Articulo Intensificacion de Procesos
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Hoy en da, estamos en presencia de importantes novedades que van ms all de la ingeniera
qumica "tradicional". Los ingenieros de muchas universidades y centros de investigacin industrial
estn trabajando en equipos novedosos y tcnicas que podran transformar nuestro concepto de
las plantas qumicas y dar lugar a procesos compactos, seguros de alto rendimiento energtico y el
medio ambiente sostenible. Estos desarrollos comparten un enfoque comn sobre la
"intensificacin de procesos" - un enfoque que ha sido de alrededor durante bastante tiempo,
pero realmente ha surgido slo en los ltimos aos como una disciplina especial e interesante de
la ingeniera qumica.
En este artculo, vamos a echar un vistazo ms de cerca a la intensificacin de procesos. Definimos
lo que implica, se comentan sus dimensiones y estructura, y se revisa la evolucin reciente de los
dispositivos y mtodos de procesos de intensificacin.
What is process intensification?
Uno de los grabados en madera en el famoso libro del siglo 16 por Georgius Agricola (1) ilustra el
proceso de recuperar el oro del mineral de oro (Figura 1). El parecido entre algunos de los
dispositivos que se muestran en la imagen (por ejemplo, los vasos agitada O y los agitadores S) y el
equipamiento bsico de las industrias de procesos qumicos de hoy (IPC) es sorprendente. De
hecho, el dibujo de Agricola muestra que la intensificacin de procesos, no importa cmo nos
definimos, no parece haber tenido mucho impacto en el campo de la tecnologa de la agitacin en
los ltimos cuatro siglos, o tal vez incluso ms. Pero, lo que realmente es la intensificacin de
procesos?
En 1995, mientras que la apertura de la primera Conferencia Internacional sobre la intensificacin
de procesos en la industria qumica, Ramshaw, uno de los pioneros en el campo, la intensificacin
de procesos definido como una estrategia para hacer reducciones en el tamao de una fbrica de
productos qumicos con el fin de llegar a un determinado objetivo de produccin (2). Estas
reducciones pueden provenir de reducir el tamao de las piezas individuales de equipo y tambin
de reducir el nmero de operaciones unitarias o aparatos implicados. En cualquier caso, el grado
de reduccin debe ser significativa; lo importante que sigue siendo motivo de debate. Ramshaw
habla de la reduccin del volumen del orden de 100 o ms, lo cual es un nmero difcil. En nuestra
opinin, una disminucin en un factor de dos ya tiene todos los atributos de un cambio drstico
paso y, por lo tanto, debe ser considerada como la intensificacin de procesos
Por otra parte, la definicin de Ramshaw es bastante estrecha, que describe la intensificacin de
procesos exclusivamente en trminos de la reduccin de tamao de la planta o equipo. De hecho,
esto es simplemente uno de los varios posibles efectos deseados. Est claro que un aumento
dramtico en la capacidad de produccin dentro de un volumen determinado equipo, una
disminucin paso en el consumo de energa por tonelada de producto, o incluso una marcada
reduccin de los residuos o la formacin de subproductos tambin califica como la intensificacin
de procesos.
No es sorprendente que la intensificacin de procesos, siendo impulsado por la necesidad de
cambios en las operaciones de vanguardia, se centra principalmente en nuevos mtodos y
equipos. Pero, tambin abarca ciertas tecnologas de hardware y establecidos. Por lo general,
stas se han aplicado a escala limitada (al menos en comparacin con su potencial) y an no han
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sido generalmente reconocido como estndar por la comunidad de la ingeniera qumica. Un
ejemplo tpico es el intercambiador de calor compacto (3,4). Estos intercambiadores han sido
ampliamente utilizados desde hace mucho tiempo en la industria alimentaria. En la industria
qumica, sin embargo, los desarrolladores de procesos todava optan a menudo por las unidades
de tubos Shelland convencionales, incluso en los casos en que se podran aplicar fcilmente las
placas o espirales intercambiadores de calor.
