Reactor

Antes de empezar, primero se tiene que tener en cuenta que es un reactor.

Un reactor no es más que  un tipo de motor que se conoce como motor de reacción. Estos motores descargan fluidos a gran velocidad para producir un empuje según la tercera ley de Newton, la cual expone que, con toda acción, ocurre siempre una reacción igual y contraria. Esto quiere decir que por medio de los reactores se pueden conseguir transformar unas acciones en reacciones o con otras palabras se puede conseguir nuevas formas de energías o de materia.  Los reactores se utilizan en diversos campos. Existen diversos tipos de reactores, en la química y muchos campos se utilizan reactores químicos que no son más que el equipo capaz de desarrollar una reacción química en su interior.

En la diversidad de reactores que existen se pueden encontrar reactores que intercambian calor con el exterior y así la temperatura en su interior se mantiene constante. La cámara de combustión de un motor de combustión interna de un vehículo puede ser considerado un reactor, ya que la función que cumple es hacer un tipo de energía que sea capaz de mover el vehículo o ya que dicho motor es  un tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química de un combustible que arde dentro de la cámara de combustión.

 Los reactores pueden trabajar con dos tipos de sistemas, el homogéneo y heterogéneo. El primero es aquel que presenta una sola fase y su composición es igual en cualquier parte del sistema en el cual se encuentra, el segundo se utiliza cuando en el sistema se necesita más de una fase para que la reacción se lleve a cabo.

Reactor químico

Los reactores químicos son unidades procesadoras diseñadas para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dichas unidades procesadoras están constituidas por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control. Estos reactores químicos son el centro de toda la industria de procesos químicos, ya que permiten la transformación de la materia prima en productos de mayor valor agregado. En los procesos farmacéuticos, químicos y de polimerización usan tanques reactores para contener las reacciones químicas. La velocidad de reacción química  y la calidad del producto se controlan frecuentemente por un intercambiador de calor externo para elevar la temperatura y un sistema criogénico para reducir la temperatura. 

Funciones de los reactores químicos

• Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada.
• Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias con el catalizador.
• Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar y velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

Simuladores de procesos comerciales

Existen diversos software de simulación que pueden ser utilizados en el campo de ingeniería química pero los mas utilizados son los siguientes.

• ASPEN - PLUS Sistema Avanzado para Ingeniería de Procesos (Advanced System for Process Engineering)

Es el lider es líder en herramientas de modelado de procesos en diseño conceptual, optimización y análisis de desempeño en la industria. Fue desarrolado en la década de 1970  por investigadores del MIT y comercializado desde 1980 por AspenTech. Simulador estacionario, secuencial modular (en últimas versiones permite estrategia orientada a ecuaciones). Posiblemente el más extendido en industrias química, petroquímica procesamientos de gas y aceites, generación de energía, metales y minerales, industrias del papel y otras. Este simulador posee la base de datos más amplia entre los simuladores de procesos e incluye comportamiento de iones y de electrolitos. Posee herramientas para cálculos de costos y optimizacion del proceso.

Ejercicio resuelto con ASPEN PLUS

• HYSYS

Programa interactivo enfocado a la ingeniería de procesos y la simulación. Desarrollado por Hyprotech Ltd. (Canadá) y adquirido por Aspen Technology en 2004. , posee una interfaz muy amigable para el usuario y permite el empleo de operadores lógicos y herramientas que facilitan la simulación de diversos procesos. Es un simulador bidireccional (el flujo de información va en dos direcciones. Puede calcular las condiciones de una corriente de entrada a una operación a partir de las de las corrientes de salida sin necesidad de cálculos iterativos. Este simulador posee un entorno de simulación modular tanto para estado estacionario como para régimen dinámico. Es un software para la simulación de plantas petroquímicas y afines.

