PRIMERA PARTE - Universidad Nacional del Callao.

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
VICE-RECTORADO DE INVESTIGACION
INSTITUTO DE INVESTIGACION DE LA FACULTAD DE
INGENIERIA QUIMICA
Informe Final del Proyecto de Investigación Titulado:
TEXTO: " INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II"
(CATALÍTICAS Y NO CATALÍTICAS)
Investigador Responsable:
Ingº LEONARDO FELIX MACHACA GONZALES
Aprobado por : Resolución Rectoral Nº 1098 -2009 - R
Periodo de ejecución: Inicio : 01 de Octubre 2009
Termino : 30 de Setiembre 2011
CALLAO, SETIEMBRE DEL 2011
INDICE
Página
RESUMEN
4
I. INTRODUCCION
5
1.1. Planteamiento del Problema
6
1.2. Objetivos de la Investigación
6
1.2.1. Objetivo General
6
1.2.2. Objetivos específicos
6
1.3. Importancia, y Justificación de la Investigación
7
1.4. Formulación de la Hipótesis
9
II. MARCO TEORICO
10
2.1. Catálisis
10
2.2. Cinética de las Reacciones Heterogéneas Catalíticas Gas- Sólido
13
2.3. Interpretación de Datos Cinéticos.
15
Reactores catalíticos de laboratorio
17
2.4. Análisis y Diseño de Reactores Heterogéneos Catalíticos
19
2.5. Pérdida de Actividad de Catalizadores
22
2.6. Cinética de las Reacciones Heterogéneas No Catalíticas Gas- Líquido
23
2.7. Análisis y Diseño de Reactores Heterogéneos No Catalíticos Gas- Líquido
25
2.8. Cinética de las Reacciones Heterogéneas No Catalíticas Gas- Sólido
27
2.9. Análisis y Diseño de Reactores Heterogéneos No Catalíticos Gas- Sólido 31
III. MATERIALES Y METODOS
39
3.1 Materiales
39
3.2. Métodos
39
IV. RESULTADOS
40
V. DISCUSIÓN
41
VI. REFERENCIALES
42
VII. APÉNDICE
43
RESUMEN.Se ha elaborado y redactado un texto universitario titulado “Ingeniería de
las Reacciones Químicas II (Catalíticas y No Catalíticas)” dirigido a estudiantes
de la Facultad de Ingeniería Química y a los novicios en diseño de reactores en
los procesos industriales como material de consulta para su aplicación a un
hecho real que les oriente a diseñar y a construir reactores detallando de una
manera didáctica y
ordenada sobre los simples elementos, para obtener
soluciones significativas a las complejas realidades de los reactores químicos
que se presentan en los procesos de transformación industriales.
El texto consta de diez capítulos, y se presentan en cada capítulo el
desarrollado de una manera explícita con lenguajes ingeniriles entendibles y de
formas específicas enfocando los fundamentos de diseño y el procedimiento de
diseño de los reactores heterogéneos catalíticos y no catalíticos.
La carencia de textos especializados en análisis y diseño de reactores
heterogéneos catalíticos y no catalíticos que incluyen los fundamentos y
procedimiento de diseño para los estudiantes de nuestra facultad y de otras
universidades donde se imparten la asignatura de ingeniería de las reacciones
químicas II, me han animado estructurar un texto, motivado por los años que
tengo a mi cargo en el dictado del curso de Ingeniería de las Reacciones
Químicas II.
La estructuración del texto se presenta en el índice.
I. INTRODUCCIÓN.A los literatos y novelistas les es familiar el relato de un hecho en varias
decenas de volúmenes haciendo tan larga y compleja la historia de un hecho tan
corto y simple.
La ingeniería de las reacciones químicas catalíticas y no catalíticas y en
particular la catálisis y sus aplicaciones son en verdad tan compleja y la visión
del profesor tan primitiva que me apresuro a solicitar la piadosa comprensión
de los reyes que trabajan en el campo de los reactores químicos reales. Mi
experiencia en la viña de los reactores industriales y los años que vengo
dictando la asignatura de Ingeniería de las Reacciones Químicas II me han
persuadido que este texto universitario motivo de investigación titulado
“Ingeniería de las Reacciones Químicas II” esta diseñado para estimular a los
estudiantes de la Facultad de Ingeniería Química, y a los novicios en diseño de
reactores en los procesos industriales como material de consulta para su
aplicación a un hecho real que les oriente a diseñar y a construir reactores
detallando de una manera didáctica y ordenada sobre los simples elementos,
para obtener soluciones significativas a las complejas realidades de los reactores
químicos que se presentan en los procesos de transformación industriales.
Un compendio de ingeniería de las reacciones químicas catalíticas y no
catalíticas en la gran mayoría de los libros son tan voluminoso y complejos,
hechos por reyes o filósofos en la materia que pareciera ser carente, y estar fuera
del alcance
de los estudiantes de pregrado y de los ingenieros junior en
ejercicio, me han animado a tomar la decisión de estructurar un libro en 10
capítulos con los fundamentos seleccionados y sus respectivas ilustraciones
para su mejor comprensión.
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA.Teniendo en cuenta a la descripción inicial del objeto de investigación se
podrá plantear siguiente pregunta:
¿Cómo desarrollar un texto universitario cuya didáctica oriente adecuadamente
a los estudiantes de ingeniería química en el campo de la ingeniería de las
reacciones químicas catalíticas y no catalíticas?
Es un sistema problemático constituido por un problema científico.
1.2. OBJETIVOS Y ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN.1.2.1. OBJETIVO GENERAL.
Escribir un texto universitario que sirva como material bibliográfico y de
consulta cuya didáctica oriente a los alumnos de Ingeniería Química adquirir
los conocimientos fundamentales en el campo de la ingeniería de las reacciones
químicas catalíticas y no catalíticas.
1.2.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS.

Recopilar información bibliográfica actualizada y seleccionarlos para la
estructuración del texto.

Analizar, clasificar y procesar la información básica para iniciar el desarrollo
del texto.

Desarrollar los capítulos del texto detallando los fundamentos de la
ingeniería de las reacciones químicas catalíticas y no catalíticas.

Desarrollar el análisis y diseño de reactores heterogéneos catalíticos y no
catalíticos.

