UNLP
Planilla de Actividades Curriculares
Código: Q0814
Ingeniería de las Reacciones Químicas II
Última Actualización de la Asignatura: 25/04/2017

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CARRERAS PARA LAS QUE SE DICTA

Carrera Plan Carácter Cantidad de Semanas Año Semestre
03030 - Ingeniería Química 2002 Obligatoria
Totales: 0
Clases:
Evaluaciones:
4to
-

CORRELATIVIDADES
Ingeniería Química - Plan 2002
PARA CURSAR PARA PROMOCIONAR
(Q0806) Termodinámica de Ingeniería Química II
(Q0807) Transferencia de Energía y Materia
(Q0808) Simulación de Procesos II
(Q0810) Ingeniería de las Reacciones Químicas I
(Q0810) Ingeniería de las Reacciones Químicas I

INFORMACIÓN GENERAL 

Área: Ingenieria de las reacciones quimicas
Departamento: Quimica

Ingeniería Química - 2002 plegar-desplegar

Tipificación: Tecnologicas Aplicadas

CARGA HORARIA

HORAS CLASE
TOTALES: 96hs SEMANALES: 6 hs
TEORÍA
-
PRÁCTICA
-
TEORÍA
4 hs
PRÁCTICA
2 hs

FORMACIÓN PRÁCTICA
Formación Experimental
0 hs
Resol. de Problemas abiertos
16 hs
Proyecto y Diseño
0 hs
PPS
8 hs

TOTALES CON FORMACIÓN PRÁCTICA: 120 hs

HORAS DE ESTUDIO ADICIONALES A LAS DE CLASE (NO ESCOLARIZADAS)
TEORÍA

-

PRÁCTICA

-


PLANTEL DOCENTE

Profesor Titular -  
Dr/a.Barreto, Guillermo Fernando   mail barreto@quimica.unlp.edu.ar

Profesor Adjunto -  
Dr/a.Bressa, Sergio Patricio   mail bressa@quimica.unlp.edu.ar

Jefe de Trabajos Prácticos -  
Dr/a.Cagnoli, María Virginia   mail mavic@quimica.unlp.edu.ar

Jefe de Trabajos Prácticos -  
Dr/a.Luzi, Carlos Daniel   mail carlos.luzi@ing.unlp.edu.ar

Ayudante Diplomado -  
Ing.Berardozzi, Eliana   mail eliana.berardozzi@gmail.com

Ayudante Alumno -  
Sr/aFaroux, Juan Manuel   mail juanmafaroux@gmail.com

OBJETIVOS

Lograr que el alumno adquiera los conceptos básicos para analizar los procesos simultáneos de transferencia de materia, transferencia de calor y reacción química en sistemas bifásicos. A partir de los mismos, el desarrollo de la asignatura se orienta a capacitar al alumno para el diseño y análisis de reactores fluído-fluído, fluído-sólido catalítico y fluído-sólido reactivo. Presentar los conceptos básicos de catálisis heterogénea, materiales catalíticos, su preparación y caracterización textural, adsorción química y física y su acoplamiento con la reacción química superficial.Introducir las causas de las desviaciones al comportamiento ideal en reactores homogéneos y bifásicos y plantear modelos fluido-dinámicos para la aproximación al comportamiento real.

PROGRAMA SINTÉTICO

- Unidad I: CatalizadoresCatalizadores sólidos, utilización, clasificación y tipo de reacciones que catalizan. Constituyentes de catalizadores industriales. Preparación. Adsorción física. Caracterización textural. - Unidad II: Fenómenos de superficie. Adsorción química. Isotermas de Langmuir y otras. Difusión en medios porosos. Mecanismos en reacciones catalíticas. Intermediarios. Hipótesis de LHHW para expresiones catalíticas.- Unidad III: Acoplamiento de fenómenos de transferencia de masa y calor y reacción catalíticaEnfoque fenomenológico. Factor de efectividad interno. El transporte externo; evaluación del factor de efectividad global. Reactores experimentales para determinar parámetros cinéticos- Unidad IV: Reactores catalíticosDescripción de tipos de reactores catalíticos para una o dos fases fluidas. Tipos de reactores de lecho fijo. Modelos unidimensionales para reactores de lecho fijo. Cálculo de los mismos.- Unidad V: Flujo no ideal en reactores químicosCausas del comportamiento no ideal. Distribución de tiempos de residencia y su caracterización me-diante técnicas de estímulo-respuesta. Modelos de flujo no ideal y su aplicación a los sistemas con reacción química.- Unidad VI: Reacciones gas-líquido. Acoplamiento de transferencia de masa y reacción química. Descripción del fenómeno. Modelo de las dos películas. Expresiones del factor de reacción. Otros modelos. Determinación de área interfa-cial.- Unidad VII: Reactores gas-líquido. Tipos de reactores G-L. Modelado y cálculo de columnas rellenas, tanques agitados y columnas de burbujeo.- Unidad VIII: Reacciones gas-sólido (no reactivo). Acoplamiento de transferencia de masa y reacción química. Descripción del fenómeno. Modelos para describir el consumo del sólido. Modelo del frente móvil. Relaciones conversión-tiempo.- Unidad IX: Reactores gas-sólido. Tipos de reactores G-S. Modelado y cálculo de reactores de lecho fijo, móvil y fluidizado.

