Breve descripción de las motivaciones para tomar este enfoque en el Curso de Reactores de ITC

1. para Comprender
Reactores 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. 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. ¿Ingeniero Qu´mico?
ı
¿Qu´ hace?
e
¿Qu´ lo distingue de otras disciplinas?
e
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p3
n

4. ¿Por qu´ estudiamos esas fumadas?
e
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p4
n

5. Bases y conocimientos
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p5
n

6. El ingeniero qu´mico sabe acerca de...
ı
Procesos de separaci´n
o
Reactores
===================================
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p6
n

7. ¿Comprender?
Supongamos que simplemente memorizamos
• 1+1=2
• 1+2=3
• 1+3=4
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p7
n

8. ¿Aprender?
... y nos preguntan en examen:
• ¿2 + 1?
• ¿2 + 2?
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p8
n

9. Bases y conocimientos
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p9
n

10. ¿Por qu´ otro libro m´s?
e a
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p10
n

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. 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. 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. ¿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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. ... 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. 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. Informaci´n Adicional
o
http://www.iqcelaya.itc.mx/∼fernando/index ABC.html
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p29
n

30. c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p30
n

31. c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p31
n

32. ¡¡Muchas Grapcias!!
c Dr. Fernando Tiscare˜ o L./p32
n