisconsin, hizo hincapié en la relevancia de la termodinámica y la química física en su libro de texto "Cálculos Químicos Industriales" en 1931 [16]. Su trabajo encontró además expresión en los tres volúmenes de libros de texto "Principios de procesos químicos" [17] sobre "Composición y Energía Balances", "Termodinámica" y "Cinética y catálisis" que se publicó entre 1943 y 1947 [6,8].

Hablando sobre la catálisis heterogénea, la "Relación entre la actividad catalítica y el tamaño de partícula" de papel 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 lo que se refiere a la modelización del reactor, un papel notable por Irving Langmuir (que recibió un doctorado en química física con Nernst en Göttingen) fue publicado en 1908 [19]. En el documento se aborda el análisis teórico de reactores de flujo continuo y siempre que las ecuaciones y soluciones para los casos límite de reactores completamente back-mixtos y reactores sin ningún retromezcla (posteriormente etiquetados como "CSTR" y "PFTR") [6]. Tomó, sin embargo, más de dos décadas, hasta el modelado del reactor volvió a entrar en el foco en los años 1930 y 1940 cuando Damkohler, Danckwerts y otros realizaron análisis detallados y sistemáticas de los reactores químicos.

1.4 . La creciente importancia de los fenómenos de transporte y la modelización matemática en ingeniería química

En los años 1950 y 1960 R. Byron Bird , Warren E. Stewart y Edwin N. Lightfoot ( Profesores de la Universidad de Wisconsin) señaló la importancia de una comprensión más fundamental del transporte de masa , cantidad de movimiento y calor. Su famoso libro de texto " Fenómenos de Transporte " [ 20 ] influyeron en la enseñanza de la ingeniería química significativamente y se dejó para la enseñanza de las ecuaciones consistentes y generalizadas en vez de describir estos procesos a nivel cualitativo sólo por un estrecho rango de aplicaciones. Anothermajor tendencia en los años 1950 y 1960 - influenciada significativamente por Neal R. Amundson y Rutherford Aris ( Profesores de la Universidad de Minnesota ) - fue la creciente importancia de los modelos matemáticos en la ingeniería química.

Dos libros importantes aparecieron en 1956 : "Las operaciones unitarias de ingeniería química " [ 21 ] por Warren L. McCabe, Julian Smith y Peter Harriott y " Ingeniería Química Cinética " [ 22 ] por Joseph M. Smith ( profesor en Purdue ) . La primera es una extensa obra de referencia sobre las operaciones de la unidad que todavía está en uso para la docencia universitaria en la actualidad. Este último vale la pena mencionar , ya que contiene , a pesar del título , también capítulos sobre el diseño del reactor y por lo tanto se puede considerar como el primer paso en la dirección de un libro de texto en el campo de la ingeniería de la reacción química [ 6 ] . La primera integral libro de texto de ingeniería de las reacciones químicas se publicó luego en 1962 por Octave Levenspiel ( Profesor de Universidad Estatal de Oregon ) . Su " Reacción química Ingeniería " libro de texto [ 23 ] hasbecome un estándar por décadas y todavía goza de gran popularidad el día de hoy . 1.5. El desarrollo por separado de la ingeniería química en Alemania

El desarrollo en Alemania difiere completamente de que en los Estados Unidos. Este hecho puede explicarse parcialmente por el hecho antes mencionado de que en Alemania, las industrias químicas se centraron más en la química fina (a menudo producidos en procesos por lotes simples) y no en los productos químicos a granel (producido en procesos de flujo continuo) como en los Estados Unidos. Incluso el proceso Haber-Bosch para la producción de amoníaco (patentado en 1910) no dio razones suficientes para establecer una

