C u r s o a c a d é m i c o :

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1 C u r s o a c a d é m i c o : DATOS BÁSICOS DE LA ASIGNATURA Titulación: QUÍMICA Código: 3534 Asignatura: Curso en el que se imparte: 4 REACTORES QUÍMICOS Carácter: (Anual, 1 er ó 2º cuatrimestre) 1º Tipo: (Troncal, Obligatoria, Optativa, Libre elección) Créditos: Totales Teóricos Prácticos LRU ECTS 4.5 Idioma en el que se imparte: Español Dirección web asignatura: Obligatoria Responsable ó coordinador: Otros: DATOS BÁSICOS DE LOS PROFESORES Nombre y apellidos Departamento Ubicación Isidoro García García isidoro.garcia@uco.es Inés María Santos Dueñas ines.santos@uco.es Química Inorgánica e Ingeniería Química Campus Universitario de Rabanales. Edificio Marie Curie Área de conocimiento Ingeniería Química Idem Idem Idem Descriptores BOE Situación DATOS ESPECÍFICOS DE LA ASIGNATURA Reactores ideales y reales. Reactores para reacciones homogéneas y heterogéneas. Resolución de 14 de julio de 1998 de la Universidad de Córdoba. B.O.E. nº 200 de 21 de agosto de 1998 Prerrequisitos: Los exigibles para poder matricularse en 4º de Química. No hay incompatibilidad normativa con otras asignaturas. Contexto dentro de la Titulación: El aprovechamiento de los productos de las reacciones químicas sólo es posible si dichas reacciones son viables desde un punto de vista industrial. La viabilidad industrial viene controlada, en último término, por el precio final que tienen los productos. Un diseño adecuado de las instalaciones así como la optimización de su funcionamiento permiten que los precios finales puedan ser asumidos por la sociedad. Una de las partes más importantes de cualquier planta química es la relacionada con las etapas de reacción: los reactores químicos. El diseño de un reactor condiciona en gran medida el éxito de una planta química. Es en los reactores donde suele encontrarse la mayor complejidad del proceso, las condiciones más severas de presión y temperatura y las mejores oportunidades para el desarrollo del proceso. Se considera que en la formación de un licenciado en Ciencias Químicas, parece necesario el estudio de, al menos, los aspectos básicos relacionados con el diseño y el análisis de los reactores químicos. Y esto, no sólo por la importancia que a nivel industrial tienen, sino también para poder realizar interpretaciones correctas de resultados obtenidos en investigaciones básicas de otras áreas de la Química. En este curso se pretende, por tanto, realizar un estudio de introducción a la Ingeniería de la Reacción Química. El tiempo disponible obliga a estudiar aspectos básicos de sistemas homogéneos; sólo al final se pueden abordar, y de forma introductoria, algunos aspectos de los sistemas heterogéneos. Recomendaciones: Para un seguimiento adecuado de la asignatura, se necesitan conocimientos fundamentales sobre sistemas de unidades, métodos para expresar composiciones, propiedades de las sustancias, relaciones de equilibrio entre fases, balances de materia y de energía, equilibrio químico, cinética química, operaciones básicas y matemáticas (ecuaciones diferenciales). 1

2 Competencias Objetivos Transversales/genéricas: 1.- Capacidad de análisis y de síntesis 2.- Resolución de problemas Específicas: Cognitivas (saber): Fundamentos de la Ingeniería de la Reacción Química Procedimentales/instrumentales (saber hacer): Capacidad para demostrar el conocimiento y comprensión de los hechos esenciales, conceptos, principios y teorías relacionadas con la materia de estudio. Resolución de problemas cualitativos y cuantitativos. Actitudinales (ser): 1.- Ser serio 2.- Ser trabajador Los objetivos son enseñar los fundamentos del análisis y diseño de los reactores químicos y cómo se aplican estos conocimientos en el contexto de: a) el diseño de un proceso químico industrial y b) la interpretación correcta de los resultados obtenidos en reactores de laboratorio en investigaciones diversas; por ejemplo, investigación de mecanismos de reacción, comportamiento de catalizadores, etc. Metodología de trabajo del alumno Primer cuatrimestre (nº de horas): Clases teóricas: 21 Clases prácticas: 14 Exposiciones y seminarios: Tutorías especializadas (presenciales o virtuales): A) Colectivas: B) Individuales: Realización de actividades académicas dirigidas: A) Con presencia del profesor: 7 B) Sin presencia del profesor: 14 Otro trabajo personal autónomo: A) Horas de estudio: 43 B) Preparación de trabajo personal: 19 Realización de exámenes A) Examen escrito (teoría y problemas): 4 B) Exámenes orales (control del trabajo personal): Técnicas Docentes Señalar con una X las técnicas que va a