Preocupaciones de intensificacin de procesos slo la ingeniera de mtodos y equipos. As, por
ejemplo, el desarrollo de una nueva va qumica o un cambio en la composicin de un catalizador,
no importa cmo las mejoras dramticas que aportan a la tecnologa existente, no califican como
la intensificacin de procesos
Nosotros, por lo tanto, ofrecemos la siguiente definicin:
Intensificacin del proceso consiste en el desarrollo de nuevos aparatos y tcnicas que, en
comparacin con los utilizados hoy en da, se espera que traer importantes mejoras en la
fabricacin y procesamiento, la relacin de equipos de tamao / capacidad de produccin, el
consumo de energa o la produccin de residuos disminuyendo sustancialmente, y en ltima
instancia resulta
O, para poner esto en una forma ms corta: cualquier desarrollo de la ingeniera qumica que
conduce a una sustancialmente ms pequea, ms limpia y ms tecnologa de energa eficiente es
la intensificacin de procesos!
Como se muestra en la figura 2, todo el campo general se puede dividir en dos reas:
El equipo de proceso de intensificacin, tales como nuevos reactores, y mezclado intensivo,
transferencia de calor y dispositivos de transferencia de masa; y
Los mtodos de proceso-la intensificacin, como los nuevos hbridos o separaciones, la
integracin de la reaccin y la separacin, intercambio de calor, o de transicin de fase (inso
llamados reactores multifuncionales), las tcnicas que utilizan fuentes alternativas de energa (luz,
ultrasonidos, etc), y nuevos procesos de control de los mtodos (como la operacin en estado
inestable intencional).
Obviamente, no puede haber cierto solapamiento. Los nuevos mtodos pueden requerir nuevos
tipos de equipos para desarrollar y viceversa, mientras que los nuevos aparatos ya desarrollados a
veces hacen uso de nuevos mtodos de procesamiento, no convencionales.
Process-intensifying equipment Nuestro comentario anterior de que el grabado de Agricola muestra lo poco que la tecnologa ha
avanzado agitacin no es del todo cierto. De hecho, la tecnologa de la agitacin se ha
intensificado en gran medida durante los ltimos 25 aos, al menos en cuanto a los sistemas de
gas / lquido-lquido / lquido y. Sorprendentemente, esto no se logra mediante la mejora de
mezcladoras mecnicas sino, todo lo contrario, abandonndolos - en favor de los mezcladores
estticos (5). Estos dispositivos son buenos ejemplos de equipos de proceso-la intensificacin.
Ofrecen un mtodo eficiente energticamente ms Sizeand para mezclar o ponerse en contacto
con los fluidos y, en la actualidad, cumplen funciones incluso ms amplios. Por ejemplo, la Sulzer
(Winterthur, Switz.) SMR reactor de esttica-mezclador, que ha mezclado elementos hechos de
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tubos de transferencia de calor (Figura 3), puede ser aplicado con xito en procesos en los que son
necesarias mezcla simultnea e intensivo de eliminacin de calor o suministro , tales como en las
reacciones de nitracin o de neutralizacin.
Una de las desventajas ms importantes de mezcladores estticos es su relativamente alta
sensibilidad a la obstruccin por los slidos. Por lo tanto, su utilidad para las reacciones que
implican catalizadores de lodos est limitada. Sulzer resuelto este problema (al menos
parcialmente) mediante el desarrollo de relleno estructurado que tiene buenas propiedades de
staticmixing y que a la vez puede ser utilizado como el soporte para el material cataltico. Su
familia de-estructura-flujo cruzado abierto catalizadores, los llamados KATAPAKs (6) (Figura 4a), se
utiliza en algunos procesos de oxidacin exotrmica en fase gaseosa tradicionalmente llevadas a
cabo en lechos fijos, as como en la destilacin cataltica. KATAPAKs tienen muy buena mezcla y las
caractersticas de transferencia de calor radiales (6). Su principal desventaja es su rea geomtrica
especfica relativamente baja, que es mucho menor que la de su rival ms importante en el
campo, los catalizadores monolticos (7) (Figura 4b).
Monolithic catalysts
Sustratos monolticos utilizados en la actualidad para aplicaciones catalticas son cuerpos
metlicos o no metlicos que proporcionan una multitud de canales estrechos rectas de formas de
seccin transversal uniformes definidos. Para garantizar la suficiente porosidad y mejorar la
superficie catalticamente activa, las paredes interiores de los canales del monolito por lo general
estn cubiertos con una fina capa de revestimiento delgado, que acta como el soporte para las
especies catalticamente activas
Las caractersticas ms importantes de los monolitos son:
muy baja cada de presin en-y nico flujo de dos fases, de uno a dos rdenes de magnitud
menor que la de los sistemas convencionales de lecho empacado;
Las reas geomtricas elevadas por unidad de volumen del reactor, normalmente 1,5-4 veces
ms que en los reactores con catalizadores de partculas;
alta eficiencia cataltica, prcticamente el 100%, debido a los caminos de difusin muy cortas en
la capa de revestimiento delgado delgado; y
excepcionalmente buen desempeo en los procesos en los que la selectividad se ve
obstaculizada por las resistencias de transferencia de masa.