PROGRAMA ANALÍTICO 

Año: 2017, semestre: 1

Vigencia: 01/02/2002 - Actualidad

Unidad I: CATALIZADORES SOLIDOS

Revisión del concepto de acción catalítica. Características de los catalizadores sólidos. Ventajas de la catálisis heterogénea. Utilización de catalizadores porosos. Clasificación de los catalizadores sólidos, su correlación con el tipo de reacciones químicas que catalizan y con la capacidad de conducción eléctrica: metales, óxidos de elementos de transición, ácidos. Constituyentes de catalizadores industriales. Técnicas de preparación de materiales catalíticos, catalizadores "másicos" y catalizadores "soportados". Promotores. Caracterización textural de materiales porosos (propiedades físicas fundamentales: porosidad, área específica, distribución de tamaño de poros, volumen específico de poros). Adsorción física. Agentes que afectan la actividad catalítica, vida útil de catalizadores. Conceptos básicos de desactivación y regeneración.

Unidad II: FENÓMENOS DE SUPERFICIE

Procesos de adsorción química sobre el sólido. Isotermas de Langmuir y otros tipos de isotermas. Procesos cinéticos que gobiernan la velocidad de reacción química global entre un fluido y un sólido poroso. Difusión en medios porosos. Tipos de control del proceso difusivo. Absorción química y reacción superficial: Mecanismos de reacción. Intermediarios. Expresiones de Langmuir-Hinshelwood-Hougen-Watson para la expresión cinética global.

Unidad III: ACOPLAMIENTO DE FENÓMENOS DE TRANSFERENCIA DE MASA Y CALOR Y REACCIÓN CATALÍTICA

Descripción fenomenológica. Expresión y dependencia de la velocidad de reacción efectiva. Factor de efectividad interno. Falseamiento de ordenes de reacción y energías de activación por efectos difusionales. El factor de efectividad generalizado, concepción y aplicabilidad. El transporte externo. Análisis de etapas controlantes. Evaluación del factor del factor de efectividad global. Fenómenos de Histéresis y multiplicidad de estados estacionarios. Criterios para despreciar efectos internos y/o externos. Determinación de parámetros cinéticos para reacciones catalizados por sólidos.

Unidad IV: REACTORES CATALITICOS

Descripción y clasificación de reactores catalíticos de lecho fijo para una única fase fluida. Aplicación de la hipótesis de flujo pistón. Modelos unidimensionales para reactores catalíticos de lecho fijo.: ecuaciones de balance de materia y energía y expresiones para la pérdida de carga. Coeficientes globales de transferencia de calor en lechos fijos. Análisis y diseño. Descripción de características y operación de otros tipos de reactores catalíticos.

Unidad V: FLUJO NO IDEAL EN REACTORES QUÍMICOS

Revisión de las hipótesis ideales de flujo. Causas del apartamiento de dichas hipótesis en sistemas reales: perfiles radiales de velocidad, variaciones axiales de velocidad (dispersión axia), efectos térmicos, cortocircuitos en sistemas tipo tanque agitado. Estrategia para abordar el estudio del problema de flujo no-ideal. Distribución de tiempos de residencia (DTR). Función densidad de tiempos de residencia. Función acumulativa de distribución de tiempos de residencia. Determinación experimental de la DTR: técnicas de estímulo-respuesta. DTR para flujos ideales. Ensayos con trazadores en lechos de pastillas porosas. Uso directo de la DTR: El Modelo de Segregación. Su aplicación a sistemas heterogéneos. El modelo de Dispersión Axial. Fenómenos factibles de ser representados por el modelo de dispersión axial. Correlación del coeficiente de dispersión axial. Estimación de la dispersión axial intrínseca en lechos fijos. Efecto sobre las reacciones químicas. Validez del modelo de flujo pistón y del modelo de dispersión axial. El modelo de Tanques Agitado en Serie.Comparación y equivalencia de Modelos no ideales.

