GUÍA DOCENTE CURSO: 2011/12

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1 GUÍA DOCENTE CURSO: 2011/ INGENIERÍA DE REACCIÓN QUÍMICA ASIGNATURA: INGENIERÍA DE REACCIÓN QUÍMICA CENTRO: Escuela de Ingenierias Industriales y Civiles TITULACIÓN: Ingeniero Técnico Industrial, especialidad en Química Industrial DEPARTAMENTO: QUÍMICA ÁREA: Química Física PLAN: 10 - Año 2001 ESPECIALIDAD: CURSO: Segundo curso IMPARTIDA: Segundo semestre TIPO: Troncal CRÉDITOS: 6 TEÓRICOS: 4,5 PRÁCTICOS: 1,5 Descriptores B.O.E. Cinética Química aplicada. Catálisis. Reactores ideales y reales. Estabilidad. Optimización. Temario TEMA 1º.- CONCEPTOS FUNDAMENTALES.4 horas La ingeniería de las reacciones químicas Las reacciones químicas. Clasificación Variables que afectan a la velocidad de la reacción Definición de velocidad de reacción Velocidad de las reacciones químicas Los reactores químicos Funciones principales de los reactores químicos Modelos de flujo Tipos de reactores Modelos matemáticos Software de simulación. TEMA 2º.- CINÉTICA DE REACCIONES HOMOGÉNEAS.4 horas Tipos de reactores sencillos La ecuación cinética Término dependiente de la concentración en la ecuación cinética Término dependiente de la temperatura en la ecuación cinética Búsqueda de un mecanismo de reacción. TEMA 3º.- MÉTODOS DIFERENCIALES E INTEGRALES EN EL ANÁLISIS DE DATOS CINÉTICOS.6 horas Obtención de datos. El reactor discontinuo de tanque agitado: Reactor por lotes Métodos diferenciales Reacciones de un único reactivo Reacciones con más de un reactivo Reacciones reversibles Mecanismos de reacción: Sistemas de reacciones elementales Estimación conjunta de todos los parámetros Otros reactores usados para la obtención de datos cinéticos. Página 1 de 6

2 3.9.- Métodos integrales Reacciones de un único reactivo Reacciones con más de un reactivo Reacciones reversibles Sistemas de reacciones Reacciones con cambio de volumen. TEMA 4º.CONCEPTOS FUNDAMENTALES DE DISEÑOS DE REACTORES.5 horas Repaso al balance de moles. Ecuación general del balance de moles Aplicación de la ecuación a los tipos de reactores Conversión y tamaño del reactor. Ecuación de diseño Reactores en serie Espacio-tiempo (tiempo de residencia medio) y espacio-velocidad La tabla estequiométrica. TEMA 5º.-DISEÑO DE REACTORES IDEALES ISOTERMOS.5 horas Estructura de diseño para reactores isotérmicos Desde el reactor por lotes a los reactores de mezcla completa (CSTR) Reactores tubulares Caída de presión en reactores Uso de concentraciones (líquidos) y de flujos molares (gas) en los balances de moles y leyes de velocidad Reactores de membrana Operación de reactores en estado no estacionario Breve exposición al problema de las reacciones múltiples en el diseño de reactores. TEMA 6º.-DISEÑO DE REACTORES IDEALES NO ISOTERMOS.5 horas Repaso de conceptos de termodinámica química El balance de energía CSTR y PFR/PBR Reactores de flujo continuo no isotermos Conversión de equilibrio Operación no adiabática de reactores: Ejemplo de oxidación del dióxido de azufre Múltiples estados estacionarios. TEMA 7º.-CONCEPTOS GENERALES DE CATÁLISIS. 4 horas El fenómeno de la catálisis. Funciones del Catalizador. Tipos de catálisis Mecanismos y ecuaciones cinéticas de las reacciones catalizadas Tipos de catálisis homogénea: Catálisis por ácidos y bases Otras reacciones catalíticas homogéneas La catálisis heterogénea Introducción a los catalizadores sólidos Técnicas de caracterización de los catalizadores sólidos Mecanismos de catálisis heterogénea. Etapas químicas. Etapas Físicas Métodos Cinéticos en catálisis heterogénea Desactivación de catalizadores sólidos: Introducción. Tipos de desactivación. Estrategias de operación. Estudio cinético de desactivación. TEMA 8º.-REACCIONES CATALIZADAS POR SÓLIDOS.4 horas Introduccíón a las reacciones heterogéneas Reacciones catalizadas por sólidos El reactor catalítico de lecho empacado (PBR). Pasos de una reacción catalítica Diseño de reactores para reacciones gas-sólido. Depósito químico de vapores. Página 2 de 6