Catalizadores monolticos tambin se pueden instalar en lnea, como elementos de mezcla
estticos, utilizando este ltimo como dispositivos de dispersin de gas / lquido. Las unidades en
lnea ofrecen ventajas adicionales:
Los costos de inversin bajos, debido a que en la lnea de reactores monolticos son mdulos de
uso del readyto que se instalan como parte de las tuberas;
diseo compacto de la planta (en linemonolith reactores incluso se pueden colocar bajo tierra,
por ejemplo, en los conductos de cemento - vea la Figura 5);
capacidad para cumplir con los estndares de seguridad y ambientales mucho ms altos
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que los reactores convencionales (tales como, por ejemplo, mediante la colocacin de la unidad de
reactor por debajo del nivel del suelo);
reemplazo muy fcil y rpida (por ejemplo, en el caso de la desactivacin del catalizador),
simplemente mediante el canje de una parte de la tubera, en lugar de tener que descargar viejo y
cargar el nuevo catalizador;
la posibilidad de distribuir mltiples puntos de alimentacin a lo largo del reactor; y
Fcil consecucin de un rgimen casi toplug-flow.
Uno de los problemas en los reactores monolticos, especialmente para procesos catalticos en
fase gaseosa, es difcil la eliminacin de calor debido a la ausencia de dispersin radial. Canales del
monolito se separan completamente unos de otros y, por lo tanto, el nico transporte de calor
mecanismo es la conductividad a travs del material monolito. Para reacciones en fase gaseosa
altamente exotrmicas, llamada reactores HEX desarrollados por BHR Group, Ltd. (Cranfield, Reino
Unido) (9) presenta una opcin prometedora. En estos reactores, uno de los lados de un compacto
intercambiador de calor se hace catalticamente activo, ya sea por washcoating o mediante la
introduccin de elementos catalticamente activos
(Por ejemplo en forma de grnulos o envases estructurados). Un cruce de corrientes de cermica
estructura monoltica desarrollado por Corning Inc. (Corning, NY) (10) (Figura 6) tambin puede
utilizarse potencialmente como un intercambiador de reactor / calor cataltica, por ejemplo, para
llevar a cabo dos procesos qumicos (exo y endotrmicas) dentro de una unidad. En comparacin
con los reactores de lecho fijo convencionales, tales reactores ofrecen mucho mejores condiciones
de transferencia de calor - es decir, los coeficientes de transferencia de calor por lo general de
3,500-7,500 W/m2K, y las reas de transferencia de calor de hasta 2200 m2.
Microreactors
Incluso los valores ms altos de coeficientes de transferencia de calor que los de los reactores HEX
se puede lograr en microrreactores. Aqu, se presentan valores de hasta 20.000 W/m2K (11).
Microrreactores son reactores qumicos de muy pequeas dimensiones que suelen tener una
estructura de sndwich que consiste en una serie de rebanadas (capas) con canales
micromecanizadas (10-100 micras de dimetro.). Las capas de realizar diversas funciones, desde la
mezcla de reaccin cataltica, intercambio de calor, o la separacin. La integracin de estas
diversas funciones dentro de una sola unidad es una de las ventajas ms importantes de
microrreactores. Las altas tasas de heattransfer alcanzables en microreactores permiten operar
procesos altamente exotrmicas isotrmica, que es particularmente importante en la realizacin
de estudios cinticos. Proporciones muy bajas de reaccin de volumen / superficie del rea hacen
microreactores potencialmente atractivo para los procesos que implican reactivos txicos o
explosivos. La escala a la whichprocesses utilizando bateras de mltiples microreactores
convertirse en econmica y tcnicamente viable todava tiene que ser determinado, sin embargo.
La configuracin geomtrica de los intercambiadores de calor de microcanal (estructuras de flujo
cruzado apiladas) se asemeja a la de los monolitos de flujo cruzado en la figura 6, aunque los
materiales y mtodos de fabricacin utilizados difieren. Los canales en las placas de los
intercambiadores de calor de microcanales son por lo general alrededor de 1 mm o menos de
-
ancho, y se fabrican a travs de micromecanizado de silicio, la litografa profunda de la radiografa,
o micromecanizado nonlithographic. En los ltimos aos, Pacific Northwest National Laboratory
(Richland, WA) ha demostrado intercambiadores de calor de microcanal en una arquitectura de
lmina plana que exhiben altos flujos de calor y coeficientes de conveccin-calor-transferencia.
