Universidad de Jaén

Cinética química aplicada. Catálisis. Reactores ideales y reales. Estabilidad. Optimización.

Ninguno

Esta asignatura toma como base la cinética química aplicada para el posterior diseño de los reactores y su aplicación a los diferentes tipos de procesos químicos, tanto homogéneos como heterogéneos. Así el alumno va tomando conciencia de la importancia de la Ingeniería de la Reacción Química y de su existencia como una rama distinta de la Ingeniería. Por todo lo anterior, se comprende que esta asignatura tiene una gran relevancia en el contexto de la Titulación.

Es recomendable que el alumno tenga superadas asignaturas como Análisis matemático, Operaciones básicas de la Ingeniería, Transporte de fluidos, Transmisión de Calor, Transferencia de materia, Química-Física

Se pretende, en primer lugar, que los alumnos adquieran los conocimientos necesarios para determinar la velocidad a la que transcurre un proceso químico, tanto homogéneo como heterogéneo, en ausencia y presencia de catalizadores. En segundo lugar, que comprendan los diferentes fenómenos que tienen lugar en el interior de los reactores químicos y que adquieran un conocimiento de los modelos y ecuaciones utilizados en su diseño. En un sentido amplio esto significa la determinación de la dimensiones fundamentales del reactor (forma, tamaño y disposición), así como condiciones y tipos de operación (continuo, discontinuo, isotérmica, no isotérmica, etc.), los materiales de construcción, los accesorios y las técnicas de control con el objeto de optimizar su funcionamiento desde el punto de vista de la seguridad y de la economía.

 Bloque 1. Cinética química aplicada.

 Bloque 2. Sistemas químicos homogéneos. Reactores químicos homogéneos.

 Bloque 3. Flujo no ideal en reactores.

 Bloque 4. Sistemas químicos heterogéneos. Reactores químicos heterogéneos.

 Bloque 5. Criterios de elección del reactor químico

• Examen escrito, constituido por preguntas de respuesta breve, cuestiones sobre los fundamentos y problemas.

Dominio de los conocimientos teoricos y operativos de la materia: 35%

Resolucion de problemas: 65%

Bloque 1. Elementos de Cinética química aplicada

TEMA 1.- ELEMENTOS DE CINÉTICA QUÍMICA APLICADA

1.1. Aspectos básicos de termodinámica.

           1.1.1. Equilibrio químico.

           1.1.2. Conversión de equilibrio.

1.2. Tipos de transformaciones químicas.

1.3. Aspectos de cinética química

            1.3.1. Velocidad de reacción.

            1.3.2. Conversión y extensión de la reacción.

            1.3.3. Ecuación de velocidad. Orden de reacción.

            1.3.4. Influencia de la composición de la mezcla reaccionante.

                      Mecanismos de reacción. Reacciones en cadena.      

            1.3.5. Influencia de la temperatura: Teoría de las colisiones. Teoría

                      de las velocidades absolutas de reacción.

