UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO VICE-RECTORADO DE INVESTIGACION INSTITUTO DE INVESTIGACION DE LA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
Informe Informe Final del Proyecto de Investigación Investigación Titulado: Titulado:
(CATALÍTICAS Y NO CATALÍTICAS)
INDICE Página RESUMEN
4
I. INTRODUCCION
5
1.1. Planteamiento del Problema
6
1.2. Objetivos de la Investigación
6
1.2.1. Objetivo General
6
1.2.2. Objetivos específicos
6
1.3. Importancia, y Justificación de la Investigación
7
1.4. Formulación de la Hipótesis
9
II. MARCO TEORICO
10
2.1. Catálisis
10
2.2. 2.2. Ciné Cinéti tica ca de de las las Reac Reacci cion ones es Hete Hetero rogé géne neas as Cat Catal alít ític icas as GasGas- Sóli Sólido do
13
2.3. Interpretación de Datos Cinéticos.
15
Reactores catalíticos de laboratorio
17
2.4. Análisis y Diseño de Reactores Heterogéneos Catalíticos
19
2.5. Pérdida de Actividad de Catalizadores
22
2.6. 2.6. Cinéti Cinética ca de las Reacci Reaccione oness Hetero Heterogén géneas eas No Catalít Catalítica icass GasGas- Líquid Líquidoo
23
2.7. 2.7. Anál Anális isis is y Dise Diseño ño de Reac Reacto tore ress Het Heter erog ogén éneo eoss No No Cata Catalít lític icos os GasGas- Líqu Líquid idoo
25
2.8. 2.8. Cin Cinét étic icaa de las Reac Reacci cion ones es Het Heter erog ogén éneas eas No Catalí Catalíti tica cass GasGas- Sólid Sólidoo
27
Heterogéneos No Catalíticos GasGas- Sólido 31 2.9. Análisis y Diseño de Reactores Heterogéneos
III. MATERIALES Y METODOS
39
3.1 Materiales
39
3.2. Métodos
39
IV. RESULTADOS
40
V. DISCUSIÓN
41
VI. REFERENCIALES
42
VII. APÉNDICE
43
RESUMEN.Se ha elab elabor orad adoo y redactado un texto universitario titulado “Ingeniería de las Reacciones Reacciones Químicas Químicas II (Catalítica (Catalíticass y No Catalíticas) Catalíticas)” dirigido a estudiantes de la Facultad de Ingeniería Química
La estructuración del texto se presenta en el índice.
I. INTRODUCCIÓN.
K2 K-2
Keq
K 2 K 2
G RTLnKeq RTLn
K 2 K 2
CH3CH2OH
r AT
r T Mreac r T Mprod r adosorción r rsnqca r desorción
ETAPA QUIMICA
rA K C A
n
r A
KCA 1 KpCA
A R
A B R
A B R S
A R S
A R S
D eA
(W/F)
Limitación difusiva (2)
x (W/F)
(1)
Limitación Influencia de la difusión Química enla película. F Figura Nº 5. Conversión- Flujo del gas del reactante
F grande
x Limitación Química
F pequeño Influencia de la difusión en la película.
(W/F) (W/F) Figura Nº 6. Conversión- relación W/F
Efecto químico
n
Efecto difusivo 1 0,4
4
Modulo de Thiele
Partículas inertes
Varios lechos en 1 tubo
R-110
Productos
Salida del enfriamiento
fluido
de
Fluido ( por ejemplo, se usa en la producción de NH3)
Enfriamiento
Reactantes
INTERFASE Película Líquida
Película Gaseosa
Frente de Reacciòn
Seno del gas(A)
()
Masa principal del líquido
()
0
1 PA rproceso 1 1 1 k G a k L a FA k C B n f L
Productos
R
B
Z
M c x C x M B C b B
C B
B
gr / cc
M B gr / mol
c CB mol / cc Z x b CC
Productos
B
B
B
Productos
B
B
1 / 3
3 r C R R0 Z 1 Z R 0
X B
X B
masa inicial - masa para un tiempo masa inicial
B
4 4 . . R03 B . .r C 3 3 3 4 3 B . . R0 3
4 3 r 3 C
X B
R0
3
3
r C
R0
3
X
B
1
r C R 0
3
1 dNA Sext dt 1
a
r A
1
b
r B
1
dNB
b Sext dt
CAg CAS 5 bKg
N A
1
1 D Ae dCA . N A x 4 r ² dt 1 dr dNA
1
.