Preparar y presentar el texto.
1.2.3. ALCANCES DE LA INVESTIGACIÓN
De acuerdo con la naturaleza del problema y teniendo en cuenta los
objetivos planteados, el presente trabajo de investigación esta diseñado para
usarse como un texto a nivel de licenciatura de los estudiantes de la Facultad de
Ingeniería Química, tanto a nivel de postgrado en ingenierías de las reacciones
químicas, y como material de consulta de los profesionales que trabajan en
diseño de reactores en los procesos industriales.
Los resultados de la investigación se pueden aplicar en beneficio de la
población estudiantil de Ingeniería Química y ramas afines, ya que permitirá
dotarle de un material bibliográfico con una información adecuada a los
requerimientos actuales y accesibles a sus recursos económicos.
1.3. IMPORTANCIA Y JUSTIFICACIÓN DE LA INVESTIGACIÓN.
1.3.1. IMPORTANCIA DE LA INVESTIGACIÓN.
La importancia del trabajo de investigación radica en los siguientes
aspectos:
1. Facilitar el proceso de enseñanza - aprendizaje en la formación profesional de
estudiantes universitarios a nivel de pre-grado, y postgrado quienes se
desempeñaran en el campo de los procesos de transformaciones industriales
2. Desarrollar un entendimiento fundamental de la ingeniería de las reacciones
químicas catalíticas y no catalíticas para que los estudiantes practiquen sus
habilidades de razonamiento crítico y creativo y puedan solucionar problemas
reales que se presentan en los procesos industriales.
3. Aportar un valioso instrumento de consulta en la formación profesional del
Ingeniero Químico y de especialidades afines como ingeniería industrial,
ingeniería de procesos, ingeniería de petróleo, ingeniería ambiental ya que se
presentará en forma ordenada y secuencial los fundamentos y procedimientos
de diseño de reactores catalíticos y no catalíticos.
1.3.2. JUSTIFICACIÓN DEL TRABAJO DE INVESTIGACIÓN.
1. El texto universitario diseñado aportará los conocimientos fundamentales en
la formación del Ingeniero Químico y su posibilidad de incorporarse en el
campo de la ingeniería de las reacciones químicas. Asimismo adiestra a los
estudiantes de Ingeniería Química en el diseño de reactores químicos catalíticos
y no catalíticos.
2. Al investigar en las literaturas existentes (artículos publicados), no hay textos
universitarios materia de investigación, donde mencionen los fundamentos y
procedimientos de diseño de reactores químicos catalíticos y no catalíticos tan
explicito y comprensivo para un novicio o principiante en ingeniería de la
reacciones químicas catalíticas y no catalíticas.
3. Un compendio de ingeniería de las reacciones químicas catalíticas y no
catalíticas será un medio complementario a la formación que se brinda en el
aula, que sirva como orientación en el estudio y reforzamiento de las
enseñanzas brindadas por el profesor, lo cual significará un valioso aporte para
los alumnos de Ingeniería Química.
4. En la bibliografía hispana no existe un texto similar al que se propone en el
presente trabajo de investigación, que se ocupe de los fundamentos y
procedimiento de diseño de los reactores químicos catalíticos y no catalíticos en
forma detallada y sucinta, siendo éstos lo que diferencian de los otros textos
universitarios existentes.
Cabe mencionar que no se pretende escribir un libro más sobre el tema,
sino puntualizar mas en los fundamentos y procedimientos de diseño de
reactores químicos heterogéneos catalíticos y no catalíticos y sus aplicaciones en
los diversos procesos de transformación industriales, lo que no se encuentra en
bibliografía nacional y en idioma español en general.
Dentro del análisis descrito, se publican textos sobre ingeniería de las
reacciones químicas catalíticas y no catalíticas, entre los más conocidos tenemos:
1.4. FORMULACIÓN DE LA HIPÓTESIS
El desarrollo del TEXTO: “Ingeniería de las Reacciones Químicas II”,
bien elaborado unificando los fundamentos
y procedimiento de diseño de
reactores químicos catalíticos y no catalíticos, nos permitirá orientar la
enseñanza - aprendizaje de modo que los estudiantes adquieran conocimientos
y habilidades, en la aplicación de diseño de reactores químicos en los procesos
de transformación en la industria química.
II. MARCO TEÓRICO.En ésta sección, se describen las pautas teóricas donde se
mencionan en forma secuencial los temas de los capítulos que
comprenden el texto.
2.1. CATÁLISIS [5,8,9].
Describe
el
ocurre
entre
reaccionante
fenómeno
y
el
la
que
fluido
Concatalizador
XAe
sustancia
llamado catalizador los cuales
Sin catalizador
afectan a la velocidad de la
reacción total del proceso.
El catalizador es la sustancia
que altera a la velocidad de
reacción, pero NO A LA TERMO-
Figura Nº 1. Conversión- tiempo
DINÁMICA es decir el catalizador disminuye el tiempo de reacción para llegar
al equilibrio pero no cambia el equilibrio de la reacción.
Para una reacción reversible:
A
+
B
K2

