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Cinética y Reactores Químicos
- Prácticas de Aula/Semina (7 Horas)
- Clases Expositivas (49 Horas)
- Tutorías Grupales (4 Horas)
La asignatura de Cinética y Reactores Químicos pertenece a la materia de Ingeniería Química del módulo 4 de Tecnología específica en Química Industrial. Esta asignatura se imparte en el primer cuatrimestre de tercer curso de la titulación de Grado en Ingeniería Química Industrial y está asignada al área de Ingeniería Química.
La asignatura forma parte del núcleo de Ingeniería Química de la titulación. El objetivo es sentar las bases científicas y técnicas para el diseño de los reactores químicos. Tras cursar la asignatura los alumnos serán capaces de seleccionar y dimensionar el tipo de reactor y las condiciones de operación más apropiadas para una reacción química.
Para cursar la asignatura no es requisito haber cursado o aprobado ninguna otra asignatura. Sin embargo, el alumno debe dominar la realización de balances de materia y energía en sistemas multicomponentes con y sin reacción química, objeto de estudio en la asignatura de Fundamentos de los Procesos Químicos.
Las competencias generales que se trabajan en esta asignatura se indican en la memoria de verificación de la titulación de Ingeniero Químico Industrial.
Entre las competencias específicas correspondientes al apartado de Tecnología específica en Química Industrial, a lo largo de esta asignatura se desarrollan las siguientes:
CQ1 – Conocimientos sobre balances de materia y energía, biotecnología, transferencia de materia, operaciones de separación, ingeniería de la reacción química, diseño de reactores, y valorización y transformación de materias primas y recursos energéticos.
CQ2 – Capacidad para el análisis, diseño, simulación y optimización de procesos y productos.
CQ3 – Capacidad para el diseño y gestión de procedimientos de experimentación aplicada, especialmente para la determinación de propiedades termodinámicas y de transporte, y modelado de fenómenos y sistemas en el ámbito de la ingeniería química, sistemas con flujo de fluidos, transmisión de calor, operaciones de transferencia de materia, cinética de las reacciones químicas y reactores.
La consecución de las competencias anteriores se lleva a cabo a través de varios resultados de aprendizaje, tal como establece la memoria de verificación del título:
RCR-1 – Obtener, interpretar y modelizar datos cinéticos para reacciones homogéneas y heterogéneas, dominando la teoría básica de la cinética química y la catálisis.
RCR-2 – Seleccionar y diseñar reactores ideales isotermos para llevar a cabo reacciones sencillas.
RCR-3 – Plantear balances de energía a reactores químicos ideales, diseñar reactores de tipo adiabático y realizar estudios de estabilidad de reactores para casos sencillos (CSTR).
RCR-4 – Identificar fenómenos de no idealidad en reactores reales, modelizándolos mediante sistemáticas sencillas.
RCR-5 – Conocer los fundamentos de operación de reactores heterogéneos.
Los contenidos que se proponen para alcanzar los resultados de aprendizaje se han organizado en los siguientes temas, donde para cada tema se indican los apartados más destacables.