dNA
4 R² dt
b. D A
e
R r C R r C
CA
S S
CAC
4 R² dNA 1 b.K S CAC 4 R² dt 4 r C 2
1 dNA b CAg 1 R R r C R² Sext dt 2 e Kg . r C .b DA r C K S
r C 3 R² r C 2 r C 3 R r C bCAg 1 3 2 1 t 1 R K R C 3Kg R 6 DAe R B0 0 S R0
Salida gases Entrada de sólidos Salida de sólidos Entrada de gas
mineral
Coque
Reactor o alto horno aire Reactores de lecho móvil
Reactores de cinta Carbón cenizas
aire
gas caliente Reactores rotatorios
sólidos Productos
Entrada de sólidos reactante B F = F0
Productos (R) gas
V = volumen ocupado x el sólido Salida de sólido F1 = F0 (prod.)
Ingreso del gas reactante (A)
t
fracción de B no convertida para fracción de la corriente Valor promedio de de salida que ha permanecido partículas que la fracción de B no permanecen en el en el reactor entre convertida reactor un tiempo tiempo t dt entre t t dt
1 X B 0 1 X B E t dt
1 X 0 1 X E t dt B
B
1
.e t / t
t
t
1 X 0 1 X e / dt t t
B
B
2
3
1 X B 12 t 31! t 41! t
2
3
4
19 41 1 X B 15 t 420 0.00149 t 4620 t t 2
3
4
1 1 1 X B 14 t 201 t 120 t 840 t
F(R) Kg/s
F Área total =
M
0 F R i
i
F(Ri)
RM
R1 R2
R3
Ri
Partícula de tamaño mayor
Tamaño de partícula R Cualquier tamaño
R 1 X 1 X R F F R M
i
B
B
i
R
, es la f
F Ri F
1 Ri 1 Ri 2 F Ri 1 X B ... 2 ! 3 ! t t F R M
1 Ri 19 Ri 2 F Ri 1 X B 5 t 420 t ... F R M
1 Ri 1 Ri 2 F Ri 1 X B 4 t 20 t ... F R M
Peso o cantidad de todo los sólidos en el reactor F Flujo o caudal de alimentación de sólidos al reactor
W
t t Ri
V
t Ri
F 1
t
V F D
t F 0 1,2 1,3 V R
t R xF 1,2 1,3 i
1
W 1,2 1,3 VR E 1 ρ ε B P mf
(36)
W = F0. t
U .
CAg CAg r V B Z t
U
Q m³ / s A m²
b1 B C B0 .
dxB
dt
1 volumen del lecho B
volumen total
U CAg
Z
b1 B C B0 .
dX B dt
B .
CAg t
T T Hr r V Cp. Z t
U
dCAg dZ
b1 B C B0 .