enseñanza de la ingeniería química, ya que fue el resultado de la "vía alemana" clásico de la colaboración de un químico y un ingeniero mecánico. Fritz Haber, primer profesor de la Universidad Técnica de Karlsruhe, (a partir de 1911) Director del Instituto de Química Física y Electroquímica de la KaiserWilhelm-Gesellschaft en Berlín, era un experto en el campo de la síntesis de alta presión y catálisis. Carl Bosch, por su parte, estaba trabajando como ingeniero en la sociedad BASF. Se llevó a cabo la ampliación del proceso de Haber (laboratorio) mediante el desarrollo de un reactor de alta presión a gran escala que podría resistir el proceso de extrema condiciones, cosa que no ha sido realizado técnicamente antes [24]. A pesar de que Gerhard Damkohler estableció ingeniería de las reacciones químicas como profesor en la Universidad de Gotinga entre 1936 y 1944, la ingeniería química como una nueva disciplina a lo establecido en los Estados Unidos todavía estaba rechazada en Alemania, incluso en los años posteriores a 1945 [4]. La situación se resume de forma concisa por Scriven [6]: "Así fue que a pesar de la ingeniería química se practicaba muy bien dentro de los segmentos de la industria alemana y la disciplina había sido compilado en forma científica bien, podría No propagarse sin una base académica, ni podía surgir una profesión sin una industria que quería. . . ". En las universidades alemanas, la coexistencia de la ingeniería de procesos, por un lado y la química técnica como una rama de estudios de química, por otra parte prevaleció durante mucho tiempo. Ejemplos de esta fecha el dualismo de nuevo a la década de 1920, cuando - en la parte de ingeniería de procesos - Profesor Emil Kirschbaum fundó la cátedra de "Chemische Apparatekunde" (diseño de aparatos químicos) de la Universidad Técnica de Karlsruhe en 1928 (la creación de una facultad independiente de la ingeniería química, sin embargo, tardó más de cuatro décadas y por último se realizó en 1969). Por el lado técnico de la química, por su parte, Ernst Berl, que era profesor en la Universidad Técnica de Darmstadt 1919/33, amplió la educación de los estudiantes de química en la tecnología química mediante la incorporación de los aspectos de la tecnología de la ingeniería química. Berl fue también editor de la extensa obra de referencia "Chemische Ingenieur-Technik", que apareció en 1935 [25]. Al mismo tiempo, la enciclopedia "Der Chemie-Ingenieur" [26] se publicó con los profesores Arnold Eucken (Göttingen) y Max Jakob (Berlín) como editores. El foco de 8 de los 12 volúmenes que aparecieron entre 1932 y 1940 estaba en operaciones unitarias. A partir de los capítulos adicionales el de Gerhard Damkohler (como Ewald Wicke uno de los varios eruditos famosos de Eucken) centrándose en los aspectos de ingeniería química de reacción es, probablemente, el más conocido [6].

Después de la Segunda Guerra Mundial (y después de la licencia de varios destacados profesores como Berl) Karl Schoenemann, profesor en Darmstadt desde 1948 en adelante, startedlectures que-al menos inparts-siguió el prototipo americano de la ingeniería química. Hizo hincapié en una visión más cuantitativa de la tecnología química y se introdujo un curso donde los estudiantes llevan a cabo la planificación y el diseño de una planta de proceso químico con el fin de aprender los aspectos de ingeniería de la tecnología química. Su sucesor, el profesor Fritz Fetting, continuado de 1966, relativa a la orientación hacia la ingeniería química en la investigación y la docencia e implementó la tecnología química como ingrediente principal de los estudios de química en Darmstadt [27]. Todos estos ejemplos ilustran claramente la manera alemana, ya que tienen en común que la ingeniería de procesos se considera como una parte de la ingeniería mecánica y la tecnología química (o la química técnica) es (si acaso) considerado como un componente de estudios de química. Fue finalmente Hanns Hofmann, profesor en Erlangen, quien por primera vez en (Western) Alemania fusionó las dos ramas de la ingeniería química, la química técnica e ingeniería de procesos a un instituto de ingeniería química independiente y coherente, y desarrollaron un programa de estudio correspondiente. La creación del programa se inició en 1965 y se terminó con la fundación de la Técnica Facultad de la Universidad de Erlangen en 1966. El programa de ingeniería química Erlangen entonces sirvió como prototipo para otros programas de ingeniería química que se han establecido en los siguientes años en varias otras universidades en Alemania [4]. 1.6. Otros desarrollos y tendencias en el proceso químico y Ingeniería

Una gran cantidad de novedades en el campo de la química y de procesos de ingeniería se llevó a cabo en las décadas siguientes, y de nuevo tenemos que limitarnos aquí y sólo se verá en algunos eventos importantes. En los años 1960 y 1970 se llevaron a cabo estudios más detallados sobre el comportamiento dinámico de reactores químicos. En este sentido, el trabajo de Gilles [28] y Gilles et al. [29], que enriquece el campo de la ingeniería química por la introducción de nuevos conceptos de la teoría de control para el análisis de la estabilidad de los reactores, es especialmente digno de mención.

En general, el desarrollo y la disponibilidad consiguiente de computadoras en estos tiempos influyeron en la disciplina de la ingeniería química en gran medida y fundaron los principios de modelado de procesos asistido por ordenador. Esta tendencia se ha intensificado aún más por el éxito abrumador de los PC en los

años 1980. En consecuencia las herramientas de software de simulación de procesos comerciales sofisticados aparecieron en el mercado. Debido al crecimiento constante de la potencia de cálculo, las enormes capacidades de memoria y potencia de cálculo disponible en la década de 1990 permitió problemas de modelado más sofisticadas y detalladas que deben llevarse a cabo en relación con aspectos adicionales, como, por ejemplo, Estudios de CFD de flujos complejos y el análisis de muy extensa redes de reacción.