Los contenidos que se proponen para alcanzar los resultados de aprendizaje se han organizado en los siguientes temas:
1. Introducción a la Ingeniería de la Reacción Química
1.1. Ingeniería de la reacción química
1.2. Reacciones químicas
1.3. Velocidad de reacción
1.4. La conversión fraccional
1.5. Equilibrio químico
1.6. Ecuaciones cinéticas
2. Cinética de las reacciones homogéneas
2.1. Mecanismo de reacción
2.2. Cinética de las reacciones elementales
2.3. Cinética de las reacciones no elementales
3. Reactores químicos
3.1. Introducción
3.2. Clasificación de los reactores
3.3. Ecuaciones de diseño (BR, CSTR, PFR)
4. Análisis de datos cinéticos
4.1. Método integral de análisis de datos cinéticos
4.2. Método diferencial de análisis de datos cinéticos
4.3. Método de las velocidades iniciales
4.4. Método de los componentes en exceso
5. Selección del tipo de reactor y disposición óptima de reactores para reacciones simples
5.1. Elección del tipo de reactor
5.2. Sistemas de un solo reactor
5.3. Sistemas de reactores múltiples
6. Selección del tipo de reactor y disposición óptima de reactores para reacciones múltiples
6.1. Introducción
6.2. Reacciones en paralelo
6.3. Reacciones en serie
6.4. Combinación de reacciones en serie-paralelo
7. Reactores reales
7.1. Introducción
7.2. Distribución de tiempos de residencia (DTR)
7.2. Mezcla de fluidos. Micromezcla y macromezcla
7.3. Modelos de flujo no ideal
8. Resolución del balances de energía. Métodos analíticos de diseño
8.1. Introducción
8.2. Reactor discontinuo no isotérmico
8.3. Balance de energía para sistemas de flujo
8.4. CSTR no isotérmico
8.5. PFR no isotérmico
9. Estabilidad térmica en reactores. Multiplicidad de estados estacionarios
9.1. Consideraciones generales
9.2. Estabilidad térmica en reactores continuos de mezcla completa. Balances de calor
10. Cinética de las reacciones heterogéneas. Conceptos generales
10.1. Ecuación cinética para reacciones heterogéneas
11. Cinética de las reacciones Sólido- Fluido
11.1. Introducción
11.2. Selección del modelo cinético
11.3. Modelo del núcleo sin reaccionar para partículas esféricas de tamaño constante
11.4. Modelo del núcleo sin reaccionar para partículas esféricas de tamaño decreciente
12. Naturaleza y caracterización de catalizadores sólidos
12.1. Introducción
12.2. Características y propiedades de los catalizadores sólidos
12.3. Preparación de catalizadores sólidos
12.4. Catalizadores monolíticos
13. Cinética de las reacciones catalizadas por sólidos: resistencia difusional en poros
13.1. Introducción
13.2. El factor de eficacia. Definición y estimación
13.3. Cinética en presencia de difusión externa
13.4. Estudio experimental. Reactores a escala industrial.
14. Cinética de las reacciones Fluido- Fluido
14.1. Introducción
14.2. Conceptos generales de cinética de las reacciones Fluido-Fluido
15. Seguridad de los reactores químicos
15.1. Reacciones fuera de control
15.2. Explosiones
15.3. Fuga de material
15.4. Seguridad en diseño de reactores
La metodología a seguir para impartir la asignatura está condicionada por la distribución en horas de las distintas actividades formativas que establece la memoria de verificación del título:
Contenido | Clases expositivas (CE) | Prácticas de aula (PA) | Tutorías grupales (TG) | Trabajo no presencial |
Tema 1 | 2h | 3h | ||
Tema 2 | 3h | 5h | ||
Tema 3 | 4h | 1h | 1h | 9h |
Tema 4 | 5h | 1h | 1h | 9h |
Tema 5 | 3h | 1h | 5h | |
Tema 6 | 4h | 7h | ||
Tema 7 | 5h | 1h | 9h | |
Tema 8 | 5h | 1h | 1h | 9h |
Tema 9 | 3h | 5h | ||
Tema 10 | 1h | 1h | ||
Tema 11 | 3h | 5h | ||
Tema 12 | 1h | 3h | ||
Tema 13 | 5h | 1h | 1h | 9h |
Tema 14 | 4h | 1h | 9h | |
Tema 15 | 1h | 2h | ||
TOTAL | 49h | 7h | 4h | 90h |
En las clases expositivas, el profesor desarrolla cada uno de los temas de la asignatura, tanto desde el punto de vista teórico como a través de la realización de ejemplos y casos prácticos. El profesor pondrá a disposición de los alumnos, a través del Campus Virtual y con suficiente antelación, tanto las diapositivas utilizadas en clase como los ejemplos resueltos.
El trabajo no presencial permite a los alumnos reforzar los conocimientos adquiridos durante las clases expositivas para que se materialicen en competencias de forma efectiva. Esto se lleva a cabo por medio de diversas actividades no presenciales:
Actividad 1. Realización de problemas. El profesor propondrá al final de cada tema problemas específicos para que el alumno trabaje de forma individual y ponga en práctica los conocimientos adquiridos.
Actividad 2. Realización de problemas utilizando herramientas informáticas para su resolución. En esta actividad de contempla la resolución de problemas con un mayor grado de complejidad y que habitualmente requiere del empleo de programas informáticos de cálculo para su resolución.
