Estudio del comportamiento de reactores discontinuos y semicontinuos: modelización y comprobación experimental

Abstract

L'objectiu primordial d'aquest treball és la comparació entre el funcionament d'un reactor discontinu i un de semicontinu. Per això es porta a terme la modelització matemàtica d'ambdós, utilitzant programes propis emprant el llenguatge Fortran 77, a més del simulador ISIM i el software MATLAB. <br/>La validació dels models matemàtics s'efectua, en primer lloc, a partir de dades de la bibliografia. A partir d'aquí, es realitzen proves experimentals en una planta piloto amb un reactor encamisat de vidre. Les primeres proves han consistit simplement en escalfar i refredar aigua, per tal de determinar els coeficients de transmissió de calor. Seguidament s'han realitzat experiments amb dos tipus de reacció, segons el seu comportament tèrmic: la reacció de saponificació de l'acetat d'etil, que és poc exotèrmica, i la reacció d´'oxidació del tiosulfat de sodi amb peròxid d'hidrogen, que és molt exotèrmica. <br/>Per a la reacció de saponificació, en ser àcid base, s'han obtingut els perfils de concentració a partir de mesures de pH, que en la majoria de treballs no es presenten, ja que segueixen la reacció només a partir de mesures de temperatura. <br/>Per a la reacció d'óxido-reducció s'ha estudiat la influència de diverses variables (flux d'addició, temperatura d'addició, concentració inicial, temperatura inicial, velocitat d'agitació), arribant a la conclusió de que per aconseguir un bon control de la temperatura en l'interior del reactor, és necessari operar de forma semicontinua. Aquest sistema permet manipular a més de la temperatura de la camisa (única opció pel reactor discontinu), el flux d'addició d'un dels reactius. L'objectiu final del treball ha estat aconseguir optimitzar aquest flux d'addició, per tal de mantenir la temperatura del reactor per sota d'un valor de consigna. S'ha utilitzat un programa d'optimització, a partir de la tècnica d'Algorismes Genètics (software MATLAB), aconseguint obtenir varies combinacions de flux/temps d'addició, que permeten el control de la temperatura de reacció.

El objetivo primordial de este trabajo es la comparación entre el funcionamiento de un reactor discontinuo y uno semicontinuo. Para ello se lleva a cabo la modelización matemática de ambos, utilizando programas propios empleando el lenguaje Fortran 77, además del simulador ISIM y el software MATLAB. <br/>La validación de los modelos matemáticos se efectúa, en primer lugar, a partir de datos de la bibliografía. A partir de aquí, se realizan pruebas experimentales en una planta piloto con un reactor encamisado de vidrio. Las primeras pruebas han consistido simplemente en calentar y enfriar agua, para determinar de los coeficientes de transmisión de calor. Seguidamente se realizan experimentos con dos tipos de reacción, según su comportamiento térmico: la reacción de saponificación del acetato de etilo, que es poco exotérmica, y la reacción de oxidación del tiosulfato de sodio con peróxido de hidrógeno, que es muy exotérmica. <br/>Para la reacción de saponificación, al ser ácido base, se han obtenido los perfiles de concentración a partir de medidas de pH, que en la mayoría de trabajos no se presentan, puesto que siguen la reacción sólo a partir de medidas de temperatura. <br/>Para la reacción de óxido-reducción se ha estudiado la influencia de distintas variables (flujo de adición, temperatura de adición, concentración inicial, temperatura inicial, velocidad de agitación), llegando a la conclusión de que para lograr un buen control de la temperatura en el interior del reactor, es necesario operar de forma semicontinua. Este sistema permite manipular además de la temperatura de la camisa (única opción para el reactor discontinuo), el flujo de adición de uno de los reactivos. El objetivo final del trabajo ha sido lograr optimizar este flujo de adición, para mantener la temperatura del reactor por debajo de un valor de consigna. Se ha utilizado un programa de optimización, a partir de la técnica de Algoritmos Genéticos (software MATLAB), logrando obtener varias combinaciones de flujo/ tiempo de adición, que permiten el control de la temperatura de reacción.

The most important objective of this work is to compare the behaviour of a batch and semibatch reactor. Therefore, mathematical models of both reactors have been developed, using our own programs written in Fortran 77 language, the ISIM simulator and MATLAB software. <br/>Initially the mathematical model validation is made from bibliography data. Then experimental tests have been carried out on a pilot plant with a glass-jacketed reactor. The first experiments consisted of heating and cooling water, in order to obtain the heat transmission coefficients. Following this two experiments with different thermal behaviour reactions have been developed: the ethyl acetate saponification reaction (slowly exothermic) and the thiosulfate-peroxide reaction (highly exothermic). <br/>The first is an acid-base reaction. It has obtained its concentration profiles by pH measuring. These profiles are not present in most articles, because the reaction is studied only using temperature profiles.<br/> For the oxidation-reduction reaction the influence of several variables has been studied (inlet flow, inlet temperature, initial concentration, initial temperature, agitation rate). The conclusion obtained is to obtain a good temperature control inside the reactor, the best operation mode is the semibatch. This system allows in addition to jacket temperature (it is the only option for the batch reactor), to control the inlet flow of one reagent. The final objective of this work has been to optimize the inlet flow, in order to maintain the reactor temperature under the set-point value. In this case, an optimization program has been used, based on Genetic Algorithms method (MATLAB software). In this way several flow/addition time combinations have been obtained, which attain the temperature reaction control.