1.7. Conclusiones de la historia y nuevas perspectivas: las operaciones, tanto de la unidad una bendición y una maldición?

Todos los eventos antes mencionados contribuyeron a formar - y ayudaron a desarrollar - la disciplina de la ingeniería química. Como resultado, hoy en día esta disciplina es muy sofisticado y técnicamente maduro. Hemos aprendido que el concepto de la operación la unidad ha sido un paradigma clave en la ingeniería química por casi 100 años y sigue siendo hoy en día una importancia excepcional.

Sin embargo, creemos que vale la pena reconsiderar la manera de tratar a un proceso químico, ya que esto determina (y posiblemente los límites) las opciones para nuestro principal objetivo que tenemos aquí, a saber, la intensificación de procesos. Para ello, es útil recordar las razones de la introducción del concepto de funcionamiento de la unidad.

Al principio, ayudó a justificar la necesidad de la ingeniería química como una disciplina separada e independiente. Desde estos tiempos se ha utilizado como un plan de organización común en el currículo de los programas de estudios de ingeniería química, ya que permite la enseñanza de la cultura general y abstracto el proceso más que el conocimiento relacionado con sustancias sobre clases específicas de especies químicas y reacciones. Finalmente, el concepto de operaciones de la unidad se utiliza como metodología para el diseño y optimización del proceso, ya que permite la diferenciación precisa de un proceso en las etapas de proceso secuenciales posteriores (posiblemente con recicla externos).

En este punto hay que tener en cuenta que el marco de operaciones de la unidad no siempre es beneficioso. El problema es que por lo general cuando se piensa en

términos de operaciones de la unidad nos conectamos automáticamente con los aparatos que realizan estas operaciones como, por ejemplo, un mezclador, un reactor, una torre de destilación, y así sucesivamente.

Por lo tanto, el concepto de operación de la unidad limita nuestro espacio de solución al limitado número de bien conocidos "soluciones" listas que están disponibles. En cuanto a las razones de la introducción del concepto de funcionamiento de la unidad, podemos estar seguros de que hoy en día, una justificación de la ingeniería química ya no es necesario. Gracias a la sostenida y creciente campo de la aplicación de los conocimientos de ingeniería química de la necesidad de esta disciplina ya no está seriamente cuestionada. Al mismo tiempo, los requisitos para la formación de los ingenieros químicos han cambiado significativamente. Por ejemplo, el modelado y la simulación y en particular la comprensión de los procesos a nivel molecular se han convertido cada vez más importante.

Todos estos hechos juntos son la motivación para un nuevo enfoque que se propone en la presente contribución. En vez de estudiar "los aparatos de la unidad" en el marco del concepto de funcionamiento de la unidad, se analizan las funciones en sí, es decir, los procesos físicos y químicos elementales subyacentes que se llevan a cabo dentro de las operaciones de la unidad. Para un enfoque orientado a la función, descomponemos un proceso químico a las funciones del proceso elemental que nos ayudarán en la identificación de las resistencias de los pasos individuales del proceso.

2. Historia y definiciones del término "proceso de intensificación "

2.1. ¿Cómo definir la intensificación de procesos? Es difícil dar una definición adecuada y exacta del término "Intensificación de Procesos". Con los años, el significado de este término ha cambiado y hoy en día, todavía no hay una definición precisa y generalmente aceptada. Al menos existe un consenso general sobre el hecho de que la intensificación de procesos requiere una visión integral sobre el proceso, teniendo en cuenta el proceso como un sistema completo. Pero el término en sí se utiliza esencialmente como un término colectivo para diversas medidas que tienen como objetivo una mejora "significativa" de un proceso en relación con su eficacia. El problema con esta definición es la manera de distinguir la intensificación de procesos de optimización de procesos clásica.

Debemos ponernos de acuerdo sobre la cuestión de en qué medida una mejora califica como "significativo" (o "drástica"). Además, la medida de la eficiencia de un proceso todavía puede ser muy diversa (por ejemplo, la eficiencia energética vs eficiencia del tiempo) que hace las cosas aún más difícil.

A menudo, la intensificación de procesos se asocia con slogans llamativos pero vagas como "más barato, más pequeño, más limpio" o "hacer más con menos". Esto puede ser apropiado en relación con los debates en curso en el contexto del desarrollo sostenible. Por ejemplo, como se señala en el artículo de revisión de Tsouris y Porcelli [30], la imagen corporativa a un posible aumento puede - entre otros factores - ser una razón para que las empresas implementen soluciones de intensificación de procesos.

Sin embargo, todos estos atributos puramente descriptivos y cualitativos no contribuyen a especificar el término "intensificación de procesos" más precisamente. En lo académico comunidad, la falta de una definición adecuada y exacta ha llevado a discusiones polémicas sobre si es necesario en absoluto para propagar la intensificación de procesos como una nueva disciplina. Por lo tanto, existe una clara necesidad de una definición distinta.

