Hoy en da, estamos en presencia de importantes novedades que van ms all de la ingeniera

qumica "tradicional". Los ingenieros de muchas universidades y centros de investigacin industrial

estn trabajando en equipos novedosos y tcnicas que podran transformar nuestro concepto de

las plantas qumicas y dar lugar a procesos compactos, seguros de alto rendimiento energtico y el

medio ambiente sostenible. Estos desarrollos comparten un enfoque comn sobre la

"intensificacin de procesos" - un enfoque que ha sido de alrededor durante bastante tiempo,

pero realmente ha surgido slo en los ltimos aos como una disciplina especial e interesante de

la ingeniera qumica.

En este artculo, vamos a echar un vistazo ms de cerca a la intensificacin de procesos. Definimos

lo que implica, se comentan sus dimensiones y estructura, y se revisa la evolucin reciente de los

dispositivos y mtodos de procesos de intensificacin.

What is process intensification?

Uno de los grabados en madera en el famoso libro del siglo 16 por Georgius Agricola (1) ilustra el

proceso de recuperar el oro del mineral de oro (Figura 1). El parecido entre algunos de los

dispositivos que se muestran en la imagen (por ejemplo, los vasos agitada O y los agitadores S) y el

equipamiento bsico de las industrias de procesos qumicos de hoy (IPC) es sorprendente. De

hecho, el dibujo de Agricola muestra que la intensificacin de procesos, no importa cmo nos

definimos, no parece haber tenido mucho impacto en el campo de la tecnologa de la agitacin en

los ltimos cuatro siglos, o tal vez incluso ms. Pero, lo que realmente es la intensificacin de

procesos?

En 1995, mientras que la apertura de la primera Conferencia Internacional sobre la intensificacin

de procesos en la industria qumica, Ramshaw, uno de los pioneros en el campo, la intensificacin

de procesos definido como una estrategia para hacer reducciones en el tamao de una fbrica de

productos qumicos con el fin de llegar a un determinado objetivo de produccin (2). Estas

reducciones pueden provenir de reducir el tamao de las piezas individuales de equipo y tambin

de reducir el nmero de operaciones unitarias o aparatos implicados. En cualquier caso, el grado

de reduccin debe ser significativa; lo importante que sigue siendo motivo de debate. Ramshaw

habla de la reduccin del volumen del orden de 100 o ms, lo cual es un nmero difcil. En nuestra

opinin, una disminucin en un factor de dos ya tiene todos los atributos de un cambio drstico

paso y, por lo tanto, debe ser considerada como la intensificacin de procesos

Por otra parte, la definicin de Ramshaw es bastante estrecha, que describe la intensificacin de

procesos exclusivamente en trminos de la reduccin de tamao de la planta o equipo. De hecho,

esto es simplemente uno de los varios posibles efectos deseados. Est claro que un aumento

dramtico en la capacidad de produccin dentro de un volumen determinado equipo, una

disminucin paso en el consumo de energa por tonelada de producto, o incluso una marcada

reduccin de los residuos o la formacin de subproductos tambin califica como la intensificacin

de procesos.

No es sorprendente que la intensificacin de procesos, siendo impulsado por la necesidad de

cambios en las operaciones de vanguardia, se centra principalmente en nuevos mtodos y

equipos. Pero, tambin abarca ciertas tecnologas de hardware y establecidos. Por lo general,

stas se han aplicado a escala limitada (al menos en comparacin con su potencial) y an no han

sido generalmente reconocido como estndar por la comunidad de la ingeniera qumica. Un

ejemplo tpico es el intercambiador de calor compacto (3,4). Estos intercambiadores han sido

ampliamente utilizados desde hace mucho tiempo en la industria alimentaria. En la industria

qumica, sin embargo, los desarrolladores de procesos todava optan a menudo por las unidades

de tubos Shelland convencionales, incluso en los casos en que se podran aplicar fcilmente las

placas o espirales intercambiadores de calor.

Preocupaciones de intensificacin de procesos slo la ingeniera de mtodos y equipos. As, por

ejemplo, el desarrollo de una nueva va qumica o un cambio en la composicin de un catalizador,

no importa cmo las mejoras dramticas que aportan a la tecnologa existente, no califican como

la intensificacin de procesos

Nosotros, por lo tanto, ofrecemos la siguiente definicin:

Intensificacin del proceso consiste en el desarrollo de nuevos aparatos y tcnicas que, en

comparacin con los utilizados hoy en da, se espera que traer importantes mejoras en la

fabricacin y procesamiento, la relacin de equipos de tamao / capacidad de produccin, el

consumo de energa o la produccin de residuos disminuyendo sustancialmente, y en ltima

instancia resulta

O, para poner esto en una forma ms corta: cualquier desarrollo de la ingeniera qumica que

conduce a una sustancialmente ms pequea, ms limpia y ms tecnologa de energa eficiente es

la intensificacin de procesos!

