para ComprenderReactores Qu´            ımicos con    Multireacci´n               o  Dr. Fernando Tiscare˜ o Lechuga      ...
Contenido ¿Qu´ con reactores en ingenier´ qu´     e                         ıa  ı- mica? Bases y h´bitos de estudio       ...
¿Ingeniero Qu´mico?             ı ¿Qu´ hace?    e ¿Qu´ lo distingue de otras disciplinas?    e                            ...
¿Por qu´ estudiamos esas fumadas?       e                               c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p4                   ...
Bases y conocimientos                        c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p5                                              n
El ingeniero qu´mico sabe acerca de...               ı  Procesos de separaci´n                      o  Reactores==========...
¿Comprender? Supongamos que simplemente memorizamos •       1+1=2 •       1+2=3 •       1+3=4                             ...
¿Aprender? ... y nos preguntan en examen: •             ¿2 + 1? •             ¿2 + 2?                                  c D...
Bases y conocimientos                        c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p9                                              n
¿Por qu´ otro libro m´s?       e             a                           c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p10                 ...
Alumnos de Posgrado Com´ n denominador    u • Una sola reacci´n                  o • Primer orden, o • S´lo casos con solu...
Aclaraci´n:        o  La culpa no est´ necesariamente                 a  • ni libros de texto existentes  • ni en profesor...
Aclaraci´n        o      (de Poncio Pilatos): Sabidur´ Estudiantil        ıa                            (Lista incompleta)...
¿Cu´ntos ingenieros en M´xico...   a                    e ...realmente hacen dise˜ o de reactores?                        ...
An´lisis y Optimizaci´n  a                  o Debemos reconocer que los problemas interesantes involucran:  • Varias reacc...
Principales influencias acad´micas:                           e  Prof. Charles Hill Jr.  Prof. Joe M. Smith  Prof. Octave L...
Calendarizaci´n T´pica             o ı      Por lotes     Por lotes        Tcte        No-isot.     Cont. Tanq.   Cont. Ta...
Ecuaciones de Diseno                  ˜                     (para una reacci´n)                                           ...
No-isot´rmicos       e                 (una reacci´n y l´                                    o     ıquidos)• Operaci´n adi...
Estructura de este texto          Por lotes     Por lotes            Tcte        No-isot.         Cont. Tanq.   Cont. Tanq...
Parte I: Homog´neos              e• Cap. 1: Estequiometr´                      ıa• Cap. 2: Equilibrio Qu´                 ...
Ap´ndices asociados a Parte I  e• Ap. A: Respuestas a Problemas Propuestos• Ap. B: Ejemplos de Soluci´n con MathCad       ...
Figura que separa la Parte I                           Tubular                           Por lotes   Continuo             ...
Parte II: Heterog´neos                 e• Cap. 7: Patrones No-ideales de Flujo• Cap. 8: Velocidad Catal´                  ...
Figura que separa la Parte II   Reactor Catalítico                                                                        ...
Principales debilidades del texto• Problemas y ejemplos• No incluye ejemplos elementales• Ejemplos muy largos• Aumenta la ...
... dentro del texto                                                                                                     6...
Fortalezas del texto (algunas)• Organizaci´n propia            o• Requiere y fomenta bases s´lidas en estequiometr´       ...
Informaci´n Adicional         o     http://www.iqcelaya.itc.mx/∼fernando/index ABC.html                                   ...