Con esta secuencia actual de los dos documentos, vamos a proponer una nueva definición (véase la parte 2) del proceso de intensificación que pensamos que es útil para la diferenciación entre la optimización del proceso clásico y la intensificación de procesos.

2.2. Aparición de la intensificación de procesos en ingeniería química En cuanto a la evolución histórica de la intensificación de procesos se refiere, vamos a destacar brevemente algunos de los eventos más importantes. Stankiewicz [31] informes sobre la primera aparición del término "intensificación de procesos" en la comunidad de la ingeniería química al este de Europa en la década de 1970 [32]. Durante ese tiempo, sin embargo, se ha utilizado el término "intensificación de procesos" en el sentido de "mejora de procesos". Uno de los pioneros de la intensificación de procesos en virtud de la "mejora drástica" paradigma prevaleciente posteriormente es Colin Ramshaw. Su trabajo

sobre la aplicación de campos centrífugos ("Hi-Gee") en los procesos de destilación en la década de 1980 [33] puede ser considerado como uno de los primeros ejemplos de la intensificación de procesos en este sentido moderno, con vistas a una reducción significativa del tamaño de la planta y los costos de instalación [31] En la década de 1990, el interés de la academia y la industria en la intensificación de procesos aumentó significativamente. Esto también puede ser seguido por el número de publicaciones sobre este tema. Cuando se utiliza el término de búsqueda "intensificación de procesos" para la investigación de la literatura en la que el número de trabajos por década "Web of Science" primero se levantó lentamente de 4 entre 1966 y 1975 a 15 entre 1976 y 1985 y luego a 25 entre 1986 y 1995. El año 1995, con la primera Conferencia sobre la intensificación de procesos que tienen lugar, marca un punto de inflexión en el que el desarrollo acelerado. Esto se ilustra por el fuerte aumento de los números de publicación de hasta 49 documentos en los siguientes 5 año entre 1996 y 2000. Desde el año 2001, después de un incremento importante, el número de publicaciones en los últimos años parece estabilizarse en un nivel alto de aproximadamente 30 a 70 artículos por año. Además, los primeros libros de texto sobre la intensificación de procesos, editados por Stankiewicz y Moulijn [34] y Keil [35], respectivamente, se han publicado recientemente.

Esta es la creciente importancia del tema que, en nuestra opinión, hace que valga la reconsideración de la definición y los fundamentos de la intensificación de procesos. En la sección 3, por tanto, presentamos el estado actual de posibilidades de medidas de intensificación de procesos y se darán ejemplos para los sistemas de clasificación apropiados. A partir de esta situación actual vamos un paso más allá y presenta la idea básica del nuevo concepto de función de proceso elemental en la Sección 4, que se espera que servir de base para un tratamiento sistemático de este tema.

3. Posibilidades y clasificación de las medidas de proceso intensificación: estado actual A continuación vamos a describir las posibilidades de medidas de intensificación proceso para el que se han reportado mejoras en la productividad en la literatura. Estas mejoras pueden referirse, por ejemplo, una reducción del tamaño de la

planta reduciendo el tamaño de los aparatos individuales o reduciendo el número de la última mediante la integración de dos o más operaciones de la unidad en una unidad multifuncional. Otros potenciales de intensificación preocupación, por ejemplo, el consumo específico de energía, la cantidad de reactivos utilizados y de los productos de desecho que se producen para una altura de producción especificado (es decir, la eficiencia de materia prima). Como se dijo antes, estos logros son hoy a menudo agrupados y etiquetados con el término colectivo "la intensificación de procesos". En muchos casos, se ha constatado que las medidas para llevar a cabo las mejoras en los procesos de paso o - en el mejor de los casos - como un resultado empírico de una serie de estudios experimentales. En resumen, no existe actualmente ninguna base teórica ni existen directrices científicas para la intensificación de procesos disponibles que pueden ser generalizadas y por lo tanto ayudan a identificar las opciones de intensificación de procesos en el análisis de un proceso químico en cuanto a su eficacia. Con el fin de dar un paso más en esta dirección, categorías sistemáticas adecuadas con el fin de clasificar las medidas tienen que ser introducido. En este sentido, Stankiewicz y Moulijn [36] proponen dividir el campo de la intensificación de procesos en dos ámbitos, a saber, "el equipo de proceso-la intensificación" y "métodos de proceso-la intensificación". Aunque este esquema permite una clasificación aproximada de las diferentes medidas, esto es sólo uno de los varios esquemas de clasificación posibles que se puedan imaginar, por supuesto. Desde el punto de vista amechanistic, pensamos que isworth considerando una diferenciación entre (drásticas mejoras cuantitativas), por un lado y las mejoras como resultado de los cambios cualitativos en la otra mano. La tecnología de micro-reacción, reactores monolíticos y separaciones reactivas son ejemplos de la primera categoría, ya que permiten una transferencia de masa y calor mejorado significativamente, mientras que, en principio, los mismos mecanismos físico-químicos siguen vigentes como en aparatos convencionales. Por supuesto, en el caso de, por ejemplo, micro-reactores, la importancia de los mecanismos individuales (por ejemplo, procesos de difusión) que contribuyen al rendimiento global puede ser completamente diferente. La segunda categoría comprende, por ejemplo, formas alternativas de suministro de energía para las reacciones químicas tales como microondas y ultrasonidos, el uso de los nuevos medios de reacción tales como líquidos iónicos, micro-emulsiones y fases supercríticas, o el uso de nuevos agentes auxiliares tales como catalizadores de transferencia de fase. Todas estas medidas implican cambios cualitativos importantes en el proceso, ya que aquí los nuevos mecanismos (adicionales) entran en juego.

