Investigación y minimización de las limitaciones

Sin lugar a dudas, la reducción del tamaño sigue siendo una estrategia importante entre las herramientas de la intensificación de procesos (tecnología de microprocesos). No obstante, los equipos, aparatos y otros componentes no son en realidad el centro de atención. Lo que realmente importa son las funciones, por ejemplo: la atención se centra en el intercambio térmico considerado como una unidad de funcionamiento más que en el intercambiador de calor en sí. El objetivo es identificar las limitaciones de los sistemas convencionales de transporte de materiales y calor, y corregirlas.

La expresión “intensificación de procesos” abarca numerosas estrategias, de modo que es difícil hacer una definición precisa. El término puede utilizarse para describir la preferencia por sistemas multifunción o por pequeñas cadenas especializadas que pueden duplicarse para incrementar la capacidad cuando es necesario (numbering up).

“Intensificación de procesos” también puede referirse a ciertos tipos totalmente nuevos de reactores y técnicas que permiten incrementar el rendimiento espacio-tiempo y reducir los costes asociados con los reactores y tuberías sustancialmente. Algunos ejemplos típicos del campo de la ingeniería de polimerización son los microrreactores, los reactores de disco rotatorio, las amasadoras y otras máquinas similares con husillo, así como la polimerización con spray. También hay métodos que se basan en mecanismos de polimerización iónica o catalítica, en los que la velocidad de polimerización es más alta. La integración de procesos basada en destilación reactiva o cromatografía reactiva también parece que ofrece un potencial importante.

No obstante, es difícil distinguir entre “intensificación de procesos”, “optimización de procesos” e “integración de procesos”. ¿Qué diferencia hay entre “tecnología de microrreactores”, “tecnología de microprocesos”, etc.? En realidad, hay una clara diferencia. La intensificación de procesos es una estrategia, mientras que los otros dos términos se enmarcan más en la categoría “herramientas” (equipos físicos). Lo importante en la intensificación de procesos es que los residuos y productos lleguen al lugar adecuado en el momento adecuado y controlar de forma eficiente el transporte de materiales y calor.

La intensificación de procesos requiere un enfoque tecnológico nuevo que abarque todo, desde los equipos y un mayor conocimiento del proceso hasta la automatización. Entre las posibles estrategias se incluyen: tecnología de microprocesos, intensificación de la transferencia de calor y materiales, métodos innovadores de consumo de energía, nuevos enfoques para controlar el proceso y una reducción del número de fases del proceso mediante la integración de reacción y preparación de productos.

¿Qué es lo que pasa en realidad? Las dimensiones se reducen hasta la escala del milímetro o del micrómetro. Esta minimización del tamaño va acompañada de una gran intensificación en la transferencia de calor y material. En los equipos microestructurados, la relación entre superficie y volumen, el límite de fase específico, se eleva hasta varios miles de metros cuadrados/metros cúbicos. Por ejemplo, un microintercambiador de calor que no es más grande que un terrón de azúcar puede manejar la energía de toda una vivienda unifamiliar.

El nuevo enfoque de multiplicación del número (numbering-up) elimina los riesgos asociados con el escalamiento, lo cual da una ventaja significativa a la intensificación de procesos. A menudo los microsistemas trabajan en paralelo utilizando los parámetros óptimos que se identificaron en el laboratorio. Los sistemas multiescala son una extensión de este enfoque. El gobierno alemán ha subvencionado una investigación sobre esta estrategia en el proyecto Demis y el proyecto europeo de gran escala Impulse sigue desarrollando el concepto.

En el campo de la tecnología de reactores, el método que se seguía tradicionalmente era adaptar el proceso químico al equipo. Por ejemplo, las paredes se utilizaban para el control de la temperatura, pero esto es cada vez más difícil al aumentar las dimensiones de los equipos. Ahora, el equipo puede ser adaptado al proceso químico, con lo cual se puede aprovechar todo el potencial de una reacción química. La intensificación de procesos será la solución en las reacciones que implican mezclas intensas o que son muy endotérmicas o exotérmicas. Las reacciones químicas pueden tener lugar sin ninguna limitación en el transporte de calor o material.

Por último, el tema de la seguridad no es un problema, ya que es más fácil manejar y controlar volúmenes más pequeños de reactivos.

El grupo de trabajo ‘Multi-Phase Flow, Material Transport Process and Reactor Development’ del Instituto de Ingeniería Medioambiental de la Universidad de Bremen muestra claramente que la “intensificación de procesos” implica un trabajo multidisciplinario, que abarca una amplia variedad de tecnologías y campos de investigación. En estos momentos, el grupo está trabajando en el desarrollo de sistemas de microrreactores completos y totalmente funcionales, diseñados para reemplazar el proceso entero.

Los socios del grupo de trabajo utilizan moldeo por microinyección de polvos metálicos (Fraunhofer Ifam, Bremen) para fabricar los componentes. También proporcionan procesos de grabado químico de silicio, desarrollan tecnología µ-MSR y llevan a cabo la integración de sistemas.

En el proceso de moldeo por microinyección de polvo (µ-MIM), el Fraunhofer Ifam utiliza partículas muy pequeñas (< 5 µm) para moldear formas complejas. El polvo se mezcla con un sistema aglutinante especial y luego es inyectado en un molde o inserto. Las técnicas como el grabado químico de silicio, el micromecanizado, la microerosión, mecanizado por láser y la técnica Liga se utilizan para fabricar insertos reutilizables.

El Ifam ha utilizado la técnica µ-MIM con varios materiales distintos, incluidos acero inoxidable, hierro, aleación dura, cobre y wolframio-cobre. Con esta técnica se pueden fabricar estructuras pequeñas (10 µm) con una razón altura/anchura de 16. Entre otros objetivos de desarrollo, también se incluyen:

· Formación en superficies grandes de microestructuras

· Producción en volumen de microcomponentes

· Consecución de tolerancias más ajustadas en las dimensiones de los componentes

· Reducción de la irregularidad de la superficie

· Desarrollo de materiales para uso en la tecnología de microsistemas

En Imtek ya hay disponibles mezcladores, intercambiadores de calor, bombas y reactores a microescala. Estos microdispositivos, que están dotados de canales de flujo en un rango de unos pocos µm a mm, son ejemplos de una importante reducción a escala que influye en las características del material y en los procesos de transporte. La miniaturización presenta una serie de ventajas, entre ellas:

· Gradientes altos para intercambio de impulsos, calor y material

· Buen control de los parámetros del proceso debido al manejo de volúmenes más pequeños y rutas más cortas

· Alta integración entre las distintas unidades de proceso y los componentes de instrumentación