Carrera: Ingeniero Químico Asignatura: Área del Conocimiento: Reactores I Licenciatura Ingeniero Químico Agosto 2010

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1 Carrera: Ingeniero Químico Asignatura: Reactores I Área del Conocimiento: Ingeniería Aplicada Generales de la Asignatura: Nombre de la Asignatura: Clave Asignatura: Nivel: Carrera: Frecuencia (h/semana): Teoría: Laboratorio: Total horas en el período escolar: Créditos: Fecha de Elaboración: Prerrequisitos: Termodinamica II Recomendaciones para cursarla: Reactores I Licenciatura Ingeniero Químico Agosto 2010 Objetivo general: Con base en la aplicación de los conceptos y modelos del equilibrio en sistemas con reacción química, y los modelos de velocidad de reacción obtenidos mediante el análisis de datos experimentales, el participante será capaz de formular y resolver las ecuaciones de balance de materia y energía para el análisis y/o diseño de equipo de reacción. Objetivos específicos: Conceptuales (conocimientos): El participante: Comprende, interpreta y explica los fundamentos teóricos, conceptos, definiciones y modelos que caracterizan el equilibrio y la cinética de las en sistemas con reacción química. Comprende interpreta y aplica los fundamentos conceptuales para la formulación de balances de materia y energía en sistemas con reacción química Pág. 1 de 13

2 Procedimentales (habilidades): El participante Formula y resuelve las ecuaciones que establecen las relaciones estequiometricas entre los componentes de un sistema de reacción Formula y resuelve, las relaciones y ecuaciones que permiten la predicción de la máxima extensión y conversión que es posible alcanzar en sistemas con reacción química en función de las condiciones especificas de operación Analiza mediante diferentes métodos, datos experimentales de velocidad de reacción y propone el modelo cinético que mejor los representa. Formula y resuelve las ecuaciones de balance de materia en sistemas con reacción química, conjuntamente con el modelo que representa la cinética de la reacción, para el análisis y/ o diseño de equipo de reacción Actitudinales (actitudes): Desarrollar en el alumno: Disposición para el aprendizaje, la búsqueda y análisis de información relevante. Responsabilidad en el cumplimiento de las actividades y tareas asignadas. Honestidad en el desarrollo de sus actividades de aprendizaje. Actitud de superación basada en el trabajo, Disposición para la colaboración y el trabajo en equipo. Descripción sintética (máximo 350 palabras): En este curso haremos énfasis en el análisis y uso de datos experimentales y termodinámicos de reacciones químicas para obtener modelos que permitan predecir la máxima conversión, y obtener modelos que representen la velocidad de la reacción, para posteriormente utilizar estos modelos en el diseño de equipos de reacción o en el análisis del comportamiento de reactores en operación. El diseño de un reactor químico es un proceso complejo, dentro del cual la etapa inicial consiste en la formulación y solución de las ecuaciones de balance de materia y energía. En la solución de estas ecuaciones, se hace necesaria la aplicación de conceptos y conocimientos de diferentes disciplinas, como la termodinámica,, la cinética que permite establecer relaciones entre la velocidad de la reacción la concentración de reactivos y productos, la temperatura y la presión, y los fenómenos de transporte que contribuyen a relacionar la velocidad de transferencia de calor entre la mezcla de reacción y el fluido de enfriamiento, a calcular la caída de presión a través del reactor o la velocidad de los procesos de transferencia de masa. Finalmente es evidente que la solución de las ecuaciones que rigen el comportamiento del reactor requiere normalmente de un Software adecuado para la solución de sistemas de ecuaciones con o cual se podrá simular el desempeño del reactor bajo distintas condiciones de operación, lo que permitirá establecer las condiciones optimas de operación. Pág. 2 de 13

