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Catálisis y Reactores Heterogéneos�Reactores Químicos II

Primavera 2025

	BUAP / DESIT	Facultad de Ingeniería Química

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Reactores Químicos II

OBJETIVO GENERAL

Evaluar las desviaciones del comportamiento ideal de reactores ideales homogéneos y la cinética de las transformaciones químicas heterogéneas, así como el diseño de reactores químicos heterogéneos isotérmicos y no-isotérmicos.

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Reactores Químicos II

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Reactores Químicos II

TEMARIO

Unidad	Objetivo Específico	Contenido Temático
1. Diseño de Reactores No-Isotérmicos	Diseñar reactores por lotes y de flujo continuo no isotérmicos en estado estacionario y no estacionario.	1.1. Balance de energía. 1.2. Reactor por lotes. 1.3. Reactores continuos no isotérmicos en estado estacionario. 1.4. Reacciones reversibles. 1.5. Operación en estado no estacionario.
2. Desviaciones del comportamiento Ideal de los reactores homogéneos	Evaluará las desviaciones del comportamiento ideal de los reactores homogéneos de flujo continuo	2.1. Características de la Función de Distribución de Tiempos de Residencia 2.2. Función de la Distribución de Tiempos de Residencia de reactores homogéneos ideales 2.3. Modelado de reactores usando la Función de Distribución de Tiempos de Residencia

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Reactores Químicos II

TEMARIO

3. Catálisis y Cinética Heterogénea	Establecer las expresiones cinéticas de las transformaciones heterogéneas catalíticas	3.1. Introducción a la catálisis 3.2. Conceptos de catálisis Homogénea y heterogénea 3.3. Clasificación de catalizadores heterogéneos 3.4. Consideraciones termodinámicas y cinéticas del fenómeno de adsorción. 3.5. Isotermas de adsorción. 3.6. Velocidad de reacción y modelos cinéticos de las reacciones catalíticas. 3.7.Etapas de la catálisis y modelos.

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TEMARIO

4. Diseño de Reactores Catalíticos Heterogéneos	Diseñar reactores heterogéneos catalíticos de flujo continuo en sistemas con una sola reacción química y con reacciones múltiples.	4.1. Efecto del gradiente intrapartícula. 4.2. Difusión global 4.3. Difusión de Knudsen 4.4. Región de transición. 4.5. Difusión de líquidos. 4.6. Difusión en catalizadores porosos. 4.7. Difusión superficial. 4.8. Conductividad térmica efectiva. 4.9. Transporte de masa con reacción. 4.10. Factor de efectividad y su evaluación. Efecto del transporte de masa intrapartícula sobre la cinética observada. 4.11. Transporte de masa y calor con reacción. Factor de efectividad no isotérmica. 4.12. Desactivación del catalizador y tipos de desactivación. 4.13. Cinética del envenenamiento.

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TEMARIO

5. Transporte de Masa y Calor en un Lecho Catalítico	Establecer los efectos de transporte de masa y calor en un lecho catalítico sobre las condiciones de operación y de conversión en reactores heterogéneos	5.1. Efectos de gradientes interfaciales. 5.2. Reactores de lecho fijo. Coeficiente de transporte de masa y calor. Condiciones de estabilidad. Efectos de transporte en la selectividad. 5.3. Reactores de lecho fluidizado. Transporte de masa y calor. 5.4. Reactores de lechada (slurry): Coeficientes de transporte. 5.5. Reactores de percolación.
6. Síntesis y Caracterización de Sólidos Catalíticos	Analizar las principales rutas de síntesis y características de los catalizadores sólidos con interés en la industria química de transformación	6.1. Clasificación de catalizadores heterogéneos 6.2.Quimisorción 6.3. Características texturales de los sólidos porosos 6.4. Métodos instrumentales de análisis 6.5. Soportes, promotores y estabilizadores de estructura 6.6. Métodos generales de preparación de catalizadores

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EVALUACIÓN

Criterios	Porcentaje
Exámenes	80
Participación en clase	5
Tareas	5
Simulaciones	5
Trabajos de investigación	5
Total	100%

Fogler, S., Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas.4ª. Edición, México: Pearson Educación; 2008 Levenspiel, O., Ingeniería de las Reacciones Químicas. 3ª. Edición, México, Limusa Wiley, 2004. Carberry, J.J. Chemical and Catalytic Reaction Engineering. Mineola, New York, Dover Publications, 2001

BIBLIOGRAFÍA

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Catálisis y Reactores Heterogéneos

PROPÓSITO DEL CURSO

Proporcionar al estudiante las actividades y experiencias de aprendizaje suficientes para que comprenda el efecto de las variables relacionadas con las condiciones de operación de reactores heterogéneos, mediante el análisis de las ecuaciones de balance de materia, de la ley de velocidad de la reacción y de las relaciones de diseño de los reactores ideales.