Ejercicio resuelto con HYSYS

• CHEMCAD

Fue creado en 1984 para PC. Fue vendido a la sección de software de McGraw Hill y luego siguió siendo desarrollado y distribuido por Chemstations Inc. Este software ha evolucionado para convertirse en un paquete de módulos que abarca cálculo y diseño de intercambiadores de calor (CC-THERM), simulación de destilaciones dinámicas (CC-DCOLUMN), simulación de reactores por lotes (CC-ReACS), simulación de destilaciones por lotes (CC-BATCH), simulación de redes de tuberías (CC-SAFETY NET). Es muy usado para el diseño, operación y mantenimiento de procesos químicos en una gran variedad de industrias incluyendo la exploración de petróleo y gas, procesos farmacéuticos, biocombustibles, etc.

Ejercicio resuelto con CHEMCAD

• PROMODEL13

Es un programa de simulación de procesos industriales de cualquier tipo de proceso de manufactura, además de procesos logísticos, de manejos de materiales y contiene excelentes simulaciones de talleres, grúas viajeras, bandas de transporte y mucho más, se puede crear un modelo computarizado de todo proceso de manufactura y luego simular sobre una gran cantidad de situaciones como Justo a Tiempo, Teoría de Restricciones, Sistemas de Empujar y Jalar, Logística y muchas otras más, es un paquete de simulación que además permite la optimización de los procesos.

Ejemplo de simulación con PROMODEL13

• PRO II

El software de simulación de PRO/II® es un simulador en estado estacionario que permite el diseño de procesos y el análisis operacional mejorados. Se diseña para realizar balance de masa y los cálculos rigurosos del balance energético para una amplia gama de procesos quimicos. En especial en productos químico, petróleo, gas natural, a los sólidos  que procesan y a las industrias del polímero permitiendo la solución más comprensiva de la simulación.

Ejercicio resuelto con un simulador PRO II

Simulación en la ingeniería química

La simulación de procesos químicos es una herramienta que se ha hecho indispensable para la solución adecuada de los problemas de procesos. Permite efectuar el análisis de plantas químicas en operación, de igual forma, se emplea para el diseño de nuevas plantas o equipos. El uso de los simuladores se realiza en el área ambiental, con los ingenieros de planta, en el área de alimentos, polímeros, etc. En el desarrollo de un proyecto se emplea para probar la factibilidad técnica y económica de este. En la toma crítica de decisiones se prueban diferentes alternativas de procesos y condiciones de operación. La simulación proporciona todos los datos de proceso requeridos para el diseño detallado de los diferentes equipos y para la construcción de plantas a nivel banco, piloto o industrial, que después de construirlas y operarlas servirán para retroalimentar el modelo utilizado o para validarlo.

La simulación en la ingeniería química se usa para estimar y realizar análisis de regresión de propiedades físicas. También en procesos donde los componentes deben ser mezclados, separados, calentados, enfriados y convertidos mediante operaciones básicas. De igual manera la simulación predice el comportamiento de un proceso utilizando principios de la ingeniería, se realizar balances de materia y energía, equilibrio químico, estimar costes.

Ejemplo de una simulación 

Importancia

La simulación en la ingeniería química es importante ya que es una herramienta que proporciona innumerables facilidades a la industria y contribuye a convertir los objetivos de una compañía en realidad, ya que una planta virtual construida con simuladores es la mejor forma de ahorrar dinero y tiempo, y proteger el medio ambiente y las vidas humanas de quienes trabajan en las plantas, esto se consigue ya que se pueden visualizar los diversos escenarios en los diversos procesos, y de ese modo se puede evitar problemas y consecuencias desastrosas.

Ventajas y desventajas de simulación en la ingeniería química

Ventajas y desventajas

Ventajas

•      Los simuladores de procesos permiten acceder a amplias bases de datos termodinámicos útiles en el desarrollo y análisis de experimentos, resolución de problemas, diseño de procesos, etc. Esta cualidad puede ser usada por los estudiantes como una fuente de consulta permanente.