3 Aportación de la asignatura al Perfil del Egresado: Siendo la ingeniería Química una profesión cuyo campo de aplicación es el la operación, control, diseño y optimización de procesos relacionados con el uso eficiente de materias primas y energéticos para producir bienes o servicios útiles a la sociedad, la Ingeniería de las reacciones químicas proporciona al egresado la herramientas para el control, el análisis y el diseño de los equipos en donde se desarrolla la transformación de las materias primas en productos. Unidades de aprendizaje Unidad 0: Equilibrio en sistemas con reacción química Temas Estequiometria de las reacciones químicas, la coordenada de reacción. El potencial químico y el criterio de equilibrio en sistemas con reacción química Equilibrio en sistemas con reacciones homogéneas simples Actividades de aprendizaje 1.-Definir los conceptos de extensión y conversión. 2.-Resolver ejemplos con la aplicación de los conceptos de extensión conversión al cálculo de la composición en sistemas con reacción química 1.-Definir y explicar el concepto de potencial químico. 2.-Demostrar la relación del potencial químico con las diferentes funciones termodinámicas. 3.-Definir y explicar el criterio de equilibrio para sistemas con reacción química 1.-Demostrar la aplicación del criterio de equilibrio para la definición de la constante de equilibrio y el desarrollo de modelos matemáticas que relacionan la constante de equilibrio con la temperatura la presión, la extensión y la conversión, en un sistema de reacción. 2.-Resolver ejemplos de aplicación utilizando los conceptos y correlaciones desarrollados en el punto anterior junto con datos termodinámicos y/o experimentales para el Pág. 3 de 13

4 Equilibrio en sistemas con reacciones heterogéneas calcular del valor de la constante de equilibrio y la composición de la mezcla en equilibrio como función de la temperatura la presión y la composición inicial de la mezcla sobre la composición de la mezcla en equilibrio, para reacciones simples en fase gaseosa realizadas bajo condiciones isotérmicas. 3.-Resolver ejemplos de aplicación utilizando los conceptos y correlaciones que describen el equilibrio en sistemas con reacción química juntamente con la aplicación del balance de energía para el cálculo de la conversión y temperatura de equilibrio para el caso de reacciones en fase gaseosa realizadas bajo condiciones no isotérmicas. 4.-Demostrar la relación de la constante de equilibrio con la composición en el caso de reacciones en fase liquida y en solución. 5.-Resolver ejemplos de aplicación para el cálculo de la composición de equilibrio en reacciones en fase liquida y en solución. 1.-Demostrar y explicar el procedimiento para relacionar la constante de equilibrio con la composición de la mezcla en equilibrio en el caso de reacciones heterogéneas. 2.-Resolver ejemplos de aplicación para el cálculo de la composición de equilibrio en un caso de reacciones heterogéneas Pág. 4 de 13

5 Unidad 1: Cinética de las reacciones homogéneas 1.-Demostrar y explicar el procedimiento para obtener la forma general de balance estequiometrico para el caso de reacciones múltiples. 2.-Demostrar y explicar el procedimiento para definir el número de reacciones independientes en sistemas con reacciones múltiples. Equilibrio en sistemas con reacciones múltiples 3.-Demostrar la aplicación del criterio de equilibrio para obtener la relación de la constante de equilibrio con la temperatura, presión y composición en sistemas con reacciones múltiples. 4.-Resolver ejemplo aplicación relativos al cálculo de la composición de la mezcla en equilibrio en un sistema con reacciones múltiples 1.-Definir y analizar el concepto Conceptos básicos: de velocidad de reacción. 2.-Identificar los factores que afectan la velocidad de reacción. Velocidad de reacción, 3.-Revisar expresiones de Factores que afectan la velocidad de reacción reportados velocidad de las reacciones en bibliografía. químicas, 4.-Definir el concepto de orden Reacciones elementales y no de reacción elementales 5.-Definir en concepto de Orden de reacción reacciones elementales y no elementales 1.-Explicar procedimiento de análisis de datos experimentales por el método integral. Análisis de datos 2.-Utilizar datos experimentales experimentales de velocidad de concentración o conversión de reacción por el método como función del tiempo para integral seleccionar el modelo de velocidad de reacción que los represente adecuadamente Análisis de datos 1.-Explicar procedimiento de Pág. 5 de 13