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Catálisis y Reactores Heterogéneos

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Catálisis y Reactores Heterogéneos

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Ingeniería de las Reacciones Químicas

Introducción

Revolución Industrial

Alemania

1869 Würzbürg Handbuch der Chemischen Technologie

Gran Bretaña

1887 Manchester 12 Lectures on Chemical Engineering

Estados Unidos

1888 Massachusetts Course X

Operaciones Unitarias

Estados Unidos

1916 Massachusetts Arthur D. Little

Siglo

XIX

Siglo

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Ingeniería de las Reacciones Químicas

Introducción

Ingeniería de las Reacciones Químicas

Alemania

1936 Göttingen G. Damköhler

Holanda

1936 Amsterdam C. van Heerden

Gran Bretaña

1952 Cambridge P. Danckwerts

Estados Unidos

1924 Massachusetts W. Walker

1947 Wisconsin O. Hougen y K. Watson

1962 Oregon O. Levenspiel

Siglo

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Ingeniería de las Reacciones Químicas

Introducción

Ingeniería de las Reacciones Químicas

Estados Unidos

1976 Indiana J. Carberry

1977 Wisconsin C. Hill

1986 Michigan S. Fogler

2004 Oregon O. Levenspiel

: Ingeniería de las Reacciones Químicas

2008 Michigan S. Fogler

Elementos de la Ingeniería

de las Reacciones Químicas (4ª. ed.)

Siglo

XXI

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Ingeniería de las Reacciones Químicas

RENDIMIENTO

DEL REACTOR

Diseño del Reactor

Catalizador

Configuración del reactor

Modelo de diseño

Velocidad espacial

Volumen

Intercambio de calor

Configuración del intercambio

Puntos calientes o fríos

Reacciones desbocadas

Obtención del

producto de interés

Conversión

Rendimiento

Selectividad

Cinética de Reacción

Restricciones termodinámicas

Expresión Cinética

Presión y Temperatura

Catalizador

Mecanismo de reacción

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Ingeniería de las Reacciones Químicas

Cinética de Reacción

Restricciones termodinámicas*

Expresión Cinética*

Presión y Temperatura

Catalizador

Mecanismo de reacción

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Equilibrio Químico

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Para procesos a temperatura constante:

En reacciones químicas reversibles:

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Para evaluar incrementos diferenciales:

En procesos a temperatura constante:

Suponiendo válido el comportamiento de Gas Ideal e integrando:

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Para comportamiento de Gas Real se utiliza la fugacidad en lugar de la presión:

Para la reacción química reversible:

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

De la que se puede obtener la siguiente expresión:

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Para cada componente se puede evaluar el incremento con la siguiente expresión:

Por lo tanto:

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Finalmente:

Ya que en el equilibrio:

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Para reacciones homogéneas en fase gaseosa:

Que se puede escribir como:

Considerando que f⁰_i = 1.0

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Así mismo:

En forma independiente a la ecuación anterior:

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

La última ecuación sirve de base para evaluar el efecto de T en K:

También se puede utilizar la Ecuación de Vant’Hoff

si se cuenta con los datos termoquímicos suficientes:

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

Algunos valores de la Constante de Equilibrio a 25 °C

Equilibrio Químico

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Equilibrio Químico

Ejemplo: Producción de formaldehído

Evalúe la viabilidad termodinámica de esta reacción por medio del cambio de Energía Libre de Gibbs de formación para 298 K de temperatura

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Ejemplo: Producción de formaldehído

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Equilibrio Químico

Ejercicio: Producción de formaldehído

Evalúe el efecto de la temperatura en el cambio de energía libre de Gibbs de formación para el intervalo de 300 a 700 K. Adicionalmente evalúe la constante del equilibrio químico del sistema.

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

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Ejercicio: Producción de formaldehído

Efecto de la temperatura en el cambio de energía libre de Gibbs de formación

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

En la que se considera independiente de la temperatura al calor de formación. Este se calcula a partir de los calores de formación de reactivos y productos:

Equilibrio Químico

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Ejercicio: Producción de formaldehído

Efecto de la temperatura en el cambio de energía libre de Gibbs de formación

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

Equilibrio Químico

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RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

Equilibrio Químico

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Equilibrio Químico

Cálculo de la conversión al equilibrio

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Equilibrio Químico

Ejemplo: Producción de formaldehído

CONVERSIÓN AL EQUILIBRIO

	CH₃OH	O₂	CH₂O	H₂O
Moles iniciales	1		0	0
Moles al equilibrio
Fracciones mol al equilibrio

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Equilibrio Químico

RESTRICCIONES TERMODINÁMICAS

Ejemplo: Producción de formaldehído

Reacción irreversible y conversión completa

a las condiciones en las que se evaluó Keq

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Equilibrio Químico

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Equilibrio Químico

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Ingeniería de las Reacciones Químicas

Introducción

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Ingeniería de las Reacciones Químicas

Introducción

_{Carberry, J.J. Chemical and Catalytic Reaction Engineering.}

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Introducción

_{Carberry, J.J. Chemical and Catalytic Reaction Engineering.}