Como se muestra en la figura 2, todo el campo general se puede dividir en dos reas:

El equipo de proceso de intensificacin, tales como nuevos reactores, y mezclado intensivo,

transferencia de calor y dispositivos de transferencia de masa; y

Los mtodos de proceso-la intensificacin, como los nuevos hbridos o separaciones, la

integracin de la reaccin y la separacin, intercambio de calor, o de transicin de fase (inso

llamados reactores multifuncionales), las tcnicas que utilizan fuentes alternativas de energa (luz,

ultrasonidos, etc), y nuevos procesos de control de los mtodos (como la operacin en estado

inestable intencional).

Obviamente, no puede haber cierto solapamiento. Los nuevos mtodos pueden requerir nuevos

tipos de equipos para desarrollar y viceversa, mientras que los nuevos aparatos ya desarrollados a

veces hacen uso de nuevos mtodos de procesamiento, no convencionales.

Process-intensifying equipment Nuestro comentario anterior de que el grabado de Agricola muestra lo poco que la tecnologa ha

avanzado agitacin no es del todo cierto. De hecho, la tecnologa de la agitacin se ha

intensificado en gran medida durante los ltimos 25 aos, al menos en cuanto a los sistemas de

gas / lquido-lquido / lquido y. Sorprendentemente, esto no se logra mediante la mejora de

mezcladoras mecnicas sino, todo lo contrario, abandonndolos - en favor de los mezcladores

estticos (5). Estos dispositivos son buenos ejemplos de equipos de proceso-la intensificacin.

Ofrecen un mtodo eficiente energticamente ms Sizeand para mezclar o ponerse en contacto

con los fluidos y, en la actualidad, cumplen funciones incluso ms amplios. Por ejemplo, la Sulzer

(Winterthur, Switz.) SMR reactor de esttica-mezclador, que ha mezclado elementos hechos de

tubos de transferencia de calor (Figura 3), puede ser aplicado con xito en procesos en los que son

necesarias mezcla simultnea e intensivo de eliminacin de calor o suministro , tales como en las

reacciones de nitracin o de neutralizacin.

Una de las desventajas ms importantes de mezcladores estticos es su relativamente alta

sensibilidad a la obstruccin por los slidos. Por lo tanto, su utilidad para las reacciones que

implican catalizadores de lodos est limitada. Sulzer resuelto este problema (al menos

parcialmente) mediante el desarrollo de relleno estructurado que tiene buenas propiedades de

staticmixing y que a la vez puede ser utilizado como el soporte para el material cataltico. Su

familia de-estructura-flujo cruzado abierto catalizadores, los llamados KATAPAKs (6) (Figura 4a), se

utiliza en algunos procesos de oxidacin exotrmica en fase gaseosa tradicionalmente llevadas a

cabo en lechos fijos, as como en la destilacin cataltica. KATAPAKs tienen muy buena mezcla y las

caractersticas de transferencia de calor radiales (6). Su principal desventaja es su rea geomtrica

especfica relativamente baja, que es mucho menor que la de su rival ms importante en el

campo, los catalizadores monolticos (7) (Figura 4b).

Monolithic catalysts

Sustratos monolticos utilizados en la actualidad para aplicaciones catalticas son cuerpos

metlicos o no metlicos que proporcionan una multitud de canales estrechos rectas de formas de

seccin transversal uniformes definidos. Para garantizar la suficiente porosidad y mejorar la

superficie catalticamente activa, las paredes interiores de los canales del monolito por lo general

estn cubiertos con una fina capa de revestimiento delgado, que acta como el soporte para las

especies catalticamente activas

Las caractersticas ms importantes de los monolitos son:

muy baja cada de presin en-y nico flujo de dos fases, de uno a dos rdenes de magnitud

menor que la de los sistemas convencionales de lecho empacado;

Las reas geomtricas elevadas por unidad de volumen del reactor, normalmente 1,5-4 veces

ms que en los reactores con catalizadores de partculas;

alta eficiencia cataltica, prcticamente el 100%, debido a los caminos de difusin muy cortas en

la capa de revestimiento delgado delgado; y

excepcionalmente buen desempeo en los procesos en los que la selectividad se ve

obstaculizada por las resistencias de transferencia de masa.

