Transferencia de masa y velocidad de reacción

El conocimiento de los fundamentos del proceso de mezclado es esencial para el escalado en el desarrollo químico. El mezclado consiste en la reducción o eliminación de la falta de homogeneidad de las fases que sean mezclables o no mezclables. El objetivo es reducir o eliminar los gradientes de concentración o temperatura o bien garantizar una buena dispersión de las diversas fases. Un buen mezclado es deseable por varios motivos, por ejemplo, las reacciones colaterales o la formación de productos secundarios, la mejora de la transferencia de masa en sistemas con varias fases o la garantía de una rápida transferencia de calor. La eficiencia del mezclado depende del tipo de material que se deba mezclar, el diseño del agitador y el reactor, el régimen de mezclado y también la posición del tubo de alimentación y las condiciones de funcionamiento. [Handbook of Industrial Mixing: Science and Practice. (Manual de mezclas industriales: ciencia y práctica). Paul, E. Wiley (2004)]. Las reacciones químicas en un depósito agitado donde los reactivos pueden estar presentes en más de una fase (líquidos, gaseosos o sólidos) requieren un contacto interfacial intensivo para facilitar una transferencia de masa óptima. Un mezclado inadecuado o deficiente puede dar como resultado una velocidad de reacción inferior, un bajo rendimiento, una capacidad de selección deteriorada o un aumento de la concentración de impurezas, lo que aumenta los costes de fabricación de manera significativa. La transferencia de masa y la cinética pueden competir y contribuir a la velocidad de reacción general. La optimización y el escalado de procesos requieren que se cuantifique el impacto del mezclado en la velocidad de reacción. Los reactores de laboratorio deben usarse en condiciones que permitan un escalado y una caracterización de proceso significativa.

El desarrollo y el escalado de un proceso químico suelen presentar problemas. Equiparar el rendimiento y la mezcla entre reactores a pequeña y gran escala es difícil cuando solo se cuenta con mediciones mecánicas, como la velocidad de agitación, la geometría y el diseño del agitador. Un enfoque más coherente a la hora de estudiar la dinámica del proceso en reactores pequeños consiste en medir el coeficiente de transferencia de masa directamente en el sistema de reacción real. Se pueden llevar a cabo experimentos automatizados y controlados en paralelo en un sistema de reactor de laboratorio para establecer una correlación de transferencia de masa y proporcionar los medios para ajustar rápidamente el área de interfaz de gas/líquido y el volumen del reactor a fin de conseguir las condiciones requeridas para el escalado ascendente o descendente de un proceso. 

En sistemas con varias fases, la transferencia de masa entre las fases es clave para el escalado y el rendimiento del reactor. Por otra parte, la potencia mecánica que transfiere la interacción del agitador con el fluido es vital. Influye en el grado de dispersión de las distintas fases y la correspondiente transferencia de masas entre ellas. En un proceso por fases con un único líquido, donde una rápida reacción puede generar la formación de un producto secundario o competidor, el nivel de turbulencia del fluido puede influir en la capacidad de selección y en el rendimiento del proceso químico general.

En estos sistemas, la potencia mecánica del volumen por unidad determina el nivel de turbulencia y el rendimiento del proceso. Para un agitador concreto y una geometría específica de reactor de depósito agitado, se puede obtener la curva de rendimiento del agitador universal. Esto caracteriza la potencia del agitador aplicada a la fase del fluido.

Las curvas de rendimiento de potencia típicas (el número de Reynolds [Re] frente al número de potencia [Np], tal como se muestran a la derecha) son independientes del volumen del reactor y, en consecuencia, facilitan la caracterización del sistema y el escalado. El número de Reynolds sin dimensiones indica si el fluido del reactor está fluyendo en régimen turbulento o laminar. Representa la relación de las fuerzas de inercia (fuerzas del agitador en el fluido) en comparación con las fuerzas viscosas intrínsecas del fluido del proceso. Si predominan las fuerzas viscosas y el valor de Re es inferior a 10, significa que el flujo del fluido está regido por la viscosidad del fluido y el patrón del flujo es laminar. Si las fuerzas del agitador son las que predominan y el valor de Re es superior a 2000-10 000, el flujo del fluido es independiente de la viscosidad, proporcional a la densidad y, en consecuencia, es turbulento. El punto de transición exacto al régimen turbulento depende de la geometría del reactor y de la presencia de "turbulencias" que promocionan elementos en el reactor, como los deflectores. Los reactores de laboratorio ofrecen una forma rápida de probar cada fluido y configuración de reactor-agitador. 

