El documento presenta la asignatura de Ingeniería de Reacciones Homogéneas para 2023, describiendo el diseño y funcionamiento de reactores químicos a escala industrial. Se detallan las actividades y requisitos de aprobación, así como la clasificación de reactores según su forma, tipo de operación e idealidad de flujo. Los estudiantes aprenderán a diseñar reactores para una única fase de reacción y se enfatiza la importancia del ingeniero químico en la viabilidad de procesos industriales.

1. INGENIERÍA DE LAS REACCIONES HOMOGÉNAS
BIENVENIDOS
Cursada 2023

2. PRESENTACIÓN DE LA ASIGNATURA
T1: INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE REACTORES
VISITA A PLANTA PILOTO DE INGENIERÍA QUÍMICA
CUESTIONARIO CAMPUS (GUÍA 1)

3. Soporte Simulación
➢ Dra. Alejandra Ayude - Profesor Adjunto
➢ Ing. Lautaro Teper - Ayudante Graduado
➢ Srta. Trinidad Freije - Ayudante estudiante
➢ Dra. Lucila Doumic - Profesor Adjunto
➢ Dra. Laura Fasce - Profesor Adjunto
➢ Dra. Irene Seoane - Ayudante Graduado
➢ Dra. Gianina Kloster - Ayudante Graduado
➢ Ing. Luciana Malbos - Ayudante Graduado
➢ Srta. Trinidad Freije- Ayudante estudiante
EQUIPO DOCENTE

4. CURSADA 2023 - PRESENCIAL
CAMPUS: Matricularse en “Ingeniería de las Reacciones Homogéneas”
CLAVE DE MATRICULACIÓN: hom_2023*
ENCUENTROS: Miércoles y Viernes 13:00 a 17:00 hs
➢ Espacios para entregas de informes de talleres
➢ Espacio para evaluaciones parciales
➢ Espacios para descargar material:
✓ Teorías
✓ Teorías grabadas 2020
✓ Material de estudio
✓ Actividades teórico-prácticas
✓ Guías de problemas
✓ Talleres
✓ Soporte cálculo y simulación
➢ Información - Comunicación y
coordinación de actividades
✓ Cronograma, contenidos y reglamento
✓ Avisos
✓ Foro de consulta temas generales
(organización, planificación u otras cuestiones
generales)

5. ACTIVIDADES PROPUESTAS
➢ Clases Teórico – Prácticas (interactivas)
– Teorías (T)
– Actividades teórico-prácticas (AT)
➢ Clases de consulta de las guías de problemas (CG)
➢ Talleres *
➢ Exposiciones orales *
➢ Evaluaciones parciales *
ACTIVIDADES Y CRONOGRAMA
(*) Actividades
de asistencia
obligatoria

6. 1º PARCIAL
(a)
2º PARCIAL
(b)
TALLERES
(c)
ENGLOBADORA
(d)
PARTICIPACIÓN
(e)
SUMA DE
PUNTAJE
(f) = (a)+(b)+(c)+ (d)+(e)
PROMOCIÓN (0-10)
HABILITACIÓN (0-10)
➢ La nota de promoción se calcula como: Nota = 0.2*(a) + 0.2*(b) + 0.15*(c) + 0.3*(d) + 0.15*(e)
➢ Los estudiantes desaprobados deberán recursar la asignatura (ó rendir examen libre).
CONDICIONES DE APROBACIÓN
Dos Parciales teórico-prácticos en Mathcad con recuperatorios (al final de la cursada) ((a) y (b))
Tres Talleres: informes y una exposición oral (c)
Evaluación englobadora: Todos la rinden – no tiene instancia de recuperación (d)
Participación: nota conceptual que surge del grado de participación en todas las actividades (e)
Define condición final de
aprobación
Requisitos para aprobar la cursada

