ingeniería de las reacciones químicas - UTN

I NGE NI E R Í A DE L AS R E ACCI ONE S QUÍ MI CAS
I ng. Qca. AL I CI A S UB I AGA – Pr ofesor Asociado
Avda 60 es q124 – T el / Fax (0221) 421 – 7578 / 482 - 4855
CAR R E R A
INGENIERÍA QUÍMICA
AS I GN AT U R A
I n gen i er í a de l as
R eacci on es Qu í m i cas
P R OGR AMA S I N T É T I CO
DI S EÑO CURRI CULAR: 1995
Cinética y tr ans fer encia de mas a.
Cinética heter ogénea.
Dis eño de r eactor es . I deales y
r eales .
Homogéneos y heter ogéneos . I ncluir
pr oces os biológicos y s ólido- s ólido.
ORDENANZ A C.S UP` . Nº 768/94
DE PART AMENT O: I NG. QUÍ MI CA
APROB ACI ÓN C A RES Nº
De la CURRI CULA X
ANUAL
ELECT I VA
1er . CUAT RI ME S T RE
2do. CUAT RI ME S T RE
X
NI VEL: 4* año ........................
T OT AL DE HORAS : 160..............
HORAS .S EMANALE S : 10............
OB S E R VACI ON E S
La materia se dicta en forma anual con una carga
horaria semanal de 5 horas
OB JE T I VOS DE L A AS I GNAT URA
Comprender las bases cinéticas necesarias para el diseño de los diferentes tipos de reactores.
Conocer , comprender, especificar y/o calcular distintos tipos de reactores.
VI GENCI A 1998
E QU I P O D OCE N T E
DI RECT OR DE CÁT EDRA :
I ng. Qca Alicia Noemí S ubiaga, Pr of. As ociado Or dinar io DS
NÚMERO DE DI VI S I ONES 1 - una
PROF ES OR A CARGO DE CADA DI VI S I ÓN: I ng. Qca. A. S ubiaga
JT P: I ng. Qca. Mar ia Pr imaver a Mons alvo
Ayudante de 1r a.: I ng. S antiago Ponce
AR T I CU L ACI ÓN CON OT R AS AS I GN AT U R AS
AS I GNAT URAS O CONOCI MI ENT OS CON QUE S E VI NCULA: F is icoquímica,
F enómenos de tr ans por te, Química I nor gánica, Anális is Matemático I y I I , F ís ica I y I I
CORRELAT I VAS PARA CURS AR
CURS ADAS : F ís icoquímica (17)
F enómenos de T r ans por te (18)
.APROB ADAS : Química inor gánica (9)
Anális is Matemático I I (10)
Fís ica I I (11)
CORRELAT I VAS PARA RENDI R EXAMEN FI NAL:
Apr obadas : F ís icoquímica (17)
F enómenos de T r ans por te (18)
B I B L I OGR AF Í A GE N E R AL
B ÄS I CA : Octave Levens piel. I ngenier ía de las Reacciones Químicas . Ed. REVE RT Ë.
Es paña. 1974
Far ina- F er r etti- B ar r eto. I ntr oducción al Dis eno de Reactor e Químicos . E d.
EUDEB A. Rca. Ar gentina. 1986
H. S cott Fogler . Elements of Chemical Reaction E ngineer ing. E d. Pr entice- Hall
I nter national. US A. 1992
COMPLEMENT ARI A: Cunningham- Lombar di. Fundamentos del Dis eño de Reactor es .
Ed. EUDE BA. Rca. Ar gentina 1978
J.M. S mith. I ngenier ía de la Cinética Química. Ed. CECS A. Méx ico 1998
James Car ber r y. I ngenier ía de las Reacciones Químicas y Catalíticas . Ed. Génes is .
Rca. Ar gentina. 1980
Revis tas T écnicas : Chemical E ngineer ing.
Chemical Pr occes ing, y otr as
D E S AR R OL L O
UNIDAD TEMÁTICA I
CONTENIDOS: Cinética en sistemas homogéneos. Introducción. Objetos de la cinética química.
Conceptos estequiométricos básicos. Definición de velocidad de reacción. Velocidad de reacción en
sistemas de volumen constante y de volumen variable. Grado de avance y conversión. Variables
que afectan la velocidad de reacción. Constante de velocidad de reacción. Nociones sobre
mecanismos de reacción. Reacciones simples y múltiples. Reacciones elementales y no elementales.