Finalmente, otra posibilidad para la clasificación de las medidas de intensificación del proceso que vamos a utilizar en las siguientes subsecciones es dividirlos en tres grupos de orden superior ("niveles"). El nivel más detallado es el nivel de fase, atwhichwe consideran poblaciones de moléculas que se acumulan en una fase termodinámica. En el proceso, la fase termodinámico (s) están integrados en aparatos, o - Más abstracto - en espacios individuales del proceso. Este es el nivel de la unidad de proceso. Por lo general, el proceso se compone de varias unidades de proceso tales. La interconexión entre los aparatos individuales y por lo tanto el diagrama de flujo del proceso global, finalmente, se puede analizar a nivel de planta orden superior. Es evidente que algunas de las medidas de intensificación de procesos que se discuten en el plano individual parecen encajar a más de un nivel. Esta superposición es debido al hecho de que una cierta medida de intensificación de procesos tiene en general una influencia también en los otros niveles. En particular, los cambios en un cierto nivel tienen en la mayoría de los casos, un fuerte impacto en los niveles (por ejemplo, cambios "por encima" de la nivel de fase implica alteraciones en el nivel de unidad de proceso y el nivel de la planta, respectivamente). Para la clasificación de las medidas de intensificación de procesos en el plano individual, es esencial para identificar el nivel en el que la principal influencia en el proceso es causado.

Para cada uno de los tres niveles, se presenta un estudio de las posibilidades de intensificación. Sin embargo, la lista no pretende ser completa. De hecho, debe ser considerado como una recopilación de ejemplos interesantes e inspiradores pena ser considerados como posibles medidas de intensificación de procesos más que una disquisición exhaustiva sobre el tema. Lo mismo es cierto para las referencias, y sólo un número muy limitado de documentos relacionados se puede dar aquí por cada ejemplo, sin embargo, estos artículos pueden servir como punto de partida para futuras investigaciones literatura. 3.1 . La intensificación de procesos a nivel de fase

El primer nivel consta de posibilidades que tenemos a nivel de fase , es decir, a nivel de las poblaciones de moléculas que se acumulan en una fase termodinámica . Aquí consideramos los procesos que ocurren dentro del volumen de una sola fase ( individual) o procesos entre las fases . Las medidas para la

intensificación de procesos de este nivel pueden dar lugar a ambos, efectos termodinámicos , así como efectos cinéticos.

Una posibilidad es importante , por ejemplo, el uso de nuevos medios de reacción, tal como líquidos iónicos (por ejemplo, [ 37,38 ]) , micro- emulsiones ( por ejemplo, [ 39,40 ] ) , los fluidos supercríticos ( por ejemplo, [ 41,42 ] ) y catalizadores de transferencia de fase ( por ejemplo, [ 43 , 44 ] ) . Otra posibilidad para la intensificación de procesos en el nivel de la fase es el uso de métodos alternativos para la masa , cantidad de movimiento y transferencia de energía [ 45 ], tales como microondas ( por ejemplo, [ 46,47 ] ) , la inducción fotoquímica ( por ejemplo, [ 48,49 ] ) , ultrasonido ( por ejemplo, [ 50,51 ] ) , la cavitación hidrodinámica ( por ejemplo, [ 52,53 ] ) y artificial campos gravitacionales tales como campos centrífugas ( por ejemplo, [ 33,54 ] ) , los campos eléctricos ( por ejemplo, [ 55,56 ] ) , y los campos magnéticos ( por ejemplo, [ 57,58 ] ) .