Catalizadores monolticos tambin se pueden instalar en lnea, como elementos de mezcla

estticos, utilizando este ltimo como dispositivos de dispersin de gas / lquido. Las unidades en

lnea ofrecen ventajas adicionales:

Los costos de inversin bajos, debido a que en la lnea de reactores monolticos son mdulos de

uso del readyto que se instalan como parte de las tuberas;

diseo compacto de la planta (en linemonolith reactores incluso se pueden colocar bajo tierra,

por ejemplo, en los conductos de cemento - vea la Figura 5);

capacidad para cumplir con los estndares de seguridad y ambientales mucho ms altos

que los reactores convencionales (tales como, por ejemplo, mediante la colocacin de la unidad de

reactor por debajo del nivel del suelo);

reemplazo muy fcil y rpida (por ejemplo, en el caso de la desactivacin del catalizador),

simplemente mediante el canje de una parte de la tubera, en lugar de tener que descargar viejo y

cargar el nuevo catalizador;

la posibilidad de distribuir mltiples puntos de alimentacin a lo largo del reactor; y

Fcil consecucin de un rgimen casi toplug-flow.

Uno de los problemas en los reactores monolticos, especialmente para procesos catalticos en

fase gaseosa, es difcil la eliminacin de calor debido a la ausencia de dispersin radial. Canales del

monolito se separan completamente unos de otros y, por lo tanto, el nico transporte de calor

mecanismo es la conductividad a travs del material monolito. Para reacciones en fase gaseosa

altamente exotrmicas, llamada reactores HEX desarrollados por BHR Group, Ltd. (Cranfield, Reino

Unido) (9) presenta una opcin prometedora. En estos reactores, uno de los lados de un compacto

intercambiador de calor se hace catalticamente activo, ya sea por washcoating o mediante la

introduccin de elementos catalticamente activos

(Por ejemplo en forma de grnulos o envases estructurados). Un cruce de corrientes de cermica

estructura monoltica desarrollado por Corning Inc. (Corning, NY) (10) (Figura 6) tambin puede

utilizarse potencialmente como un intercambiador de reactor / calor cataltica, por ejemplo, para

llevar a cabo dos procesos qumicos (exo y endotrmicas) dentro de una unidad. En comparacin

con los reactores de lecho fijo convencionales, tales reactores ofrecen mucho mejores condiciones

de transferencia de calor - es decir, los coeficientes de transferencia de calor por lo general de

3,500-7,500 W/m2K, y las reas de transferencia de calor de hasta 2200 m2.

Microreactors

Incluso los valores ms altos de coeficientes de transferencia de calor que los de los reactores HEX

se puede lograr en microrreactores. Aqu, se presentan valores de hasta 20.000 W/m2K (11).

Microrreactores son reactores qumicos de muy pequeas dimensiones que suelen tener una

estructura de sndwich que consiste en una serie de rebanadas (capas) con canales

micromecanizadas (10-100 micras de dimetro.). Las capas de realizar diversas funciones, desde la

mezcla de reaccin cataltica, intercambio de calor, o la separacin. La integracin de estas

diversas funciones dentro de una sola unidad es una de las ventajas ms importantes de

microrreactores. Las altas tasas de heattransfer alcanzables en microreactores permiten operar

procesos altamente exotrmicas isotrmica, que es particularmente importante en la realizacin

de estudios cinticos. Proporciones muy bajas de reaccin de volumen / superficie del rea hacen

microreactores potencialmente atractivo para los procesos que implican reactivos txicos o

explosivos. La escala a la whichprocesses utilizando bateras de mltiples microreactores

convertirse en econmica y tcnicamente viable todava tiene que ser determinado, sin embargo.

La configuracin geomtrica de los intercambiadores de calor de microcanal (estructuras de flujo

cruzado apiladas) se asemeja a la de los monolitos de flujo cruzado en la figura 6, aunque los

materiales y mtodos de fabricacin utilizados difieren. Los canales en las placas de los

intercambiadores de calor de microcanales son por lo general alrededor de 1 mm o menos de

ancho, y se fabrican a travs de micromecanizado de silicio, la litografa profunda de la radiografa,

o micromecanizado nonlithographic. En los ltimos aos, Pacific Northwest National Laboratory

(Richland, WA) ha demostrado intercambiadores de calor de microcanal en una arquitectura de

lmina plana que exhiben altos flujos de calor y coeficientes de conveccin-calor-transferencia.

