MÓDULO MATERIA CURSO SEMESTRE CRÉDITOS TIPO INGENIERÍA DE PROCESOS Y PRODUCTOS Análisis y Diseño Avanzado de Reactores Químicos 1º 1º 6 Obligatoria
PROFESORES DIRECCIÓN COMPLETA DE CONTACTO PARA TUTORÍAS
Dr. Fernando Camacho Rubio Dra. Emilia Mª Guadix Escobar Dr. Miguel García Román
Dpto. Ingeniería Química, Edificio Química II, Facultad de Ciencias.
F. Camacho: 2ª planta, Despacho nª 7. E. Guadix: 2ª planta, Despacho nº 2 M. García: 1ª planta. Despacho nª 4 Correo electrónico: [email protected], [email protected] y [email protected] HORARIO DE TUTORÍAS
F.Camacho: Lunes, Martes y Miércoles de 11:00 a 13:00
E. Guadix: Lunes de 11:00 a 14:00, Martes de 12:30 a 14:30 y Miércoles de 13:30 a 14:30 M. García: Martes y Viernes de 9:30 a 12:30
MÁSTER EN EL QUE SE IMPARTE OTROS MÁSTERES A LOS QUE SE PODRÍA OFERTAR
Máster en Ingeniería Química Máster en Química Máster en Ingeniería Industrial PRERREQUISITOS Y/O RECOMENDACIONES (si procede)
Grado en Ingeniería Química
Un curso de Reactores Químicos Homogéneos
BREVE DESCRIPCIÓN DE CONTENIDOS (SEGÚN MEMORIA DE VERIFICACIÓN DEL MÁSTER)
Tipos de operación de reactores heterogéneos. Reactores fluido-fluido. Reactores fluido-sólido. Reactores polifásicos. Reactores de membrana. Fotorreactores. Reactores de interés industrial. Reactores de gasificación. Reactores de craqueo catalítico. Reactores de polimerización. Reactores enzimáticos. Biorreactores. Fotobiorreactores. Otros reactores de interés industrial.
COMPETENCIAS GENERALES Y ESPECÍFICAS
CG2. Concebir, proyectar, calcular, y diseñar procesos, equipos, instalaciones industriales y servicios, en el ámbito de la ingeniería química y sectores industriales relacionados, en términos de calidad, seguridad, economía, uso racional y eficiente de los recursos naturales y conservación del medio ambiente.
CG5. Saber establecer modelos matemáticos y desarrollarlos mediante la informática apropiada, como base científica y tecnológica para el diseño de nuevos productos, procesos, sistemas y servicios, y para la optimización de otros ya desarrollados.
CG7. Integrar conocimientos y enfrentarse a la complejidad de emitir juicios y toma de decisiones, a partir de información incompleta o limitada, que incluyan reflexiones sobre las responsabilidades sociales y éticas del ejercicio profesional.
GUIA DOCENTE DE LA ASIGNATURA
ANÁLISIS Y DISEÑO AVANZADO DE REACTORES
CE1. Aplicar conocimientos de matemáticas, física, química, biología y otras ciencias naturales, obtenidos mediante estudio, experiencia, y práctica, con razonamiento crítico para establecer soluciones viables económicamente a problemas técnicos.
CE2. Diseñar productos, procesos, sistemas y servicios de la industria química, así como la optimización de otros ya desarrollados, tomando como base tecnológica las diversas áreas de la ingeniería química, comprensivas de procesos y fenómenos de transporte, operaciones de separación e ingeniería de las reacciones químicas, nucleares, electroquímicas y bioquímicas.
OBJETIVOS (EXPRESADOS COMO RESULTADOS ESPERABLES DE )
Completar la formación en el cálculo y selección del mejor reactor para un determinado proceso. Adquirir conocimientos en reactores heterogéneos fluido-fluido, mecanismos y forma de contacto más
adecuados. Aplicar distintos modelos de flujo y parámetros de diseño de los distintos tipos de reactores.
Adquirir conocimientos de reactores fluido-sólido no catalíticos, fundamentalmente de los reactores para reacciones gas-sólido: combustores, gasificadores etc.
Entender el contacto entre fases en reactores polifásicos, ser capaz de dimensionar reactores con el sólido en lecho fijo, fluidizado, móvil o en suspensión.
Adquirir conocimientos de reactores de membrana, sus aplicaciones más importantes y ser capaz de dimensionar equipos para objetivos concretos.