El objetivo de las prácticas de aula y las tutorías grupales es llevar a cabo un seguimiento de la asignatura y las diversas actividades no presenciales de la misma.
Las prácticas de aula se dedican a la resolución de los problemas de la Actividad 1. Durante la práctica se fomentará una alta participación del alumno, por medio de la realización de preguntas y exposiciones orales.
Durante las tutorías grupales los alumnos reforzarán sus competencias para la resolución de problemas.
De forma excepcional, si las condiciones sanitarias lo requieren, se podrán incluir actividades de docencia no presencial, en cuyo caso, se informará al estudiantado de los cambios efectuados.
El valor de cada uno de los sistemas de evaluación tanto en convocatorias ordinarias como extraordinarias, expresado en porcentaje, será el siguiente:
Sistemas de evaluación | Resultados de aprendizaje | Porcentaje |
Evaluación Tutorías Grupales | Todos | 20% |
Evaluación final | Todos | 80% |
Tutorías Grupales: Es obligatoria la asistencia a las Tutorías Grupales, aunque en casos debidamente justificados será válida una asistencia superior al 80%. Se tendrá en cuenta la participación activa en todas ellas, así como el trabajo realizado por cada estudiante en las mismas. Un 20% de la calificación final del estudiante se corresponderá con la valoración de estos aspectos.
Evaluación final: Al final del curso se realizará un examen escrito para comprobar el dominio de las materias correspondientes a la asignatura, consistente en la respuesta a varias cuestiones de carácter teórico o teórico-práctico (50% de la nota de examen) y la resolución de problemas (50% de la nota de examen). No se puede aprobar la asignatura con menos del 30% de la nota asignada a la parte teórico-práctica y con menos del 30% de la nota asignada a la resolución de los problemas. Un 80% de la calificación final del estudiante corresponderá a la nota obtenida en el examen.
Para aprobar la asignatura en la convocatoria de diciembre enero, la calificación de la evaluación final no podrá ser inferior al 40% de su valor máximo. Si se cumple esta condición, la calificación final se calculará teniendo en cuenta los porcentajes de ponderación señalados en la tabla anterior. Si no se dispone de nota en las Tutorías Grupales, por no haber asistido en su momento o no haber realizado las tareas evaluables, se asignará un cero en ese apartado.
Para todas las demás convocatorias del curso académico la calificación final se calculará con la nota obtenida en las Tutorías Grupales y la nota obtenida en la evaluación final correspondiente a la convocatoria, teniendo en cuenta los porcentajes de ponderación señalados para cada uno de ellos en la tabla anterior. También serán de aplicación los porcentajes mínimos correspondientes a la evaluación final, indicados más arriba.
Si el alumno se presenta a las convocatorias extraordinarias con anterioridad al semestre en el que habitualmente se imparte la asignatura, la calificación final se calculará con la nota obtenida en las Tutorías Grupales del curso académico inmediatamente anterior en el que fue impartida la asignatura y la nota obtenida en la evaluación final correspondiente a la convocatoria extraordinaria, teniendo en cuenta los porcentajes de ponderación señalados para cada uno de ellos en la tabla anterior.
Evaluación diferenciada: la evaluación de la asignatura se llevará a cabo en un examen final que se realizará en la fecha que marca el calendario de exámenes publicado, y que garantiza que el alumno pueda aprobar la asignatura. El % de dicho examen en la nota final será del 100%.
Bibliografía básica:
- Levenspiel, O. Ingeniería de las reacciones químicas. 3ª ed. Limusa (2004)
- Fogler, H.S. Elementos de ingeniería de las reacciones químicas. Ed. Prentice (2008)
Bibliografía complementaria:
- Santamaria, J.M. Ingeniería de reactores. Síntesis (1999)
- Gonzalez Velasco, J. Cinética química aplicada. Síntesis (1999)
- Missen, R.W., Mims, C.A., Saville, B.A. Introduction to Chemical Reaction Engineering and Kinetics. Wiley (1998)
- Albright, L.F. Albright’s Chemical Engineering Handbook. CRC Press (2009)
Recursos informáticos:
- Excel y Polymath.