Los valores reportados de coeficientes de transferencia de calor en los intercambiadores de calor
de microcanal van desde A10, A35 a 000, 000 W/m2K (4, 12).
Rotating devices
Casi tan altos coeficientes de transferencia de calor se pueden conseguir en el reactor de giro del
disco (SDR) (13). Esta unidad (consulte la Figura 7), desarrollado por el grupo de Ramshaw en la
Universidad de Newcastle (Newcastle, Reino Unido) principalmente est dirigido a reacciones
rpidas y muy rpido lquido / lquido con efecto de calor grande, tales como filtraciones,
sulfonaciones y polimerizaciones (por ejemplo, la polimerizacin de estireno (14)). En DEG, en una
capa muy delgada (tpicamente 100 IM) de lquido se desplaza sobre la superficie de un disco
girando hasta aproximadamente 1.000 rpm. En tiempos de residencia muy cortos (tpicamente 0,1
s), el calor se elimina de manera eficiente desde el lquido de reaccin a tasas de transferencia de
calor que alcanzan 10.000 W/m2K. DEG
Otros reactores especialmente dedicadas a procesos muy rpidos ayunar y vale la pena mencionar
son: el reactor de gas / lquido supersnico desarrollado en Praxair Inc. (Danbury, CT) (15) para los
sistemas de gas / lquido y el reactor de chorro de choque de Ingeniera NORAM
y Constructores (Vancouver, BC) (16,17) para sistemas lquido / lquido.
La primera emplea una onda de choque supersnica para dispersar el gas en burbujas muy
pequeas en un dispositivo de mezcla supersnica en lnea, mientras que la segunda utiliza un
sistema de chorros especialmente configurados y deflectores para dividir y remezclar corrientes
lquidas con alta intensidad. Mezcladores rotor / estator (18), que tienen por objeto los procesos
que requieren muy rpido mezcla en una escala micro, contienen un rotor de alta velocidad de
giro cerca de un estator inmvil. El fluido pasa a travs de la regin en la que el rotor y el estator
interactan y experiencias altamente pulsante flujo y cizallamiento. En lnea mezcladores de rotor
/ estator se asemejan a las bombas centrfugas y, por lo tanto, puede contribuir simultneamente
a bombear los lquidos.
El movimiento de rotacin y las fuerzas centrfugas se utilizan no slo en DEG. La tecnologa de
alta gravedad (Higee), que Imperial Chemical Industries (Londres) comenz a trabajar en a finales
de 1970 como un spin-off de un proyecto de investigacin de la NASA en ambiente de
microgravedad (19,20), se ha convertido en una de las ramas ms prometedoras de la
intensificacin de procesos . Tecnologa Higee intensifica operaciones masstransfer llevando a
cabo en la rotacin lechos de relleno en el que se producen fuerzas centrfugas altas (tpicamente
1.000 g). De esta manera, la transferencia de calor y cantidad de movimiento, as como la
transferencia de masa se puede intensificar. El equipo rotativo-cama, originalmente dedicado a los
procesos de separacin (como la absorcin, extraccin y destilacin), tambin puede ser utilizado
para los sistemas (especialmente aquellos que son de transferencia de masa limitado) reaccionar.
Potencialmente puede aplicarse no slo a los sistemas de gas / lquido, sino tambin para otras
combinaciones de fase entre ellos / lquidos / slidos sistemas de gas de tres fases.
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Recientemente, el grupo de Chong Zheng en el Centro HIGRAVITEC (Beijing) ha aplicado con xito
giratoria (500-2.000 rpm) lechos de relleno a escala comercial para la purga de agua de inundacin
en los campos de petrleo de China. All, las mquinas de A1 m de dimetro que gira.
reemplazados torres de vaco convencionales de A30 m de altura (21).
Grupo de Chong Zheng tambin ha logrado xitos en la cristalizacin de las nanopartculas: muy
uniformes cristales de 15-30nm de CaCO3 se han hecho en un cristalizador que gira a tiempos de
procesamiento 4-10 veces ms cortos que los de un proceso de tanque agitado convencional (22).