utilizar en el desarrollo de la asignatura Sesiones académicas teóricas Sesiones académicas prácticas Exposición y debate Visitas y excursiones Tutorías especializadas Otras (indicar) Actividades dirigidas: planteamiento de problemas, búsqueda de información, manejo de software de simulación. Desarrollo y justificación: La asignatura se desarrollará mediante clases de teoría y de resolución de problemas numéricos, sesiones de prácticas y trabajos dirigidos. En las clases se presentan y justifican los diferentes conceptos necesarios para comprender los aspectos básicos de la Ingeniería de la Reacción Química. Se entregará al alumno toda la información disponible para que pueda centrar su atención, tanto como sea posible, en el planteamiento de las diversas cuestiones y explicaciones subsiguientes. Con la ayuda de proyectos previos de 2

3 innovación docente, se ha desarrollado una aplicación que permite acceder online a una colección de problemas resueltos. Una hora de cada semana se dedicará a la realización de problemas numéricos para aclarar y profundizar en los conceptos teóricos, previamente, explicados. Además de la realización de problemas, y teniendo en cuenta la naturaleza de la asignatura, es interesante el empleo de ordenadores en la solución de los problemas planteados; este aspecto se comentará más abajo. Tanto la práctica, como las cuestiones y problemas que se han planteado durante el curso e incluso de forma específica, constituirán la base de las sesiones de trabajo dirigido con el alumno. Bloques temáticos Dividir el temario en bloques (sin nº máximo ni mínimo) Bibliografía 1º.- Introducción 2º.- Diseño de reactores ideales para reacciones homogéneas 3º.- Flujo no ideal y sistemas heterogéneos General: Santamaría, J.M., Herguido, J., Menéndez, M.A. y Monzón, A. Ingeniería de reactores. Ed. Síntesis S.A. Madrid Calleja, G., García, F., Lucas, A., Prats, D., Rodríguez, J.M. Introducción a la Ingeniería Química. Editorial Síntesis Denbigh, K.G. y Turner, J.C.R. Introducción a la teoría de los reactores químicos. Ed. Limusa. México J.M. Smith. Chemical engineering kinetics. McGraw-Hill. Tokyo González Velasco, J.R., González Marcos, J.A., González Marcos, M. P., Gutiérrez Ortiz, J.I. y Gutiérrez Ortiz, M.A. Cinética química aplicada. Ed. Síntesis. Madrid W.L. Luyben & L.A. Wenzel. Chemical process analysis. Mass and energy balances. Prentice Hall. New Jersey AICHE, Modular instruction series. Series E. Volumenes 1 a 5. AICHE Educational Services Dept. New York Himmelblau, D.M. Principios Básicos y Cálculos en Ingeniería Química. 6ª edición. Pearson Education Ullmann's encyclopedia of industrial chemistry. Editors: Barbara Elvers, Stephen Hawkins, Gail Schulz. Vol 4: Principles of Chemical Reactions Engineering and Plant Design. VCH Verlagsgesellschaft, Weinheim. Germany Específica: Fogler, H.S. Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas. Prentice Hall. 3ª ed O. Levenspiel. Ingeniería de las reacciones químicas. Ed. Reverté S.A. Barcelona Técnicas de evaluación Enumerar, tomando como referencia el catálogo de la guía común. Incluir criterios de evaluación y calificación (referidos a las competencias trabajadas durante el curso) La evaluación se realizará teniendo en cuenta diversos aspectos en la forma que se indica a continuación. Las competencias cognitivas y procedimentales se valorarán con hasta el 90% de la nota final: Examen de teoría y problemas que tendrá un valor del 80% de la nota final. Se dispondrá libremente de apuntes y libros. Un trabajo sobre análisis y simulación de un reactor químico en el que se debe utilizar el software ChemCad. Esto tendrá un valor del 10% de la nota final. Las competencias genéricas y actitudinales se valorarán con hasta el 10% de la nota final: A través de las pruebas indicadas se evaluarán las competencias que se pretende que el alumno adquiera o afiance. En concreto: las competencias cognitivas indicadas se evalúan directamente de los exámenes referidos. La capacidad de análisis y de síntesis así como la capacidad para demostrar el conocimiento y comprensión de los hechos esenciales, conceptos, principios y teorías relacionadas con la materia de estudio, se evaluará, fundamentalmente, a través de las preguntas de teoría. Dado que el alumno puede disponer libremente de libros y apuntes para su realización, necesita comprender bien los conceptos fundamentales, ser capaz de analizar e interrelacionar los diferentes aspectos para responder adecuadamente. No se plantean preguntas que se puedan responder mediante la memorización de determinadas definiciones o teorías, se requiere comprender bien los