UNLP
Planilla de Actividades Curriculares
Código: Q0830
Ingeniería de Reactores Heterogéneos
Última Actualización de la Asignatura: 17/11/2016

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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:
5to 10º
-

CORRELATIVIDADES
Ingeniería Química - Plan 2002
PARA CURSAR PARA PROMOCIONAR
-
-

INFORMACIÓN GENERAL 

Área: Ingenieria de las reacciones quimicas
Departamento: Quimica

Ingeniería Química - 2002 plegar-desplegar

Tipificación: Tecnologicas Aplicadas

CARGA HORARIA

HORAS CLASE
TOTALES: 64hs SEMANALES: 4 hs
TEORÍA
-
PRÁCTICA
-
TEORÍA
4 hs
PRÁCTICA
0 hs

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

TOTALES CON FORMACIÓN PRÁCTICA: 80 hs

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

-

PRÁCTICA

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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

OBJETIVOS

Extender los conceptos de transferencia de materia y calor con reacción catalítica heterogénea acoplada a sistemas que involucran múltiples reacciones y con superficies catalíticas no ideales, incluyendo pérdida de actividad de la misma.Presentar modelos y criterios de diseño para reactores de lecho fijo con flujo monofásico, en particular para procesos con gran desarrollo de calor.Introducir al alumno al análisis y diseño de reactores catalíticos de lecho fluidizado, de lecho transportado y de pared catalítica, con flujo monofásico.Presentar las bases conceptuales para el estudio y análisis de reactores con flujo bifásico: reactores de lecho fijo con flujo ascendente y descendente y reactores agitados con catalizador en suspensión. Presentar las características y principales aplicaciones de reactores catalíticos multifuncionales: reactores de membrana y columnas de destilación reactiva.Describir los tipos de reactores catalíticos de laboratorio mas usuales.

PROGRAMA SINTÉTICO

? Unidad I: Cinética catalítica en superficies no uniformes y para reacciones múltiples. Cinética de desactivación de catalizadores.? Unidad II: Transferencia de materia y reaccion química en sistemas con reacciones complejas. El Factor de efectividad ? Unidad II: Transferencia de materia y reaccion química en sistemas con reacciones complejas. El Factor de efectividad.? Unidad III: Modelos para la representación del comportamiento de reactores catalíticos multitubulares con intercambio térmico.? Unidad IV: Criterios de diseño, selección y operación de reactores de lecho fijo con flujo monofásico.? Unidad V: Reactores catalíticos de lecho fluidizado y de lecho transportado. Operación y características. Regímenes. Reactores catalíticos con flujo bifásico: de lecho fijo con flujo ascendente o descendente. Reactores agitados con catalizador en suspensión. Descripción de aplicaciones.? Unidad VI: Reactores de pared catalítica. Descripción y aplicaciones.Reactores multifuncionales: descripción y aplicaciones de los reactores más usuales: columna de destilación reactiva y reactores de membrana? Unidad VII: Reactores de laboratorio. Características y utilización. Descripción de la información que permiten obtener.

PROGRAMA ANALÍTICO 

Año: 2017, semestre: 1

Vigencia: 01/02/2002 - Actualidad

* UNIDAD I:

CINÉTICA CATALÍTICA EN SUPERFICIES NO UNIFORMES

Consideraciones preliminares para el caso de superficies uniformes. Etapas elementales que involucran mas de una especie superficial. Frecuencia de rotación, dispersión metálica y tamaño de partícula. Reacciones con dos etapas elementales limitantes en superficies ideales; tratamiento de Temkin-Boudart; Concepto de especie superficial más abundante; Ejemplos.Reacciones sobre superficies no-uniformes; tratamiento para una reacción lineal de dos etapas; relación de Bronsted y planteo de Evans-Polanyi.Optimo valor de la afinidad. Extensión al caso de adsorción en sitios múltiples; etapa controlante en superficies no-uniformes; ejemplos.

CINÉTICA CATALÍTICA PARA REACCIONES MÚLTIPLES

Concepto de rutas de reacción linealmente independiente aprtir de un mecanismo de reacción. Determinación de las velocidades para las rutas y para las reacciones catalíticas; aplicaciones.

CINÉTICA DE DESACTIVACIÓN DE CATALIZADORES.

Origen de la desactivación en catalizadores. Posibilidad de regeneración del catalizador. Mecanismos básicos de desactivación: desactivación en paralelo, desactivación en serie, desactivación por impureza, desactivación independiente. Efectos de la difusión intraparticular. Cinética efectiva de desactivación; ajuste mediante orden de desactivación efectivo; identificación experimental.

* UNIDAD II:

REACCIONES MÚLTIPLES EN PROCESOS CATALÍTICOS.

