para comprender reactores qu´ımicos con...

para ComprenderReactores Quımicos con

MultireaccionDr. Fernando Tiscareno Lechuga

Departamento de Ingenierıa Quımica

Instituto Tecnologico de Celaya

Contenido

� ¿Que con reactores en ingenierıa quı-mica?

�Bases y habitos de estudio

� Introduccion• ¿Por que otro libro mas?

• Influencias

�Estructuracion del Texto

�Fortalezas y Debilidades

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p2

¿Ingeniero Quımico?

� ¿Que hace?

� ¿Que lo distingue de otras disciplinas?

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p3

¿Por que estudiamos esas fumadas?

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p4

Bases y conocimientos

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p5

El ingeniero quımico sabe acerca de...

�Procesos de separacion

�Reactores

=======================================================================c©Dr. Fernando Tiscareno L./p6

¿Comprender?

� Supongamos que simplemente memorizamos

• 1 + 1 = 2

• 1 + 2 = 3

• 1 + 3 = 4

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p7

¿Aprender?

� ... y nos preguntan en examen:

• ¿2 + 1?

• ¿2 + 2?

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p8

Bases y conocimientos

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p9

¿Por que otro libro mas?

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p10

Alumnos de Posgrado

�Comun denominador•Una sola reaccion

•Primer orden, o

• Solo casos con solucion analıtica

•Coeficiente estequiometrico 1

•Redescubrir el hilo negro en c/problema

• Solo caso adiabatico para no-isotermicos

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p11

Aclaracion:

�La culpa no esta necesariamente• ni libros de texto existentes

• ni en profesores.

Materia llevada...

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p12

Aclaracion (de Poncio Pilatos):

�Sabidurıa Estudiantil (Lista incompleta)::•“El que nada sabe... nada teme”

•Formacion escopeta en los examenes

... materia olvidada

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p13

¿Cuantos ingenieros en Mexico...

� ...realmente hacen diseno de reactores?

� ...realizan analisis o optimizacion dereactores?

�El analisis para una reaccion es trivial•Para aumentar la conversion V aumentar el volu-men de reactor y/o la temperatura de operacion.

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p14

Analisis y Optimizacion

�Debemos reconocer que los problemasinteresantes involucran:•Varias reacciones

• Limitadas por equilibrio quımico

•Efectos termicos

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p15

Principales influencias academicas:

�Prof. Charles Hill Jr.

�Prof. Joe M. Smith

�Prof. Octave Levenspiel

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p16

Calendarizacion Tıpica

Por lotesTcte

Por lotesNo-isot.

Cont. Tanq.Tcte

Cont. Tanq.No-isot.

TubularTcte

TubularNo-isot.

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p17

Ecuaciones de Diseno (para una reaccion)

•Reactor por Lotes

t = Crl0

∫dfrl

(−r rl)

•R. Continuo de Tanque Agitado

τk =Crl0 (frlk − frlk−1)

(−r rl)k

•Reactor Tubular

τ = Crl0

∫dfrl

(−r rl)

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p18

No-isotermicos (una reaccion y lıquidos)

•Operacion adiabatica

T = T0 −∆Hrl Crl0 frl

ρ CP

•Reactor por lotes:

dT

dt=

UA

VR ρ CP

(TC − T )− ∆Hrl (−rrl)

ρ CP

•Tanque Agitado: ecuacion algebraica

•Reactor Tubular:

dT

dτ=

4D U (TC − T )−∆Hrl (−rrl)

ρ CP

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p19

Estructura de este texto

Por lotesTcte

Por lotesNo-isot.

Cont. Tanq.Tcte

Cont. Tanq.No-isot.

TubularTcte

TubularNo-isot.