Los valores reportados de coeficientes de transferencia de calor en los intercambiadores de calor

de microcanal van desde A10, A35 a 000, 000 W/m2K (4, 12).

Rotating devices

Casi tan altos coeficientes de transferencia de calor se pueden conseguir en el reactor de giro del

disco (SDR) (13). Esta unidad (consulte la Figura 7), desarrollado por el grupo de Ramshaw en la

Universidad de Newcastle (Newcastle, Reino Unido) principalmente est dirigido a reacciones

rpidas y muy rpido lquido / lquido con efecto de calor grande, tales como filtraciones,

sulfonaciones y polimerizaciones (por ejemplo, la polimerizacin de estireno (14)). En DEG, en una

capa muy delgada (tpicamente 100 IM) de lquido se desplaza sobre la superficie de un disco

girando hasta aproximadamente 1.000 rpm. En tiempos de residencia muy cortos (tpicamente 0,1

s), el calor se elimina de manera eficiente desde el lquido de reaccin a tasas de transferencia de

calor que alcanzan 10.000 W/m2K. DEG

Otros reactores especialmente dedicadas a procesos muy rpidos ayunar y vale la pena mencionar

son: el reactor de gas / lquido supersnico desarrollado en Praxair Inc. (Danbury, CT) (15) para los

sistemas de gas / lquido y el reactor de chorro de choque de Ingeniera NORAM

y Constructores (Vancouver, BC) (16,17) para sistemas lquido / lquido.

La primera emplea una onda de choque supersnica para dispersar el gas en burbujas muy

pequeas en un dispositivo de mezcla supersnica en lnea, mientras que la segunda utiliza un

sistema de chorros especialmente configurados y deflectores para dividir y remezclar corrientes

lquidas con alta intensidad. Mezcladores rotor / estator (18), que tienen por objeto los procesos

que requieren muy rpido mezcla en una escala micro, contienen un rotor de alta velocidad de

giro cerca de un estator inmvil. El fluido pasa a travs de la regin en la que el rotor y el estator

interactan y experiencias altamente pulsante flujo y cizallamiento. En lnea mezcladores de rotor

/ estator se asemejan a las bombas centrfugas y, por lo tanto, puede contribuir simultneamente

a bombear los lquidos.

El movimiento de rotacin y las fuerzas centrfugas se utilizan no slo en DEG. La tecnologa de

alta gravedad (Higee), que Imperial Chemical Industries (Londres) comenz a trabajar en a finales

de 1970 como un spin-off de un proyecto de investigacin de la NASA en ambiente de

microgravedad (19,20), se ha convertido en una de las ramas ms prometedoras de la

intensificacin de procesos . Tecnologa Higee intensifica operaciones masstransfer llevando a

cabo en la rotacin lechos de relleno en el que se producen fuerzas centrfugas altas (tpicamente

1.000 g). De esta manera, la transferencia de calor y cantidad de movimiento, as como la

transferencia de masa se puede intensificar. El equipo rotativo-cama, originalmente dedicado a los

procesos de separacin (como la absorcin, extraccin y destilacin), tambin puede ser utilizado

para los sistemas (especialmente aquellos que son de transferencia de masa limitado) reaccionar.

Potencialmente puede aplicarse no slo a los sistemas de gas / lquido, sino tambin para otras

combinaciones de fase entre ellos / lquidos / slidos sistemas de gas de tres fases.

Recientemente, el grupo de Chong Zheng en el Centro HIGRAVITEC (Beijing) ha aplicado con xito

giratoria (500-2.000 rpm) lechos de relleno a escala comercial para la purga de agua de inundacin

en los campos de petrleo de China. All, las mquinas de A1 m de dimetro que gira.

reemplazados torres de vaco convencionales de A30 m de altura (21).

Grupo de Chong Zheng tambin ha logrado xitos en la cristalizacin de las nanopartculas: muy

uniformes cristales de 15-30nm de CaCO3 se han hecho en un cristalizador que gira a tiempos de

procesamiento 4-10 veces ms cortos que los de un proceso de tanque agitado convencional (22).