C
+
D
K-2
En el equilibrio:
Keq 
K2
K2
(1)
trxn
XA
Por termodinámica:
G   RTLnKeq   RTLn
K2
K2
(2)
Esto nos indica T vs XA
RxnExotèrmica
De esto nos lleva, cómo la velocidad
de
reacción
es
afectado
por
la
temperatura, los cuales se muestra en
las siguientes figuras.
T
Figura Nº 2. Conversión- Temperatura
LnK
Ea
Ea
Rango
medible
Figura Nº 3. Efecto de la Temperatura
Figura Nº 4. Efecto de la temperatura
Sobre la constante de velocidad(k)
sobre la velocidad observada.
CATALIZADORES
SEGÚN FROST; el catalizador es una sustancia que altera la velocidad de
una reacción dada sin hacerle caso el destino final del catalizador. El rol
principal del catalizador es cambiar el mecanismo de una sustancia de una
energía de activación alta a una energía de activación baja.
¿Cuál es el papel del catalizador?
De acuerdo a lo que dice Frost; Por ejemplo:
Tenemos la descomposición catalítica del etanol.
Resina
Alumina
CH3CH2OH
Etanol
Cu
H2+Ni/Al2O3
ZnO/Al2O3
HZSM-5
Eter dietílico
Etileno
Acetaldehido
Metano
Butadieno
o
Benceno+Tolueno
El catalizador toma el papel de selectivo.
CLASIFICACIÓN DE LOS CATALIZADORES:
1. Catalizadores Gaseosos
2. Catalizadores Líquidos
3. Catalizadores Sólidos
1. El Catalizador Gaseoso es menos frecuente en procesos industriales. Ejm:
El oxido nitroso, que se usaba en la oxidación del SO3 para la obtención
del H2SO4 conocido como la tecnología de cámara de plomo, ya no se
usa.
2. Los Catalizadores Líquidos por lo general son ácidos fuertes, los cuales
son muy corrosivos y muy difícil de recuperación. Ejm: H2SO4, HCl,
H3PO4. La dificultad es que es difícil separar en el producto.
3. Los Catalizadores Sólidos son aquellos catalizadores mas frecuentes en
los procesos industriales y pueden estar constituidos por dos o mas
constituyentes. Pueden Clasificarse en:
A. Catalizadores Metálicos como Ni, Pd, Pt, AG, Fe.
B. Catalizadores de Óxidos metálicos, como Cr2O3, V2O5, MoO3, MnO2,
ZnO, NiO, Bi2O3 .
C. Catalizadores de Sales metálicas: como SCo, SNi, Cl2 Cu.
Catalizadores Aislantes (óxidos metálicos aislantes) como Al2O3, SiO2Al2O3, MgO.
2.2. CINÉTICA DE LAS REACCIONES HETEROGÉNEAS CATALÍTICAS
GAS- SÓLIDO.
La velocidad total del proceso heterogéneo catalítico involucra
las
velocidades de transferencia de masa y calor, de adsorción, desorción y reacción
química.
rAT  rT Mreac  rT Mprod  radosorción  rrsnqca  rdesorción
ETAPA FISICA
(3)
ETAPA QUIMICA
ANALISIS DE LA ETAPA QUIMICA EN LA REACCION CATALITICA
HETEROGENEA.Incluye tres modelos:
1.
Modelo de Langmuir- Hinshelwood: para reacciones irreversibles
2.
Modelo de Langmuir – Hinshelwood -Hougen – Watson; para
reacciones irreversibles y reacciones reversibles
3.
Modelo de Eley – Rideal
Los tipos de ecuación de la velocidad de reacción química son:
1. Velocidad de reacción química del tipo de la Ley de Potencia :
 rA  K C A
(4)
n
2. Velocidad de la reacción química del tipo de Langmuir Hinshelwood –
Hougen – Watson (LHHW) : r A 
KC A
1  KpCA
(5)
ANALISIS DEL MODELO LANGMUIR – HOUGEN – WATSON
(Modelo General):
Este modelo considera que existe una secuencia en el mecanismo que
ocurre dentro del catalizador que puede ser adsorción, reacción superficial y
desorción. Dice que una de las etapas es la controlante en la secuencia, entonces
la ecuación de velocidad global o total de la reacción será de la etapa
controlante (se comprueba de manera experimental) además las otras dos están
en equilibrio. Las reacciones pueden ser de los tipos que se muestran:
A R
Reacción reversible 1 a 1
A B  R
Reacción reversible 2 a 1
A B  R  S
Reacción reversible 2 a 2
A RS
Reacción reversible 2 a 1
A RS
Reacción reversible 1 a 2
2.3. INTERPRETACIÓN DE DATOS CINÉTICOS.Para el diseño de un reactor industrial es necesario conocer las variables
que afectan a la velocidad total del proceso y estas variables involucran los
efectos difusivos conocido también como efectos de transferencia de masa y
calor interno y externo,( KG, h, D eA , Kef, NDa, etc.), y el otro es el efecto químico
2.3.1. INTERPRETACIÓN DE DATOS DEL EFECTO FISICO.
Efecto de la transferencia de Masa y calor sobre la velocidad total de
la reacción. En esta figura se muestra estos efectos en forma experimental.
(W/F)
Limitación
difusiva
(2)
x
(W/F)
(1)
Limitación
Influencia
de la difusión Química
enla película.
F
Figura Nº 5. Conversión- Flujo del gas del reactante
Si, se conoce el flujo puedo hallar el diámetro al cual se origina el flujo
pistón y luego teniendo el diámetro hallo la longitud del reactor.
F grande
x
Limitación
Química
F pequeño
Influencia de la
difusión en la película.
(W/F)
(W/F)
Figura Nº 6. Conversión- relación W/F
2.3.2. INTERPRETACIÓN DE DATOS DEL EFECTO QUÍMCO.
La cinética de las reacciones químicas enfoca que las velocidades de
reacción, puede ser del tipo de Ley Potencia, y de LHHW
robs ó exp. = r TMRP
robs ó real
=
+ r de reacción química
ηG rAo, para saber ¿cómo está relacionado el factor de
efectividad, ηG si habrá efecto difusivo o efecto químico? se analiza, como se
muestra en la siguiente figura
Efecto químico
n
Efecto difusivo
1
0,4
4
Modulo de
Thiele