Nociones sobre mecanismos de reacción. Reacciones en serie y en paralelo. Selectividad.
Reacciones reversibles. Caracterización matemática de reacciones simples ( orden cero, uno, dos, tres
y fraccionario). Reacciones autocatalíticas. Modelos experimentales para la determinación de los
parámetros cinéticos. Técnicas para la interpretación de datos. Método integral y diferencial.
Análisis de la ecuación completa. Análisis parcial de la ecuación de velocidad. Método de
aislación. Método de las velocidades iniciales. Efecto de la temperatura sobre la velocidad de
reacción. Expresión de Arrhenious. Cálculo de la energía de activación. Teorías moleculares de la
cinética de reacción química. Teoría de la colisión. Teoría del estado de transición ( complejo
activado).
TIEMPO ASIGNADO: 7 semanas. 35 horas
OBJETIVOS DE LA UT: Se busca relacionar la estequiometría de la reacción, la molecularidad y en
función de una propiedad fácilmente medible obtener la expresión de velocidad de reacción mediante los
parámetros: Propiedad a seguir, orden y constante cinética de reacción.
El objetivo es despertar el espíritu de observación del transcurso de una reacción, ordenar sus cambios,
manipular los datos de laboratorio, elaborar la forma de obtenerlos y representar los resultados.
MATERIALES CURRICULARES: Cap. 1-2 y 3 Levenspiel- Práctica de laboratorio- se adjunta en
disquete.
UNI DAD T E MÁT I CA I I
CONT ENI DOS : Reacciones Fluido-sólido no catalíticas. Selección de un modelo. Velocidad de
reacción para partículas que no cambian de tamaño (control en película externa, control en cenizas,
control químico). Velocidad de reacción para partículas que disminuyen de tamaño ( control
químico, control de película gaseosa ). Combinación de resistencias. Determinación de la etapa
controlante.
T I EMPO AS I GNADO: 3 semanas. 15 horas
OB JE T I VOS DE LA UNI DAD T EMÁT I CA: Promover al alumno a la aplicación de los conceptos de
UT I a reacciones sólido-fluido, desarrollar en el mismo la búsqueda de reacciones donde aplicar
estos principios. .
MAT ERI ALE S CURRI CULARES : Cap, 12 Levenspiel – excluye aplicación al diseño.
UNI DAD T E MÁT I CA I I I
CONT ENI DO: Reacciones heterogéneas fluido-fluido. Consideraciones generales. Ecuación de
velocidad. Control de transferencia de masa. Control químico. Combinación de resistencias. Caos
límite. Factor de reacción. Modelo de Van Krevelen para distintos órdenes y pseudo órdenes.
Control pelicular en fase fluída. Cálculo de coeficientes, película de transferencia de masa.
Correlaciones.
T I EMPO AS I GNADO: 3 semanas. 15 horas
OB JE T I VO DE LA UNI DAD: Aplicar al concepto de velocidad de reacción, el de solubilidad y
difusión de los reactantes a utilizar como método de separación.
MAT ERI ALE S CURRI CULARES : Cap. 13 Levenspiel.
UNI DAD T E MÁT I CA I V
CONT ENI DO: Sistema de un solo reactor ideal. Definición y clasificación de los reactores químicos.
Reactores tanque y tubulares. Diseño de reactores. Objetivos. Ecuaciones generales de diseño.
Modelo de flujo ideal, mezclado ideal y mezclado nulo. Simplificación de las ecuaciones de diseño:
tanque discontinuo idealmente agitado y flujo pistón ideal. Conversión. Reactores semicontinuos.
Comparación de tamaño de reactores/ gráficos. Adimensionalización de la ecuación de materia.
Número de Damkholer. Relación de tamaño de reactores para cinética arbitraria. Método gráfico.
T I EMPO AS I GNADO: 3 semanas. 15 horas
OB JE T I VO DE LA UNI DAD T EMÁT I CA: Vincular la expresiones de velocidad de reacción al diseño
del recipiente adecuado para realizar la misma a nivel de laboratorio o industrial
MAT ERI ALE S CURRI CULARES : Cap. 4- 5 Levenspiel
Cap 6- 7 Farina
UNI DAD T EMÁT I CA V
CONT ENI DO: Sistema de reactores ideales múltiples. Reacciones ideales conectados en serie y en
paralelo. Reacciones de primer orden. Reacciones de segundo orden. Gráficos. Tanques continuos
idealmente agitados conectados en serie de diferente tamaño. Determinación del sistema óptimo para
una conversión dada. Método gráfico. Disposición más adecuada de un sistema de reactores ideales.
