Introducción a la Ingeniería de...

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Introducción a la Ingeniería de Introducción a la Ingeniería de ReactoresReactores

Dr. Rogelio Cuevas García

Dr. Rogelio Cuevas Garcia

¿Qué es un Ingeniero químico?a) Es el Ingeniero que manufactura químicosb) Un químico que trabaja en una industriac) Plomero con titulo.

La respuesta a esta pregunta con truco es

d) Ninguna de las anteriores

Sin embargo, algunos estudiantes durante las largas horas dedinámica de fluidos revisando un aburrido ejemplo de flujo en


una tubería se visualizan a si mismos como plomeros.

Las dos primeras definiciones tienen sentido considerando unpunto de vista demasiado estrecho del titulo de Ing. Químico.

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La pregunta subsiste: ¿Qué es un Ing. Químico?Si bien es cierto que un I.Q. es capaz de trabajar con la

química; un I.Q. utiliza ese conocimiento para más quesolamente “hacer químicos”.

En realidad el termino Ingeniero Químico no intentad ibi l ti d t b j li bi ldescribir el tipo de trabajo que realiza, en cambio revela quehace a este ingeniero distinto de las otras ramas de laingeniería.

Todos los ingenieros emplean matemáticas, física y elarte de la ingeniería para solucionar problemas conseguridad y económicamente.


g y

Pero es el I.Q. solamente él que utiliza la ciencia de laquímica para resolver una amplia variedad de problemas. Lasrelaciones técnicas y sociales que unen a la IngenieríaQuímica y la Química son únicas en los campos de la cienciay la tecnología.

La amplitud de conocimiento científico y técnicoinherente al I. Q. ha causado que al ingenieroquímico se le llame el “Ingeniero Universal”.químico se le llame el Ingeniero Universal .

Lo cual viene de que un I. Q. es extremadamenteversátil y debe ser capaz de resolver un ampliorango de problemas técnicosrango de problemas técnicos.


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Algunos logros de la Ing. QuímicaAlgunos logros de la Ing. QuímicaDivisión del átomo.La era del plástico.F é iFarmacéuticos.Fibras sintéticas.Comida para todos.Combustibles.Hule sintético.Reactor humano.T t i é iTemperaturas criogénicas.Cuidado del ambiente.


IntroducciónIntroducción

Definición de Ingeniería Química:

el arte de aplicar con creatividad y ética losi i i ífi í i l

p yconocimientos científicos y empíricos alestudio y resolución de los problemas de laindustria, especialmente de la industriaquímica y de los problemas sociales,económicos y ecológicos con ellarelacionados en beneficio de la comunidad.[1]

[1] Instituto Mexicano de Ingenieros Químicos. http://www.imiq.org/area.asp?area=15


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Definición de Ingeniería Química:

Aplicación de los principios procedentes de lasAplicación de los principios procedentes de lasciencias físicas, aunados con los principiosderivados de la economía y de las relacioneshumanas, en campos que pertenecendirectamente a los procesos y al equipo deprocesos, gracias a los cuales se trata la materiapara efectuar en ella un cambio en su estado, ensu contenido de energía o en su composición [2]su contenido de energía o en su composición [2].

[2] American Institute of Chemical Engineers.



Definición de Ingeniería Química:Aplicación de los principios procedentes de

las ciencias físicas a nados con los principioslas ciencias físicas, aunados con los principiosderivados de la economía y de las relacioneshumanas, en campos que pertenecen directamentea los procesos y al equipo de procesos, gracias alos cuales se trata la materia para efectuar en ellaun cambio en su estado, en su contenido de

í i ió [2]energía o en su composición [2].