Figura Nº 7 . Factor de efectividad – Modulo de thiele.
En la interpretación de los datos experimentales se presentan dos casos:
1.
Cuando se mide la (-rA) y la constante de velocidad kV es desconocida.
2.
Cuando se conoce la cinética de un sistema, es decir kV es conocida y la
(- rA) desconocida
REACTORES CATALÍTICOS DE LABORATORIO.
Puesto que no es posible predecir ecuaciones de velocidad intrínseca de
la reacción de un proceso de transformación, es necesario determinarlas en base
a datos de laboratorio. Estos datos consisten de mediciones de velocidad total
de reacción. La primera parte del problema radica en obtener la ecuación para
la velocidad intrínseca a partir de datos de velocidad total. Puesto que los
reactores de laboratorio son pequeños y relativamente económicos, existe
bastante flexibilidad en su diseño. La construcción y las condiciones de
operación pueden seleccionarse de manera que se reduzcan o se eliminen las
diferencias entre las velocidades total e intrínseca, con lo cual es posible obtener
ecuaciones mas precisas para la velocidad intrínseca en base a datos
experimentales.
Un reactor de laboratorio adecuadamente construido es aquel donde se
puede investigar experimentalmente el proceso que ocurre dentro de las
partículas del catalizador, en el cual la temperatura y composición de la mezcla
se mantienen muy cercanamente constantes en el sistema.
Los reactores de flujo tubular operados en régimen diferencial, integral o
de recirculación son muy comunes para investigar la cinética de las reacciones
catalíticas gas-sólido.
TIPOS DE REACTORES CATALÍTICOS DE LABORATORIO
1. Reactores Diferenciales
Los reactores diferenciales se usan normalmente para determinar la
velocidad de reacción en función de la concentración o bien de la presión
parcial. El reactor consiste en un tubo que contiene una cantidad muy pequeña
de catalizador, que por lo regular se dispone en forma de una oblea o disco
delgado; Es decir se considera que el reactor no tiene gradiente, y que la
velocidad de reacción es especialmente uniforme en el lecho. Para que se
cumpla la condición anterior las conversiones deben ser pequeñas o los
reactores son pequeños y poco profundos. Sin embargo, un reactor grande
puede comportarse como un reactor diferencial cuando las reacciones son
lentas, puesto que la variación de la composición de los reactantes es pequeña y
en consecuencia la velocidad puede suponerse constante. Del mismo modo,
cuando se trata de reacciones de orden cero el reactor también se comporta
como diferencial ya que la velocidad es independiente de la concentración.
2. Reactores Integrales
Se denomina un reactor integral cuando la variación de la velocidad de
reacción dentro del reactor es tan grande que hemos de considerar estas
variaciones en el método de análisis. Como las velocidades dependen de la
concentración, hemos de esperar deque se produzcan grandes variaciones
en la velocidad cuando la composición del fluido reactante cambie de modo
significativo a su paso con el reactor.
La diferencia entre el reactor diferencial es que el lecho consiste de una
cantidad mayor de catalizador para garantizar una conversión aproximada
del 20%. Las condiciones isotérmicas se deben asegurar.
2.4.
ANÁLISIS
Y
DISEÑO
DE
REACTORES
HETEROGÉNEOS
CATALÍTICOS.
Para procesos de transformación los reactores catalíticos son bifásicos y
trifásicos, de contacto G-S, G-S-L, S-L por lo que es necesario hacer la
clasificación y luego diseñar.
CLASIFICACIÓN DE REACTORES HETEROGÉNEOS CATALÍTICOS
INDUSTRIALES.
De acuerdo al movimiento de las partículas catalíticas dentro del reactor,
tenemos:
1. Reactores de lecho fijo:
Las partículas catalíticas permanecen fijos dentro del recipiente.
1.1. Reactor de lecho fijo (bifásico G-S)
1.2. Reactor de lecho escurrido o goteo (Trickle – bed) Trifásico G-L-S.
2. Reactores de lecho en movimiento:
Aquí las partículas catalíticas están en movimiento dentro del recipiente
que lo contiene.
2.1. Reactores de lecho móvil: reactor de la pirolisis catalítica thermofor, TCC
(bifásico).
2.2. Reactores de lecho fluidizado (bifásico)
2.3. Reactores de lodo o Slurry (trifásico):
2.3.1. Con flujo pistón y burbujeo.
2.3.2. Flujo de mezcla perfecta (mecánicamente agitada).
REACTORES CATALÍTICOS DE LECHO FIJO
Partículas
inertes
Soporte y distribuidor
Alimentación
Figura Nº 8. Reactor catalítico de lecho fijo
Representación:
Varios
lechos en
1 tubo
R-110
Figura Nº 9. Reactor catalítico
de un solo lecho
Figura Nº 10. Reactor catalítico
con varios lechos
Estos reactores de lecho fijo es un recipiente cilíndrico simple con
catalizadores de forma esférica, cilíndrica, placas, etc. Por los cuales pasa a
través el lecho catalítico los reactantes finalmente salen los productos formados
o transformados por el efecto catalítico.
En estos reactores se pueden colocar los catalizadores en forma de un
solo lecho o cama y en varios lechos o cama, pueden estar estos varios lechos en
un solo tubo o en varios tubos.
Productos
Salida
del
enfriamiento
fluido
de
Fluido
( por ejemplo, se usa en la
producción de NH3)
Enfriamiento
Reactantes
Figura Nº 11. Reactor catalítico de lecho fijo multitubo
La utilización de estos reactores multitubos favorecen el control de la
temperatura, pero se debe diseñar los sistemas de la distribución de flujos
cuidadosamente, teniendo en cuenta que la caída de P en todos los tubos debe
ser la misma.
La alimentación de los flujos de reactante en forma ascendente y
descendente tiene su ventaja así como si el flujo es descendente no hay arrastre
de las partículas pero hay aumento de la rotura de las partículas aumentando la
pérdida de carga en el reactor, mientras que en el flujo ascendente hay un
posible arrastre de partículas pero no hay ruptura del catalizador, solamente
requiere instalar un sedimentador de fases. En estos reactores se presentan los
siguientes problemas:
En estos reactores el control de temperatura es muy dificultoso, porque
para grades efectos térmicos requiere eliminar la transferencia calórica de la
siguiente forma:
1. Utilizando múltiples lechos con intercambio calórico.
2. La dilución del lecho catalítico con material inerte.
3. Dilución de la corriente de reactivos con inertes.
4. El uso de baterías de tubos de relleno catalítico.
2.5. PERDIDA DE ACTIVIDAD CATALITICA.
La desactivación de los catalizadores Sólidos empleados en la mayoría
de las reacciones industriales es un problema de principal interés en Ingeniería
Química. No debe haber Ingeniero que se ocupe de reactores catalíticos , ya sea
en la fábrica o en el laboratorio, que no se haya encontrado con el problema de
la variación de la actividad del catalizador en función de la duración de la
operación.
El tiempo de vida de un catalizador condiciona su utilización práctica, porque
su reemplazo, o la regeneración
de una carga es siempre una operación
onerosa, no solamente a causa del valor intrínseco del catalizador, sino debido a
la pérdida de producción resultante de la detención de la fabricación o de la
amortización de los dispositivos de regeneración continuo.
Hay tres causas fundamentales por las cuales puede perder actividad
incatalizador:
- Envejecimiento: Son cambios que se producen en la estructura física del
catalizador ( contracción del volumen de poros, sinterización, etc.).
- Envenenamiento: debido a la adsorción, a menudo irreversible, de sustancias
distintas de las que entran a la reacción.
- Ensuciamiento: debido a un depósito de materia rica en carbono.
2.6.
CINÉTICA
DE
LAS
REACCIONES
HETEROGÉNEAS
NO
CATALITICAS GAS – LIQUIDO
En la cinética de la reacción Gas – Líquido se observa:
A (G–L) + b B (L)
Producto ( S, L, G )
El reactante A presente en el gas es soluble en el líquido, dado por:
PAi = H CAi
(6)
Con respecto al reactante B, presente en el líquido, no se transfiere a la fase
gaseosa, y la reacción tiene lugar solamente en el líquido, y puede ser bien cerca
de la interfase, o a la película del líquido, o bien en el seno del líquido.
Hay tres resistencias:
1. De la película gaseosa
2. De la película líquida
3. De la reacción en la película del líquido o en la masa principal del líquido.
INTERFASE
Película
Líquida
Película
Gaseosa
PA
B
Seno
del gas(A)
B
B
Frente de Reacciòn
C B(L)
Masa principal
del líquido
CAi
CA(L)
CBi
Y
0
YL
Figura Nº 12. Perfil de concentración para una reacción gas-líquido de segundo
orden
ETAPAS DEL PROCESO:
1.
Transporte del Reactante A desde el seno del fluido hasta la superficie
de la Interfase. ( rTM; kG)
2.
Transporte del Reactante A desde la interfase de la película del lado
del gas hacia la interfase del lado del líquido. ( rTM; DA)
3.
Transporte del Reactante A desde la superficie de la interfase del lado
del líquido hacia el frente de reacción o al frente del fluido. ( rTM; kG)
4.
Reacción del componente A con el componente B en la película del
líquido o masa principal del líquido. ( rRxn; k)
5.
Transporte del producto desde el frente de reacción o en la película
del líquido hacia el seno del fluido líquido. ( rTM; Kg).
La velocidad total del proceso será :
rTproceso = rTMgas + rDifusión + rTMLíquido + rRxn + rTMProducto
Su ecuación de la velocidad total del proceso será:
rproceso


1

1
1
1



 k G  a k L  a  FA k  C B n f L


  PA


(7)
FA : Factor de incremento ( factor de aceleración )
MODELOS QUE INTERVIENEN EN EL PROCESO GAS – LÍQUIDO:
1. Modelo de la Película (doble película) la del gas y la del líquido:
Whitman 1923.
2. Modelo de la Renovación de la superficie o de penetración de Highe 1935
– Danckwerts 1951.
3. Modelo de la Película – Penetración Toor y Marcelo 1958.
2.7. ANÁLISIS Y DISEÑO DE REACTORES HETEROGÉNEOS NO
CATALÍTICOS GAS- LÍQUIDO.
TIPOS DE REACTORES:
1. Reactor de tanque agitado
2. Reactor de torre o columna

