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Regulación de la temperatura de reacción

El reactor es el órgano esencial de la producción de moléculas de síntesis con procesos “batch”.

La temperatura del proceso está controlada por un equipo llamado módulo de energía, skid térmico, skid de calentamiento y enfriamiento o bucle “monofluido”.

El reactor se define por las siguientes características:

  • - la capacidad, de 5 a 40.000 litros, dependiendo de la masa del lote que se vaya a producir,
  • - el material, resistente a la corrosión por los reactivos utilizados, e incluso a la corrosión por las moléculas “nacientes” producidas en el transcurso de las reacciones,
  • - el programa de presiones, generalmente entre el vacío y 6 bares, pero ocasionalmente de 25, 30 bares o más en el caso de las hidrogenaciones,
  • - Pel programa de temperaturas, generalmente entre –20 y +150 °C, ocasionalmente a temperatura más baja para los reactores llamados « criogénicos » o a temperatura más alta para destilar productos pesados.

A veces, el reactor se fabrica e instala para producir una molécula específica según un camino de reacción determinado.

Pero lo más frecuente es que el reactor sea polivalente y pueda producir a demanda moléculas diversas siguiendo caminos de reacción variados dentro de la escala de presión y de temperatura del aparato.

El medio de reacción lleva a la temperatura deseada y esta se regula haciendo circular un fluido en la doble envoltura del aparato.

Las dos tecnologías de regulación utilizadas son la de inyección directa de un fluido de servicio en la doble envoltura y la de bucle, llamada “monofluido”.

El módulo de energía es la solución que ofrece la química fina para calentar, enfriar o controlar una reacción exotérmica.

Asimismo, el módulo de energía se utiliza para regular la temperatura de otros aparatos además de los reactores propiamente dichos: los secadores, los filtros secadores, los “Nutsche”, etc. están provistos igualmente de una doble envoltura alimentada con un bucle de fluido térmico "monofluido".

El parámetro que hay que regular es la temperatura de reacción. Incluso si sumergimos una sonda en el medio de reacción, es necesario saber que:

La temperatura no es una magnitud medible.

Así pues, la temperatura de un medio se evalúa en función de una escala: hace más calor a 40 ºC que a 20 ºC pero no podemos decir que haga el doble de calor. En la empresa CELSIUS, preferimos utilizar los grados CELSIUS, pero a veces nos expresamos en grados KELVIN (o en Kelvin) o en grados Fahrenheit.

El módulo de energía está formado por un bucle de fluido térmico:

  • - El fluido térmico trabaja en toda la escala de temperaturas del reactor: se denomina “monofluido”, término que fue inventado por Michel Dentroux en 1991. El fluido no se cambia entre las operaciones a temperatura alta y las operaciones a temperatura baja.
  • - El fluido térmico circula en bucle en la doble envoltura o la carcasa del reactor, con ayuda de una bomba de circulación.
  • - El fluido térmico recibe aportes de calorías o de frigorías a través de intercambiadores desde las redes de distribución del emplazamiento en forma de vapor, agua, agua glicolada, salmuera... incluso nitrógeno líquido. Se trata de un funcionamiento en bucle cerrado.
  • - El fluido térmico monofluido también puede recibir aportes de calorías o de frigorías mediante el aporte de fluido más caliente o más frío. En ese caso, el módulo de energía funciona en bucle abierto.
  • - El módulo de energía puede funcionar igualmente siguiendo un modo mixto en bucle semiabierto: con intercambiadores para algunos fluidos de servicio y mediante inyección para otros.

Así, cada módulo de energía se diseña y construye de forma específica:

  • para una capacidad de reactor de entre unos litros y unas decenas de metros cúbicos, de acero inoxidable, de hastelloy o de acero esmaltado, con una doble envoltura o una semicarcasa, agitado a velocidad variable con una o varias hélices, impulsores, ancla...
  • para un programa de temperaturas definido para operaciones de mezcla, disolución, destilación, cristalización, secado, condensación...
  • para una planta industrial que disponga de varias redes de distribución de calor y de frío.

El módulo de energía se diseña en base a una serie de cálculos que incluyen:

  • - un dimensionamiento hidráulico destinado a calcular el caudal del bucle monofluido con cada temperatura. El punto de funcionamiento de la bomba cambia con la temperatura en la curva característica: a una temperatura elevada, la viscosidad del fluido es menor, las pérdidas de carga en el bucle y la doble envoltura se ven reducidas y el caudal es más elevado.
  • - un dimensionamiento térmico que integra la velocidad de fluidos en la doble envoltura y en los intercambiadores, los grosores de pared, la velocidad y la potencia de agitación, las características físicas del medio de reacción, la exotermia de la reacción...
  • - el cálculo de números sin dimensión Reynolds, Nusselt y de los coeficientes de intercambio en el intercambiador y entre el reactor y la doble envoltura.
  • - la resolución de un sistema de ecuaciones diferenciales que conduzca a la simulación de la evolución de temperaturas "de masa" en el medio de reacción y en la doble envoltura.

El módulo de energía está controlado por un automatismo que libera a los operarios de las funciones técnicas para que concentren su atención en la química de la reacción.

El automatismo puede proporcionarlo CELSIUS o puede ser centralizado por el usuario con las demás funciones del reactor pero sobre la base del análisis funcional de CELSIUS.

De forma general, la temperatura de masa es el único parámetro de regulación que se exige al operario.

Los principales modos de regulación son los siguientes:

  • - regulación de la temperatura de masa en cascada con la temperatura de la doble envoltura,
  • - regulación de la temperatura de la doble envoltura,
  • - limitación de la diferencia entre las dos temperaturas,
  • - regulación de la potencia transmitida,
  • - regulación de la válvula de introducción del reactivo, rampa de subida de temperatura o de enfriamiento...

En el caso de los módulos de energía que regulan la temperatura de reacción, de cristalización o de secado en un secador, un filtro secador, un “Nutsche"... es muy difícil medir la temperatura del producto. En el caso de estos aparatos, el modo de regulación también depende de la temperatura del fluido térmico de la doble envoltura, con una consigna fija o en función de una rampa.