7. ¨La Ingeniería de las Reacciones Químicas es la rama de la Ingeniería que
estudia las reacciones químicas a escala industrial. Su objetivo es el diseño y
funcionamiento adecuado de los reactores químicos, y probablemente la
Ingeniería de las reacciones químicas es la actividad que, por sí sola, hace que la
Ingeniería química constituya una rama de la Ingeniería.¨
(Octave Lenspiel, 1962)
Ingeniería de las Reacciones Químicas Homogéneas
Estudia las reacciones químicas a escala industrial
Diseño y funcionamiento adecuado de los reactores químicos
Actividad que hace que la Ingeniería química constituya una rama de la Ingeniería
Diseño de proceso de reactores químicos para sistemas de reacción en los que los
reactivos, productos y el catalizador se encuentran en una ÚNICA FASE (gaseosa o líquida).

8. Ingeniería de las Reacciones Químicas
PROCESO QUÍMICO-INDUSTRIAL
Estudia las reacciones químicas a escala industrial
➢ Núcleo del proceso químico.
➢ En general, es la etapa más significativa y la que define
económicamente la viabilidad de llevar a cabo el proceso.
Reactor
Químico
Tratamientos
físicos
Subproductos
Recirculación
Procesos
químicos
Producto
Materias
Primas
Tratamientos
físicos
Diseño y funcionamiento adecuado de los reactores químicos
…Hace que la Ingeniería química constituya una rama de la Ingeniería
INGENIERO
QUÍMICO
• Refinerías
• Productos químicos (commodities)
• Productos químicos (química fina)
•Tratamiento de Contaminantes
• Productos cosméticos
• Productos alimenticios
• Materiales
• Productos farmacéuticos

9. ¿REACTOR QUÍMICO?
ACTIVIDAD INTRODUCTORIA:
Enumerar características de un reactor químico de acuerdo a las imágenes …

10. Un reactor químico es un equipo que se emplea
para llevar a cabo una reacción química con el
objeto de obtener un producto con valor agregado.
¿REACTOR QUÍMICO?

11. INGENIERÍA DE LAS REACCIONES HOMOGÉNEAS
T1
INTRODUCCIÓN AL DISEÑO
DE REACTORES QUÍMICOS
CLASIFICACIÓN DE REACTORES
DISEÑO DE PROCESO DE REACTORES QUÍMICOS

12. CLASIFICACIÓN DE REACTORES QUÍMICOS
• FORMA DEL RECIPIENTE
• TIPO DE OPERACIÓN
• IDEALIDAD DE FLUJO
• FORMA DE OPERACIÓN TÉRMICA
• NÚMERO DE FASES
Reactores
Químicos

13. • REACTOR TUBULAR TUB
• REACTOR TANQUE AGITADO TA
CLASIFICACIÓN DE REACTORES
FORMA DEL RECIPIENTE

14. • Tanques agitados: configuraciones estándar
En los tanques agitados, la relación H/T ~ 1
TA

15. • Reactores tubulares: configuraciones estándar
Tuberías de diámetros y espesores nominales
TUB

16. • Reactores TA
• Reactores TUB
Sistemas de reacción muy viscosos, corrosivos ó
sistemas de reacción que provoquen ensuciamiento
de las partes internas del reactor.
Reacciones en fase gas en general
Reacciones en fase líquida en general
Limpieza de los reactores
borosilicato Recubrimiento
de teflon
¿TA
ó
TUB?
Reactores tanque agitado vs tubulares
En principio, se elige
entre una forma u otra
de recipiente por la
naturaleza de la mezcla
reactiva.
• Bajo costo de inversión y mantenimiento
• Difícil limpieza
El desempeño de reactores
TUB o TAC depende además
de la cinética de la
reacción. Por lo tanto, la
selección adecuada
depende del sistema.
• Alto costo de operación y mantenimiento
• Fácil limpieza

17. •DISCONTÍNUOS
TAD
El reactor opera en
ciclos: los reactivos se
cargan, reaccionan y
los productos se
descargan del reactor.
•CONTÍNUOS
TAC
TUB
Los reactivos ingresan al reactor y los productos salen en forma continua.
TIPO DE OPERACIÓN
•SEMICONTÍNUOS
Existen ciclos de operación.
No todos los reactivos y productos
tienen el mismo estado de flujo.
Alguno de los reactivos se alimenta en
forma continua durante un tiempo y
otro se encuentra en el tanque.
Los reactivos se cargan y los
productos se extraen en forma
continua durante el tiempo que dura
el ciclo.
condensado
r
TAS
Operan en Estado Estacionario:
la composición y la temperatura no varían en el tiempo.
La composición y la
temperatura cambian
con el tiempo.