Burbujeo

Relleno

Platos perforados

Lluvia

De puente con recirculación externa
FUNDAMENTOS DE DISEÑO
1. Tipo de reactores.
2. Parámetros que se consideran para la selección del tipo de reactor.
2.1. Tipo de Operación
a. Estado Estacionario
Flujo en pistón del gas y del líquido en corriente paralelo o en

contracorriente son los reactores de torre, por tener mayor fuerza impulsora.
Flujo en pistón del gas y flujo de mezcla perfecta del liquido en

corriente paralela, operan el reactor tanque de burbujeo por tener menor
fuerza impulsora.
b. Estado No Estacionario (Semicontinuo)

CA f(t)

Flujo del gas mezcla perfecta con carga uniforme del líquido; reactor
tanque de burbujeo (agitado mecánicamente)
2.2. Propiedades de Transferencia de Masa
Para las gotas del líquido pulverizado en gas KG
y KL
2.3. Flujo Volumétrico.
 Para L/G  10 a 1 atm ; reactor de torre de relleno

Para L/G > 10 se usan los otros tipos de reactores.
2.4 . Resistencia de la Película

Para áreas interfaciales grandes se usan reactores de tanque y torres.:
Si la película L controla entonces NO usar reactor de pulverización o de
lluvia.
Si la película del gas es la controlante entonces NO usar reactor de torre de
burbujeo.
2.5. Solubilidad de Gases

Gas muy soluble con HA pequeño, película del gas controlante (NH3)
No debe usarse reactores de barboteo.

Gas de baja solubilidad en el líquido, HA grande. Ej. O2, N2
Película del líquido es la controlante.
No debe usarse reactores de torre de pulverización.
2.8.
CINÉTICA
DE
LAS
REACCIONES
HETEROGÉNEAS
NO
CATALITICAS GAS – SÓLIDO
Las reacciones heterogéneas no catalíticas gas-sólido, pueden encontrarse
en los procesos de descomposición de sólidos, en procesos de gasificación,
procesos metalúrgicos.
El tipo más general de las reacciones heterogéneas no catalíticas gas-sólido es:
A+B 
R+S
Donde, los reactantes A, B y R, S pueden estar en fase gas, sólido.
Según los trabajos publicados hay dos modelos:
1. Modelo de la conversión progresiva: donde el gas penetra y reacciona
simultáneamente en la partícula sería el Caso I, donde el tamaño de
partícula no varía.
2. Modelo del núcleo sin reaccionar seria el Caso II, donde el tamaño de
partícula es variable.
Existen gran cantidad de reacciones heterogéneas no catalíticas entre
gases y sólidos, donde participan los factores funcionales y las reacciones Q, así
tenemos: A(g) + bB(s)  cC(s) + dD(g)
a) Tamaño de particular constante
Productos
R
B
Z=1
B
=0
Z
B
MB
x
MC
C
x
c
,
b
>0
CB 
 >> 0
 B gr / cc
c CB
 mol / cc , Z  x
b CC
M B gr / mol
b) Tamaño de partículas consumiéndose decrecientemente
Productos
B
Z<1
=0
>0
 >> 0
c) Tamaño de partícula pero formando productos completamente volátiles.
B
B
=0
>0
 >> 0
d) Tamaño de partícula expandiéndose
Productos
B
B
Z>1
=0
>0
R = radio
 >> 0
de la partícula esférica para cualquier tiempo en ausencia de
contracción y expansión R = 20  radio de la partícula inicial.
1/ 3
3

 rC  
R  R0  Z  1  Z   

 R0  
(8)
Para estos casos la conversión del reactante sólido B
XB 
XB 
masa inicial - masa para un tiempo 
masa inicial
4
3
4
3
 B . .R03   B .  .rC 3
4
 B .  .R03
3
(9)
(10)
masa = v
vesfera =
4 3
rC
3
(11)
rC = radio del núcleo sin reaccionar
R r
XB  0 3 C 
R0
3
3
X
B
 r
 1   C
 R0



3
(12)
DETERMINACIÓN DE LA ECUACIÓN GENERAL DE LA VELOCIDAD DE
REACCIÓN:
Según la reacción:
aA(g) + bB(s)  cC(s) + dD(g)
Etapas del proceso:
1. Difusión del reactante a través de la película gaseosa que rodea a la
partícula
Variación de moles de A

Superficie del sólido

1 dNA
1
dNB

 bKg CAg  CAS5
Sext dt
b Sext dt

1
1
 rA   rB  N A
a
b
(13)
(14)
2. Difusión del reactante A a través de la capa del producto o ceniza
Moles de A
1 dNA
1DAe dCA

.
 NA 
x
4r ² dt
1
dr
(15)
Ecuación General de la velocidad para esta etapa es:
e
b.D A
1 dNA

.

4R ² dt
 R  rC
R
 rC
CA

S
S


 CAC

(16)
3. Reacción Química en la Superficie del núcleo sin reaccionar.
4R ²  dNA 
1 
 b.K S CAC

 
4R ²  dt  4rC 2 
(17)
Sumando las resistencias, tenemos la ecuación general de la velocidad de la
reacción gas -sólido:


1 dNA 
b


RR  rC 
1
R²
Sext dt

 2

e
rC K S
 Kg rC .b.DA


CAg



(18)
Su ecuación de la velocidad total del proceso gas-sólido integrada, es :
3
R0   rC  
R²
1     
3Kg   R   6 DAe
3
2

 rC    R  rC  bCAg
 rC 
1  3   2    
t
1    
R   C B0
R

 R0    K S 
(19)
2.9. ANÁLISIS Y DISEÑO DE REACTORES HETEROGÉNEOS NO
CATALÍTICOS GAS-SÓLIDO.
De acuerdo a las reacciones analizadas para su mejor entender vamos
a clasificar los tipos de reactores industriales de acuerdo al movimiento de la
partícula y del fluido:
1. Reactores de lecho fijo:
Donde la partícula reaccionante es fijo y el fluido que contiene al
correactante puede ser de flujo cruzado o flujo paralelo o flujo en
contracorriente.
2. Reactores de lecho móvil
Son reactores tubulares donde la partícula reaccionante y el fluido correactante
se mueven y fluyen continuamente en flujo paralelo o en flujo en
contracorriente. Aquí están considerados los llamados hornos rotatorios, alto
horno, transportador de parrilla o rector de cinta.
3. Reactores de lecho fluidizado
Salida gases
Entrada de sólidos
Salida de sólidos
Entrada de gas
Figura Nº 13. Reactor de lecho fluidizado
Son los reactores donde las partículas reaccionantes, es mantenido en
suspensión por el fluido coreactante con diferentes variaciones tales como
lechos elevados, lechos arrastrados, estos reactores de acuerdo al tipo de flujo,
puede ser: de flujo pistón o flujo mezclado perfecto  reactores de lecho
suspendido mecánicamente agitado.
Reactor de lecho fijo: Reactores de intercambio iónico.
mineral
Coque
Reactor o alto horno
aire
Reactores de lecho móvil
Reactores de cinta
Carbón
cenizas
aire
gas caliente
Reactores rotatorios
sólidos
Productos
Figura Nº 14. Reactores Heterogéneos no catalíticos gas-sólido
FUNDAMENTO DE DISEÑO:
CASO I. Tipo de Flujo: Mezcla perfecta de sólidos con composición uniforme
del gas, con partícula reaccionante de tamaño constante esférico.
Entrada de sólidos
reactante B
F = F0
Productos (R) gas
V = volumen ocupado x el sólido
Salida de sólido F1 = F0 (prod.)
Ingreso del gas reactante (A)
Figura Nº 15. Rector de lecho fluidizado.
Aplicando concepto de lecho fluidizado sin arrastre de partículas con flujos del
gas de entrada y salida son constantes y el flujo de entrada y salida de sólidos
constantes XB de la partícula reaccionante depende t de residencia y de la
cinética del proceso.
 fracción de B no 