aspectos fundamentales. Por otro lado, y dado que la repuesta ha de ser concisa, debido a que el espacio disponible para escribir la respuesta se le limita, se evaluará la capacidad de síntesis para centrarse en la respuesta que se pide y evitar divagaciones. La parte del examen correspondiente a la teoría tendrá un valor del 30% de la nota final. Las competencias para la resolución de problemas se evaluarán directamente a partir de los problemas planteados en el ya citado examen. Esta parte tendrá un valor del 50% de la nota final. En relación con las competencias actitudinales indicadas con anterioridad se evaluarán de modo continuo a través del contacto con el alumno en las actividades comunes y exámenes. 3

4 Organización Docente Semanal Distribución del número de horas que se especifican en el apartado de Metodología en 18 semanas para una asignatura cuatrimestral y 36 para una anual (clases + periodo de exámenes). Indicar el número de horas que, a cada tipo de sesión, va a dedicar el estudiante cada semana. de sesiones Semanas sesiones exposiciones y prácticas y/o teóricas seminarios problemas visita y excursiones tutorías especializadas de actividades dirigidas y tutorias Exámenes Temas del temario a tratar Primer cuatrimestre 1ª semana 3 1 2ª semana ª semana 2 1 (Problemas) 2 4ª semana 2 1 (Problemas) 3 5ª semana 2 1 (Problemas) 4 6ª semana 2 1 (Problemas) 5 7ª semana 2 1 (Problemas) 6 8ª semana 2 1 (Problemas) 6 9ª semana 2 1 (Problemas) 7 10ª semana 2 1 (Problemas) 7 11ª semana 2 12ª semana 4 (G1 G2) 3 (G3 G4) 13ª semana 4 (G3 G4) 3 (G1 G2) 14ª semana 3 15ª semana 3 16ª semana 17ª semana 4 18ª semana En principio, aunque dependerá del número de alumnos matriculados, se harán cuatro grupos (G1 a G4) para algunas de las prácticas Tema 1.- Introducción. Conceptos generales. El reactor en la industria química. Ingeniería de la reacción química. Clasificación de las reacciones químicas. Tipos de reactores. Especificación de las condiciones de reacción. Equilibrio químico. Cinética química. Con este tema se pretende realizar una introducción a la asignatura para justificar la necesidad e importancia de los reactores químicos tanto a nivel industrial como de laboratorio. También se pretende mostrar los principales aspectos que hay que tener en cuenta para el análisis y diseño de los reactores químicos. En este contexto se ha de destacar la importancia de la cinética química y del equilibrio. Mientras que el equilibrio químico nos da información sobre la máxima conversión que es posible alcanzar, la cinética nos dice cómo de rápido nos movemos hacia ese límite. Programa de contenidos Teóricos: Con indicación de las competencias que se van a trabajar en cada lección TEMA 2.- Balance de materia con reacción química. Velocidad de reacción. Determinación de la ecuación cinética. Con este tema se realiza un recordatorio rápido de cómo se puede determinar la ecuación cinética de una reacción química. Sin el conocimiento de la ecuación cinética no se puede abordar el diseño o análisis de un reactor químico. TEMA 3.- Diseño de reactores ideales. Una vez conocida la ecuación cinética, se pueden volver a emplear los balances de materia, pero ahora, para el cálculo de variables asociadas al diseño de los reactores, por ejemplo, el volumen de reactor necesario para obtener una determinada producción. En este tema, por lo tanto, se estudia como se plantean los correspondientes balances de materia dependiendo del tipo de reactor y modo de funcionamiento. TEMA 4.- Reactores para reacciones simples. Selección del reactor más adecuado. Asociación de reactores. En este tema se analiza el comportamiento de diferentes tipos de reactores ideales para llevar a cabo reacciones simples en condiciones isotérmicas. El objetivo es saber elegir el tipo de reactor y modo de funcionamiento más adecuado. TEMA 5.- Reactores para reacciones múltiples: reacciones en paralelo, en serie y en serie-paralelo. Los objetivos de este tema son similares a los del tema anterior pero aplicando el estudio a los casos de reacciones múltiples. En este caso, los problemas son más complejos debido al número de balances de materia que hay que considerar y a la aparición de objetivos adicionales para el diseño de los equipos. TEMA 6.- Reactores no isotérmicos. Calor de reacción. Velocidad de reacción y temperatura. Balances de materia y energía: reactor discontinuo, continuo de mezcla perfecta y continuo de flujo pistón. Estabilidad térmica de reactores. Perfil óptimo de temperatura. Hasta ahora, a lo largo del temario, sólo se han estudiado sistemas isotérmicos; se pretende simplificar, en lo 4