Otro ejemplo interesante aqu, tambin sometidos a la comercializacin, es un adsorbente

centrfuga (Figura 8), desarrollado en la Universidad de Tecnologa de Delft (Delft, Pases Bajos)

(23). Este es un nuevo dispositivo continuo para llevar a cabo los procesos de intercambio inico o

adsorcin. El uso de un campo centrfugo para establecer el flujo en contracorriente entre la fase

lquida y el adsorbente permite el uso de muy pequeas (10-50 mm) partculas adsorbentes y el

diseo de equipos de separacin extremadamente compacto con tiempos de contacto muy corto

y alta capacidad (tpicamente 10-50 m3 / h).

Process-intensifying methods

Como se destaca en la figura 2, la mayora de los mtodos de proceso-la intensificacin se dividen

en tres zonas bien definidas: la integracin de reaccin y una o ms operaciones unitarias en los

llamados reactores multifuncionales, el desarrollo de nuevas separaciones hbridos, y el uso de

formas y fuentes de energa alternativas para su procesamiento. Echemos un vistazo ms de cerca

a cada una de estas reas.

Multifunctional reactors

Estos se pueden describir como reactores que, para mejorar la conversin qumica que tiene lugar

y para lograr un mayor grado de integracin, combinar al menos una funcin ms (por lo general

una operacin de unidad) que convencionalmente se realiza en una pieza separada del equipo. Un

ejemplo ampliamente conocido de la integracin de reaccin y la transferencia de calor en una

unidad multifuncional es el reactor de flujo inverso (24). Para procesos exotrmicos, la inversin

del flujo peridico en tales unidades permite foralmost perfecta utilizacin del calor de reaccin

por mantenerla dentro del lecho de catalizador y, despus de la reversin de la direccin de flujo,

su uso para el precalentamiento de los gases reactantes fros. Reactores Hasta la fecha, de flujo

inverso se han utilizado en tres procesos industriales (24): la oxidacin de SO2, la oxidacin total

de hidrocarburos en los gases de salida, y la reduccin de NOx. La reciente introduccin de relleno

inerte para el intercambio de calor (25) ha dado lugar a un reactor de tipo "sandwich"; que consta

de tres zonas - un lecho de catalizador entre dos camas de embalaje de material de acumulacin

de calor. El principio de flujo inverso tambin se ha aplicado en rotacin reactores monolticos,

que se utilizan industrialmente para la eliminacin de componentes no deseados de corrientes de

gas y la regeneracin continua de calor (26). Tambin se han llevado a cabo en el empleo de

reactores de flujo invertido para procesos endotrmicos (27).

eactiva (cataltica) de destilacin es uno de los ejemplos mejor conocidos de la integracin de

reaccin y separacin, y se utiliza comercialmente (28). En este caso, el reactor multifuncional es

una columna de destilacin lleno con el embalaje catalticamente activo. En la columna, los

productos qumicos se convierten en el catalizador mientras que los productos de reaccin se

separan continuamente por fraccionamiento (superando as las limitaciones de equilibrio). El

catalizador utilizado para la destilacin reactiva generalmente se incorpora en una estructura de

soporte de fibra de vidrio y de malla de alambre, que tambin proporciona la redistribucin de

lquido y la separacin de vapor. Catalizadores estructurados, como KATAPAK de Sulzer, tambin

son empleados (29). Las ventajas de las unidades de destilacin cataltica, adems de la

eliminacin continua de productos de reaccin y los rendimientos ms altos debido al cambio de

equilibrio, consisten principalmente de la reduccin de los requerimientos de energa y ower de la

inversin de capital (30). Adems, un proceso inverso al descrito anteriormente, es decir,

combinacin de reaccin y la condensacin, se ha estudiado para la oxidacin de benceno a

ciclohexano y para la sntesis de metanol (31,32). El nmero de procesos en los que la destilacin

reactiva se ha implementado a escala comercial es todava muy limitado - pero el potencial de esta

tcnica sin duda va ms all de las aplicaciones de hoy en da.

Numerosos grupos de investigacin estn investigando otros tipos de reacciones combinadas y

separaciones, tales como extraccin reactiva (33,34), la cristalizacin reactiva (35), y la integracin

de las operaciones de reaccin y de sorcin, por ejemplo, en reactores cromatogrficas (36,37,38)

y reactores de separacin peridicas, que son una combinacin de un adsorbedor de oscilacin de

presin con un reactor de lecho empaquetado-forzada flujo peridico (39).