Unidad VI: REACCIONES GAS-LÍQUIDO.

Descripción fenomenológica de reacciones gas-líquido. El Modelo de las dos Películas para representar el transporte de materia y energía entre las fases. Acoplamiento de transferencia de masa y reacción química. Balances de materia y energía según el modelo de la película. Dependencia de la velocidad de transferencia global de materia con parámetros del sistema: segundo número de Damckohler, retención líquida, relación de velocidades de difusión de las especies en fase líquida, órdenes de reacción. Enfoque pseudo-físico. Factor de Reacción: Soluciones aproximadas, analíticas para determinadas regiones y visualización gráfica. Formulación aproximada de van Kreveleen. Perfiles de composición. Tipos de control del proceso de transferencia global. Otros modelos fluidodinámicos: el modelo de la penetración, de la película-penetración y de la renovación superficial. Dependencia del coeficiente de transferencia de materia con la difusividad de la especie en función del modelo adoptado. Descripción de potenciales ventajas y o desventajas con relación al modelo de la película. Determinación de coeficientes de transferencia de materia en fase gaseosa, en fase líquida y del área interfacial para sistemas gas-líquido. Ejemplos.

Unidad VII: REACTORES GAS-LÍQUIDO.

Tipos de contactores Gas-líquido: Columnas de burbujeo. Columnas de platos. Columnas rellenas. Diseño y operación de columnas rellenas. Tipos de relleno. Correlaciones para coeficientes de transferencia. Area específica. Distribuidores de gas. Modelado y cálculo de columnas rellenas, tanques agitados y columnas de burbujeo. Ventajas de cada equipo y dificultades operativas. Casos y ejemplos de utilización. Lavadores de gases. "Scrubbers" Venturi y atomizadores. Equipos con agitación mecánica: Tanques agitados con burbujeo. Diseño y operación. Correlaciones para los coeficientes de transferencia y propiedades. Ventajas de su utilización. Tanques Agitados con burbujeo, operación semi-continua (sin extracción de líquido). Comparación de operaciones, criterios de selección del equipo. Ejemplos.

Unidad VIII: REACCIONES GAS-SÓLIDO (NO REACTIVO).

Descripción fenomenológica de la reacción entre componentes en fase fluida y en fase sólida. Procesos cinéticos que gobiernan la velocidad global de consumo del componente sólido. Etapas del fenómeno: transferencia de materia en la película que rodea al sólido, difusión en cenizas y reacción química. Modelos para representar cuantitativamente el fenómeno: El modelo del Consumo Asintótico, Modelo de la Conversión Progresiva y Modelo del Frente Móvil (o del Núcleo sin reaccionar). El caso real. Expresiones de la velocidad de consumo efectivo y relaciones conversión-tiempo a partir del Modelo del Frente Móvil. Regímenes y tipos de control del proceso global. Sólido de tamaño constante y caso de sólido que reacciona dando productos no adherentes. Determinación experimental de etapas controlantes. Propiedades efectivas y parámetros.

Unidad IX: REACTORES GAS-SÓLIDO (NO REACTIVO)

Tipos de reactores Gas-Sólido reactivo. Operación discontinua: reactores de lecho fijo. Operación Continua: reactores de lecho móvil y reactores de lecho fluidizado. Conceptos básicos para el tratamiento de sistemas fluidizados. Fluidodinámica del lecho. Modelos de flujo aplicables a cada caso. Modelización de reactores de lecho fijo, móvil y fluidiziado: formulación de balances de materia y energía. Análisis y diseño de reactores para el caso de tamaños de sólido uniforme y no uniforme. Referencia descriptiva a otros tipos de reactores. Cálculo de la producción. Análisis comparativo de las operaciones. Ventajas y desventajas de cada equipo.


BIBLIOGRAFÍA

Año: 2017, semestre: 1

Vigencia: 01/02/2002 - Actualidad



• Levenspiel, O., “Ingeniería de las Reacciones Químicas”, Segunda Edición, Editorial Reverté, 1988 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química)
• Farina, I. H., Ferretti, O. A., Barreto, G. F., “Introducción al Diseño de Reactores Químicos”, EUDEBA, 1986 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química)
• Levenspiel, O., “The Chemical Reactor Omnibook” , OSU Books Dist., ISBN 0-88246-170-2; existe versión traducida al castellano (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química.
• Fogler H. S., “Elements of Chemical Reaction Engineering”, Second Edition, Prentice Hall, 2000 (Biblioteca del Depto de Ingeniería Química).
• Smith, J. M., “Ingeniería de la Cinética Química”, CECSA, 3ª. Ed., 1986 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química).
• Santamaría, J. M., Herguido J., Menéndez M. A., Monzón A.,"Ingeniería de Reactores", Editorial Síntesis, 1999.
• Danckwerts, P. V., “Gas-liquid reactions”, Mc Graw-Hill, 1970 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química)
• Froment, G. F. and K. Bischoff., “Chemical Reactor Analysis and Design”, Second Edition, Ed. John Wiley & Sons., 1990 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química) .

