Sistemas Multifásicos - Apuntes - Termodinámica, Apuntes de Termodinámica. Universidad de Salamanca - USAL

Termodinámica

Descripción: Apuntes del curso universitario de Termodinámica sobre los sistemas Multifásicos
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Termodinámica
En todo buen libro de Termodinámica los sistemas multifásicos reaccionantes
ocupan un lugar en la parte final, donde explícitamente o nosiempre se deja en
claro que, tanto en lo conceptual cuanto en lo computacional, éstos presentan
problemas que aún no han sido resueltos.
Las operaciones que involucran sistemas de este tipo constituyen un desafío para
los ingenieros químicos, quienes ven en ellas un ámbito donde aplicar
prácticamente todas las técnicas de que disponen.
Los fenómenos tradicionalmente estudiados han sido las reacciones entre fases
sólidas de interés en metalurgia, la absorcn con reacción química de interés
en el análisis de reactores y equipos de separación, y los equilibrios de soluciones
con sólidos en el que se interesan sobre todo los químicos analíticos y los
diseñadores de dispositivos de cristalización—.
Recientemente, se han incorporado a la lista las reacciones aceleradas con
"catalizadores de transferencia de fase" y las transformaciones de interés en el
modelado de los equipos de destilación reactiva.
En el presente trabajo, pongo mi atención en estas últimas. Sin embargo, los
resultados son de utilidad al estudiar cualquiera de los restantes temas
mencionados y también en las transformaciones que se dan en una sola fase, como
las polimerizaciones del carbono en las llamas de hidrocarburos. Esto es así porque
en la formalización, a diferencia de lo que se hace habitualmente [1], adopté un
criterio consistente en dar un mismo nombre al potencial termodinámico de cada
componente independientemente de cuál sea la fase en que se encuentre.
Perspectiva histórica
Los dispositivos de reacción-destilación se han venido usando en los laboratorios de
síntesis orgánica desde fines del siglo XIX. En algunos trabajos aislados de las
primeras décadas del siglo XX se reportó la implementación de esa operación a
escala industrial [2]. Sin embargo, el uso de equipos que están en el camino que
lleva de los destiladores a los reactores se ha extendido recién en los últimos años
[3].
Muchas razones se pueden dar para explicar por qué la industria tardó tanto en
recurrir a esta técnica. La más obvia es que, en ingeniería, la mecánica de
resolución de problemas consiste en estudiar primero versiones simplificadas de los
mismos. Siendo más fácil modelar la reacción y la separación independientemente,
muchos procesos se han desarrollado con base en el sencillo esquema de obtener
primero el producto y luego aislarlo. En otros términos, es lógico que resultara
imposible diseñar de modo realista operaciones combinadas cuando aún no se
habían establecido modelos confiables para el equilibrio líquido-vapor y el
dimensionamiento de reactores estaba más cerca de ser un arte que una ciencia.
Muchos de los grupos pioneros en el modelado de la destilación reactiva se
dedicaban antes al estudio de las distintas formas de la destilacn no-reactiva: la
Historia muestra que ha sido más fácil incorporar reacciones químicas a los
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procesos de separación que complicar el estudio de los sistemas reaccionantes con
transformaciones físicas [4].
Sin embargo, el enfoque que privilegia la separación por sobre la reacción no es el
de aquellos químicos que trabajaban en síntesis. Para ellos, la separación de un
producto volátil se hacía con el fin de aumentar la conversión de los reactivos, ya
que en las síntesis orgánicas las sustancias llegan casi siempre a un equilibrio que
corresponde a concentraciones no muy altas del producto.
Una vez que, aprovechando el conocimiento de las operaciones de destilacn no-
reactiva, la operación destilación reactiva comenzó a hacerse más clara, se volvió la
mirada a los reactores y se cerró el cerco [5].
En resumen, sin importar si la atención se centra en la destilación o en la reacción,
el fenómeno es esencialmente el mismo y su estudio puede ser abordado haciendo
uso de las mismas herramientas. Por ello, el nombre "destilación reactiva" dado
por quienes tienen por meta la separaciónse usa en ambos casos.
Importancia de la destilación reactiva
Desde el punto de vista de las aplicaciones, la destilación reactiva es interesante
como opción en los siguientes casos: para separar mezclas de compuestos de
características químicas muy similares que no modifican significativamente su
volatilidad relativa por la inclusión de una segunda fase [6]; para modificar la
topología del diagrama de curvas de residuos de un sistema dado lo cual permite
modificar procesos existentes [7]; o para alcanzar conversiones altas de los
reactivos cuando el producto es el componente más volátil de la mezcla— [2].
La investigación de cuestiones relacionadas con la destilación reactiva tiene hoy
como beneficiarias a prácticamente todas las industrias del sector: petroquímica
[8], de polímeros [9], de agroquímicos [5], farmacéutica y alimentaria. En estas
últimas los equipos asumen la forma de pequeños rectificadores que operan a la
presión atmosférica. Pero, como se mostrará luego, los resultados indirectamente
serían también de utilidad para las industrias metalúrgica, cerámica, de
semiconductores y de otros materiales; para la bioquímica; y para ciencias
aplicadas como la geoquímica y la química ambiental. Además, no se debe olvidar
que las investigaciones sobre este tema recibieron un gran impulso cuando la
industria de la separación de fracciones del petróleo tradicionalmente física
necesitó de productos como el MTBE [10] y el ETBE [11] para reemplazar a los
antidetonantes con plomo.
Lo dicho hasta aquí bastaría para justificar la elección de algún tópico de la
destilación reactiva como tema para la tesis doctoral de un ingeniero químico. Sin
embargo, no se debe dejar de mencionar otro aspecto de la cuestión, relacionado
s bien con los fundamentos de la ingeniería química, vale decir, con la
Termodinámica.
Como es lógico, los primeros trabajos sobre el tema se referían a operaciones en
las cuales la mezcla a separar pasaba por sucesivas etapas de equilibrio físico y
químico [12]. A esta restricción se agregaba la simplificación de considerar que los
modelos aplicables al equilibrio líquido-vapor en sistemas no-reactivos se podían
trasladar sin más a los sistemas reactivos [7]. Y la complicación que suponía tener
dos fases reaccionantes se eludió haciendo uso de algún catalizador no volátil
soluble en la fase líquida [7]. Debe quedar claro que, cuando se habla de la
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Dirección: Física
Universidad: Universidad de Salamanca - USAL
Fecha de la carga: 08/08/2012
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