6 experimentales de velocidad de reacción por el método diferencial, Metodologías de los componentes en exceso, las pendientes iniciales y el tiempo de vida media. Análisis de datos experimentales para reacciones en fase gaseosa en sistemas de volumen variable Efecto de la temperatura sobre la velocidad de reacción análisis de datos experimentales por el método diferencial. 2.-Utilizar datos experimentales de concentración o conversión como función del tiempo para obtener el orden y el valor de la constante de velocidad de reacción que los represente adecuadamente 1.-Explicar los fundamentos y consideraciones de los métodos de los componentes en exceso, las pendientes iniciales y el tiempo de vida media. 2.-Utilizar datos experimentales apropiados para la aplicación de los métodos anteriores y obtener los parámetros de modelos propuestos de velocidad de reacción 1.-Analizar el efecto del cambio de volumen sobre la conversión y la concentración en sistemas de reacciones simples en fase gaseosa realizadas bajo condiciones de presión y temperatura constantes 2.-Analizar datos experimentales para reacciones en fase gaseosa obtenidos bajo condiciones de presión y temperatura constantes para obtener el modelo de velocidad de reacción que los represente. 1.-Explicar los fundamentos teóricos y el desarrollo matemático de la teoría de la colisión. 2.-Explicar la fundamentación teórica de la ecuación de Arrhenius. 3.-Utilizar datos experimentales apropiados para obtener los parámetros de las ecuaciones Pág. 6 de 13

7 Modelos complejos, mecanismos de reacción Reacciones catalizadas por enzimas Reacciones de polimerización derivadas de la teoría de la colisión y de Arrhenius 4.-Comparar las predicciones de los ambos modelos. 1.-Definir el concepto de mecanismo de reacción. 2.-Describir los tipos de mecanismos de reacción y los diferentes tipos de productos intermedios que pueden participar en reacciones con mecanismos complejos. 3.-Analizar el mecanismo de LIndeman para explicar el modelo cinético de la reacción de descomposición del azometano 4.-Analizar el mecanismo propuesto para la producción de HBr a partir de hidrogeno y bromo. 5.-Utilizar mecanismo de reacción propuesto para obtener el modelo de velocidad de reacción asociado al mismo 1.-Definir el concepto de enzima 2.-Explicar el desarrollo de la ecuación de Michaelis-Menten 3.-Analizar datos experimentales de reacciones catalizadas por enzimas para obtener mediante el ajuste de los datos, los parámetros de la ecuación de michaelis-menten que los represente adecuadamente 1.-Definir el concepto de polímero y polimerización 2.-Describir los diferentes tipos de polímeros 3.-Análisis del mecanismo para reacciones de polimerización por etapas 4.-Utilizar datos experimentales para discriminar entre posibles mecanismos. Pág. 7 de 13

8 Unidad 2.- Aplicación al Análisis y diseño de reactores ideales Operación Isotérmica Balances de materia en sistemas con reacciones simples Análisis y diseño de reactores(batch, tubulares, de mezcla completa y reactores semibatch) para reacciones simples, operación ideal, bajo condiciones isotérmicas Sistemas de rectores ideales conexión en serie y en paralelo 5.-Análisis del mecanismo para reacciones de polimerización en cadena por radicales libres 1.-Deducir la forma general de balance de materia de componente para sistemas con reacción química. 1.-Describir la forma de operación de los diferentes tipos de reactores ideales Aplicar la forma general de balance de materia de componte a la forma de operación de los diferentes tipos de reactores ideales para obtener las correspondientes ecuaciones de diseño. 2.-Resolver ejemplos del cálculo de las variables de diseño de los diferentes tipos de reactores para reacciones simples bajo condiciones isotérmicas 1.-Explicar el Desarrollo de las ecuaciones de balance para el análisis del comportamiento y el cálculo del volumen total en el caso de sistemas de reactores tubulares o de mezcla completa conectados en serie o en paralelo. 2.-Resolver ejemplos de aplicación relativos al cálculo del volumen total y el volumen de cada reactor en sistemas de reactores tubulares y de mezcla completa conectados en serie o en paralelo. 3.-Resolver ejemplos de aplicación relativos a la optimización del volumen total en sistemas de reactores de mezcla completa conectados en serie. Pág. 8 de 13

9 Diseño para las condiciones optimas económicas de operación Análisis de datos de velocidad de reacción y principios de diseño para reacciones catalizadas por sólidos 1.-Explicar la forma en la que los parámetros de operación de un sistema de reacción (volumen del reactor, flujo de alimentación, conversión) pueden afectar los costos de producción o la ganancia por la venta del producto. 2.-Resolver ejemplos de aplicación relativos al cálculo de los parámetros de operación de un sistema de reacción bajo la restricción de minimizar costos o maximizar ganancias 1.-Describir las etapas de un proceso de reacción química catalizada por sólidos. 2.-Describir la metodología basada en el concepto de reactor diferencial para la obtención de datos experimentales en sistemas de reacciones en fase gaseosa catalizadas por sólidos. 3.-Utilizar datos experimentales para obtener el modelo de velocidad de reacción que los represente adecuadamente. 4.-Demostrar la aplicación del balance materia de componente para obtener la ecuación de diseño para el cálculo de la masa de catalizador requerida en una reacción catalizada por sólidos. 5.-Resolver ejemplo de aplicación para el cálculo de la masa de catalizador necesaria para una determinada reacción catalizada por sólidos bajo condiciones isotérmicas Análisis y Diseño de reactores para reacciones múltiples 1.-Deducir la forma general de balance de materia de Pág. 9 de 13