Otro ejemplo interesante aqu, tambin sometidos a la comercializacin, es un adsorbente
centrfuga (Figura 8), desarrollado en la Universidad de Tecnologa de Delft (Delft, Pases Bajos)
(23). Este es un nuevo dispositivo continuo para llevar a cabo los procesos de intercambio inico o
adsorcin. El uso de un campo centrfugo para establecer el flujo en contracorriente entre la fase
lquida y el adsorbente permite el uso de muy pequeas (10-50 mm) partculas adsorbentes y el
diseo de equipos de separacin extremadamente compacto con tiempos de contacto muy corto
y alta capacidad (tpicamente 10-50 m3 / h).
Process-intensifying methods
Como se destaca en la figura 2, la mayora de los mtodos de proceso-la intensificacin se dividen
en tres zonas bien definidas: la integracin de reaccin y una o ms operaciones unitarias en los
llamados reactores multifuncionales, el desarrollo de nuevas separaciones hbridos, y el uso de
formas y fuentes de energa alternativas para su procesamiento. Echemos un vistazo ms de cerca
a cada una de estas reas.
Multifunctional reactors
Estos se pueden describir como reactores que, para mejorar la conversin qumica que tiene lugar
y para lograr un mayor grado de integracin, combinar al menos una funcin ms (por lo general
una operacin de unidad) que convencionalmente se realiza en una pieza separada del equipo. Un
ejemplo ampliamente conocido de la integracin de reaccin y la transferencia de calor en una
unidad multifuncional es el reactor de flujo inverso (24). Para procesos exotrmicos, la inversin
del flujo peridico en tales unidades permite foralmost perfecta utilizacin del calor de reaccin
por mantenerla dentro del lecho de catalizador y, despus de la reversin de la direccin de flujo,
su uso para el precalentamiento de los gases reactantes fros. Reactores Hasta la fecha, de flujo
inverso se han utilizado en tres procesos industriales (24): la oxidacin de SO2, la oxidacin total
de hidrocarburos en los gases de salida, y la reduccin de NOx. La reciente introduccin de relleno
inerte para el intercambio de calor (25) ha dado lugar a un reactor de tipo "sandwich"; que consta
de tres zonas - un lecho de catalizador entre dos camas de embalaje de material de acumulacin
de calor. El principio de flujo inverso tambin se ha aplicado en rotacin reactores monolticos,
que se utilizan industrialmente para la eliminacin de componentes no deseados de corrientes de
gas y la regeneracin continua de calor (26). Tambin se han llevado a cabo en el empleo de
reactores de flujo invertido para procesos endotrmicos (27).
eactiva (cataltica) de destilacin es uno de los ejemplos mejor conocidos de la integracin de
reaccin y separacin, y se utiliza comercialmente (28). En este caso, el reactor multifuncional es
una columna de destilacin lleno con el embalaje catalticamente activo. En la columna, los
productos qumicos se convierten en el catalizador mientras que los productos de reaccin se
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separan continuamente por fraccionamiento (superando as las limitaciones de equilibrio). El
catalizador utilizado para la destilacin reactiva generalmente se incorpora en una estructura de
soporte de fibra de vidrio y de malla de alambre, que tambin proporciona la redistribucin de
lquido y la separacin de vapor. Catalizadores estructurados, como KATAPAK de Sulzer, tambin
son empleados (29). Las ventajas de las unidades de destilacin cataltica, adems de la
eliminacin continua de productos de reaccin y los rendimientos ms altos debido al cambio de
equilibrio, consisten principalmente de la reduccin de los requerimientos de energa y ower de la
inversin de capital (30). Adems, un proceso inverso al descrito anteriormente, es decir,
combinacin de reaccin y la condensacin, se ha estudiado para la oxidacin de benceno a
ciclohexano y para la sntesis de metanol (31,32). El nmero de procesos en los que la destilacin
reactiva se ha implementado a escala comercial es todava muy limitado - pero el potencial de esta
tcnica sin duda va ms all de las aplicaciones de hoy en da.
Numerosos grupos de investigacin estn investigando otros tipos de reacciones combinadas y
separaciones, tales como extraccin reactiva (33,34), la cristalizacin reactiva (35), y la integracin
de las operaciones de reaccin y de sorcin, por ejemplo, en reactores cromatogrficas (36,37,38)
y reactores de separacin peridicas, que son una combinacin de un adsorbedor de oscilacin de
presin con un reactor de lecho empaquetado-forzada flujo peridico (39).