•      Algunos problemas que necesitan una gran cantidad de cálculos, pueden volverse complejos para los estudiantes, consumiendo mucho tiempo y finalmente haciendo que el tiempo dedicado para el análisis no sea suficiente. La simulación de procesos permite resolver problemas de este tipo en forma rápida, proporcionando al estudiante más tiempo y herramientas para el análisis del problema.

•      Varios simuladores de proceso permiten realizar optimizaciones de procesos, estimaciones de costos y estudio de los factores ambientales de un proceso con el fin de establecer comparaciones entre alternativas para seleccionar la que mejor se acomode a las especificaciones técnicas, económicas y ambientales de un proceso. Esto desarrolla potencialmente los niveles de síntesis y evaluación en los estudiantes de cursos avanzados y es muy útil dentro de la industria puesto que ayuda a reducir costos en el desarrollo de proyectos

•      Los simuladores de proceso permiten al estudiante desarrollar competencias relacionadas con la “habilidad para usar las herramientas modernas de la ingeniería para la práctica de ésta. Por medio del uso de los simuladores, se desarrollan competencias para resolver balances de materia y energía, crear diagramas de flujo, interpretar resultados y gráficos, seleccionar equipos y dispositivos de ingeniería, definir restricciones del sistema, emplear datos y ecuaciones de la heurística, realizar evaluaciones económicas y ambientales, y demás elementos que hacen parte del diseño de procesos y que son necesarios para diseñar desde una unidad de proceso, hasta una planta de procesos químicos o biotecnológicos

•      La simulación de procesos es una práctica integradora de las diferentes asignaturas de la carrera, lo cual ayuda a que el estudiante tenga la capacidad de resolver y definir problemas de ingeniería reales.

•      La simulación de procesos da a los estudiantes una prueba de ingeniería real y los prepara para la práctica en el mundo laboral.

•      Dentro de la industria, los simuladores son útiles en investigación y desarrollo al agilizar los ensayos en laboratorios y en plantas piloto porque permite predecir resultados o rangos de trabajo óptimo lo cual ahorra mucho tiempo en la experimentación; y en la etapa de diseño, al ofrecer una manera rápida de diseñar un proceso para establecer comparaciones entre diferentes alternativas.

•      Experimentación rápida y económica aún en condiciones extremas (estudios paramétricos). El costo típico de una simulación es menos del 1% del costo total de la implementación de un diseño o de un rediseño.

•      Los simuladores son muy útiles en el entrenamiento de personal. Los operadores de las plantas pueden aprender de sus errores y de este modo, aprender a operar mejor.

Desventajas

•      Para principiantes, la simulación de procesos les puede parecer muy difícil y tienden a desanimarse cuando no obtienen los resultados esperados. Son  necesarias mucha paciencia y persistencia, además, si el estudiante empieza a familiarizarse con estas herramientas desde los primeros cursos de una forma gradual, en asignaturas avanzadas se pueden obtener resultados satisfactorios.

•      El simulador de procesos tiende a ser visto como una caja negra si no se conocen los modelos de cálculos que el simulador utiliza y si no se estudian previamente a su uso los conceptos y algoritmos necesarios para resolver el problema en cuestión. El profesor Wankat3 propone que para reducir esta tendencia, se debe procurar que las prácticas con el simulador se realicen inmediatamente se hayan estudiado en clase los conceptos teóricos y de este modo, lograr que una vez el estudiante se enfrente a la simulación, entienda qué métodos o cálculos fueron llevados a cabo.

•      En la solución de problemas, no hay siempre una interacción detallada con el problema tal como se hace en la solución manual en donde el que resuelve el problema es forzado a pensar profundamente en éste, a encontrar aproximaciones para resolverlo, y a evaluar y reevaluar las suposiciones hechas. Muchas veces la simulación esconde la complejidad del problema y por tanto, esconde también aspectos importantes de su entendimiento.

