INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS(INTRODUCCIÓN)

PRESENTA

DR. MIGUEL ANGEL MORALES CABRERA

POZA RICA, VER., 27 DE AGOSTO DE 2008

Ingeniería de Procesos

El Ingeniero Químico es un especialista en todos los procesos que tienen que ver con las transformaciones físico-químicas de las materias primas en productos, teniendo en cuenta su repercusión medioambiental y el análisis económico del proceso.

Materias Primas

Físicos(Operaciones Unitarias)

Químicos

Fenómenos de Transporte(base de las operaciones unitarias)

Fenómenos de Transporte yreacciones químicas

(Ingeniería de las reacciones químicas)

Momentum Calor Masa2

Ingeniería de las reacciones químicas

Desde el punto de vista económico, es posible que la etapa de tratamiento químico carezca de importancia, ya que podría consistir tan sólo en un tanque de mezcla. Sin embargo, a menudo la etapa de tratamiento químico es la parte medular del proceso y la que hace o impide que el proceso resulte económico.

Figura 1. Esquema de un proceso químico típico.

En el diseño de reactores se utiliza la información, el conocimiento y la experiencia de varios campos: termodinámica, cinética química, mecánica de fluidos, transferencia de calor, transferencia de masa, y economía.

La ingeniería de las reacciones químicas3

Cinética Química

El ingeniero químico depende muchas veces de la información suministrada por el químico de laboratorio, la planta piloto o el reactor a gran escala, para desarrollar desafíos. De esta información necesita extraer, entre otras cosas, las velocidades de las reacciones químicas involucradas, es decir, la cinética química del sistema. Para lograr esto debe separar los efectos de los procesos físicos de los datos observados, obteniendo así información de velocidades concernientes exclusivamente a la etapa de transformación química.

“El ingeniero químico que se confronte con el diseño de reactores, a menudo dependerá de la escala de operación y de la cinética de reacción química”.

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Cinética química

La cinética química es el estudio de la velocidad y del mecanismo por medio de los cuales una especie química se transforma en otra.

Velocidad de reacción

Orden de reacciónEl exponente al que están elevadas las concentraciones . El orden global de una reacción es la suma de todos los exponentes a los que están elevados las concentraciones, n.

Constante cinéticaParámetro que se define como

[ ] ( ) ( )1 1tiempo concentración

nk

- -= g

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SelectividadSe utiliza a menudo en lugar del rendimiento fraccional y, generalmente, se define como

moles formados de producto deseadoSelectividad=

moles formados de material no deseado￦￨

ConversiónSe define como la fracción de cualquier reactivo, por ejemplo A, que se convierte en algo distinto, o la fracción de A que ha reaccionado.

donde NA0 es la cantidad inicial de A en el tiempo cero en el reactor y NA es la cantidad de A presente en el tiempo t.

0

0 0 0

1A A A AA A

A A A

N N C dCX dX

N C C

-= = - =

MolecularidadEs el número de moléculas que interviene en la reacción elemental, y se ha encontrado que este valor puede ser uno, dos y, en ocasiones, tres.

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Termodinámica• Principios de termodinámica (Leyes de la Termodinámica)• Datos termodinámicos

Limite máximo de una reacción química

Ejemplo:CO2 + ½ O2 a 1 atm y 680 C, el 50% de CO2 puede convertirse a trióxido (para condiciones de equilibrio)

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Equilibrio = No hay tendencia de cambio posterior respecto a t

Velocidad Neta de una reacción = 0 (equilibrio)

Termodinámica y Cinética química y catálisis

• Velocidad de reacción aumentada

•Empleo de partículas sólidas (catalizadores)

•Reactores Heterogéneos

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Diseño de reactores químicos Un buen diseño de reactores químicos requiere conocimientos de:

Cinética QuímicaProcesos Físicos (Fenómenos de transporte)Termodinámica El diseño implica la contestación de:

¿Que tipo y tamaño de equipo se necesita para lograr el grado deseado de la reacción química?¿Que condiciones de operación (temperaturas, presiones, velocidades de flujo) se requieren?¿Que dispositivos son necesarios para intercambiar la energía (calor) con los alrededores (naturaleza de la rxn)?¿Análisis de costos (materiales de construcción, corrosión, requerimientos de agua y energía, y mantenimiento?Condiciones de mercado (oferta-demanda)

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Figura 6. Balance de materia en un elemento de volumen del reactor

Principio para las ecuación de diseñode reactores (Isotérmicos)

velocidad de velocidad velocidad de

flujo del reactivo de flujo del pérdida de reactivo

que entra al reactivo que debida a

elemento sale del elemento

de volumen de volumen

￦ ￦

= +

￨ ￨

velocidad de

acumulación

la reacción de reactivo en

química dentro del el elemento de

elemento de volumen volumen

￦ ￦

+

￨ ￨

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Bibliografía

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•H.S. Fogler "Elements of Chemical Reaction Engineering". 4ª ed. Prentice-Hall (2006).

•O. Levenspiel "Ingeniería de las reacciones químicas". 3ª ed. Limusa Wiley (2004).

•J. M. Smith “Ingeniería de la cinética química”. 3a ed. Mc Graw-Hill (1991).