Reacciones múltiples en catalizadores sólidos. Ejemplos. Planteo general. Reacciones múltiples independientes, en paralelo y en serie. Análisis de la influencia del transporte de materia sobre la selectividad en reacciones múltiples. Resistencia al transporte de materia en el medio poroso y en el exterior de la pastilla. Estudio de la influencia de las resistencias a la transferencia simultánea de calor y materia en reacciones catalíticas múltiples.

IMPREGNACIÓN NO UNIFORME DE LA PASTILLA CATALÍTICA

Impregnación no uniforme de la pastilla catalítica. Perfiles de concentración. Aplicaciones a los casos de reacción única y de reacciones múltiples. Influencia sobre la selectividad en reacciones múltiples.

* UNIDAD III:

MODELOS DE REACTORES CATALITICOS DE LECHO FIJO

Modelado de reactores catalíticos de lecho fijo adiabáticos y con intercambio térmico a través de las paredes. Modelos unidimensionales y bidimensionales. Modelos pseudohomogéneo y heterogéneos. Criterios de comparación de modelos. Modelos unidimensionales perfeccionados. Evaluación de parámetros básicos de transferencia de calor. Correlaciones. Relación entre los parámetros de transferencia de calor de cada modelo. Comparación de modelos heterogéneos unidimensionales y bidimensional. Comparación de modelos heterogéneos y pseudohomogéneos. Criterios para la utilización de cada modelo. Sensibilidad paramétrica en reactores catalíticos heterogéneos.

* UNIDAD IV:

CRITERIOS DE DISEÑO, SELECCIÓN Y OPERACIÓN DE REACTORES DE LECHO FIJO

Estrategia de diseño; variables de decisión, especificaciones y restricciones, vínculos. Criterios para establecer la configuración del sistema de reacción y para la establecer las variables introducidas por las corrientes de alimentación de reactivos y fluídos de intercambio de calor, por el catalizador y por la geometría de los recipientes y sistema de intercambio de calor. Costos de recipientes y de compresión. Ejemplos para determinar en forma óptima las variables geométricas.

CRITERIOS PARA DEFINIR NIVELES DE TEMPERATURA ÓPTIMA

Sistemas de lechos adiabáticos en serie y con recirculación. Reactores multitubulares: operaciones con intercambio en cocorriente y contracorriente, autérmicas o con fluído de intercambio, con o sin precalentamiento. Efecto de la circulación del fluído en la carcaza. Principio de optimalidad para establecer perfiles óptimos de temperatura

* UNIDAD V:

REACTORES CATALÍTICOS DE LECHO FLUIDIZADO Y DE LECHO TRANSPORTADO.

Generalidades sobre las características y operación de lechos fluidizados por gas. Pérdida de carga y balance de fuerzas en el lecho. Velocidad de mínima fluidización. Tipos de fluidización: uniforme y agregativa. Expansión del lecho fluidizado. Velocidad de mínimo burbujeo. Fase densa y fase "burbuja". Clasificación de Geldart de las partículas y regímenes de fluidización posibles: Régimen "slug", burbujeo, fluidización turbulenta, transporte neumático. Características térmicas y transferencia de calor hacia elementos sumergidos. Modelización de reactores de lecho fluidizado. Ejemplos. Cracking catalítico. Combustión de carbón.

REACTORES CATALÍTICOS CON FLUJO BIFÁSICO.

Reactor de lecho fijo con flujo bifásico descendente ("trickle bed"). Regímenes de flujo. Pérdida de carga y retención líquida. Distribución de fases fluidas. Transferencia de materia gas-líquido y líquido-sólido. Modelización. Ejemplos.
Reactor de lecho fijo con flujo bifásico ascendente. Regímenes de flujo, pérdida de carga y retención líquida. Transferencia de materia gas-líquido y líquido-sólido.
Reactores agitados con catalizador en suspensión (Reactores tipo "slurry"). Características principales. Modelización. Descripción de aplicaciones.

* UNIDAD VI:

REACTORES DE PARED CATALÍTICA.
Características principales y ventajas con respecto a reactores con catalizador particulado. Aplicaciones para descontaminación de efluentes gaseosos; el caso de humos industriales y gases de salida de motores de combustión interna; aplicación en la combustión catalítica.

REACTORES MULTIFUNCIONALES

Columnas de destilación reactiva. Reacciones con limitaciones termodinámicas, caso de la síntesis de éteres y ésteres. Otras aplicaciones. Configuración para el relleno catalítico.
Reactores de membrana; descripción y características; usos mas frecuentes: selectividad por diferencia de permebilidad, como moderador para reacciones fuertemente exotérmicas.