Entender los mecanismos de reacciones fotoquímicas en fase homogénea y heterogénea y aplicar estos conocimientos al dimensionado y diseño de reactores.
Profundizar en los mecanismos de polimerización, tanto en sistemas homogéneos como heterogéneos, estimar parámetros de diseño de ambos sistemas y optimizar tiempos de residencia.
Adquirir conocimientos sobre los distintos tipos de reactores bioquímicos de interés industrial: Reactores con enzimas y reactores con microorganismos. Ser capaz de seleccionar el reactor, dimensionarlo y escoger las mejores condiciones de operación.
Adquirir conocimientos sobre otros tipos de reactores de interés industrial como los reactores de CVD, las destilaciones reactivas o los microrreactores. Y procesos industriales en los que están involucrados.
TEMARIO DETALLADO DE LA ASIGNATURA
TEMARIO TEÓRICO: I. REACTORES GAS-LÍQUIDO
Tipos de contactores gas-líquido. Parámetros de transferencia de materia. Grado de mezcla de ambas fases: modelos simplificados.
Interacción entre la transferencia de materia a través de una interfase y la reacción química. Factor de aceleración química. Módulo de Hatta. Regímenes de operación. Comparación del factor de efectividad y el factor de aceleración química.
Columnas de relleno. Tipos de circulación de ambas fases. Regímenes de flujo. Caída de presión. Áreas interfaciales y retención de líquido. Modelos utilizados. Utilización de columnas de pisos.
Tanques de burbujeo. Agitación mecánica. Área interfacial. Retención del gas y grado de mezcla de la fase gaseosa. Funcionamiento discontinuo con respecto de la fase líquida.
Diseño de columnas de relleno. Configuración geométrica en función de los tipos de circulación. Rellenos utilizados. Intercambio de calor. Diseño de columnas de pisos.
Diseño de columnas de burbujeo y de pulverización. Diseño de tanques de burbujeo con y sin agitación mecánica. Estudio de casos:
o Absorción con reacción química de contaminantes gaseosos. o Procesos de Destilación Reactiva.
II. REACTORES CON CATALIZADORES SOLIDOS REACTORES DE LECHO FIJO.
o Configuraciones y catalizadores para reactores de lecho fijo: Tipos y disposición del catalizador. Configuraciones multitubulares y multilechos.
o Transporte de cantidad de movimiento, materia y calor. Caída de presión. Transferencia de calor y materia. Propiedades de transporte efectivas.
o Interacción entre transporte de materia y reacción química. Interacción entre la difusión en los poros y la reacción química. Factor de efectividad. Módulo de Thiele. Criterios para determinar la influencia de los fenómenos físicos de transporte.
o Modelado de los reactores catalíticos de lecho fijo: Modelos pseudo-homogéneos y heterogéneos. Modelos unidimensionales y bidimensionales. Aparición de puntos calientes: estabilidad térmica. Funcionamiento no estacionario.
o Estudio de casos: Reactor de síntesis de amoníaco REACTORES DE LECHO FLUIDIZADO.
o Reactores de lecho fluidizado. Definición. Aplicaciones. Ventajas y desventajas.
o Configuraciones y formas de operación de los reactores catalíticos de lecho fluidizado. Reactores de burbujeo. Reactores de lecho móvil. Sistemas reactor-regenerador.
o Principios de fluidización. Caída de presión. Intervalo de existencia del estado fluidizado. Elutriación. Fenómenos de transporte en lecho fluidizado. Transmisión de calor a través de las paredes. Grado de mezcla de ambas fases.
o Modelado de reactores de lecho fluidizado. Reactores de burbujeo. Reactores de lecho móvil. o Estudio de casos: Reactores de craqueo catalítico.
III. REACTORES BIOLÓGICOS
Cinética enzimática. Cinética microbiana.
Biorreactores ideales. Biocatalizadores inmovilizados. Reactores con biocatalizadores inmovilizados. Biorreactores aerobios.
Biorreactores no convencionales. Procesos Downstream.
TEMARIO PRÁCTICO:
Simulación de los estudios de casos en el aula de informática. BIBLIOGRAFÍA
BIBLIOGRAFÍA FUNDAMENTAL:
1. Froment, G.F. y Bischoff, K.B. Chemical Reactor Analysis and Design, 2nd Edition, John Wiley (1999). BPOL/66 FRO che
2. Smith, J.M. Chemical Engineering Kinetics, 3rd Edition, McGraw-Hill (1981). BPOL/66 SMI che 3. Levenspiel, O. El Omnilibro del Reactores Químicos, Reverte (1986). FCI/66 LEV omn.