Membrane reactors
Hoy en da, un gran esfuerzo de investigacin est dedicada a reactores de membrana (40). La
membrana puede desempear varias funciones en este tipo de sistemas de reactores. Es, por
ejemplo, se puede utilizar para la separacin in situ selectiva de los productos de reaccin,
proporcionando de este modo un desplazamiento del equilibrio ventajoso. Tambin se puede
aplicar para una alimentacin distribuida controlada de algunas de las especies que reaccionan, ya
sea para aumentar el rendimiento global o la selectividad de un proceso (por ejemplo, en de lecho
fijo o de membrana reactores de lecho fluidizado (41,42)) o para facilitar la masa transferencia
(por ejemplo, fuente directa sin burbujas de oxgeno o de la disolucin en la fase lquida a travs
de membranas de fibra hueca (43,44)). Adems, la membrana puede permitir la separacin in situ
de partculas de catalizador de los productos de reaccin (45)). Finalmente, la membrana puede
incorporar material cataltico, por lo tanto en s convertirse en un sistema de reaccin-separacin
altamente selectiva. La literatura cientfica sobre los reactores de membrana cataltica es
excepcionalmente rica (vase, por ejemplo, ref. 46) e incluye muchas ideas muy interesantes
(como el calor y la combinacin en serie integrada de hidrogenacin y deshidrogenacin procesos
en una sola unidad de membrana). Sin embargo, prcticamente no hay aplicaciones industriales a
gran escala se han reportado hasta la fecha. La razn principal de esto definitivamente es el precio
relativamente alto de unidades de membrana, aunque otros factores, tales como baja
permeabilidad, as como fragilidad mecnica y trmica, tambin juegan un papel importante.
Nuevos acontecimientos en el campo de la ingeniera de materiales seguramente van a cambiar
este panorama.
Reactores multifuncionales pueden integrar no slo la reaccin y la transferencia de calor o
reaccin y la separacin, sino tambin combinar la reaccin y la fase de transicin. Un ejemplo
bien conocido de tal combinacin es la extrusin reactiva. Extrusoras reactivos se estn utilizando
cada vez ms en la industria de polmeros. Ellos permiten el procesamiento reactiva de materiales
-
altamente viscosos, sin necesidad de las grandes cantidades de disolventes que los reactores de
tanque agitado hacen. Particularmente populares son extrusoras de doble husillo, que ofrecen una
mezcla efectiva, la posibilidad de la operacin a altas presiones y temperaturas, las caractersticas
de flujo de pistn, y la capacidad de multistaging. La mayora de las reacciones llevadas a cabo en
extrusoras son reacciones individuales-o de dos fases. Nuevos tipos de extrusores con catalizador
inmovilizado en la superficie de los tornillos, sin embargo, pueden permitir llevar a cabo
reacciones catalticas de corriente trifsica (47).
Hybrid separations
Muchos de los avances en este mbito implican la integracin de membranas con otra tcnica de
separacin. En la absorcin de la membrana y de desmontaje, la membrana sirve como una
barrera permeable entre las fases gaseosa y lquida. Mediante el uso de mdulos de membranas
de fibra hueca, grandes reas de transferencia de masa se pueden crear, lo que resulta en un
equipo compacto. Adems, las membranas de absorcin ofrecen un funcionamiento
independiente de las tasas de flujo de gas y lquido, sin arrastre, inundaciones, canalizacin, o la
formacin de espuma (50,51).
Destilacin por membrana es, probablemente, el hbrido ms conocido, y se est investigando en
todo el mundo (52,53). La tcnica es ampliamente considerada como una alternativa a la smosis
inversa y la evaporacin. De destilacin por membrana, bsicamente, consiste en llevar un
componente voltil de una corriente de alimentacin de lquido a travs de una membrana porosa
en forma de vapor y de condensacin que en el otro lado en un lquido permeado. Diferencia de
temperatura es la fuerza impulsora del proceso. Foster et al. (54) nombrar cuatro ventajas bsicas
de destilacin por membrana:
100% de rechazo de iones, macromolculas, coloides, clulas y otros componentes no voltiles;
presin de trabajo inferior a travs de la membrana que en los procesos pressuredriven;
menor ensuciamiento de la membrana, debido al mayor tamao de poro; y
Las temperaturas de funcionamiento potencialmente ms bajos que en la evaporacin o
destilacin convencional, lo que puede permitir el procesamiento de materiales sensibles a la
temperatura.
Entre las separaciones hbridos que no implican membranas, destilacin de adsorcin (55) ofrece
ventajas interesantes
sobre los mtodos convencionales. En esta tcnica, se aade un adsorbente selectivo a una mezcla
de destilacin.