T I EMPO AS I GNADO: 2 semanas. 10 horas.
OB JE T I VO DE LA UNI DAD T AMÁT I CA: Combinar los conocimiento para elaborar un procedimiento
de operación para reacciones especiales donde se plantea la necesidad de trabajar con equipos múltiples, ya
sea por razones de costo o rendimiento.
MAT ERI ALE S CURRI CULARES : Cap. 6 Levens piel
UNI DAD T E MÁT I CA VI
CONT ENI DO: Reactor con recirculación. Flujo pistón ideal con recirculación sin separación. Relación
de reciclo. Relación entre conversión de entrada y de salida. Método gráfico.
T I EMPO AS I GNADO: 1 semana. 5 horas.
OB JE T I VOS DE LA UNI DAD: Proporcionar los elementos necesarios para lograr un mayor rendimiento
del producto deseado a igual costo de equipamiento.
MAT ERI ALE S CURRI CULARES : Cap. 6 Levenspiel
UNI DAD T E MÁT I CA VI I
CONT ENI DO: Reactores no isotérmicos. Planteo de la ecuación de energía,.. reactores adiabáticos.
Relación entre temperatura y conversión. Autotermia en reactores flujo pistón y tanque continuo
idealmente agitado. Método iterativo. Secuencia de cálculo.
T I EMPO AS I GNADO: 4 semanas. 20 horas
OB JE T I VOS DE LA UNI DAD: Articular el balance de materia y energía a una reacción, proporcionando
los conocimientos para una evaluación de los equipos adecuados.
MAT ERI ALE S CURRI CULARES : Cap. 8 Levenspiel
UNI DAD T E MÁT I CA 8
CONT ENI DO: Diseño de reactores no ideales. Distribución de tiempos de residencia. Curva I y E.
Métodos experimentales estímulo-respuesta. Pulso-escalón. Curvas C y F. Realción entre las distintas
curvas. Respuesta estímulo para sistemas de flujo ideales y no ideales. Parámetros de
caracterización de distribuciones. Media y varianza. Utilización de la información de la distribución.
Sistemas lineales y no lineales, con y sin modelo de flujo. Cálculo de la concentración de salida
para sistemas lineales. Modelo de flujo no ideal. Modelo de flujo segregado. Modelo de dispersión.
Modelos combinados de Charlotte y Cloutier y de tanque continuo en serie.
T I EMPO AS I GNADO: 5 semana. 25 horas.
OB JE T I VOS DE LA UNI DAD: Proporcionar las herramientas adecuadas para propiciar y promover
en el futuro profesional la necesidad de articular los cálculos de diseño ideal al diseño real del
reactor. Intuir la importancia de la experiencia en el momento de tomar decisiones para el diseño
final del reactor
MAT ERI ALE S CURRI CULARES : Cap. 9 Levenspiel
Cap. 11 Farina
Cap. 14 Fogler
P L AN I F I CACI ÓN D E CÁT E D R A
CR ON OGR AMA
U N I D AD Y / O T E MA
ACT I VI D AD E S
1-Presentación de la materia. Docentes. Clase expositiva.
Bibliografía. Evaluación. Trabajos prácticos. Introducción al estudio de las
Reacciones químicas
Clasificación de las reacciones químicas Clase expositiva
Velocidad de reacción. Reacciones ele-
T I E MP O
1 semana
1 semana
mentales y no elementales.
Orden de reacción. Molecularidad. Mecanismos
Clase expositiva
de
y problemas
nismos de reacción. constante cinética
y orden de reacción.
Método integral y método diferencial
Clase expositiva y técnicas grupales
Aplicación de lo visto
Técnicas grupales de práctica
Dependencia de la velocidad con la
Clase expositiva y problemas
temperatura. Arrhenius
Análisis de datos de laboratorio
Clase expositiva y problemas
2-Reacciones sólido-fluido no catalizadasClase expositiva
Modelos de reacción.
Modelos para obtener las expresiones deClase expositiva y técnicas grupales
velocidad de reacción para partículas
que no cambian de tamaño.