* UNIDAD VII:

REACTORES DE LABORATORIO

Reactores de laboratorio para determinaciones cinéticas de reacciones catalíticas.El efecto de las limitaciones al transporte de materia y energía.Modos de operación: discontinuo, continuo, por pulso. Reactores con aproximación al mezclado perfecto: con catalizador en suspensión (tipo "slurry"), con catalizador en canasta rotatoria (tipo Carberry), reactor con lecho fijo y recirculación interna (tipo Berty).
Reactores tipo tubular: de un solo paso con modalidad integral o diferencial; técnicas para lograr operación isotérmica; reactores con recirculación externa.
Reactores fluidizados: reactor fluidizado con reciclo interno (tipo Kraemer-deLasa).
Calidad de la información obtenida y tratamiento de la misma.


BIBLIOGRAFÍA

Año: 2017, semestre: 1

Vigencia: 01/02/2002 - Actualidad



• Farina, I. H., Ferretti, O. A., Barreto, G. F., “Introducción al Diseño de Reactores Químicos”, EUDEBA, 1986 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química).
• Barreto, G. F., Martínez, O. M. y Mazza, G. D. “Modelado de Reactores Catalíticos de Lecho Fijo”, Apunte del Area Ingeniería de las Reacciones Químicas, Departamento de Ing. Química, UNLP, 1996 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química).
• Barreto, G. F., “Diseño de Reactores Catalíticos de Lecho Fijo”, Apunte del Area Ingeniería de las Reacciones Químicas, Departamento de Ing. Química, UNLP, 1993 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química).

Bibliografía complementaria:
• Barreto G. F., "Elementos de cinética catalítica", Facultad de Ingeniería, UNLP, 1995 (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).
• Kaštánek, F., Zahradník, J., Kratochvíl, J. and. , “Chemical Reactors for gas-liquid systems”, ELLIS HORWOOD Series in Chem.Engineering, 1993 (Biblioteca del Dpto. de Ingeniería Química).
• Westerterp, K. R., Van Swaaij, W. P. M., Beenackers, A.A.C.M., “Chemical Reactor Design and Operation”, Wiley, 1990 (Biblioteca del CINDECA).
• Elnashaie S. S. E. H., Elshishini S. S., “Modelling, Simulation and Optimization of Industrial Fixed Bed Catalytic Reactors”, Gordon and Breach Sci. Publishers, 1993 (Biblioteca del Depto. de Ingeniería Química).
• Rase, H. F., “Fixed-Bed Reactor Design and Diagnostics. Gas Phase Reactions”, Butterworths, 1990 (Biblioteca del CINDECA).

ACTIVIDADES PRÁCTICAS


METODOLOGÍA DE ENSEÑANZA

Esta asignatura constituye una extensión de la correlativa previa Ingeniería de las Reacciones Químicas II (344), en la cual se introdujeron los conceptos fundamentales para el estudio de procesos con reacción química en presencia de más de una fase y se desarrollaron las pautas para el diseño y operación de los tipos de reactores multifásicos más simples. Siendo el reactor químico una de los componentes esenciales de una planta química de procesos, y por lo tanto su estudio de radical importancia en la formación del Ingeniero Químico, y considerando que más del 80% de los procesos industriales emplean catalizadores en sus unidades de reacción, frecuentemente en presencia de más de una fase fluida, y que los reactores químicos se encuentran en permanente evolución, promovidos por el desarrollo de nuevos catalizadores, de nuevos procesos, de mayores exigencias de eficiencia por competitividad o por necesidad de disminuir efectos de contaminación medio-ambiental, la asignatura Ingeniería de Reactores Heterogéneos persigue las siguientes finalidades,- Extender los conceptos fundamentales de los procesos con reacción química heterogéneos a sistemas con más de una fase fluida y con reacciones múltiples.- Presentar modelos matemáticos que permitan simular el comportamiento de los reactores heterogéneos como herramienta de diseño o de análisis operativo.- Proporcionar criterios y pautas para la selección de variables operativas y geométricas de reactores heterogéneos, intentado posicionar al alumno frente a problemas realistas de decisión ingenieril.- Describir el funcionamiento y aplicaciones de los distintos tipos de reactores heterogéneos, incluyendo la nueva generación de reactores multifuncionales. 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 el 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.Dado la multiplicidad de aspectos y objetivos de la Asignatura, resulta conveniente la preparación de monografías que dispondrán los alumnos para el estudio y seguimiento de gran parte del curso, contándose además con textos de la especialidad que se podrán consultar, principalmente, en la biblioteca departamental o de la Facultad de Ingeniería. Los alumnos deberán resolver una cantidad de problemas de ejercitación que tendrán como propósitos principales la fijación de conceptos, el empleo de criterios y el adiestramiento en el manejo de los modelos matemáticos y su resolución, como herramienta para lograr los propósitos ingenieriles. La mayor proporción de los ejercicios involucrará un mínimo volumen de cálculo numérico por parte de los alumnos, mientras que seleccionarán algunos ejemplos que por la naturaleza de los modelos utilizados 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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