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Principios de diseñoTransferencia de

masa

Matemáticas

Cinética Transferencia de energía

Catálisis


Químicade energía

Termodinámica


Comparación entre el proceso antiguo de alta presión y el proceso utilizadoen la actualidad para la producción de metanol, de acuerdo a la reacción:

OHCHHCO cat322 ⎯→⎯+

Alta presión Baja PresiónAlta presiónZnO/Cr2O3

Baja PresiónCuO/ZnO/Al2O3

Metanol 77 ~82Agua 20 ~18Impurezas 3.05 0.070Dimetileter 2.40 0.011Metilformato 0.10 0.130


Metilformato 0.10 0.130Etanol 0.15 0.019n-propanol 0.09 0.005Isobutanol 0.05 0.020desconocidos 0.05 0.020

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las ciencias físicas a nados con los principioslas ciencias físicas, aunados con los principiosderivados de la economía y de las relacioneshumanas, en campos que pertenecen directamentea los procesos y al equipo de procesos, gracias alos cuales se trata la materia para efectuar en ellaun cambio en su estado, en su contenido de energía

i ió [2]o en su composición [2].



IntroducciónIntroducciónAspecto Económico:Costo del crudo en la primera de cada del siglo XXI


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Aspecto económicoAspecto económicoEn general de un barril de petróleo se pueden obtener:

43 L de gasóleo.41 L de nafta.75 L de gasolina primaria (solo 15 L podrían utilizarse75 L de gasolina primaria (solo 15 L podrían utilizarsecomo el combustible que llamamos gasolina).Otros productos secundarios.

Consideremos ahora la petroquímica primaria. De cada barrilde crudo se obtienen:

21.4 Kg de etileno.14 7 Kg de propileno14.7 Kg de propileno.9.2 Kg de butilenos y butadienos.28.7 L de naftas.13.5 Kg de materia prima para negro de humo14.7 Kg de gas combustible (LPG).



Aspecto económico.

Con lo cual tenemos las materias primas utilizadas para la fabricación de:

28 i d i (65% d lié ) 8 b d b 24 b28 camisas de vestir (65% de poliéster) y 8 botes de basura o 24 cubetaso 210 m de manguera.26 suéteres o 7 cobertores (100% acrílico); 40 rollos de cordón o cinco

cajas de cerveza.1 llanta para automóvil o 16 llantas de bicicleta; 4.5 cámaras de camión

ó 21 cámaras de bicicleta.222 artículos de ropa interior (lencería) para dama o 555 pantimedias de

nylon, o 5.5 gabinetes de televisión de 16 pg.nylon, o 5.5 gabinetes de televisión de 16 pg.14 Kg. de material de alta resistencia para relleno usado por ejemplo en

46 llantas de automóvil.Consumo de gas (promedio) de 18 días en el hogar.


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las ciencias físicas a nados con los principioslas ciencias físicas, aunados con los principiosderivados de la economía y de las relacioneshumanas, en campos que pertenecen directamentea los procesos y al equipo de procesos, gracias alos cuales se trata la materia para efectuar en ellaun cambio en su estado, en su contenido de

í i ió [2]energía o en su composición [2].




Relaciones humanas

El aspecto de las relaciones humanas es importanteen la ingeniería química, pues un profesionista deesta carrera puede ocupar puestos de trabajo en unespectro muy amplio desde vendedores a jefes deproducción o ingenieros supervisores, gerentes. Yen cada caso conoce y/o maneja a cierto númerode personas.


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Definición de Ingeniería Química:Aplicación de los principios procedentes de las cienciasp p p p

físicas, aunados con los principios derivados de laeconomía y de las relaciones humanas, en campos quepertenecen directamente a los procesos y al equipo deprocesos, gracias a los cuales se trata la materia paraefectuar en ella un cambio en su estado, en su contenidode energía o en su composición [2].




De acuerdo con la definición, la ingeniería química esta muy relacionada con los PROCESOS

PROCESO: serie o conjunto de pasos queincluyen cambios en la composición química obien cambios físicos en el material que se prepara,se separa, o se purifica, en fin que se procesa. Elingeniero de proceso debe especificar cada unod l di i t b j l l d bde las condiciones exactas bajo las cuales debellevarse a cabo cada paso.