•      Los resultados que arrojan los simuladores pueden ser en ocasiones difíciles de interpretar, esto ya que muchas salidas son esencialmente variables aleatorias basadas usualmente en entradas aleatorias, por tanto puede ser difícil determinar cuándo una observación es un resultado de las interrelaciones del sistema o cuándo es aleatoriedad

•      Se puede caer en optar por la simulación en casos donde una solución analítica es posible o incluso preferible.

Ventajas y desventajas de la simulación

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DEL USO DE LA SIMULACIÓN

Aunque la técnica de simulación generalmente se ve como un método de último recurso, recientes avances en la metodología de simulación y la gran disponibilidad de software que actualmente existe en el mercado, han hecho que la técnica de simulación sea una de las herramientas más ampliamente usadas en el análisis de sistemas. Además de las razones antes mencionadas, Thomas H. Naylor ha sugerido que un estudio de simulación es muy recomendable porque presenta las siguientes ventajas:

• A través de un estudio de simulación, se puede estudiar el efecto de cambios internos y externos del sistema, al hacer alteraciones en el modelo del sistema y observando los efectos de esas alteraciones en el comportamiento del sistema.

• Una observación detallada del sistema que se está simulando puede conducir a un mejor entendimiento del sistema y por consiguiente a sugerir estrategias que mejoren la operación y eficiencia del sistema.

• La técnica de simulación puede ser utilizada como un instrumento pedagógico para enseñar a estudiantes habilidades básicas en análisis estadísticos, análisis teórico, etc.

• La simulación de sistemas complejos puede ayudar a entender mejor la operación del sistema, a detectar las variables más importantes que interactuan en el sistema y a entender mejor las interrelaciones entre estas variables.

• La técnica de simulación puede ser utilizada para experimentar con nuevas situaciones, sobre las cuales tiene poca o ninguna información. A través de esta experimentación se puede anticipar mejor a posibles resultados no previstos.

• La técnica de simulación se puede utilizar también para entrenamiento de personal. En algunas ocasiones se puede tener una buena representación de un sistema (como por ejemplo los juegos de negocios), y entonces a través de el es posible entrenar y dar experiencia a cierto tipo de personal.

• Cuando nuevos elementos son introducidos en un sistema, la simulación puede ser usada para anticipar cuellos de botella o algún otro problema que puede surgir en el comportamiento del sistema.

• Los sistemas los cuales son sujetos de investigación de su comportamiento no necesitan existir actualmente para ser sujetos de experimentación basados en la simulación. Solo necesitan existir en la mente del diseñador.

• El tiempo puede ser compresado en los modelos de simulación. El equivalente de días, semanas y meses de un sistema real en operación frecuente pueden ser simulados en solo segundos, minutos u horas en una computadora. Esto significa que un largo número de alternativas de solución pueden ser simuladas y los resultados pueden estar disponibles de forma breve y pueden ser suficientes para influir en la elección de un diseño para un sistema.

• En simulación cada variable puede sostenerse constante excepto algunas cuya influencia está siendo estudiada. Como resultado el posible efecto de descontrol de las variables en el comportamiento del sistema necesitan no ser tomados en cuenta. Como frecuentemente debe ser hecho cuando el experimento está desarrollado sobre un sistema real.

• Es posible reproducir eventos aleatorios idénticos mediante una secuencia de números aleatorios. Esto hace posible usar las técnicas de reproducción de varianza para mejorar la precisión con la cual las características del sistema pueden ser estimadas para dar un valor que refleje el esfuerzo de la simulación.

A diferencia de las ventajas mencionadas, la técnica de simulación presenta importantes desventajas, éstas son:

• Falla al producir resultados exactos. S supone que un sistema ésta compuesto de uno o más elementos que están sujetos a un comportamiento al azar. Cuando una simulación es desarrollada con un modelo del sistema, los valores de cada variable son registrados y los promedios de estos valores son dados en una postsimulación. Pero el promedio en una muestra de observación solo a veces provee un estimado de lo esperado, es decir, una simulación solo provee estimados, no resultados exactos.