dX B dt
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA
SILABO L- DATOS GENERALES. :
INGENIERIA DE LAS REACCIONES
1.2. Código del curso
:
QUIMICAS II IG 504 - 01Q
1.3. Semestre Académico
:
2009-B
1.4. Ciclo Académico
:
Noveno
1.5. Número de Créditos
:
04
1.6. Horas Teóricas
:
03
Ma 16,17,18 Aula 202-C
1.7. Horas Practicas
:
03
Ju 16,17,18
1.1. Asignatura
Aula 203-C
1.8. Duración de la Asignatura:
17 semanas
1.9. Pre-Requisitos
:
Ingeniería de las Reacciones Químicas I
1.10. Profesor del Curso
:
ING° LEONARDO MACHACA GONZALES
I. SUMILLA Continua con el desarrollo del análisis y diseño de reactores químicos iniciado en el curso de Ingeniería de las Reacciones Químicas I, debido a la importancia crucial de la cinética heterogénea catalítica y no catalítica, y del comportamiento de los reactores heterogéneos multifasicos que se presentan en los procesos industriales reales. Resulta conveniente remarcar que el curso-ofrece todo estos principios y fundamentos a los alumnos del noveno ciclo de Ingeniería Química. En las primeras semanas, se presenta la introducción de los conceptos generales que fundamentan las reacciones heterogéneas globales y el establecimiento de las condiciones para que la reacción sea posible a escala industrial, relacionando la cinética de las reacciones heterogéneas catalíticas y no catalíticas, y formulando la velocidad intrínseca de la reacción, para luego aplicar estos conocimientos en el diseño y análisis de diferentes tipos comunes de reactores heterogéneos catalíticos y no catalíticos, reactores multifasicos a nivel laboratorio y a escala industrial.
Síntesis del contenido. Cinética de las Reacciones Heterogéneas: Catalíticas y no catalíticas. Reactores catalíticos: de Laboratorio e Industriales. Análisis y Diseño de reactores catalíticos de lecho fijo y móvil. Análisis y Diseño de Reactores no catalíticos. Diseño de reactores multifasicos catalíticos.
III. OBJETIVOS. 3.1. OBJETIVOS GENERALES Proveer al Ingeniero químico las herramientas necesarias para comprender, analizar, diseñar y evaluar los diferentes tipos de reactores químicos heterogéneos catalíticos y no catalíticos, prevista primordialmente para el estudiante, y se espera también resulte útil para el Ingeniero en actividad.
Enseñar a los estudiantes los fundamentos de la cinética de las reacciones heterogénea
catalítica y no catalíticas, y los principios de diseño y proyecciones de reactores químicos
heterogéneos catalíticos y no catalíticos para efectuar las reacciones a escala industrial, basándose en el examen de ejemplos y la solución de problemas concretos..
3.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS Analizar los conceptos básicos de la catálisis heterogénea, procesos catalíticos y no catalíticos y no catalíticos.
Estudiar y analizar la cinética química de las reacciones heterogéneas catalíticas y no catalíticas.
Analizar y diseñar reactores catalíticos de laboratorio e industriales.
Analizar y diseñar reactores heterogéneos no catalíticos.
Preparar y dejar listo al estudiante para la tarea de analizar, diseñar, implementar reactores heterogéneos catalíticos y no catalíticos en los procesos industriales.
3.4. DESTREZA Y HABILIDADES
Al término del curso, el estudiante debe ser capaz de utilizar las expresiones de la cinética heterogénea catalítica y no catalítica para la concepción de reactores heterogéneos de amplia aplicación en la industria de los procesos heterogéneos catalíticos y no catalíticos. Para tal efecto, se utilizaran procedimientos matemáticos tanto analíticos como numéricos, de ser posible recurriendo el use de computadoras, a base de los lenguajes necesarios para la solución de problemas fundamentales de diseño
IV. PROGRAMA ANALITICO Primera Semana Introducción, Procesos catalíticos químicos y bioquímicas, Etapas del Proceso Catalítico químicos, bioquímicas, electroquímicos. Fundamentos.
Segunda Semana Catálisis heterogénea. Catálisis enzimático. Catalizadores, fundamento, clasificación, componentes, agentes y promotores catalíticos, atributos y diseño del catalizador.
Tercera Semana Preparación y caracterización de catalizadores, procesos principales en la producción de catalizadores. Absorción física y química. Isotermas de absorción y modelos de absorción.
Cuarta Semana Propiedades físicas del catalizador y su determinación. Superficie especifica. Volumen y radio de poros, porosidad. Distribución de tamaños de poros. Ilustraciones.
Quinta Semana Cinética de las reacciones catalíticas heterogéneas. Etapas físicas y químicos. Etapa química : Modelos cinéticos. Modelos de Langmuir- Hinshelwood. Modelo de Langmuir- Hinshelwood- Hougen- Watson. Modelo de Eley Rideal.