Membrane reactors

Hoy en da, un gran esfuerzo de investigacin est dedicada a reactores de membrana (40). La

membrana puede desempear varias funciones en este tipo de sistemas de reactores. Es, por

ejemplo, se puede utilizar para la separacin in situ selectiva de los productos de reaccin,

proporcionando de este modo un desplazamiento del equilibrio ventajoso. Tambin se puede

aplicar para una alimentacin distribuida controlada de algunas de las especies que reaccionan, ya

sea para aumentar el rendimiento global o la selectividad de un proceso (por ejemplo, en de lecho

fijo o de membrana reactores de lecho fluidizado (41,42)) o para facilitar la masa transferencia

(por ejemplo, fuente directa sin burbujas de oxgeno o de la disolucin en la fase lquida a travs

de membranas de fibra hueca (43,44)). Adems, la membrana puede permitir la separacin in situ

de partculas de catalizador de los productos de reaccin (45)). Finalmente, la membrana puede

incorporar material cataltico, por lo tanto en s convertirse en un sistema de reaccin-separacin

altamente selectiva. La literatura cientfica sobre los reactores de membrana cataltica es

excepcionalmente rica (vase, por ejemplo, ref. 46) e incluye muchas ideas muy interesantes

(como el calor y la combinacin en serie integrada de hidrogenacin y deshidrogenacin procesos

en una sola unidad de membrana). Sin embargo, prcticamente no hay aplicaciones industriales a

gran escala se han reportado hasta la fecha. La razn principal de esto definitivamente es el precio

relativamente alto de unidades de membrana, aunque otros factores, tales como baja

permeabilidad, as como fragilidad mecnica y trmica, tambin juegan un papel importante.

Nuevos acontecimientos en el campo de la ingeniera de materiales seguramente van a cambiar

este panorama.

Reactores multifuncionales pueden integrar no slo la reaccin y la transferencia de calor o

reaccin y la separacin, sino tambin combinar la reaccin y la fase de transicin. Un ejemplo

bien conocido de tal combinacin es la extrusin reactiva. Extrusoras reactivos se estn utilizando

cada vez ms en la industria de polmeros. Ellos permiten el procesamiento reactiva de materiales

altamente viscosos, sin necesidad de las grandes cantidades de disolventes que los reactores de

tanque agitado hacen. Particularmente populares son extrusoras de doble husillo, que ofrecen una

mezcla efectiva, la posibilidad de la operacin a altas presiones y temperaturas, las caractersticas

de flujo de pistn, y la capacidad de multistaging. La mayora de las reacciones llevadas a cabo en

extrusoras son reacciones individuales-o de dos fases. Nuevos tipos de extrusores con catalizador

inmovilizado en la superficie de los tornillos, sin embargo, pueden permitir llevar a cabo

reacciones catalticas de corriente trifsica (47).

Hybrid separations

Muchos de los avances en este mbito implican la integracin de membranas con otra tcnica de

separacin. En la absorcin de la membrana y de desmontaje, la membrana sirve como una

barrera permeable entre las fases gaseosa y lquida. Mediante el uso de mdulos de membranas

de fibra hueca, grandes reas de transferencia de masa se pueden crear, lo que resulta en un

equipo compacto. Adems, las membranas de absorcin ofrecen un funcionamiento

independiente de las tasas de flujo de gas y lquido, sin arrastre, inundaciones, canalizacin, o la

formacin de espuma (50,51).

Destilacin por membrana es, probablemente, el hbrido ms conocido, y se est investigando en

todo el mundo (52,53). La tcnica es ampliamente considerada como una alternativa a la smosis

inversa y la evaporacin. De destilacin por membrana, bsicamente, consiste en llevar un

componente voltil de una corriente de alimentacin de lquido a travs de una membrana porosa

en forma de vapor y de condensacin que en el otro lado en un lquido permeado. Diferencia de

temperatura es la fuerza impulsora del proceso. Foster et al. (54) nombrar cuatro ventajas bsicas

de destilacin por membrana:

100% de rechazo de iones, macromolculas, coloides, clulas y otros componentes no voltiles;

presin de trabajo inferior a travs de la membrana que en los procesos pressuredriven;

menor ensuciamiento de la membrana, debido al mayor tamao de poro; y

Las temperaturas de funcionamiento potencialmente ms bajos que en la evaporacin o

destilacin convencional, lo que puede permitir el procesamiento de materiales sensibles a la

temperatura.

Entre las separaciones hbridos que no implican membranas, destilacin de adsorcin (55) ofrece

ventajas interesantes

sobre los mtodos convencionales. En esta tcnica, se aade un adsorbente selectivo a una mezcla

de destilacin.