½ y ½ semana
½ y ½ semana
1 semana
½ y ½ semana
½ y ½ semana
1 semana
½ y ½ semana
Modelos para obtener las expresiones Clase expositiva y técnicas grupales
de velocidad de reacción para partículas que cambian de tamaño.
3-Reacciones fluido-fluido. Consideracio-Clase expositiva y técnicas grupales
nes generales. Ecuación de velocidad.
Control químico. Combinación de resistencias.
Modelo de Van Krevelen
Clase expositiva y técnica grupales
Aplicación al diseño
Técnica grupal. Interp. De textos
.
CONSULTAS y 1er PARCIAL
½ y ½ semana
4-Sistema de un solo reactor ideal.
Clase expositiva
Clasificación. Ecuaciones generales de
diseño de reactores discontínuo
.
Tiempo de residencia. Ecuaciones de di- Clase expositiva y problemas
seño para reactor contínuo tipo tanque.
Ecuación de diseno para reactor conti- Clase expositiva y técnicas grupales
nuo tubular.
5-Sistema de reactores ideales múltiples.Clase expositiva y problemas
En serie y en paralelo.
Determinación del sistema óptimo para Clase expositiva y técnicas grupales
una conversión dada. Disposición más
adecuada de un sistema de reactores
ideales.
CONSULTAS Y RECUPERATORIO
.
1er Parcial
.
Reactores con recirculación. Flujo
Clase expositiva y técnicas grupales
Pistón ideal con recirculación. Relación
de reciclo. Relación entre conversión de
entrada y de salida
7-Reactores no isotérmicos Balance de Clase expositiva y técnicas grupales
1 semana
½ y ½ semana
½ y ½ semana
1 semana
1 semana
½ y ½ semana.
½ y ½ semana
½ y ½ semana
½ y ½ semana
1 semana
½ y ½ semana
½ y ½ semana
energía.
Relación entre temperatura y conversión Clase expositiva y técnicas grupales.
Autotermia aplicada a distintos reactorasClase expositiva y técnicas grupales
Reactores adiabáticos y no adiabáticos. Clase expositiva y tecnicas grupales
8-Diseño de reactores no ideales. Distri- Clase expositiva y técnicas grupales
bución de tiempos de residencia.
Curvas estímulo-respuesta, pulso-esca- Clase expositiva y técnicas grupales
lón.
PRÁCTICA DE LABORATORIO.
Sistemas lineales y no lineales con y sin m
Clase expositiva y técnicas grupales
Modelo de flujo, cálculo de la concentración de salida para sistemas lineales.
Modelo de dispersión. Modelos combina-Clase expositiva y técnicas grupales.
dos de Charlotte y Cloutier y de tanque
Contínuo en serie.
CONSULTAS y 2do PARCIAL
CONSULTAS Y RECUPERATORIO
2do Parcial
½ y ½ semana
½ y ½ semana
½ y ½ semana
½ y ½ semana
1 semana
1 semana
½ y ½ semana
1 semana
1 semana
1 semana
Clases expositivas: 15,5 semanas
Seminarios y problemas: 9,5 semanas
Prácticas de laboratorio: 3 semanas
Consultas: 2 semanas
Parciales: 2 semanas
P L AN I F I CACI ÓN D E CÁT E D R A
ME T OD OL OGÍ A D I D ÁCT I CA
Las clases se desarrollan presentando cada tema en forma expositiva, seguida de desarrollo de
problemas cuya resolución se realiza en forma conjunta con los docentes asignados a la parte
práctica o en forma de seminarios donde cada alumno lo resuelve en forma particular o en grupo.
Para la resolución pueden auxiliarse con el empleo de programas de computación vistos en cursos
anteriores.
Se realizan prácticas de laboratorio donde el alumno desarrolla las mismas, presentando los
resultados con los gráficos pertinentes.
E VAL U ACI ÓN
El aprendizaje del alumno se observa durante todo el período lectivo a través del avance
en el desempeño de la resolución de los trabajos, el comportamiento en el desarrollo de
técnicas grupales, y en los exámenes parciales, cuyos resultados son analizados en clase
para una evaluación enseñanza-aprendizaje.
La aprobación se realiza por el método de examen final
R E CU R S OS AU XI L I AR E S N E CE S AR I OS
Tiza-pizarrón, proyector, transparencias, guías, computadoras, manuales de la especialidad.