3.2 . La intensificación de procesos a nivel de unidad de proceso

Al analizar un proceso químico típico , podemos identificar el nivel de los aparatos individuales (unidades de proceso) . Tal unidad de proceso comprende una o más de las fases termodinámicas antes mencionados . En la unidad de proceso levelwe puede darse cuenta de las medidas de intensificación de procesos mediante el diseño de los espacios de proceso individuales y por lo tanto mediante el control de los procesos locales dentro de las unidades de proceso . De las numerosas medidas de intensificación de procesos que se pueden identificar en este nivel los más importantes se destacan brevemente en la siguiente .

La miniaturización de los equipos [ 59-61 ] entra en esta categoría , con varias opciones, como los micro- reactores ( por ejemplo, [ 62-65 ] ) , los intercambiadores de micro- calor ( por ejemplo, [ 66,67 ] ) , micro- mezcladores (por ejemplo [ 68,69 ] ) , micro- separadores ( por ejemplo, [ 70,71 ] ) o el uso de gotitas de mini - emulsión como micro- reactores ( por ejemplo, [ 72,73 ] ) . Además de la miniaturización , la elección de las estructuras geométricas especiales para los reactores [ 74 ] tales como estructuras monolíticas ( por ejemplo, [ 75-77 ] ), disposiciones estructuradas de partículas de catalizador en un canal

( por ejemplo, [ 78,79 ] ) , rellenos estructurados (por ejemplo, [ 80,81 ]) , estructuras de espuma como soporte de catalizador ( por ejemplo, [ 82-84 ] ) y nanofibras como soporte de catalizador ( por ejemplo, [ 85,86 ] ) se propone y en la actualidad investigado . Por supuesto , algunas de las posibilidades antes mencionadas son investigados en estudios teóricos y no en la práctica industrial . Sin embargo , por ejemplo, la aplicación de rellenos estructurados que se llenan con partículas de catalizador es por nowin procesos industriales de destilación reactiva práctica común ( por ejemplo, [ 87,88 ] y las referencias en él ) .

Otra opción en el nivel de unidad de proceso es el ajuste selectivo de los patrones de flujo bien definidos tales como separado ( segmentado ) de flujo ( por ejemplo, [ 89-91 ] ) , o , si se desea mezcla mejorada , por ejemplo, el flujo en reactores de tubos enrollados helicoidalmente ( por ejemplo, [ 92-94 ] ) 3.3. La intensificación de procesos a nivel de planta

Por último, podemos examinar la interconexión entre aparatos individuales (unidades de proceso) y por lo tanto analizar el diagrama de flujo del proceso global a nivel de planta orden superior. Una gran cantidad de posibilidades de intensificación de procesos a nivel de planta se vincula con la secuencia de las operaciones de proceso y el potencial la integración de operaciones de la unidad en unidades de proceso multifuncionales, respectivamente.

En este sentido, una opción es integrar de reacción y de separación (véase, por ejemplo [95-97] y las referencias en él) en un solo aparato (procesos de separación de reactivos) como en el caso de la destilación reactiva (por ejemplo, [98-100]), reactiva pervaporación (por ejemplo [101102]), extracción reactiva (por ejemplo [103104]), cromatografía reactivo (por ejemplo [105106]), la cristalización reactiva (por ejemplo [107108]), reactores de adsorción (por ejemplo, [109-111]), y reactores de membrana (por ejemplo, [112-115]).

Otra posibilidad es la de operaciones unitarias mecánicas par con las reacciones químicas en una sola unidad. Como ejemplos para tales procesos integrados mecánicas debemos considerar filtración reactivo (por ejemplo [116117]), de la molienda reactiva (por ejemplo [118119]), y la extrusión reactiva (por ejemplo [120121]).

Un enfoque práctico con respecto a la integración de calor y manejo de la temperatura es a las reacciones de la pareja, por ejemplo, las reacciones exotérmicas y endotérmicas (por ejemplo, [122-124]). Otros conceptos de integración de calor incluyen reactores de intercambio de calor a contracorriente (por ejemplo, [125]) y el uso de adsorbentes inertes para el enfriamiento de los reactores de desorbente (por ejemplo, [126]). Por supuesto, métodos de separación individuales también se pueden acoplar entre sí (por ejemplo [127128]) como en el caso de, por ejemplo, extractivo destilación (por ejemplo, [129 130]), la adsorción de la membrana (por ejemplo, [131132]), destilación por membrana (por ejemplo, [133 134]), la cristalización, la destilación (por ejemplo, [135]), destilación de adsorción (por ejemplo, [136,137]) y de las membranas de emulsiones líquidas (por ejemplo, [138139]). En cuanto a la modalidad de funcionamiento, la operación del proceso dinámico / transitoria (por ejemplo, [140]), tales como el funcionamiento del reactor cíclico aplicación de estrategias de flujo de inversión (por ejemplo, [141-145]) y reactores de bucle de circulación (por ejemplo [146147]) pueden ser considerados como interesante y prometiendo enfoques hacia la intensificación del proceso. Independientemente de la categorización que elegimos, una intensificación exitosa de un proceso químico requiere en cualquier caso una descongestión sistemática mediante la identificación y eliminación de las principales resistencias de transporte que limitan el rendimiento general del proceso y por lo tanto se puede considerar como pasos determinante de la velocidad del proceso (en analogía a la etapa determinante de velocidad concepto de mecanismos de reacción complejas). Este aspecto es especialmente hincapié en la Sección 4, donde se introduce un nuevo concepto sistemático de "funciones de proceso elemental" que nos ayudarán en la identificación de los "cuellos de botella". 4 . Cambio de paradigma en la ingeniería química : a partir de operaciones de la unidad de las funciones del proceso de primaria