18. • Reactores Discontinuos
• Reactores Continuos
• Pequeños volúmenes de producción
( por ejemplo: productos derivados
de la química fina, productos farmacéuticos)
• Versatilidad de procesos
$$/g
• Grandes volúmenes de producción
( por ejemplo: industrias de commodities
químicos, Refinería)
• La calidad del producto es constante.
$/ton
¿C
ó
D?
Reactores continuos (C) vs discontinuos (D)
TAC – TUB - TAS
TAD – semicontinuos
En principio, se elige
entre una operación y
otra por la escala de
producción.
Algunos procesos
presentan dificultades
para la operación
continua se llevan a cabo
de manera discontinua.

19. Zonas estancas Cortocircuitos
Flujo laminar Dispersión axial
Zonas con distinta
agitación
IDEALIDAD DEL FLUJO
MEZCLADO
PERFECTO
TAC
TUB
La composición de la mezcla reactiva y su
temperatura son uniformes en todo el
volumen de reacción.
La composición y la temperatura varían
solamente con la posición axial del reactor.
FLUJO
PISTÓN
FLUJO NO IDEAL
FLUJO IDEAL
• REACTORES IDEALES • REACTORES REALES

20. • Flujo ideal en los tanques agitados:
Agitación eficiente
Q0
QS
MEZCLADO PERFECTO
La composición de la mezcla reactiva y su
temperatura son uniformes en todo el volumen
de reacción dentro del reactor e iguales a las de la
corriente de salida.

21. FLUJO PISTÓN
• Flujo ideal en reactores tubulares:
Re muy altos
REGIMEN LAMINAR REGIMEN TURBULENTO
Flujo en cañerías
Re bajos
El perfil radial de velocidades en el TUB se considera
plano.
La composición y la temperatura varían con la posición axial (z), pero existe mezclado perfecto en el radio, es decir
la composición y temperatura son uniformes en la posición radial (en cada posición dz).
z
r
Q0 QS

22. Reacciones endotérmicas: absorben calor
FORMA DE OPERACIÓN TÉRMICA
• ADIABÁTICOS
• ISOTÉRMICOS
• NINA
Reacciones exotérmicas: liberan calor
Operan sin intercambio de calor. La temperatura de la
mezcla reactiva aumenta o disminuye dependiendo del
signo del DHrxn,
Se intercambia calor para mantener constante la
temperatura de la mezcla reactiva.
Se intercambia calor para mantener el nivel térmico en el
reactor, pero la temperatura de la mezcla reactiva no es
constante.

23. • Formas de intercambio de calor en TA
SERPENTÍN
EXTERNO
SERPENTÍN
INTERNO
INTERCAMBIADOR
EXTERNO
FUEGO DIRECTO
fuego
aire
humos
ENCAMISADO
Resistencias eléctricas
calefactoras

24. • Formas de intercambio de calor en TUB
INTERCAMBIADOR
DE TUBOS Y CORAZA
REACTOR AUTOTÉRMICO
El calor liberado por la reacción química se
utiliza para pre-calentar la alimentación que
ingresa al reactor.
TUBO ÚNICO ENCAMISADO

25. La reacción ocurre en una única fase (gaseosa o líquida)
donde se encuentran reactivos, catalizador y productos. En el
diseño solo interviene la cinética intrínseca de la reacción.
NÚMERO DE FASES
• HOMOGÉNEOS
• HETEROGÉNEOS
Es un sistema multi-fase, la reacción ocurre en una fase
diferente a la que se encuentran uno o más de los reactivos,
productos o el catalizador. En el diseño debe tenerse en
cuenta el equilibrio de cada componente en las distintas fases,
los fenómenos de transporte de materia y energía entre fases
y la cinética intrínseca de la reacción química.
Gas / Líquido Gas / Líquido / Sólido
Gas / Sólido Líquido / Sólido