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p30                      n
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p31                      n
¡¡Muchas Grapcias!!               c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p32                                     n
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Breve descripción de las motivaciones para tomar este enfoque en el Curso de Reactores de ITC

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Introducción Curso Reactores ITC

  1. 1. para ComprenderReactores Qu´ ımicos con Multireacci´n o Dr. Fernando Tiscare˜ o Lechuga n Departamento de Ingenier´ Qu´ ıa ımica Instituto Tecnol´gico de Celaya o
  2. 2. Contenido ¿Qu´ con reactores en ingenier´ qu´ e ıa ı- mica? Bases y h´bitos de estudio a Introducci´n o • ¿Por qu´ otro libro m´s? e a • Influencias Estructuraci´n del Texto o Fortalezas y Debilidades c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p2 n
  3. 3. ¿Ingeniero Qu´mico? ı ¿Qu´ hace? e ¿Qu´ lo distingue de otras disciplinas? e c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p3 n
  4. 4. ¿Por qu´ estudiamos esas fumadas? e c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p4 n
  5. 5. Bases y conocimientos c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p5 n
  6. 6. El ingeniero qu´mico sabe acerca de... ı Procesos de separaci´n o Reactores=================================== c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p6 n
  7. 7. ¿Comprender? Supongamos que simplemente memorizamos • 1+1=2 • 1+2=3 • 1+3=4 c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p7 n
  8. 8. ¿Aprender? ... y nos preguntan en examen: • ¿2 + 1? • ¿2 + 2? c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p8 n
  9. 9. Bases y conocimientos c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p9 n
  10. 10. ¿Por qu´ otro libro m´s? e a c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p10 n
  11. 11. Alumnos de Posgrado Com´ n denominador u • Una sola reacci´n o • Primer orden, o • S´lo casos con soluci´n anal´ o o ıtica • Coeficiente estequiom´trico 1 e • Redescubrir el hilo negro en c/problema • S´lo caso adiab´tico para no-isot´rmicos o a e c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p11 n
  12. 12. Aclaraci´n: o La culpa no est´ necesariamente a • ni libros de texto existentes • ni en profesores. Materia llevada... c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p12 n
  13. 13. Aclaraci´n o (de Poncio Pilatos): Sabidur´ Estudiantil ıa (Lista incompleta): : •“El que nada sabe... nada teme” • Formaci´n escopeta en los ex´menes o a ... materia olvidada c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p13 n
  14. 14. ¿Cu´ntos ingenieros en M´xico... a e ...realmente hacen dise˜ o de reactores? n ...realizan an´lisis o optimizaci´n de a o reactores? El an´lisis para una reacci´n es trivial a o • Para aumentar la conversi´n o aumentar el volu- men de reactor y/o la temperatura de operaci´n. o c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p14 n
  15. 15. An´lisis y Optimizaci´n a o Debemos reconocer que los problemas interesantes involucran: • Varias reacciones • Limitadas por equilibrio qu´ ımico • Efectos t´rmicos e c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p15 n
  16. 16. Principales influencias acad´micas: e Prof. Charles Hill Jr. Prof. Joe M. Smith Prof. Octave Levenspiel c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p16 n
  17. 17. Calendarizaci´n T´pica o ı Por lotes Por lotes Tcte No-isot. Cont. Tanq. Cont. Tanq. Tcte No-isot. Tubular Tubular Tcte No-isot. c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p17 n
  18. 18. Ecuaciones de Diseno ˜ (para una reacci´n) o• Reactor por Lotes dfrl t = Crl 0 (−r rl )• R. Continuo de Tanque Agitado Crl 0 (frl k − frl k−1) τk = (−r rl )k• Reactor Tubular dfrl τ = Crl 0 (−r rl ) c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p18 n
  19. 19. No-isot´rmicos e (una reacci´n y l´ o ıquidos)• Operaci´n adiab´tica o a ∆Hrl Crl 0 frl T = T0 − ρ CP• Reactor por lotes: dT UA ∆Hrl (−rrl) = (TC − T ) − dt VR ρ C P ρ CP• Tanque Agitado: ecuaci´n algebraica o• Reactor Tubular: 4 dT D U (TC − T ) − ∆Hrl (−rrl) = dτ ρ CP c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p19 n