 convertida para  fracción de la corriente
 Valor promedio de 





partículas que
de salida que ha permanecido




 la fracción de B no   


permanecen
en
el
en
el
reactor
entre


 convertida





 reactor un tiempo   tiempo t  dt




 entre t  t  dt



(20)
1  X B   0 1  X B E t dt
(21)
1  X B   0 1  X B E t dt
(23)

Donde:
E(t) = es la función de distribución de tiempos de residencia de los sólidos en el
rector.
t = tiempo para la reacción de B, entonces
E(t) =
1 t / t
.e
t
(24)
t = tiempo promedio de residencia para los sólidos.
(24) en (23) se tiene:
1  X B   0 1  X B et / t dt
(25)
Esta ecuación debe ser integrada para cada etapa controlante del proceso y
tenemos:
1. Si la etapa controlante es la difusión de A en la película del gas, su ecuación
2
es:
3
1  X B   1   1     1    + ……
2 t 3!  t  4!  t 
(26)
2. Cuando la etapa controlante es la difusión en la capa de la ceniza o
producto, su ecuación es.
2
3
4
1  X B   1   19     41     0.00149    …..
5 t 420  t  4620  t 
t 
(27)
3. Cuando la etapa controlante es la Reacción Química, su ecuación es:
2
3
4
1  X B   1   1     1     1     ………. (28)
4 t 20  t  120  t  840  t 
CASO II. Tipo fluido: Uniforme y conocido.
Partícula: Tamaño no uniforme, partículas en la alimentación son de diferentes
tamaños, se usa el concepto de la distribución discreta de tamaño de partículas.

Partículas de tamaño 1 (R1)

F (R2) = Kg/s alimentación de partículas de tamaño 2 (R2)

F (R3) = Kg/s alimentación de partículas de tamaño 3 (R3)

F (Ri) = Kg/s alimentación de partículas de tamaño i (Ri)
M
F   F Ri 
F(R)
Kg/s
Área total =
i 0
F(Ri)
RM
R1
R2
R3
Ri
Partícula de tamaño mayor
Tamaño de partícula R
Cualquier tamaño
Se analiza en forma análoga al caso anterior usando.
Su ecuación es:
1  X B    1  X B Ri  F Ri 
RM
Donde:
(29)
F
R
F Ri 
, es la fracción de alimentación está en % en peso
F
CASO III: Flujo de mezclado perfecto y tamaño de partículas esféricas.
Para diferentes tamaños de partículas tiene su propio tiempo de reacción
completa.
1. Etapa controlante: Difusión de A a través de la película.
Tiempo de Rx. completa
 1 Ri  1  Ri  2
 F Ri 
1 X B   
 

...

3!  t 
 2! t
 F
RM
(30)
2. Etapa controlante: Difusión de A en la capa del producto (capa o ceniza)
1  X 
B
1 Ri  19  Ri  2
 F Ri 
 


...

420  t 
 5 t
 F
RM
(31)
3. Etapa controlante: Reacción Química.
1  X 
B
 1 Ri  1  Ri  2
 F Ri 
 
 

...

20  t 
 4 t
 F
RM
(32)
Para diferentes tamaños
Para cualquier de estos casos se usa, que:
t  t Ri  
W
Peso o cantidad de todo los sólidos en el reactor

(33)
F Flujo o caudal de alimentación de sólidos al reactor
t Ri  
V
, Ut > UD, o
F1
t
V
,
FD
Para reactores de lecho fluidizado, para cualquiera de ellos su ecuación de
diseño son:
V = t F0 1,2  1,3
(34)
V R  t  Ri xF1 1,2  1,3
(35)


W
 1,2  1,3
VR  
 ρP E mf 1  ε B  
(36)
Porosidad de
Fluidización mínima
W = F0. t
(37)
Para reactores de lecho fijo no catalítico gas-sólido con el modelo de
diseño: Flujo pistón del fluido gaseoso cinético de la reacción núcleo sin
reacción, tenemos de la ecuación de continuidad en la fase gaseosa, se tiene que
el Balance en una sola dirección:
U.
CAg
CAg
 rV   B
Z
t
Velocidad
superficial del
término
gas (m/s)
de acumulación
(38)
donde: U 
Q m³ / s
A m²
Para una partícula esférica su ecuación de velocidad, es:
rV = b1   B C B0 .
dxB
dt
(39)
1   B   volumen del lecho
volumen total
Entonces:
en muchos casos se
considera despreciable