3 8.5.- Desactivación de catalizadores Efectos de difusión externos en reacciones heterogéneas Reactores de lecho fluidizado y otros con sólidos en movimiento Reacciones heterogéneas no catalíticas. TEMA 9º.-MODELOS DE FLUJO. 4 horas La distribución de tiempos de residencia, DTR (RTD) Medición de la DTR Características de la DTR DTR en reactores ideales Modelado de reactores con la DTR Reactores no ideales Flujo no ideal en reactores Modelado del reactor de flujo real Estabilidad, seguridad, optimización y control de reactores. TEMA 10º.- REACCIONES ENZIMÁTICAS Y BIORREACTORES.4 horas Introducción Cinética enzimática homogénea Cinética en cultivos de células biológicas Cinética de reacciones enzimáticas heterogéneas Introducción a los biorreactores Biorreactores ideales La transferencia de masa en los biorreactores Diseño de reactores con modelos estructurados Consideraciones sobre la operación de reactores de fermentación. Requisitos Previos Conocimientos de: 1. Fundamentos de Química 2. Fisicoquímica 3. Balances de Materia y Energía 4. Cálculo Diferencial e Integral. Objetivos Se pretende que se alcancen los siguientes objetivos específicos: Tema 1. Identificar la importancia de la ingeniería química en el desarrollo industrial. Clasificar las reacciones químicas. Conocer las variables que afectan a la velocidad de la reacción. Definir correctamente la velocidad de la reacción. Conocer qué son los reactores químicos sus funciones principales y los modelos de flujo para los reactores continuos. Clasificar perfectamente los tipos de reactores químicos que existen. Tema 2. Conocer la ecuación cinética. Identificar las variables que afectan a la ecuación de velocidad. Tema 3. Establecer el procedimiento de obtención de datos para el análisis cinético bajo las perspectivas diferencia e integral y su aplicación a los tipos de reactores aprendidos. Tema 4. Conocer la ecuación general del balance de moles y aplicarla convenientemente en función del tipo de modelo de reactor estudiado. Conocer y aplicar el concepto de conversión, espacio-tiempo y espacio-velocidad a los modelos de reactores ideales a estudiar. Conocer y aplicar la confección de la Tabla Estequiométrica para los diferentes casos. Tema 5. Conocer la estructura del diseño para reactores isotérmicos. Aplicar dicho procedimiento desde el reactor por lotes hasta el PFR/PBR. Conocer el problema de la caída de presión en Página 3 de 6

4 reactores tubulares. Conocer el funcionamiento y modelado de los reactores de membrana. Identificar las operaciones en situación no estacionaria. Conocer el problema de las reacciones múltiples en reactores químicos. Tema 6. Conocer cómo afecta las condiciones no isotérmicas en las reacciones químicas y en el diseño de reactores químicos. Aplicar los balances de energía a los reactores químicos: CSTR y tubulares. Conocer el concepto de conversión de equilibrio y evaluarlo apropiadamente. Conocer ejemplos de reactores industriales que operan en régimen no isotermo. Conocer el concepto de múltiples estados estacionarios y las curvas de ignición-extinción. Tema 7. Entender el fenómeno de la catálisis y sus tipos. Conocer algunas técnicas de caracterización de los catalizadores sólidos. Identificar las etapas de los mecanismos cinéticos en catálisis. Comprender el proceso de desactivación en los catalizadores sólidos. Tema 8. Identificar las reacciones heterogéneas. Conocer las reacciones principales catalizadas por sólidos. Identificar al reactor catalítico de lecho empacado, su ecuación de diseño y las etapas de una reacción catalítica en su seno. Aplicar lo conocido al diseño de reactores gas-sólido en ejemplos de interés. Conocer el proceso de desactivación y los efectos de difusión en reacciones heterogéneas. Conocer lo qué son los reactores de lecho fluidizado y otros reactores con sólidos en movimiento. Identificar algunas reacciones heterogéneas no catalíticas. Tema 9. Conocer el concepto de distribución de tiempos de residencia (DTR) y cómo se mide. Identificar las principales características de dicha distribución. Conocer cómo se comporta dicha distribución en reactores de flujo ideal y aplicar la DTR para su diseño (modelado). Conocer las desviaciones principales de la DTR en reactores reales y los diferentes modelos derivados. Tema 10. Conocer los mecanismos de las reacciones enzimáticas homogéneas y heterogéneas, sus cinéticas y la aplicación en el diseño de biorreactores. Metodología La metodología que se va a plicar para la obtención de los objetivos específicos declarados es: 1. Clases expositivas con apoyo audiovisual (cañón). 2. Clases prácticas de aula (clases de problemas), donde se mostrarán ejemplos al concluir cada unidad temática y se propondrán relaciones de problemas a resolver por los alumnos. 3. Clases de prácticas de laboratorio, 15 horas por alumno. En ellas se pretende que el alumno se integre al esquema científico-ingenieril del trabajo en grupo, realizando una serie de 5 prácticas propuestas en el capítulo \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\"Descripción de las prácticas\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\" 4. Utilización del campus virtual para la ejecución de tareas. 5. Utilización de software de simulación para la resolución de los problemas de cinética de reactores y de diseño que se planteen. Se usará el POLYMATH del libro Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas (Scott Fogler). El adiestramiento sobre este programa de simulación se intentará realizar durante la exposición del tema Sesiones de apoyo en las tutorías. 7. Establecer reuniones y seminarios con los alumnos al objeto de reforzar conceptos y evitar las confusiones que puedan producirse a lo largo del curso. Dichas sesiones serán consensuadas con el alumnado y se realizarán siempre y cuando haya un número mínimo de alumnos interesados (más de 10), en caso contrario, los alumnos se derivarán a las sesiones regladas de tutorías. 8. Las tutorías serán fuera del horario de clases de teoría y serán consensuadas con los alumnos de forma que todos tengan la oportunidad de poder asistir a ellas sin problemas de solapamiento. 9. Se propondrá la realización de un trabajo individual. Criterios de Evaluación Los criterios de evaluación se clasifican en varios apartados: 1. La asistencia a las prácticas y la presentación del correspondiente informe es obligatoria para aprobar la asignatura. Si el informe es óptimo computa en la calificación global en un 30%. Si no fuese el caso, el alumno tendrá la opción de repetir el informe o de hacer un examen práctico. Página 4 de 6