ACTIVIDADES PRÁCTICAS


METODOLOGÍA DE ENSEÑANZA

Como primera finalidad, en esta asignatura se introducen un cierto número de conceptos esenciales para el tratamiento de reactores químicos heterogéneos. En primer lugar se presentan los mecanismos elementales de las reacciones sobre superficies sólidas, con la presencia de intermediarios adsorbidos sobre la superficie encargados de promover la reacción química. La interacción de procesos de transferencia de materia y calor a ambos lafos de interfases con la reacción química, a partir de lo cual resultan definidas las velocidades efectivas de reacción, constituye el segundo aspecto de relevancia. En tercer lugar se incorporan las velocidades efectivas en los balances de conservación de las corrientes fluídas y eventualmente de sólidos. En este punto se pone de manifiesto el enfoque global adoptado para el tratamiento de los sistemas heterogéneos: el análisis independiente en distintas escalas del sistema y su síntesis final para evaluar los cambios observables en el sistema. Existe una fuerte correlatividad con la asignatura previa Ingeniería de las Reacciones Químicas I (344), dado que se emplean los mismos modelos de flujo ideal para establecer los balances de conservación de materia y energía en las corrientes y se emplean similares criterios y pautas para el diseño y operación de unidades industriales de reacción. La segunda finalidad de la asignatura es la aplicación de la metodología de análisis a los sistemas heterogéneos mas simples, involucrando una sola interfase fluido-fluido o sólido-fluido. La práctica de la enseñanza indica que a los fines de consolidar los conceptos y su aplicación, resulta conveniente emplear casos simples, reduciendo la relevancia de los aspectos térmicos y asumiendo la existencia de una única reacción.Finalmente, un capítulo de la asignatura se destina a estudiar en forma crítica la validez de los modelos ideales de flujo, presentando la metodología para tal efectos y algunos modelos fluidodinámicos más elevarados que introducen parámetros de correción.En las clases teóricas-prácticas el profesor encargado expondrá los contenidos temáticos. El grado de detalle de la exposición dependerá del tema específico, manteniendo siempre un fuerte énfasis en los aspectos conceptuales. Para los planteos matemáticos se presentarán las suposiciones realizadas, pero solo se desarrollarán aquellos detalles que ayuden a visualizar el comportamiento de los sistemas. Durante las clases se promoverá la participación de los alumnos, evitando que resulten de tipo magistral. Se presentarán ejemplos resueltos para la vinculación de los aspectos prácticos con los conceptuales. Se emplearán medios de proyección para presentar el material gráfico, las ecuaciones necesarias y los puntos a enfatizar.Existen muy buenos textos acerca de esta asignatura, varios de los cuales se encuentran a disposición de los alumnos en la biblioteca departamental o de la Facultad de Ingeniería, para el estudio de los contenidos temáticos. El material de estudio disponible por los alumnos se complementará con notas preparadas por el personal docente sobre temas específicos. Los alumnos deberán resolver una cantidad de problemas de ejercitación que tendrán como propósitos principales la fijación de conceptos, el empleo de criterios y abordar los aspectos básicos de la resolución de las ecuaciones para los distintos ejemplos. La gran mayoría de los ejercicios involucrará un mínimo volumen de cálculo numérico por parte de los alumnos, mientras que se seleccionarán algunos ejemplos que por la naturaleza de las ecuaciones involucradas requieran del uso de técnicas de resolución más complejas. En estos casos, se proveerá al alumno con programas computacionales ya desarrollados. Se mantendrán clases de consulta con el objetivo principal de asistir a los alumnos en la resolución de los problemas de ejercitación, poniendo énfasis en los aspectos resolutivos, pero también señalando la vinculación con el desarrollo de las clases teórico-prácticas.

SISTEMA DE EVALUACIÓN

Se llevará a cabo conforme a las pautas y modalidades establecidas en la Ordenanza 28/02 de la Facultad de Ingeniería, aprobada por el HCA en su sesión ordinaria del 9 de Setiembre de 2002.

MATERIAL DIDÁCTICO


ACTIVIDAD LABORATORIO-CAMPO


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