• Fallas al optimizar. La simulación es usada para contestar preguntas del tipo “Qué pasa si?”, “pero no de”, “¿que es lo mejor?”. En este sentido, la simulación no es una técnica de optimización. La simulación no generará soluciones, solo evalúa esas que han sido propuestas.

• Largo tiempo de conducción. Un estudio de simulación no puede ser conducido o llevado a cabo en solo un fin de semana. Meses de esfuerzo pueden ser requeridos para reunir información, construir, verificar y validar modelos, diseñar experimentos y evaluar e interpretar los resultados.

• Costos para proveer capacidad de simulación. El establecimiento y mantenimiento de capacidad de simulación, envuelve tener mejor personal, software, hardware, entrenamiento y otro tipo de costos.

• Abuso de simulación. Hay muchas facetas para un balanceo y comprensivo estudio de la simulación. Ya que una persona debe tener conocimiento de una gran variedad de áreas antes de llegar a ser un practicante de la simulación. Este hecho es algunas veces ignorado, sin embargo como resultado, cada estudio puede incorrectamente ser desarrollado, o podría estar incompleto, o podría caer en otro tipo de caminos, quizá resultado de una falla del esfuerzo de la simulación.

Simulación

Una simulación es la experimentación con un modelo que imita ciertos aspectos de la realidad. Esto permite trabajar en condiciones similares a las reales, pero con variables controladas y en un entorno que se asemeja al real pero que está creado o acondicionado artificialmente.

 La idea es que la simulación permita comprobar el comportamiento de una persona, de un objeto o de un sistema en ciertos contextos que, si bien no son idénticos a los reales, ofrecen el mayor parecido posible. Así, es posible corregir fallos antes de que la experiencia, efectivamente, se concrete en el plano de lo real.

El Dr. Ralph Huntsinger, ex-presidente de la “Society for Computer Simulation” y actual Presidente del Instituto McLeod de las Ciencias de Simulación ha dicho en sus presentaciones en el Primer Simposio sobre la Simulación por Computadora y la III Conferencia sobre Simulación por Computadora (Universidad Panamericana, Noviembre 1992 y 1995): !LA SIMULACIÓN ES ÚTIL Y DIVERTIDA¡ ¡DISFRUTE SUS VENTAJAS¡

La simulación es una técnica muy poderosa y ampliamente usada en las ciencias para analizar y estudiar sistemas complejos. En Investigaciones se formularon modelos que se resolvían en forma analítica. En casi todos estos modelos la meta era determinar soluciones óptimas. Sin embargo, debido a la complejidad, las relaciones estocásticas, etc., no todos los problemas del mundo real se pueden representar adecuadamente en forma de modelo. Cuando se intenta utilizar modelos analíticos para sistemas como éstos, en general necesitan de tantas hipótesis de simplificación que es probable que las soluciones no sean buenas, o bien, sean inadecuadas para su realización. En eso caso, con frecuencia la única opción de modelado y análisis de que dispone quien toma decisiones es la simulación. Simular, es reproducir artificialmente un fenómeno o las relaciones entrada-salida de un sistema. Esto ocurre siempre cuando la operación de un sistema o la experimentación en él son imposibles, costosas, peligrosas o poco prácticas, como en el entrenamiento de personal de operación, pilotos de aviones, etc.

Reactores isotermicos

Los reactores isotérmicos son aquellos que trabajan que intercambian calor con el exterior para que la temperatura se mantenga constante en todo el volumen del reactor.

Para el diseño de los reactores isotermicos punto de partida para el diseño de un reactor isotérmico es un balance de materia referido a determinado reactante (o producto), que se realiza sobre determinado volumen de control.

En casi todos los reactores por lotes cuanto más tiempo permanezca un reactivo en el reactor, más de él se convertirá en producto hasta que llegue al equilibrio o bien se agote el reactivo. Por lo tanto la conversión de X  es en función del tiempo que los reactivos permanezcan en el reactor.