  20. 20. Estructura de este texto Por lotes Por lotes Tcte No-isot. Cont. Tanq. Cont. Tanq. Tcte No-isot. Tubular Tubular Tcte No-isot. LÍQUIDOS GASES c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p20 n
  21. 21. Parte I: Homog´neos e• Cap. 1: Estequiometr´ ıa• Cap. 2: Equilibrio Qu´ ımica• Cap. 3: Velocidad de Reacci´n o• Cap. 4: Reactores Ideales en Rase L´ ıquida• Cap. 5: Reactores Ideales en Rase Gaseosa• Cap. 6: Reactores Ideales No-Isot´rmicos e c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p21 n
  22. 22. Ap´ndices asociados a Parte I e• Ap. A: Respuestas a Problemas Propuestos• Ap. B: Ejemplos de Soluci´n con MathCad o• Ap. C: Integrales y Ecuaciones Diferenciales• Ap. D: Estimaci´n Lineal de Par´metros o a• Ap. E: Herramienta Solver de Excel• Ap. F: Formulario de la Parte I c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p22 n
  23. 23. Figura que separa la Parte I Tubular Por lotes Continuo Líquidos agitado Posición d Ci variable = ri dt Volumen Posición constante fija . Fi =V 0 Ci . dV R = V 0 dt Gases Fi k - F k-1 i Volumen VRR = V variable d ni ( ri )k =V R ri dt . F =[V /VR ]cte ni i . dVR = V d t Velocidad dF r i= Flujo de reacción i volumétrico constante dVR constante c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p23 n
  24. 24. Parte II: Heterog´neos e• Cap. 7: Patrones No-ideales de Flujo• Cap. 8: Velocidad Catal´ ıtica de Reacci´n o• Cap. 9: Reactores de Lecho Empacado• Cap. 10: Reactores de Lecho Fluidizado (K-L)• Cap. 11: Reactores Multif´sicos a◦ Ap. G: Velocidades con Ambas Resistencias◦ Ap. H: Diferenciales con Algebraicas Locales◦ Ap. I: C´digo del Modelo Unidimensional o◦ Ap. J: C´digo del Modelo Bidimensional o c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p24 n
  25. 25. Figura que separa la Parte II Reactor Catalítico rodazilataC apaC etimíl sacesnírtni sedadicoleV r = f (C , T) r r i CN...1 = i r = Σν r i r ri sanretnI saicn etsiseR dC ___ 2 2 dC ρ r _ ___ + ____ i i _ i P + r =0 _ dr dr 2 D [T ] ie r r [C ] ___ _ __ - ρ d T 2 dT __ 2 R=r r i i dr + r dr k Σ R=r ∆H r =0 P 2 r r e saicnetsis eR sanretxE nóic ulo S ae nátl umi S r = (k a ) ( C - C ) iP i m m si i sedadicol eV sacitílatac r r iP rP ha ( T - T ) = - ρ Σ ∆H r m s P r rP :selabolG seli freP C ∂C _ ∂C ∂ 1 ___ - __ ( v C ) ρ r = 0 2 D ___ i i i + r + ∂r ∂r ∂z r i 0 i B iP 2 ∂ T _ ∂T - T k ( v ρ) C ∂z - ρ Σ ∆ H r = 0 T ___ 2 1 __ __ + r ∂r ∂r ∂ r P B rP r 2 0 c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p25 n
  26. 26. Principales debilidades del texto• Problemas y ejemplos• No incluye ejemplos elementales• Ejemplos muy largos• Aumenta la probabilidad de que baje la “populari- dad” como profesor c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p26 n
  27. 27. ... dentro del texto 646 Comentarios Finales ci´n final del equipo faltan considerar aspectos del material de construcci´n y del dise˜o o o n mec´nico espec´ a ıfico. El material debe ser capaz de resistir las condiciones internas de presi´n, las temperaturas y los ciclos t´rmicos de la operaci´n, y la naturaleza qu´ o e o ımica de las especies que conforman la mezcla reaccionante. A lo largo del texto se requiri´ extensivamente del uso de m´todos num´ricos. Sin o e e Comentarios Finales lugar a dudas existen muchos otros problemas en que es indispensable contar con cono- cimientos profundos sobre m´todos num´ricos, tener gran habilidad para la programaci´n e e o o, cuando menos, saber aplicar de paquetes poderosos de matem´ticas. En la soluci´n de a o los ejemplos y problemas propuestos intencionalmente se recurri´ a los m´todos num´ri- o e e cos m´s elementales: trapecios para integrar una ecuaci´n, Runge-Kutta de cuarto orden a o Una particularidad de este texto es que busca abordar de manera relativamente sencilla a para ecuaciones diferenciales, Tanteos para ecuaciones impl´ ıcitas o en lugar de m´todos e los sistemas multireacci´n para cada uno de los distintos reactores que se han discutido. o de disparo y M´todo de L´ e ıneas para ecuaciones diferenciales parciales. Existen muchas Una de las contribuciones importantes de este libro creo que la constituye la originalidad alternativas mejores a estos algoritmos y no hay ninguna raz´n para que el alumno que o de varios de los problemas propuestos que se salen de lo convencional buscando que el las conozca no las emplee, pero para fines de este texto el empleo de m´todos sencillos e alumno afiance su comprensi´n y sus conocimientos. En