GASESLÍQUIDOSc©Dr. Fernando Tiscareno L./p20

Parte I: Homogeneos

•Cap. 1: Estequiometrıa

•Cap. 2: Equilibrio Quımica

•Cap. 3: Velocidad de Reaccion

•Cap. 4: Reactores Ideales en Rase Lıquida

•Cap. 5: Reactores Ideales en Rase Gaseosa

•Cap. 6: Reactores Ideales No-Isotermicos

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p21

Apendices asociados a Parte I

•Ap. A: Respuestas a Problemas Propuestos

•Ap. B: Ejemplos de Solucion con MathCad

•Ap. C: Integrales y Ecuaciones Diferenciales

•Ap. D: Estimacion Lineal de Parametros

•Ap. E: Herramienta Solver de Excel

•Ap. F: Formulario de la Parte I

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p22

Figura que separa la Parte I

VR

V.

=VRFik Fik-1

-ri k

( )

Continuoagitado

Tubular Por lotes

Posiciónvariable

Volumenconstante

Gases

Líquidos

Velocidadde reacciónconstante

Flujovolumétricoconstante

Volumenvariable

Posiciónfija V0Fi = Ci

.

.V0=VRd td

=VRdFid ri

VRFi cte/= ni][

=td

nidriVR

=tdCid

ri

=d dVR V.

t

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p23

Parte II: Heterogeneos

•Cap. 7: Patrones No-ideales de Flujo

•Cap. 8: Velocidad Catalıtica de Reaccion

•Cap. 9: Reactores de Lecho Empacado

•Cap. 10: Reactores de Lecho Fluidizado (K-L)

•Cap. 11: Reactores Multifasicos

◦ Ap. G: Velocidades con Ambas Resistencias

◦ Ap. H: Diferenciales con Algebraicas Locales

◦ Ap. I: Codigo del Modelo Unidimensional

◦ Ap. J: Codigo del Modelo Bidimensional

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p24

Figura que separa la Parte II

d2Ci___d r2

+ + = 0____ ____d rdC i2

rr iρ P

Die

d T2

___dr 2 + - = 0

___ __drdT2

rρ P

ekrr∆ HrΣ

Resistencias Internas

Reactor Catalítico

ResistenciasExternas

=riP C i( )kmam C sii

( )-

=Tha m Ts( )- r rPρP- ∆HrΣ

Velocidades intrínsecas

= ( )rr f r ,C i T i = 1...NC

=ri irrrνΣ

Capalímite

2___r 2

∂∂C i

+ - = 0____rC i1

rr

iPρBD ri

∂∂ +

__z∂∂ Civ

0( )

2___r2

∂∂T

+ - = 0___rT1

rr rPρBr

∂∂ -__

z∂∂T

v0( )k CPρ ∆ HrΣ

T[ ]r=R

rrPr

iP

rr

_[ ]

r=RC i

Perfiles Globales:

Ci

T

Catalizador

Velocidadescatalíticas

ri

_

SoluciónSimultánea

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p25

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 Tiscareno L./p26

... dentro del texto

Comentarios Finales

Una particularidad de este texto es que busca abordar de manera relativamente sencilla alos sistemas multireaccion para cada uno de los distintos reactores que se han discutido.Una de las contribuciones importantes de este libro creo que la constituye la originalidadde varios de los problemas propuestos que se salen de lo convencional buscando que elalumno afiance su comprension y sus conocimientos. En las secciones de recapitulacion sehan acotado algunos de los temas relevantes a cada capıtulo y que no fueron discutidosdentro del texto. Ademas de dichas acotaciones hay muchos otros aspectos generales oparticulares que sera necesario complementar en otros textos o en la literatura especiali-zada. Existe una variedad muy extensa de reactores con sus diferentes variantes y serıapoco practico tratar de abarcarlos dentro de un libro de texto que se desarrollo buscandosatisfacer a un interes academico general. Algunos reactores importantes que no fueronmencionados son aquellos asociados a sistemas electroquımicos, a sistemas solido-gas osolido-lıquido (pero en los cuales el solido constituye un reactivo y no al catalizador, porejemplo, la combustion de carbon), y a sistemas solido-solido.