A continuación , vamos a analizar primero el diagrama de flujo clásico de un proceso químico basado en el concepto de la operación la unidad. Usando esto como punto de partida, a continuación, presentamos la idea básica del nuevo enfoque de las funciones del proceso elemental que en cierto modo puede considerarse como una extensión del concepto de funcionamiento de la unidad . Sin embargo , como se dijo antes , los aparatos se sustituyen por las funciones que tienen que ser llevado a cabo en un proceso químico .

4.1 . Proceso de representación basada en el concepto funcionamiento de la unidad

El diagrama de flujo clásico de un proceso químico típico se da en la figura . 1 . Las cajas rectangulares ilustran las etapas individuales del proceso , con una secuencia de reactor - separador en el centro y pasos de preprocesamiento y procesamiento de post apropiadas . Como se indica en la parte superior de la figura . 1 , en cada una de las etapas individuales del proceso , una o más operaciones de las unidades tienen que ser llevada a cabo . Debido a la larga y exitosa tradición del concepto de funcionamiento de la unidad en la ingeniería química (véase la sección 1 ) - tanto en la enseñanza como en la práctica industrial - que puede (y será) asociar de inmediato las operaciones de las unidades que tienen que llevar a cabo con el caso, aparatos bien establecidos (Fig. 1 , parte baja ) .

4.2 . Proceso de descomposición en módulos funcionales

Si nos centramos en las funciones que tienen que llevarse a cabo en un proceso químico, nos encontraremos con que el "núcleo" de cada proceso químico puede ser dividido en cinco funciones diferentes a las que llamaremos aquí "módulos funcionales" . En el centro del proceso químico definimos el módulo funcional "reacción química " . Este módulo funcional debe ser suministrado con los reactivos . Además , una adecuada puesta en contacto de las sustancias reaccionantes tiene que ser asegurado ( módulo funcional " poner en contacto" ) y los reactivos deben ser activado ( módulo funcional "Activación " ) . Como resultado de la "reacción química " módulo funcional que generalmente obtener una mezcla de diferentes productos (y la fracción de los reactivos que no han sido convertidos ) , de manera que la introducción de un módulo funcional " Separación " es necesario . Desde un intercambio de energía con el medio ambiente se lleva a cabo durante la reacción que, además, necesitamos un módulo de "suministro de calor / eliminación " funcional. Además de estos módulos funcionales "centrales" , tenemos que considerar el procesamiento previo importante y el procesamiento posterior módulos funcionales " Preprocesamiento de la materia prima " y " Producto Formulación " , respectivamente. Por debajo de los módulos funcionales se dan algunos ejemplos seleccionados de las diferentes posibilidades (en el que esta lista no pretende ser exhaustiva ) . Hasta ahora , el nuevo concepto propuesto en este caso parece ser bastante similar al enfoque tradicional de operaciones de la unidad . Al comparar la figura .

2 con la fig . 1 , nos encontraremos con que la estructura general del diagrama de flujo se sigue manteniendo . La intención principal de la figura . 2 - como un primer paso hacia la explicación de nuestro nuevo concepto - es romper con el enfoque basado en el aparato y centrarse en las funciones individuales del proceso químico. 4.3 . Descomposición módulo funcional en funciones de proceso elementales