las secciones de recapitulaci´n se o o obedeci´ a un af´n de mantenerlo al alcance de las bases de la mayor´ de los alumnos o a ıa han acotado algunos de los temas relevantes a cada cap´ ıtulo y que no fueron discutidos de licenciatura y posgrado. dentro del texto. Adem´s de dichas acotaciones hay muchos otros aspectos generales o a particulares que ser´ necesario complementar en otros textos o en la literatura especiali- a Algunos de los muchos temas relacionados a los c´lculos computacionales que pu- a zada. Existe una variedad muy extensa de reactores con sus diferentes variantes y ser´ ıa dieran ser relevantes y que no fueron abordados son: 1) la precisi´n de las calculadoras o o poco pr´ctico tratar de abarcarlos dentro de un libro de texto que se desarrollo buscando a computadoras; 2) el error de truncaci´n asociado que conlleva cada m´todo; 3) la exis- o e satisfacer a un inter´s acad´mico general. Algunos reactores importantes que no fueron e e tencia de rangos adecuados para los pasos de integraci´n o tama˜o de los incrementos o n mencionados son aquellos asociados a sistemas electroqu´ ımicos, a sistemas s´lido-gas o o al dividir en nodos y que dichos rangos dependientes de la precisi´n de la m´quina y del o a s´lido-l´ o ıquido (pero en los cuales el s´lido constituye un reactivo y no al catalizador, por o m´todo num´rico; 4) la existencia de sistemas de ecuaciones que son r´ e e ıgidos y que re- ejemplo, la combusti´n de carb´n), y a sistemas s´lido-s´lido. o o o o quieren de m´todos especiales; 5) la existencia de sistemas de ecuaciones pueden exhibir e oscilaciones durante la soluci´n; 6) la posibilidad de encontrar casos en que necesaria- o Los Cap´ ıtulos 8 a 11 involucran catalizadores s´lidos pero omiten temas importantes o mente debe recurrirse a m´todos impl´ e ıcitos pues los expl´ ıcitos simplemente fallan; y 7) el asociados a la cat´lisis o algunos temas simplemente fueron tratados a un nivel descriptivo a empleo de t´cnicas de elemento finito para resolver sistemas de ecuaciones diferenciales e muy general. Una lista incompleta de estos temas es: 1) tipos de soportes y su fabricaci´n; o parciales. 2) s´ıntesis de catalizadores soportados y no-soportados; 3) t´cnicas para su caracterizaci´n e o qu´ımica; 4) cambios en el estado de oxidaci´n del catalizador; 5) sinterizaci´n y desacti- o o vaci´n por formaci´n de coque; y 6) descripci´n detallada del efecto de los promotores o o o La realizaci´n de este libro conllev´ un trabajo honesto y muy extenuante por m´s de o o a f´ ısicos y qu´ ımicos sobre la actividad y selectividad. Estos cap´ıtulos abordan a los reacto- seis a˜os. La mejor recompensa a mi esfuerzo ser´ que lo encuentren de utilidad y que n a res catal´ıticos heterog´neos exclusivamente empleando modelos pseudo-homog´neos, es e e sea de su agrado la forma presentaci´n y su nivel. Gracias y mucho ´xito, o e decir, las fases coexisten e interact´an pero sin definirse realmente los espacios f´ u ısicos que ocupan. Estos modelos ser´n aceptables en la medida que se cuente con par´metros a a efectivos de transporte confiables. ˜ Fernando Tiscareno Lechuga Aunque algunos problemas hablan sobre el dise˜o, este proceso debe entenderse n Junio, 2008 como un ejercicio para estimar las dimensiones del equipo. Es claro que para la fabrica- 645 c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p27 n
  28. 28. Fortalezas del texto (algunas)• Organizaci´n propia o• Requiere y fomenta bases s´lidas en estequiometr´ o ıa• Estructura: Una y varias reacciones en c/secci´n o• Equilibrio desde la perspectiva de reactores• T´cnicas intermedias de ajuste de par´metros e a• Ejemplos no-triviales en que se introducen elemen- tos de an´lisis y optimizaci´n a o• Enfatiza diferencias entre gases y l´ ıquidos• Problemas originales (no son adaptados)• Respuestas a todos los problemas c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p28 n
  29. 29. Informaci´n Adicional o http://www.iqcelaya.itc.mx/∼fernando/index ABC.html c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p29 n
  30. 30. c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p30 n
  31. 31. c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p31 n
  32. 32. ¡¡Muchas Grapcias!! c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p32 n

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