-
Esto aumenta la capacidad de separacin y puede representar una opcin atractiva en la
separacin de azetropos o componentes cerca de punto de ebullicin. Destilacin de adsorcin
se puede utilizar, por ejemplo, para la eliminacin de trazas de impurezas en la fabricacin de
productos de qumica fina; puede permitir cambiar algunos procesos fina-qumicas de forma
discontinua para un funcionamiento continuo.
}El uso de formas y fuentes de energa alternativas
Varias tcnicas de procesamiento convencionales que se basan en las formas y fuentes de energa
alternativas son de importancia para la intensificacin del proceso. Por ejemplo, ya hemos hablado
de los beneficios potenciales del uso de campos de centrfugas en vez de las gravitacionales en las
reacciones y las separaciones.
Entre otras tcnicas, la investigacin sobre sonoqumica (el uso de ultrasonidos como fuente de
energa para tratamiento qumico) parece ser el ms avanzado. La formacin de microburbujas
(cavidades) en el medio de reaccin lquido a travs de la accin de las ondas de ultrasonido ha
abierto nuevas posibilidades para la sntesis qumica. Estas cavidades pueden ser considerados
como microrreactores de alta energa. Su colapso crea microimplosions con muy alta liberacin de
energa local (aumentos de temperatura de hasta 5000 K y presiones negativas de hasta 10.000
atm se informa (56)). Esto puede tener diversos efectos sobre las especies que reaccionan, de la
rotura del enlace homoltica con la formacin de radicales libres, a la fragmentacin de las
cadenas de polmero por la onda de choque en el lquido que rodea la burbuja colapso. Para los
sistemas (pasta hmeda)-slidos catalizada, el colapso de las cavidades, adems, pueden afectar a
la superficie del catalizador - esto, por ejemplo, se puede utilizar para in situ del catalizador de
limpieza / rejuvenecimiento (57). Un nmero de diseos de reactores sonochemical se han
desarrollado y estudiado (58). Sonoqumica tambin ha sido investigado en combinacin con otras
tcnicas, por ejemplo, con la electrlisis para la oxidacin de fenol en las aguas residuales (59). El
tamao mximo econmica y tcnicamente viable de la vasija de reaccin todava parece ser el
factor determinante para la aplicacin industrial de sonoqumica.
La energa solar tambin puede jugar un papel en el procesamiento qumico. Un nuevo reactor de
alta temperatura en la que la energa solar es absorbida por una nube de partculas de reaccionar
para suministrar calor directamente al sitio de reaccin ha sido estudiada (60,61). Los
experimentos con dos reactores qumicos solares a pequea escala en el que la reduccin trmica
de MnO2 tuvo lugar tambin se reportan (60). Otros estudios describen, por ejemplo, la reaccin
de cicloadicin de un compuesto de carbonilo a una olefina lleva a cabo en un reactor de horno
solar (62) y la oxidacin de 4-clorofenol en un reactor de cable de fibra ptica de energa solar
(63).
El calentamiento por microondas puede hacer que algunas sntesis orgnicas proceden de hasta
1240 veces ms rpido que mediante tcnicas convencionales (64). El calentamiento por
microondas tambin puede permitir la desorcin de eficiencia energtica in situ de hidrocarburos
a partir de zeolitas se utilizan para eliminar los compuestos orgnicos voltiles (65).
-
Los campos elctricos pueden aumentar las tasas de proceso y control de tamao de gota para
una variedad de procesos, incluyendo la pintura, recubrimiento, y la fumigacin de cultivos. En
estos procesos, las gotitas cargadas elctricamente exhiben mucho mejores propiedades de
adhesin. En la transferencia de calor en ebullicin, los campos elctricos se han utilizado con
xito para controlar las tasas de nucleacin (66). Los campos elctricos tambin pueden mejorar
los procesos que implican mezclas lquido / lquido, en particular, la extraccin lquido / lquido
(67), donde las mejoras de velocidad de 200 a 300% se han reportado (68).
Resultados de Inters se han publicado en relacin con la llamada tecnologa de deslizamiento del
arco, es decir, plasma generado por la formacin de deslizamiento descargas elctricas (69,70,71).