En un ejemplo del curso on-line sobre  la importancia del mezclado, Ray Machado, licenciado en ciencias, RM2 Technologies LLC y Air Products and Chemicals, optimiza la mezcla para conseguir unas rápidas reacciones en un reactor de síntesis automatizado. Usando la reacción de S₂O₃^-2 e I₂ en presencia de almidón, Ray demuestra el impacto de mezclar en la distribución del reactivo mostrando dónde se producen rápidas reacciones químicas con reacciones de productos secundarios competidores. En el vídeo, la mancha negra es el producto secundario de la reacción del yodo con el almidón. Sin embargo, en cuanto reacciona el complejo almidón-yodo con el tiosulfato, la solución se vuelve transparente de nuevo. El mezclado, la velocidad de alimentación y la ubicación del tubo de alimentación son aspectos que influyen en la velocidad de reacción principal. Cuanto más cerca esté el tubo del agitador o mayor sea la velocidad de agitado, menos producto secundario se generará. Por el contrario, a medida que aumenta la velocidad de agitado, la cantidad de producto secundario se reduce rápidamente.

El primero y más importante proceso de velocidad que se debe caracterizar al realizar cualquier reacción de gas-líquido es la transferencia de masa del gas en la fase de reacción del líquido. La estrategia de escalado consiste en hacer coincidir los coeficientes de transferencia de masa, kla, desde los volúmenes de pequeña a gran escala, en lugar de intentar hacer coincidir la geometría, las velocidades de agitación u otras características de la mezcla. El documento, Fundamentals of Mass Transfer and Kinetics for the Hydrogenation of Nitrobenzene to Aniline (Fundamentos de la transferencia de masa y la cinética para la hidrogenación del nitrobenceno en anilina),destaca los pasos para calcular el coeficiente de transferencia de masa e incluye advertencias sobre los productos acerca de informaciones que pueden llevar a equívocos en los estudios sobre agitación en la hidrogenación catalítica. 

En el curso on-line sobre la importancia del mezclado y la comparación entre el laboratorio y la gran escala, Ray Machado explica el efecto que tiene la mezcla sobre la cinética, la transferencia de calor, la termodinámica, la transferencia entre fases y la optimización de la mezcla de sólidos o gases. La mezcla puede afectar al rendimiento, la capacidad de selección y la formación de productos secundarios. Proporciona consejos sobre cómo medir y calcular los parámetros esenciales del escalado.

Las estaciones de trabajo de escalado y desarrollo de procesos permiten a los científicos estudiar y optimizar el mezclado y la transferencia de masa en tiempo real. El control del mezclado se puede automatizar y programar previamente de forma que los experimentos se ejecuten con total seguridad, a la vez que se registran todos los parámetros de la reacción, 24 horas al día. Como el control y las mediciones se caracterizan por su seguridad, alta precisión y exactitud, el número de experimentos necesarios se reduce sustancialmente, por lo que el proceso de escalado es más eficiente.

• Transferencia de calor y escalado
• El efecto del mezclado en la cristalización
• Cinética de las reacciones químicas

David Ford, de Nalas Engineering, investigó una reacción de nitración oxidativa con un paso de oxidación rápido y altamente exotérmico, usando calorimetría de reacción y tecnología analítica de proceso. La reacción se desarrolló inicialmente como un proceso por lotes, pero para gestionar el mezclado, el rendimiento y la transferencia de calor, se desarrolló un proceso continuo con reactores de flujo en serie con dos reactores de depósito agitado con flujo continuo (CSTR).