Después de la introducción de los módulos funcionales , tenemos que pensar en una definición adecuada para ellos. Para una comprensión más rigurosa , una abstracción adicional de los módulos funcionales es necesario . Vamos a explicar este procedimiento mediante la ilustración que se muestra en la figura . 3 . Consideremos un elemento de volumen que es " viajar " en la ruta de proceso , es decir, que pasa a una secuencia característica de módulos funcionales ( que no es necesariamente la secuencia a modo de ejemplo se muestra en la . Fig. 2 ) . Seguiremos el elemento de volumen entre el tiempo ti y ti +1 . Los vectores de estado correspondientes del elemento de volumen son x ( Ti) y x ( ti 1 ) , respectivamente . El intervalo de tiempo se elige de manera que el elemento de volumen pasa el módulo funcional individual. Durante este intervalo de tiempo, el estado del elemento de volumen se cambia "dentro" del módulo funcional por diferentes tipos de flujos (por ejemplo, flujos de difusión , los flujos de calor , ..) . Para el análisis de los flujos se define un vector de flujo generalizado J que comprende todos los flujos posibles que pueden producirse , en principio, durante el curso de un proceso químico . Los módulos funcionales en nuestro concepto se eligen de manera que cada módulo funcional se caracteriza por una estructura única del vector de flujo generalizado correspondiente . La generalizada vector de flujo j ˚ del módulo funcional ˚ por ejemplo, tendrá al menos un ( generalmente más de un ) componente activo , mientras que todos los demás componentes son iguales a cero . Este conjunto de flujos activos hace que los cambios en el estado del elemento de volumen . Si queremos cuantificar el cambio del vector de estado x , tenemos que calcular la primera derivada en el tiempo . Para esto, necesitamos , además de los componentes del vector de flujo de los vectores de la base ek . Cada uno de estos vectores de la base es sinónimo de una cierta dirección en el espacio de estado termodinámico , y la región de la que es alcanzable para el elemento de volumen de desplazamiento en el espacio de estado se determina por la totalidad de todos los vectores de la base ek . Debido a la notable significación de estos vectores de la base , los llamamos " funciones de proceso elemental " en nuestro concepto.

En resumen , el cambio del estado del elemento de volumen de desplazamiento dentro de un módulo funcional está determinado por el correspondiente conjunto de los flujos activos y los vectores de la base respectivas en el espacio de estados termodinámicos ( funciones de proceso elemental ) . El concepto de las funciones del proceso elemental es en cierta medida la contrapartida del concepto de reacciones elementales en la química , donde una compleja reacción química se puede dividir en un conjunto de reacciones elementales . En el enfoque de función de proceso elemental , de una forma más generalizada , todo el proceso químico se descompone de una manera similar . Esto permite el análisis de las rutas de proceso en espacio de estado termodinámico para cada uno de los diferentes módulos funcionales individualmente .

5 . conclusión

El presente trabajo es parte 1 de una serie de dos artículos sobre un nuevo enfoque para el análisis sistemático y el diseño de procesos químicos eficientes. Por supuesto , antes de presentar un nuevo enfoque , primero es necesario para evaluar el estado actual de los conceptos . Por otra parte , hay que entender las razones de su desarrollo y su dominio de la ingeniería química y de procesos . La revisión de los aspectos importantes de la historia de la ingeniería química, especificada en la Sección 1 ilustra claramente que el concepto de operaciones de la unidad puede ser considerada como un paradigma dominante en el desarrollo de la ingeniería química como disciplina independiente . Casi 100 años después de su introducción, el concepto de operación de la unidad sigue siendo el enfoque dominante en las industrias química y de la ingeniería de procesos de la comunidad , tanto en la industria como en la academia. Sin degradando el concepto de la operación de la unidad ( que sin duda todavía tiene un valor innegable ) , te animamos a considerar de nuevo modo de mirar un proceso químico, más abstracto y fundamental.

Creemos que el problema con el concepto de operación de la unidad es que está fuertemente relacionada con la idea de pensar en términos de aparatos. Nos proporciona "soluciones listos " (por ejemplo, mezcladoras, reactores , columnas de destilación , etc) que utilizan la tecnología de la estantería . Sin embargo, esto es a menudo una limitación grave para los avances en la productividad y / o la selectividad , ya que se estrecha inherentemente el espacio de la solución para el diseño y optimización de procesos . El concepto de función elemental proceso que aquí se propone , en cambio, permite pensar en términos de las funciones que tienen que cumplirse en el curso de un proceso químico. Las

funciones están representados por módulos funcionales , que a su vez se caracterizan por vectores de flujo generalizadas y funciones específicas de proceso elemental ( vectores de la base en el espacio estado termodinámico ) . Cuando un elemento de volumen está pasando a un módulo funcional de este tipo , su estado cambia como resultado de los flujos que se producen . Para el análisis del proceso, por lo tanto, tenemos que considerar los pasos elementales en el espacio de estado termodinámico : podemos diseñar todo el proceso de la ruta desde el punto inicial hasta el punto final por ajustar selectivamente los respectivos valores ideales de los flujos en cada punto. Además , la flexibilidad del concepto permite la inclusión de todo el espectro de los fenómenos físico- químicas . Extensiones con respecto a la adaptación de los nuevos métodos y herramientas, por ejemplo de ciencia de los materiales y la biología, se puede implementar si es necesario.

El nuevo enfoque que se presenta permite un análisis detallado y diseño de procesos químicos , que ayuda a identificar e investigar las medidas adecuadas para la intensificación de procesos de forma sistemática . En la parte 2 de nuestra contribución , se le dará una sólida base teórica del concepto y una descripción matemática .