26. • Diseño mecánico
• Diseño de proceso
• Selección del tipo de reactor.
• Análisis de la necesidad y modo de intercambiar energía.
• Dimensionamiento del reactor.
• Selección de condiciones de operación.
• Planificación de puesta en marcha.
• Diseño de sistema de control
DISEÑO DE PROCESO DE REACTORES QUÍMICOS
Diseño final y construcción de un reactor
• Análisis económico

27. • Objetivos del Diseño de Proceso de Reactores Químicos
• Diseñar reactores químicos para nuevos procesos de producción.
• Mejorar el desempeño de reactores en procesos existentes.
• Adaptar equipos existentes a nuevos procesos (re-ingeniería).
• Incrementar la capacidad de producción con mínimo costo.
• Aumentar la selectividad hacia el producto de alto valor agregado.
• Establecer condiciones de operación que conduzcan a la estabilidad y el diseño
seguro.

28. • Balances de materia
• Balance de energía
• Balance de cantidad de movimiento
• Fundamentos para el diseño de proceso de Reactores Químicos
Criterios generales
• Limitaciones en el nivel de
producción.
• Velocidades de flujo
• Características y naturaleza
de reactivos y productos.
Ecuaciones de diseño
DATOS
MODELO
MATEMÁTICO
DISEÑO DEL
REACTOR
• Bibliografía
• Laboratorio
• Etapas del diseño de proceso “ideal”
Planteo y resolución de
las ecuaciones de diseño
Suposiciones - Idealización
Información
• Datos y propiedades
de la reacción y los
componentes.

29. Problemas de escalado
Diseño de proceso “ideal”
• Flujo no ideal
• Calidad y alimentación de reactivos
• Intercambio de calor limitado
• Resistencia al transporte de masa y energía entre fases
• Agitación deficiente
• Eficiencia del catalizador
• Diseño por similitud no apropiado

30. ESCALA
LABORATORIO
ESCALA
DE BANCO
ESCALA
PLANTA
PILOTO
ESCALA
INDUSTRIAL
Determinaciones cinéticas,
Pruebas de condiciones de reacción
Selectividad
Condiciones de operación continuas,
formulación del catalizador
Pruebas
optimización del proceso
Construcción
y operación
Reduce tiempo y dinero
en el proceso diseño
• Etapas del diseño de proceso “real”
MODELADO y
SIMULACIÓN

31. EL INGENIERO DE PROCESOS
Comunica ideas
Identifica el problema
de diseño de proceso.
Busca la información
necesaria.
Selecciona la
alternativa más
conveniente
Propone alternativas de
diseño, domina estrategias
para dar respuestas rápidas y
desarrollar modelos
matemáticos complejos.
Habilidades “duras” de planteo y cálculo Habilidades “blandas” y otras competencias

32. INGENIERÍA DE LAS REACCIONES HOMOGÉNEAS
•Comprender los fundamentos de la ingeniería de las reacciones químicas
homogéneas.
• Desarrollar estrategias que permitan diseñar o adecuar el funcionamiento de
reactores químicos homogéneos.
•Proponer y comparar distintas alternativas de diseño.
•Utilizar herramientas avanzadas de resolución numérica.
• Trabajar en equipo.
• Comunicar ideas y conceptos de manera eficaz.
OBJETIVOS
1. Diseño de REACTORES IDEALES ISOTÉRMICOS para una única reacción o para
sistema de reacciones múltiples en estado estacionario y transitorio.
2. Diseño de REACTORES REALES
3. Efectos de temperatura y diseño de la OPERACIÓN TÉRMICA.
PROGRAMA

33. T2
Reactor TAD
Isotérmico
En la próxima clase…