UCAg
dX
CAg
 b1   B C B0 . B   B .
Z
dt
t
(40)
Para cada etapa controlante
Su ecuación de balance energía:
.Cp.
T
T
  Hr rV  Cp.
Z
t
U
dCAg
dX
 b1   B C B0 . B
dZ
dt
(41)
(42)
III. MATERIALES Y METODOS.3.1 MATERIALES.
- Información compilada en diseños de procesos de transformación industriales
durante el asesoramiento y consultas de plantas industriales.
-Materiales adquiridos y desarrollados en análisis y diseño de reactores
catalíticos y catalíticos, heterogéneos y no heterogéneos durante mis estudios
de Maestría en Ingeniería Química en Universidad Nacional del Litoral- Santa
Fe – Argentina.
- Materiales de consulta, como revista científicas, textos universitarios, informes
de trabajo de investigación desarrollados en la UNAC
- Materiales de cómputo e impresión y materiales de oficina.
3.2. METODOS.
Para la producción del presente texto universitario se han usado los siguientes
métodos:
- Método deductivo y analítico
- Método comparativo, descriptivo, y explicativo.
- Métodos y modelos matemáticos.
- Métodos ilustrativos y comunicables.
IV. RESULTADOS.
El resultado del presente trabajo de investigación es el texto universitario
que se adjunta al presente informe final, titulado:
TEXTO: “INGENEIRÍA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II (CATALITICAS
Y NO CATALITICAS)”.
El texto contiene 10 capítulos expuestos en forma puntual, con un
enfoque práctico que va a permitir un buen acceso interpretativo por parte de
los estudiantes y profesionales en ejercicio.
Los temas tratados hacen referencia el análisis de las reacciones
heterogéneas catalíticas y no catalíticas, y luego enfoca los fundamentos y
procedimientos de los reactores heterogéneos catalíticos y no catalíticos.
V. DISCUSIÓN.
El texto universitario titulado: TEXTO: “INGENEIRÍA DE LAS
REACCIONES QUIMICAS II (CATALITICAS Y NO CATALITICAS)”, que es
el resultado del presente trabajo de investigación, se caracteriza por detallar la
cinética de las reacciones químicas heterogéneas catalíticas y no catalíticas
aplicados a los procesos de transformación industriales. Asimismo detallar los
fundamentos y procedimientos de diseño.
El detalle se describe en los 10 capítulos que contiene el texto expuesto,
expuestos de tal manera que permita una fácil y rápida interpretación
separando el enfoque de la cinética de las reacciones químicas heterogéneas
catalíticas, de las no catalíticas gas-líquido y gas-sólido.
El texto elaborado presenta características didácticas por la experiencia
del autor y resulta accesible a los estudiantes con orientación hacia el campo de
análisis y diseño de reactores industriales, y sirva como un medio de consulta
para los estudiantes de Ingeniería Química, asimismo para los Ingenieros
Químicos en ejercicio.
VI. REFERENCIALES.
[1] CARBERRY, JAMES, J., “Chemical and Catalytic reaction Engineering”, Ed.
McGraw-Hill Book Company. New York, 1976.
[2] FROMENT, G
AND BISSCHOFF, K., “Chemical Reactor Analysis and
Design”, 2º Edition; Ed. J. Wiley & Sons, Inc. New York, 1990.
[3] GUEVARA, O., Y CHING, R., “Química de las reacciones orgánicas” 3º
edición, Pág. 56, 57, 1987.
[4] HOLLAND, CH. D. Y ANTHONY, R.G., “Fundamentals of Chemical
Reaction Engineering”, Ed. Prentice-Hall, Inc., Nueva Jersey, 1979
[5] HOUGEN, O. A. y Watson, K.M., " Chemical Process Principles- Part ThreeKinetics and catalysis", Ed. John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1977.
[6] JOHNSTONE, E. “Scaling-up of Chemical plant and processes”. Joint
Symposium church House. London, Mayo 1957.
[7] KIRK, J., “Diccionario Químico Industrial”, 1 º Edición, Pág. 154- 169, 1970.
[8] LAIDLER K. "Cinética de reacciones", Tomo II. Ed. Alhambra S.A., Madrid,
1979.
[9] LEVENSPIEL, O. "Ingeniería de las Reacciones Químicas", Ed. Reverte S.A.,
Barcelona, Buenos Aires, 1981.
[10] MACHACA, G., L., F., “Análisis, Diseño y Construcción del Reactor
Catalítico de Lecho Fijo a nivel banco para la obtención de derivados de etanol”,
Trabajo de Investigación presentado al VRI_UNAC, Callao-Perú, 2005.
[11] PAVLOV, B., Y TERENTICV, A., “Curso de Química orgánica”, 2º Ed.
45,46, 1970.
[12] ROSE, H. J., Chemical Reactor Desing for Process plants 2V, John Wiley &
Sons. New Cork 1977.
[13] ROSE, H. J.,
Chemical Reactor Desing in Practice. Elsevier Scientific
Publishing co. Amsterdam.
[14] SMITH, J. M. "Ingeniería de la Cinética Química", Ed .CECSA, Nueva
Edición, México 1987.
[15] SCHERRER, R., Y BEATTY, H., “ A general convertion
of phenols a
anilines”, Journal of organic chemical, pag. 1681-1690, 1972.
[16] WALAS S. M. "Cinética de la Reacciones Químicas", Ed. McGraw-Hill
Company, Inc., Nueva York, 1979.
[17] http: jyotichem.tripod.com/ products. html.
VII. APENDICE.
SILABO DEL CURSO.
“INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS II”
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
SILABO
L- DATOS GENERALES.
1.1. Asignatura
:
INGENIERIA DE LAS REACCIONES
QUIMICAS II
1.2. Código del curso
:
IG 504 - 01Q
1.3. Semestre Académico
:
2009-B
1.4. Ciclo Académico
:
Noveno
1.5. Número de Créditos
:
04
1.6. Horas Teóricas
:
03
Ma 16,17,18 Aula 202-C
1.7. Horas Practicas
:
03
Ju 16,17,18
Aula 203-C
1.8. Duración de la Asignatura:
17 semanas
1.9. Pre-Requisitos
:
Ingeniería de las Reacciones Químicas I
1.10. Profesor del Curso
:
ING° LEONARDO MACHACA GONZALES
I. SUMILLA
Continua con el desarrollo del análisis y diseño de reactores químicos iniciado en el
curso de Ingeniería de las Reacciones Químicas I, debido a la importancia crucial de la
cinética heterogénea catalítica y no catalítica, y del comportamiento de los reactores
heterogéneos multifasicos que se presentan en los procesos industriales reales. Resulta
conveniente remarcar que el curso-ofrece todo estos principios y fundamentos a los
alumnos del noveno ciclo de Ingeniería Química.
En las primeras semanas, se presenta la introducción de los conceptos generales que
fundamentan las reacciones heterogéneas globales y el establecimiento de las
condiciones para que la reacción sea posible a escala industrial, relacionando la cinética
de las reacciones heterogéneas catalíticas y no catalíticas, y formulando la velocidad
intrínseca de la reacción, para luego aplicar estos conocimientos en el diseño y análisis
de diferentes tipos comunes de reactores heterogéneos catalíticos y no catalíticos,
reactores multifasicos a nivel laboratorio y a escala industrial.
Síntesis del contenido.
Cinética de las Reacciones Heterogéneas: Catalíticas y no catalíticas. Reactores
catalíticos: de Laboratorio e Industriales. Análisis y Diseño de reactores catalíticos de
lecho fijo y móvil. Análisis y Diseño de Reactores no catalíticos. Diseño de reactores
multifasicos catalíticos.
III. OBJETIVOS.
3.1. OBJETIVOS GENERALES
 Proveer al Ingeniero químico las herramientas necesarias para comprender, analizar,
diseñar y evaluar los diferentes tipos de reactores químicos heterogéneos catalíticos