4. Scott Fogler, H. Elements of Chemical Reaction Engineering, Prentice-Hall (1999) 3ª Ed. BPOL/66.02 FOG ele 5. Rase, H.F. Chemical Reactor Design for Process Plants. Vol. 1: Principles & Techniques, Wiley-Interscience (1977). 6. Thoenes, D. Chemical Reactor Development from Laboratory Synthesis to Industrial Production, Kluwer Academic
Publishers (1994). FCI/66 THO che
7. Shah, Y.T. Gas-Liquid-Solid Reactor Design, McGraw-Hill (1979).
9. Dunn y Otros (1992). Biological Reaction Engineering: Principles, Applications with PC Simulation. Ed. VCH. FCI/D 55 132
10. Atkinson (1986). Reactores Bioquímicos. Ed Reverté. FCI/66 ATK REA BIBLIOGRAFÍA COMPLEMENTARIA:
1. Perry, R.H. y Green, D. Manual del Ingeniero Químico, 7ª Edición, McGraw-Hill (2001) 2. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Recurso Electrónico Biblioteca UGR:
http://onlinelibrary.wiley.com/book/10.1002/14356007
3. Mcketta, J.J. Encyclopedia Of Chemical Processing And Design, M. Dekker(1976) FCI/R 66 ENC ENC. ENLACES RECOMENDADOS
Libros y bases de datos electrónicas disponibles en la Biblioteca de la Universidad de Granada http://www.ugr.es/~biblio/
METODOLOGÍA DOCENTE
a. Clases teóricas, Exposición en el aula de los contenidos propuestos junto con ejemplos de aplicación de
los mismos. El análisis de los diferentes tipos de reactores químicos implica la aplicación de los conocimientos sobre ingeniería de la reacción química, competencia CT2, y el análisis de procesos, competencia CT4, pero además los ejemplos desarrollados requieren también aspectos tratados en otras materias de la titulación, termodinámica, competencias CB2, transmisión de calor, competencia CR1, flujo de fluidos, competencia CR2, química, competencia CB4, y técnicas matemáticas, competencias CB1 y CB3, que permiten al alumno integrar los conocimientos adquiridos hasta el momento, acostumbrándole a la resolución de problemas, competencia CI5, y reforzando su razonamiento crítico, competencia CP4. 30 horas presenciales.
b. Clases prácticas, El análisis de un reactor químico concreto requiere el desarrollo de un modelo
adecuado cuyas bases se han establecido en las clases teóricas y su integración mediante un lenguaje de programación de alto nivel. En las clases prácticas desarrolladas en el Aula de Informática, se trata de simular los estudios de casos propuestos, con información parcial que obliga al alumno a tomar decisiones sobre las aproximaciones adecuadas para crear el modelo, buscar información necesaria y extraer conclusiones sobre los resultados tratando de encontrar el modo de operación óptimo del reactor, competencias CG2, CG3 y CI1. 20 horas presenciales.
c. Trabajos en equipo, en subgrupos de tres alumnos, diseñados para familiarizar al alumno con el
desarrollo y aplicación de modelos de reactores, al mismo tiempo que aprenden a buscar la información necesaria en la bibliografía actual y se acostumbran a trabajar en equipo. Estos Trabajos referidos a un reactor industrial serán entregados por escrito por los alumnos, y desarrollados con la ayuda del Profesor en las Tutorías, 6 horas presenciales.
d. Trabajo autónomo del estudiante, 90 h
e. Evaluación, 4 h
EVALUACIÓN:
La calificación de cada alumno se establecerá en base a los resultados obtenidos en los trabajos desarrollados en las clases prácticas y/o los trabajos en equipo, así como en una prueba escrita que se realizará por cada bloque.
Las pruebas de la evaluación única final a la que el alumno se puede acoger en los casos indicados en la “NORMATIVA DE EVALUACIÓN Y DE CALIFICACIÓN DE LOS ESTUDIANTES DE LA UNIVERSIDAD DE GRANADA (Aprobada por Consejo de Gobierno en su sesión extraordinaria de 20 de mayo de 2013)” constará de:
• Un examen teórico oral y/o escrito, que representa el 60 % de la nota final
• Un examen práctico que consistirá en la simulación y optimización de un reactor industrial indicado por el profesor que representa el 40 % de la nota final