Sexta Semana Etapas físicas: transporte interna y externa de materia y calor en catalizadores porosos. Determinación de difusividad efectiva. Modelo de Dusty Gas, modelo de Bosanquet Ilustraciones.
Setima Semana Factor de efectividad, Modulo de Thiele, modulo de Thiele Genaralizado, modulo de Weisz Pratter. Influencia en la velocidad de reacción y selectividad. Transferencia de
masa en el exterior e interior de la partícula catalítica, factores de efectividades global, interno y externo isotérmico. Ilustraciones.
Octava Semana Transferencia de materia y de calor en el exterior e interior de la partícula catalítica no isotérmico. Factores de efectividad interno, externo, y global no isotérmicos. Ilustraciones. Catalizadores monolíticos. Reactores catalíticos de laboratorios: Integral, Diferencial. Interpretación de datos cinéticos. Ilustraciones Examen Parcial
Novena Semana Reactores catalíticos industriales. Clasificación y descripción. Análisis y diseño de reactores catalíticos. Fundamento de diseño. Procedimiento de
Diseño Décima Semana Diseño de reactores de lecho fijo: modelos unidimensional de flujo pistón axial con cinética pseudo homogénea. Ilustraciones. Modelos unidimensional de flujo pistón axial con cinética heterogénea. Ilustraciones.
Décima Primera Semana Análisis y diseño de reactores catalíticos de lecho fijo y lecho móvil trifásico. Análisis y diseño de Reactores Trickle Beds. Ilustraciones.
Décima Segunda Semana Análisis y diseño de Reactores Slurry. Ilustraciones. Análisis de diseño de Reactores de lecho fluidizado. Características.
Décima Tercera Semana Transporte de masa y calor modelo bifásico. Modelo de Kunni-Levenspiel. Ilustraciones Procesos heterogéneos no catalíticos Fluido-fluido y fluido – sólido.
Décima Cuarta Semana Análisis de reacciones y diseño de reactores no catalíticos: Cinética de las reacciones fluido- fluido(gas-liquido). Modelos cinéticos de absorción con reacción química Reacciones rápidas y lentas. Ilustraciones.
Décima Quinta Semana
Análisis y diseño de Reactores gas-liquido Cinética de las reacciones gas-sólido. Modelo del núcleo no reaccionado. Control por difusión a través del film gaseoso, ceniza o reacción química. Ilustraciones.
Décima Sexta Semana Análisis y diseño de Reactores fluido-sólido. Tipos de reactores. Modelos de diseño. Ilustraciones
Décima Séptima Semana Examen Final Examen sustitutorio.
V. PROCEDIMIENTOS DIDÁCTICOS. 5.1. Clase Magistral. La enseñanza es mediante la exposición teórica y practica con ilustraciones reales. Visitas a Plantas Industriales.
VI. EQUIPOS Y MATERIALES. 6.1. Materiales: Tizas, separatas, transparencias, gráficos. 6.2. Equipos: Retroproyector de vistas opacas y de transparencias.
VII. SISTEMA DE EVALUACION. Sistema de Evaluación es a través de pruebas escritas (2) y practicas calificadas y domiciliarias: Examen Parcial (peso1, EP) Examen Final (peso2, 2EF) Promedio Prácticas (peso1, PP) PROMEDIO = 1 EP + 1PP + 2EF 4 El examen sustitutorio, sustituye la nota más baja entre el examen parcial o final y abarca el integro de la Asignatura. Solamente serán permitidas al examen sustitutorio los estudiantes que obtengan el promedio 05 y tengan la posibilidad de aprobar.
Asimismo los alumnos que obtengan promedios menores a 05 se pondrá NO SE PRESENTO La evaluación en las modalidades de curso dirigido y paralelo serán evaluados por dos exámenes escrito parcial y final, y sustitutorio; y los estudiantes de la modalidad de suficiencia serán evaluados mediante un examen escrito en el examen parcial, o final, o sustitutorio. Los estudiantes que aprueben sin el examen sustitutorio serán bonificados con dos puntos adicionales a su promedio final.