Esto aumenta la capacidad de separacin y puede representar una opcin atractiva en la

separacin de azetropos o componentes cerca de punto de ebullicin. Destilacin de adsorcin

se puede utilizar, por ejemplo, para la eliminacin de trazas de impurezas en la fabricacin de

productos de qumica fina; puede permitir cambiar algunos procesos fina-qumicas de forma

discontinua para un funcionamiento continuo.

}El uso de formas y fuentes de energa alternativas

Varias tcnicas de procesamiento convencionales que se basan en las formas y fuentes de energa

alternativas son de importancia para la intensificacin del proceso. Por ejemplo, ya hemos hablado

de los beneficios potenciales del uso de campos de centrfugas en vez de las gravitacionales en las

reacciones y las separaciones.

Entre otras tcnicas, la investigacin sobre sonoqumica (el uso de ultrasonidos como fuente de

energa para tratamiento qumico) parece ser el ms avanzado. La formacin de microburbujas

(cavidades) en el medio de reaccin lquido a travs de la accin de las ondas de ultrasonido ha

abierto nuevas posibilidades para la sntesis qumica. Estas cavidades pueden ser considerados

como microrreactores de alta energa. Su colapso crea microimplosions con muy alta liberacin de

energa local (aumentos de temperatura de hasta 5000 K y presiones negativas de hasta 10.000

atm se informa (56)). Esto puede tener diversos efectos sobre las especies que reaccionan, de la

rotura del enlace homoltica con la formacin de radicales libres, a la fragmentacin de las

cadenas de polmero por la onda de choque en el lquido que rodea la burbuja colapso. Para los

sistemas (pasta hmeda)-slidos catalizada, el colapso de las cavidades, adems, pueden afectar a

la superficie del catalizador - esto, por ejemplo, se puede utilizar para in situ del catalizador de

limpieza / rejuvenecimiento (57). Un nmero de diseos de reactores sonochemical se han

desarrollado y estudiado (58). Sonoqumica tambin ha sido investigado en combinacin con otras

tcnicas, por ejemplo, con la electrlisis para la oxidacin de fenol en las aguas residuales (59). El

tamao mximo econmica y tcnicamente viable de la vasija de reaccin todava parece ser el

factor determinante para la aplicacin industrial de sonoqumica.

La energa solar tambin puede jugar un papel en el procesamiento qumico. Un nuevo reactor de

alta temperatura en la que la energa solar es absorbida por una nube de partculas de reaccionar

para suministrar calor directamente al sitio de reaccin ha sido estudiada (60,61). Los

experimentos con dos reactores qumicos solares a pequea escala en el que la reduccin trmica

de MnO2 tuvo lugar tambin se reportan (60). Otros estudios describen, por ejemplo, la reaccin

de cicloadicin de un compuesto de carbonilo a una olefina lleva a cabo en un reactor de horno

solar (62) y la oxidacin de 4-clorofenol en un reactor de cable de fibra ptica de energa solar

(63).

El calentamiento por microondas puede hacer que algunas sntesis orgnicas proceden de hasta

1240 veces ms rpido que mediante tcnicas convencionales (64). El calentamiento por

microondas tambin puede permitir la desorcin de eficiencia energtica in situ de hidrocarburos

a partir de zeolitas se utilizan para eliminar los compuestos orgnicos voltiles (65).

Los campos elctricos pueden aumentar las tasas de proceso y control de tamao de gota para

una variedad de procesos, incluyendo la pintura, recubrimiento, y la fumigacin de cultivos. En

estos procesos, las gotitas cargadas elctricamente exhiben mucho mejores propiedades de

adhesin. En la transferencia de calor en ebullicin, los campos elctricos se han utilizado con

xito para controlar las tasas de nucleacin (66). Los campos elctricos tambin pueden mejorar

los procesos que implican mezclas lquido / lquido, en particular, la extraccin lquido / lquido

(67), donde las mejoras de velocidad de 200 a 300% se han reportado (68).

Resultados de Inters se han publicado en relacin con la llamada tecnologa de deslizamiento del

arco, es decir, plasma generado por la formacin de deslizamiento descargas elctricas (69,70,71).