Estos vertidos se producen entre los electrodos colocados en el flujo de gas rpido, y ofrecen una
alternativa de bajo consumo energtico para los procesos convencionales de alta temperatura de
alto consumo energtico. Aplicaciones probado hasta ahora en el laboratorio y en escala industrial
incluyen: la transformacin de metano a la destruccin de acetileno e hidrgeno, de N2O, la
reforma de residuos pesados de petrleo, la disociacin de CO2, la activacin de fibras orgnicas,
la destruccin de compuestos orgnicos voltiles en el aire, la conversin de gas natural a gas de
sntesis, y la reduccin de SO2 a azufre elemental.
Other methods
Un nmero de otras tcnicas prometedoras no entran en las tres categoras que hemos discutido.
Algunos ya son conocidos y han sido probados comercialmente en otras industrias. Por ejemplo,
los fluidos supercrticos (SCF) se utilizan industrialmente para la transformacin de productos
naturales. Debido a sus propiedades nicas, los SCF son medios atractivos para las operaciones de
transferencia de masa, tales como extraccin (72) y reacciones qumicas (73). Muchas de las
propiedades fsicas y de transporte de un SCF son intermedias entre las de un lquido y un gas.
Difusividad en una SCF, por ejemplo, cae entre que en un lquido y un gas; esto sugiere que las
reacciones que son de difusin limitada en la fase lquida podran ser ms rpido en una fase de
SCF. SCF tambin tiene propiedades de solubilidad nicas. Los compuestos que son en gran
medida insoluble en un fluido en condiciones ambientales pueden llegar a ser soluble en el fluido
en condiciones supercrticas. Por el contrario, algunos compuestos que son solubles en
condiciones ambientales pueden llegar a ser menos soluble en condiciones supercrticas. SCF ya
han sido investigados por un nmero de sistemas que incluyen reacciones de enzimas, reacciones
de Diels-Alder, reacciones organometlicas, reacciones catalizadas heterogneamente,
oxidaciones, y polimerizaciones. Por otro lado, las tcnicas criognicas (destilacin o destilacin
combinada con la adsorcin (74)), hoy en da utilizan casi exclusivamente para la produccin de
gases industriales, en el futuro pueden resultar atractivo para algunas separaciones especficas a
granel de fabricacin o de productos qumicos finos.
Dinmica funcionamiento de reactores qumicos (peridico) tiene investigadores interesados por
ms de tres dcadas. En muchos ensayos de laboratorio, la pulsacin intencional de flujos o
concentraciones ha dado lugar a una clara mejora de los rendimientos del producto o
selectividades (75). Sin embargo, a pesar de una gran cantidad de investigacin, las aplicaciones a
-
escala comercial son escasas y limitadas principalmente a los reactores de flujo inverso que ya
hemos discutido. Una de las razones principales es que el funcionamiento dinmico requiere de
inversiones para sincronizar partes no estacionarios y fijos del proceso. As, en general, el
funcionamiento en estado estacionario es menos costoso. Hay casos, sin embargo, en que la
operacin dinmica puede resultar ventajoso, a pesar de las ventajas y desventajas implicadas
(76).
Las operaciones de la unidad - una especie extinta?
Hasta el momento, hemos puesto de relieve una variedad de equipos y tcnicas que deben jugar
un papel importante en la intensificacin de los procesos qumicos. Esto no ha sido una
catalogacin exhaustiva, como los nuevos desarrollos estn surgiendo con regularidad de los
investigadores en todo el mundo. Los ejemplos dejan claro, sin embargo, que las operaciones
hbridas, es decir, combinaciones de reacciones y una o ms operaciones de las unidades, jugarn
un papel dominante en el futuro, processintensive, CPI sostenible. La evolucin de la ingeniera
qumica por tanto, llegado a un punto en el que las operaciones unitarias tradicionales darn paso
a las formas hbridas y extinguido? Nuestra respuesta a esta pregunta es a la vez s y no
.
No, porque el desarrollo de estos nuevos aparatos y tcnicas integradas es y seguir siendo
profundamente enraizada en el conocimiento de las operaciones de las unidades bsicas y
tradicionales. Ms que eso, nuevos avances de investigacin en la intensificacin de procesos
exigir un progreso paralelo en el conocimiento fundamental basado en unitoperation. Por lo
tanto, las operaciones unitarias tradicionales no van a desaparecer, al menos no de la
investigacin en ingeniera qumica.
S, debido a que algunas operaciones de la unidad simplemente pueden llegar a ser demasiado
caro o ineficiente para continuar para ser utilizado comercialmente. Estas operaciones pueden
tambin ser marcados para la extincin en la prctica industrial del siglo 21.