10 operación ideal bajo condiciones isotérmicas componente para sistemas con reacción múltiples 2.-Resolver ejemplos de aplicación para sistemas de reacciones en paralelo. 3.-Resolver ejemplos de aplicación para sistemas de reacciones en serie. 4.-Resolver ejemplos de aplicación para sistemas de reacciones en serie/paralelo Metodología de trabajo En el desarrollo del curso se hará énfasis en la aplicación de los conceptos teóricos, al desarrollo de modelos que permitan predecir el máximo avance y la velocidad con la que ocurre una reacción química (mas que a su memorización) así como su aplicación al diseño y/o análisis de equipo de reacción química En este sentido el análisis y uso de datos termodinámicos y experimentales para establecer modelos de comportamiento y la resolución de problemas de aplicación práctica será la forma principal en la que el curso habrá de desarrollarse. Actividades del profesor: Proporciona información relevante, proporciona datos, sugiere metodologías para el análisis, ajuste y selección de modelos, propone ejemplos de aplicación, relacionados con el diseño, análisis y simulación de equipo de reacción, orienta a los participantes, aclara dudas. Actividades de los participantes: Lee y analiza las notas del curso, libros de texto, y documentos sugeridos. realiza el análisis de los datos suministrados, ajusta y selecciona el modelo que mejor los represente, reporta sus conclusiones Soluciona ejemplos de aplicación de diseño, análisis y simulación de equipo de reacción Compromisos del alumno y el profesor El compromiso principal del alumno es el de hacerse responsable de su propio aprendizaje, por lo cual su participación constante y la realización de las actividades de aprendizaje sugeridas es fundamental para lograr los objetivos planteados en la asignatura. Deberá asimismo mostrar una actitud de de respeto y tolerancia a las ideas de sus compañeros, cuando se requiera la interacción de los alumnos durante Pág. 10 de 13

11 el curso. Por otra parte, el rol del profesor es el de guiar el proceso de enseñanza-aprendizaje, proporcionar al alumno los materiales, la orientación y el apoyo necesario, y mantener con el una comunicación constante y respetuosa para que pueda desempeñarse de forma exitosa durante el curso y para que logre el aprendizaje de los contenidos de la asignatura. Evaluación del Curso: Tipo de evaluación Porcentaje Desarrollo del Conocimiento Exámenes parciales Examen Final Tareas Proyectos Participación en el aula Participación en el Aula de Comunicación Virtual Desarrollo de Habilidades Laboratorio Trabajo en equipo Comunicación oral y escrita Planteamiento y solución de problemas Desarrollo de Actitudes Responsabilidad Colaboración Compromiso TOTAL Pág. 11 de 13

12 Referencias bibliográficas: Introducción a Termodinámica en Ingeniería Química J. M. Smith/ H. C. Van Ness/ M. M. Abbott 7 a Edición Editorial: McGrawwHill Chemical and Engineering Thermodynamics Sandler, Stanley I. 2 a : Edición Editorial: John Wiley & Sons Elements of Chemical Reaction Engineering H. Scott Fogler 4 a Edición Editorial: Prentice Hall Chemical Engineering Kinetics J. M: Smith 3 Edición: Editorial: Mc. Graww Hill Ingeniería de las reacciones químicas O. Levenspiel 3 a Ediciòn Editorial: Limusa Fuentes de consulta Web SOFTWARE DE APLICACIÓN Polymath 6.0 Polymath-Software Pág. 12 de 13

13 Universidad Autónoma de Coahuila Asignatura: RESPONSABLES Director Secretaria Académica Dr. Rubén García Braham Coordinador de la carrera de Ingeniero Químico M.C. María Auxiliadora Valdés Flores Diseñador de la Asignatura Ing. Ernesto Oyervides Valdez Ing. Miguel Flores Prado Pág. 13 de 13