Los Capıtulos 8 a 11 involucran catalizadores solidos pero omiten temas importantesasociados a la catalisis o algunos temas simplemente fueron tratados a un nivel descriptivomuy general. Una lista incompleta de estos temas es: 1) tipos de soportes y su fabricacion;2) sıntesis de catalizadores soportados y no-soportados; 3) tecnicas para su caracterizacionquımica; 4) cambios en el estado de oxidacion del catalizador; 5) sinterizacion y desacti-vacion por formacion de coque; y 6) descripcion detallada del efecto de los promotoresfısicos y quımicos sobre la actividad y selectividad. Estos capıtulos abordan a los reacto-res catalıticos heterogeneos exclusivamente empleando modelos pseudo-homogeneos, esdecir, las fases coexisten e interactuan pero sin definirse realmente los espacios fısicosque ocupan. Estos modelos seran aceptables en la medida que se cuente con parametrosefectivos de transporte confiables.

Aunque algunos problemas hablan sobre el diseno, este proceso debe entendersecomo un ejercicio para estimar las dimensiones del equipo. Es claro que para la fabrica-

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646 Comentarios Finales

cion final del equipo faltan considerar aspectos del material de construccion y del disenomecanico especıfico. El material debe ser capaz de resistir las condiciones internas depresion, las temperaturas y los ciclos termicos de la operacion, y la naturaleza quımica delas especies que conforman la mezcla reaccionante.

A lo largo del texto se requirio extensivamente del uso de metodos numericos. Sinlugar a dudas existen muchos otros problemas en que es indispensable contar con cono-cimientos profundos sobre metodos numericos, tener gran habilidad para la programaciono, cuando menos, saber aplicar de paquetes poderosos de matematicas. En la solucion delos ejemplos y problemas propuestos intencionalmente se recurrio a los metodos numeri-cos mas elementales: trapecios para integrar una ecuacion, Runge-Kutta de cuarto ordenpara ecuaciones diferenciales, Tanteos para ecuaciones implıcitas o en lugar de metodosde disparo y Metodo de Lıneas para ecuaciones diferenciales parciales. Existen muchasalternativas mejores a estos algoritmos y no hay ninguna razon para que el alumno quelas conozca no las emplee, pero para fines de este texto el empleo de metodos sencillosobedecio a un afan de mantenerlo al alcance de las bases de la mayorıa de los alumnosde licenciatura y posgrado.

Algunos de los muchos temas relacionados a los calculos computacionales que pu-dieran ser relevantes y que no fueron abordados son: 1) la precision de las calculadoras ocomputadoras; 2) el error de truncacion asociado que conlleva cada metodo; 3) la exis-tencia de rangos adecuados para los pasos de integracion o tamano de los incrementosal dividir en nodos y que dichos rangos dependientes de la precision de la maquina y delmetodo numerico; 4) la existencia de sistemas de ecuaciones que son rıgidos y que re-quieren de metodos especiales; 5) la existencia de sistemas de ecuaciones pueden exhibiroscilaciones durante la solucion; 6) la posibilidad de encontrar casos en que necesaria-mente debe recurrirse a metodos implıcitos pues los explıcitos simplemente fallan; y 7) elempleo de tecnicas de elemento finito para resolver sistemas de ecuaciones diferencialesparciales.

La realizacion de este libro conllevo un trabajo honesto y muy extenuante por mas deseis anos. La mejor recompensa a mi esfuerzo sera que lo encuentren de utilidad y quesea de su agrado la forma presentacion y su nivel. Gracias y mucho exito,

Fernando Tiscareno LechugaJunio, 2008

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p27

Fortalezas del texto (algunas)

•Organizacion propia

•Requiere y fomenta bases solidas en estequiometrıa

•Estructura: Una y varias reacciones en c/seccion

•Equilibrio desde la perspectiva de reactores

•Tecnicas intermedias de ajuste de parametros

•Ejemplos no-triviales en que se introducen elemen-tos de analisis y optimizacion

•Enfatiza diferencias entre gases y lıquidos

•Problemas originales (no son adaptados)

•Respuestas a todos los problemas

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p28

Informacion Adicional

http://www.iqcelaya.itc.mx/∼fernando/index ABC.html

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p29

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p30

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p31

¡¡Muchas Grapcias!!

c©Dr. Fernando Tiscareno L./p32