Bloque 2. Sistemas químicos homogéneos. Reactores químicos homogéneos

SISTEMAS QUÍMICOS HOMOGÉNEOS

TEMA 2.- SISTEMAS DE REACCIONES SIMPLES

2.1. Obtención y análisis de datos cinéticos.

2.2. Método integral.

            2.2.1. Reacciones irreversibles con un único reactivo.

            2.2.2. Reacciones irreversibles con dos reactivos.

            2.2.3. Reacciones reversibles.

            2.2.4. Reacciones autocatalíticas.

2.3. Método diferencial.

            2.3.1. Reacciones irreversibles con un único reactivo.

            2.3.2. Reacciones irreversibles con dos reactivos.

2.4. Método del tiempo de vida media.

2.5. Sistemas de volumen variable.

TEMA 3.- SISTEMAS DE REACCIONES MÚLTIPLES

3.1. Introducción.

3.2. Reacciones en paralelo.

3.3. Reacciones en serie.

3.4. Reacciones enzimáticas.

* REACTORES QUÍMICOS HOMOGÉNEOS

TEMA 4.- REACTORES IDEALES

4.1. Análisis de los reactores químicos homogéneos.

4.2. Ecuación general del balance de moles.

4.3. Reactores ideales isotermos.

            4.3.1. Reactor discontinuo mezcla perfecta.

            4.3.2. Reactor continuo mezcla perfecta.

            4.3.3. Reactor continuo flujo en pistón.

4.4. Comparación de los reactores ideales continuos.

            4.4.1. Reactores continuos mezcla perfecta en serie.

            4.4.2. Reactores continuos de flujo pistón en serie y en paralelo.

            4.4.3. Reactores continuos de tipos diferentes en serie.

            4.4.4. Reactor de flujo en pistón con recirculación.

TEMA 5.- REACTORES IDEALES NO ISOTÉRMICOS

5.1. Introducción.

5.2. Reactor discontinuo mezcla perfecta.

5.3. Reactor continuo mezcla perfecta.

5.4. Reactor continuo flujo en pistón.

TEMA 6.- DISEÑO DE REACTORES HOMOGÉNEOS PARA REACCIONES COMPLEJAS

6.1. Distribución de productos. Selectividad.

6.2. Diseño de reactores para reacciones múltiples.

            6.2.1. Reacciones en paralelo.

            6.2.2. Reacciones en serie.

            6.2.3. Reacciones en serie – paralelo.

Bloque 3.Flujo no ideal en reactores

TEMA 7.- FLUJO REAL EN SISTEMAS HOMOGÉNEOS

7.1. Función de distribución de tiempos de residencia.

            7.1.1. Medición de la DTR.

                        7.1.1.1. Entrada en pulso. Función E(t).

                        7.1.1.2. Entrada en escalón. Función F(t).

                        7.1.1.3. Relación entre las funciones E(t) y F(t).

                        7.1.1.4. Distribución interna de tiempos de residencia I(t).

            7.1.2. Distribución de tiempos de residencia en reactores ideales.

            7.1.3. Modelos para flujo real.

                        7.1.3.1. Modelos sin parámetros ajustables.

                                   7.1.3.1.1. Segregación completa.

                                   7.1.3.1.2. Mezcla máxima.

                        7.1.3.2. Modelos con un parámetro ajustable.

                                   7.1.3.2.1. Tanques en serie.

                                   7.1.3.2.2. Dispersión.

                        7.1.3.3. Modelos con varios parámetros ajustables.

                                   7.1.3.3.1. Dos RMP interconectados.

                                   7.1.3.3.2. RMP con volumen muerto y cortocircuito.

                        7.1.3.3.3. Combinación de flujos ideales.

Bloque 4. Sistemas químicos heterogéneos. Reactores químicos heterogéneos

SISTEMAS QUÍMICOS HETEROGÉNEOS

TEMA 8.- REACCIONES EN FASE FLUIDA CATALIZADA POR SÓLIDOS

8.1. Naturaleza de la catálisis heterogénea.

8.2. Adsorción sobre superficies sólidas.

8.3. Propiedades de los catalizadores sólidos.

8.4. Mecanismos de las reacciones en fase fluida catalizadas por sólidos.

8.5. Etapas superficiales.

8.6. Ecuaciones cinéticas para las etapas superficiales.

8.7. Desactivación de catalizadores.

8.8. Mecanismos de la desactivación del catalizador.

* REACTORES QUÍMICOS HETEROGÉNEOS

TEMA 9.- REACTORES DE LECHO FIJO

9.1. Introducción.

9.2. Factores involucrados en el diseño de un reactor de lecho fijo.

9.3. Modelos de reactores de lecho fijo utilizados.

9.4. Diseño del reactor de lecho fijo.

TEMA 10.- REACTORES DE LECHO FLUIDIZADO

10.1. Introducción.

10.2. Factores involucrados en el diseño de un reactor de lecho fluidizado.

10.3. Diseño de reactores de lecho fluidizado.

Bloque 5. Criterios de elección del reactor químico

CRITERIOS DE ELECCIÓN DEL REACTOR QUÍMICO

TEMA 11.- ESTABILIDAD Y CONTROL DEL REACTOR CONTINUO MEZCLA PERFECTA

11.1. Análisis del reactor continuo mezcla perfecta.

                11.1.1. Determinación de los estados estacionarios.

11.2. Multiplicidad de estados estacionarios.

            11.2.1. Calor eliminado, R(T).

            11.2.2. Calor generado, G(T).

            11.2.3. Curva de ignición-extinción

            11.2.4. Análisis de bifurcación de estado estacionario.

11.3. Estabilidad frente a pequeñas perturbaciones.

11.4. Representaciones en el plano de fases.

11.5. Control del reactor continuo mezcla perfecta.

TEMA 12.- OPTIMIZACIÓN DEL FUNCIONAMIENTO DE LOS REACTORES

12.1. Rendimiento al utilizar reacciones complejas.

12.2. Rendimiento por calor de reacción.

No procede ninguna