5 2. Un examen escrito que incluye cuestiones de teoría y problemas que superado computa en un 60% a la calificación global de la asignatura. Las cuestiones de teoría serán preguntas de desarrollo breve y suponen el 30% de la nota del examen escrito. Los ejercicios de aplicación (problemas) constituyen el 70% de la nota del examen escrito. 3. El trabajo individual se compone de dos apartados: El trabajo cotidiano de evaluación continua, a través del campus virtual, 5% de la calificación global; y la realización de un trabajo de elección personal que será entregado en formato electrónico (presentación power-point y archivo de texto WORD ó pdf) antes de la finalización del curso, 5% de la calificación global. Descripción de las Prácticas Práctica nº1.- Reacción de obtención del salicilato de metilo. Práctica nº2.- Cinética de la reacción de fotocatálisis heterogénea de eliminación de un contaminante en RDTA. Práctica nº3.- Hidratación del dióxido de carbono. Práctica nº4.- Determinación del orden y de la constante de velocidad de una reacción química. Práctica nº5.- Ensayos con trazadores para el diagnóstico de reactores químicos. Ensayo en escalón e impulso. Cálculo del espacio-tiempo y de la distribución de tiempos de residencia. Bibliografía [1 Básico] Elementos de ingeniería de las reacciones químicas / H. Scott Fogler ; traducción Roberto Luis Escalona García ; revisión técnica Jorge Fernando Ramírez Solís. Pearson Educacion,, México : (2001) - (3ª ed.) [2 Recomendado] Cinética química /Sístesis, Ángel González Ureña...T260: (2001) [3 Recomendado] Principios y cálculos básicos de la ingeniería química / David M. Himmelblau ; Traducción, Roberto Luis Escalona García ; Revisión técnica, Ma. del Carmen Doria Serrano. Prentice-Hall Hispanoamericana,, México [etc.] : (1997) - (6ª ed.) [4 Recomendado] Fisicoquímica / Ira N. Levine ; traducción Angel González Ureña...T250:, McGraw-Hill, Madrid, (1990) V2* [5 Recomendado] Ingeniería de reactores / Jesús M. Santamaría... [et al.]. Síntesis,, Madrid : (1999) [6 Recomendado] Cinética química aplicada / Juan Ramón González Velasco... [et al.]. Síntesis,, Madrid : (1999) Página 5 de 6

6 [7 Recomendado] Fundamentos de cinética química. Logan, S. R. Addison Wesley Iberoamericana,, Madrid [etc.] : (2000) [8 Recomendado] Ingeniería de las reacciones químicas / Octave Levenspiel. Limusa-Wiley,, México : (2004) - (3ª ed.) [9 Recomendado] Physical chemistry / Peter Atkins, Julio de Paula. Oxford University Press,, Oxford [etc.] : (2006) - (8th. ed.) Organización Docente de la Asignatura Horas Contenidos HT HP HCT HTT HAI Competencias y Objetivos Asignatura en período de desaparición. Equipo Docente OSCAR MANUEL GONZÁLEZ DÍAZ (COORDINADOR) Categoría: TITULAR DE UNIVERSIDAD Departamento: QUÍMICA Teléfono: Correo Electrónico: oscar.gonzalez@ulpgc.es Resumen en Inglés Applied Chemistry Kinetic. Catalysis. Ideal and Non-Ideal Reactors. Stability and Optimisation. Página 6 de 6