Estos vertidos se producen entre los electrodos colocados en el flujo de gas rpido, y ofrecen una

alternativa de bajo consumo energtico para los procesos convencionales de alta temperatura de

alto consumo energtico. Aplicaciones probado hasta ahora en el laboratorio y en escala industrial

incluyen: la transformacin de metano a la destruccin de acetileno e hidrgeno, de N2O, la

reforma de residuos pesados de petrleo, la disociacin de CO2, la activacin de fibras orgnicas,

la destruccin de compuestos orgnicos voltiles en el aire, la conversin de gas natural a gas de

sntesis, y la reduccin de SO2 a azufre elemental.

Other methods

Un nmero de otras tcnicas prometedoras no entran en las tres categoras que hemos discutido.

Algunos ya son conocidos y han sido probados comercialmente en otras industrias. Por ejemplo,

los fluidos supercrticos (SCF) se utilizan industrialmente para la transformacin de productos

naturales. Debido a sus propiedades nicas, los SCF son medios atractivos para las operaciones de

transferencia de masa, tales como extraccin (72) y reacciones qumicas (73). Muchas de las

propiedades fsicas y de transporte de un SCF son intermedias entre las de un lquido y un gas.

Difusividad en una SCF, por ejemplo, cae entre que en un lquido y un gas; esto sugiere que las

reacciones que son de difusin limitada en la fase lquida podran ser ms rpido en una fase de

SCF. SCF tambin tiene propiedades de solubilidad nicas. Los compuestos que son en gran

medida insoluble en un fluido en condiciones ambientales pueden llegar a ser soluble en el fluido

en condiciones supercrticas. Por el contrario, algunos compuestos que son solubles en

condiciones ambientales pueden llegar a ser menos soluble en condiciones supercrticas. SCF ya

han sido investigados por un nmero de sistemas que incluyen reacciones de enzimas, reacciones

de Diels-Alder, reacciones organometlicas, reacciones catalizadas heterogneamente,

oxidaciones, y polimerizaciones. Por otro lado, las tcnicas criognicas (destilacin o destilacin

combinada con la adsorcin (74)), hoy en da utilizan casi exclusivamente para la produccin de

gases industriales, en el futuro pueden resultar atractivo para algunas separaciones especficas a

granel de fabricacin o de productos qumicos finos.

Dinmica funcionamiento de reactores qumicos (peridico) tiene investigadores interesados por

ms de tres dcadas. En muchos ensayos de laboratorio, la pulsacin intencional de flujos o

concentraciones ha dado lugar a una clara mejora de los rendimientos del producto o

selectividades (75). Sin embargo, a pesar de una gran cantidad de investigacin, las aplicaciones a

escala comercial son escasas y limitadas principalmente a los reactores de flujo inverso que ya

hemos discutido. Una de las razones principales es que el funcionamiento dinmico requiere de

inversiones para sincronizar partes no estacionarios y fijos del proceso. As, en general, el

funcionamiento en estado estacionario es menos costoso. Hay casos, sin embargo, en que la

operacin dinmica puede resultar ventajoso, a pesar de las ventajas y desventajas implicadas

(76).

Las operaciones de la unidad - una especie extinta?

Hasta el momento, hemos puesto de relieve una variedad de equipos y tcnicas que deben jugar

un papel importante en la intensificacin de los procesos qumicos. Esto no ha sido una

catalogacin exhaustiva, como los nuevos desarrollos estn surgiendo con regularidad de los

investigadores en todo el mundo. Los ejemplos dejan claro, sin embargo, que las operaciones

hbridas, es decir, combinaciones de reacciones y una o ms operaciones de las unidades, jugarn

un papel dominante en el futuro, processintensive, CPI sostenible. La evolucin de la ingeniera

qumica por tanto, llegado a un punto en el que las operaciones unitarias tradicionales darn paso

a las formas hbridas y extinguido? Nuestra respuesta a esta pregunta es a la vez s y no

.

No, porque el desarrollo de estos nuevos aparatos y tcnicas integradas es y seguir siendo

profundamente enraizada en el conocimiento de las operaciones de las unidades bsicas y

tradicionales. Ms que eso, nuevos avances de investigacin en la intensificacin de procesos

exigir un progreso paralelo en el conocimiento fundamental basado en unitoperation. Por lo

tanto, las operaciones unitarias tradicionales no van a desaparecer, al menos no de la

investigacin en ingeniera qumica.

S, debido a que algunas operaciones de la unidad simplemente pueden llegar a ser demasiado

caro o ineficiente para continuar para ser utilizado comercialmente. Estas operaciones pueden

tambin ser marcados para la extincin en la prctica industrial del siglo 21.