5 posible, algunos de los aspectos que se han de considerar para analizar un reactor químico. Sin embargo, para analizar el comportamiento de reactores en los que la temperatura no es constante en el tiempo y/o en la posición, es necesario, además de todos los aspectos estudiados previamente, escribir el correspondiente balance de energía. Dependiendo del tipo de reactor y de reacción química, se pueden obtener situaciones muy complejas. En este tema se abordarán los principales aspectos de esta problemática. TEMA 7.- Introducción al estudio de reactores de flujo no ideal. Introducción al estudio de reactores heterogéneos. Aspectos de transporte y ecuación cinética. Etapa controlante. Cinética intrínseca. En los temas previos, se han considerado situaciones para sistemas homogéneos y flujos ideales. Este planteamiento de estudio se justifica por una estrategia en la que, en primer lugar, se abordan los aspectos básicos más sencillos relativos a la ingeniería de la reacción química, y una vez se conocen éstos, se puede pasar al estudio de casos más complejos como son los correspondientes a los reactores de flujo no ideal o a los no homogéneos. Programa de contenidos Prácticos: Con indicación de las competencias que se van a trabajar: La realización de problemas numéricos es una parte fundamental del programa práctico de la asignatura. La mayoría de los temas teóricos irán complementados con la realización de problemas con los que se pretende ilustrar los conceptos teóricos. No hay que olvidar que estamos ante una asignatura de Ingeniería y, por lo tanto, el cálculo y los aspectos cuantitativos son parte esencial de ella. La capacidad para la resolución de los problemas es, normalmente, una buena medida del grado de comprensión de la asignatura. La competencia para resolver problemas implica un dominio de los aspectos teóricos así como la capacidad de análisis de nuevas situaciones que pueden resolverse mediante la aplicación de conceptos, técnicas y experiencia adquirida al resolver previamente otros. Además de la realización de problemas durante el desarrollo del programa teórico, se realizarán sesiones en las salas de informática en las que se trabajará con el software CHEMCAD para resolver reactores complejos. En concreto, se estudiarán reactores tubulares para reacciones múltiples tanto en modo isotérmico como no isotérmico. Mecanismo de Control y Seguimiento: Al margen de las contempladas a nivel general para toda la experiencia piloto, se recogerán aquí los mecanismos concretos que los docentes propongan para el seguimiento de cada asignatura Cada dos semanas se pedirá a los alumnos que indiquen cualquier aspecto relativo al desarrollo de la asignatura que pueda suponer algún tipo de problema tanto para el aprovechamiento y consecución de las competencias previstas en esta asignatura como en otras (incompatibilidades diversas). 5

6 Distribución ECTS. ( a ) 1 ECTS = 26,67 horas trabajo. ( b ) Estudio personal del alumno durante el curso 18 (cuatrimestral) o 36 (anual) semanas: 1,5 horas de estudio por cada hora de teoría y 0,75 horas de estudio por cada hora de prácticas. ( c )Las tutorías se encuentran incluidas en el total de Actividades Académicamente Dirigidas. Actividad Docente Clases en aula Clases en Sala ordenadores Actividades dirigidas c Exámenes Materia Teoría Ejercicios y problemas Prácticas de cálculo y simulación Ejercicios y problemas, realización de trabajos, informes, seminarios, etc. Teoría y/o problemas Problema simulación Actividad Profesor Alumno Procedimiento Exposición de la Teoría. Apoyo con audiovisuales Respuestas y soluciones Presentación del software y definición de los problemas en dicho entorno. Preparar colección base de cuestiones teóricas y problemas Poner, vigilar y corregir el examen. Calificar globalmente al alumno Tomar apuntes, copiar el material audiovisual Apuntes. Formulación de preguntas y dudas Uso del software de forma individual con las indicaciones del profesor Resolver cuestiones y problemas propuestos por el profesor y por el alumno Preparación de examen (9 horas) Realización de examen (4 horas) Preparación de la memoria (10 horas) Evaluación Tipo de preguntas. Se valorará razonamiento y capacidad de síntesis Problemas numéricos. Se valorarán razonamientos, unidades y convenios, resultados, lenguaje, etc. Evaluación continuada, cuaderno, ejercicios, informes, actitud Peso en la nota final Horas presenciales Horas no presenciales Horas ECTS a 30 % 21 h 32 h b % 8 h 6 h b 14 10% 6 h 5 h b 11 Ejercicios, trabajos, informes, etc. 10% 7 h 14 h 21 4 h 9 h 13 0 h 10 h 10 TOTAL CARGA DOCENTE DEL ALUMNO 100 % 46 h 76 h 122 6