y no catalíticos, prevista primordialmente para el estudiante, y se espera también
resulte útil para el Ingeniero en actividad.
 Enseñar a los estudiantes los fundamentos de la cinética de las reacciones
heterogénea
 catalítica y no catalíticas, y los principios de diseño y proyecciones de reactores
químicos
 heterogéneos catalíticos y no catalíticos para efectuar las reacciones a escala
industrial, basándose en el examen de ejemplos y la solución de problemas
concretos..
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS
 Analizar los conceptos básicos de la catálisis heterogénea, procesos catalíticos y no
catalíticos y no catalíticos.
 Estudiar y analizar la cinética química de las reacciones heterogéneas catalíticas y
no catalíticas.
 Analizar y diseñar reactores catalíticos de laboratorio e industriales.
 Analizar y diseñar reactores heterogéneos no catalíticos.
 Preparar y dejar listo al estudiante para la tarea de analizar, diseñar, implementar
reactores heterogéneos catalíticos y no catalíticos en los procesos industriales.
3.4. DESTREZA Y HABILIDADES
Al término del curso, el estudiante debe ser capaz de utilizar las expresiones de la
cinética heterogénea catalítica y no catalítica para la concepción de reactores
heterogéneos de amplia aplicación en la industria de los procesos heterogéneos
catalíticos y no catalíticos. Para tal efecto, se utilizaran procedimientos matemáticos
tanto analíticos como numéricos, de ser posible recurriendo el use de computadoras, a
base de los lenguajes necesarios para la solución de problemas fundamentales de diseño
IV. PROGRAMA ANALITICO
Primera Semana
Introducción, Procesos catalíticos químicos y bioquímicas, Etapas del Proceso
Catalítico químicos, bioquímicas, electroquímicos. Fundamentos.
Segunda Semana
Catálisis heterogénea. Catálisis enzimático. Catalizadores, fundamento, clasificación,
componentes, agentes y promotores catalíticos, atributos y diseño del catalizador.
Tercera Semana
Preparación y caracterización de catalizadores, procesos principales en la producción de
catalizadores. Absorción física y química. Isotermas de absorción y modelos de
absorción.
Cuarta Semana
Propiedades físicas del catalizador y su determinación. Superficie especifica. Volumen
y radio de poros, porosidad. Distribución de tamaños de poros. Ilustraciones.
Quinta Semana
Cinética de las reacciones catalíticas heterogéneas. Etapas físicas y químicos.
Etapa química : Modelos cinéticos. Modelos de Langmuir- Hinshelwood. Modelo de
Langmuir- Hinshelwood- Hougen- Watson. Modelo de Eley Rideal.
Sexta Semana
Etapas físicas: transporte interna y externa de materia y calor en catalizadores porosos.
Determinación de difusividad efectiva. Modelo de Dusty Gas, modelo de Bosanquet
Ilustraciones.
Setima Semana
Factor de efectividad, Modulo de Thiele, modulo de Thiele Genaralizado, modulo de
Weisz Pratter. Influencia en la velocidad de reacción y selectividad. Transferencia de
masa en el exterior e interior de la partícula catalítica, factores de efectividades global,
interno y externo isotérmico. Ilustraciones.
Octava Semana
Transferencia de materia y de calor en el exterior e interior de la partícula catalítica no
isotérmico. Factores de efectividad interno, externo, y global no isotérmicos.
Ilustraciones. Catalizadores monolíticos. Reactores catalíticos de laboratorios: Integral,
Diferencial. Interpretación de datos cinéticos. Ilustraciones
Examen Parcial
Novena Semana
Reactores catalíticos industriales. Clasificación y descripción.
Análisis y diseño de reactores catalíticos. Fundamento de diseño. Procedimiento de
Diseño Décima Semana
Diseño de reactores de lecho fijo: modelos unidimensional de flujo pistón axial con
cinética pseudo homogénea. Ilustraciones.
Modelos unidimensional de flujo pistón axial con cinética heterogénea. Ilustraciones.
Décima Primera Semana
Análisis y diseño de reactores catalíticos de lecho fijo y lecho móvil trifásico. Análisis y
diseño de Reactores Trickle Beds. Ilustraciones.
Décima Segunda Semana
Análisis y diseño de Reactores Slurry. Ilustraciones. Análisis de diseño de Reactores de
lecho fluidizado. Características.
Décima Tercera Semana
Transporte de masa y calor modelo bifásico. Modelo de Kunni-Levenspiel. Ilustraciones
Procesos heterogéneos no catalíticos Fluido-fluido y fluido – sólido.
Décima Cuarta Semana
Análisis de reacciones y diseño de reactores no catalíticos: Cinética de las reacciones
fluido- fluido(gas-liquido). Modelos cinéticos de absorción con reacción química
Reacciones rápidas y lentas. Ilustraciones.
Décima Quinta Semana
Análisis y diseño de Reactores gas-liquido
Cinética de las reacciones gas-sólido. Modelo del núcleo no reaccionado. Control por
difusión a través del film gaseoso, ceniza o reacción química. Ilustraciones.
Décima Sexta Semana
Análisis y diseño de Reactores fluido-sólido. Tipos de reactores. Modelos de diseño.
Ilustraciones
Décima Séptima Semana
Examen Final
Examen sustitutorio.
V.
PROCEDIMIENTOS DIDÁCTICOS.
5.1. Clase Magistral.
La enseñanza es mediante la exposición teórica y practica con ilustraciones reales.
Visitas a Plantas Industriales.
VI.
EQUIPOS Y MATERIALES.
6.1. Materiales: Tizas, separatas, transparencias, gráficos.
6.2. Equipos: Retroproyector de vistas opacas y de transparencias.
VII.
SISTEMA DE EVALUACION.
Sistema de Evaluación es a través de pruebas escritas (2) y practicas calificadas y
domiciliarias:
Examen Parcial (peso1, EP)
Examen Final (peso2, 2EF)
Promedio Prácticas (peso1, PP)
PROMEDIO = 1 EP + 1PP + 2EF
4
El examen sustitutorio, sustituye la nota más baja entre el examen parcial o final y
abarca el integro de la Asignatura. Solamente serán permitidas al examen sustitutorio
los estudiantes que obtengan el promedio 05 y tengan la posibilidad de aprobar.
Asimismo los alumnos que obtengan promedios menores a 05 se pondrá NO SE
PRESENTO
La evaluación en las modalidades de curso dirigido y paralelo serán evaluados por dos
exámenes escrito parcial y final, y sustitutorio; y los estudiantes de la modalidad de
suficiencia serán evaluados mediante un examen escrito en el examen parcial, o final, o
sustitutorio. Los estudiantes que aprueben sin el examen sustitutorio serán bonificados
con dos puntos adicionales a su promedio final.
VIII. BIBLIOGRAFIA
Texto Base:
Smith, J.M. "Ingeniería de la Cinética Química", Ed .CECSA, Nueva Edición, México
1987.
Levenspiel, O. "Ingeniería de las Reacciones Químicas", Ed. Reverte S.A., Barcelona,
Buenos Aires, 1981.
Textos Adicionales
 Froment, G. and Bischoff, K., "Chemical Reactor Analysis and Design", 2° edicion;
Ed. J. Wiley & Sons, Inc. New York, 1990
 Hollend, Ch. D. y Anthony, R. G., " Fundamentals of Chemical Reaction
Engineering", Ed. Prentice- Hall, Inc., Nueva Jersey, 1979.
 Hougen,O.A. y Watson, K.M., " Chemical Process Principles- Part Three- Kinetics
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Bellavista, Agosto del 2009