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Esquema general de un proceso.




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Proceso de hidrotratamiento de VGOUS PATENT44644116-0



Volviendo al esquema simplificado de un proceso

Si se tiene un reactor que sea eficiente (se obtengan en élaltas conversiones):


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En un proceso donde el rendimiento es alto (selectividad igual a1) y la conversión es completa

En un proceso donde el reactor es lo suficientemente flexiblepara aceptar variaciones en la concentración de alimentación



Del análisis anterior se concluye que la etapa deDel análisis anterior se concluye que la etapa detratamientos químicos (reactor) es el corazón delproceso y determina económicamente laviabilidad de un proyecto


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Reactor Químico:

Dispositivo donde ocurre un cambio en lacomposición debido a la reacción química.

Por lo tanto es cualquier recipiente donde ocurreuna reacción química.q

Las etapas que llamamos de tratamiento químico serealizan en un reactor


Ejemplos de reactores químicosEjemplos de reactores químicos


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Ejemplos de algunos reactoresEjemplos de algunos reactores

Funcionamiento del Reactor de FCC


Reactor para la producción de NO (producción de HNO3)


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Introducción Introducción El problema industrial que debe resolver la Ingeniería deReactores se puede resumir en las siguientes cuestiones:

¿Qué se desea producir?¿Cómo seleccionar el mejor tipo de reactor para una reacción¿Cómo seleccionar el mejor tipo de reactor para una reacción

química en particular?¿Cuál es el tamaño (mínimo) requerido para alcanzar la

producción requerida en dicha reacción?¿Cuáles son las mejores condiciones de operación?

Las preguntas anteriores se refieren la producción.¿Cuál es la mejor manera de medir la producción en el

diseño de los reactores químicos?a) Cuando se tienen reacciones simples se utiliza la

conversión.b) Si se tienen reacciones complejas es mejor utilizar el

rendimiento (o la selectividad).Dr. Rogelio Cuevas Garcia


¿Como determinar las condiciones optimas de operación?

¿Cuál es la información relevante requerida para el diseñode el reactor?¿Qué efecto tienen en el reactor químico el cambio en lascondiciones de operación?¿Como mejorar el desempeño del reactor?


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La ingeniería de reactores se refiere a la lógica que apoya latoma de decisiones respecto a las preguntas anteriores.

Se debe notar que algunas de estas preguntas se refieren aSe debe notar que algunas de estas preguntas se refieren acondiciones preestablecidas; entre ellas debemos destacar.

Escala de producción, es decir cuanto debemos producir.Cinética de reacción, que se refiere a la velocidad con que

se realiza dicha producción.Disponibilidad de las materias primas que fija los valores

de concentración inicial de los reactivos con posibilidad deutilizarse.



Variables importantes en el diseño de reactores:Para el diseño completo de los reactores químicos se

hace uso de los siguientes principios:

Principios físicos:a) Transferencia de masa.b) Transferencia de energía.

Principios químicos:a) Termodinámicos: (equilibrio químico, DHR).b) Cinética química.


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El diseño de proceso de un reactor se debe cumplir con:a) Selección del tipo de reactor de acuerdo con el ) p

método de operación.b) Selección del tamaño del reactor.c) Características de intercambio de energía.d) Condiciones de operación: Temperatura (Keq, k),

presión (X) composiciones (r ) condiciones de flujopresión (X), composiciones (rA), condiciones de flujo.



Para llegar al diseño más adecuado para una finalidadconcreta, es necesario además:

1). Predecir la respuesta del sistema reaccionante a loscambios en las condiciones de operación (cambio de lasvelocidades y conversiones de equilibrio con latemperatura y la presión).

2). Comparar los resultados de diseños distintos (sistemade flujo vs. discontinuo, reactor adiabático vs. isotérmico,

i l úl i l )reactor simple vs. múltiple).

3). Estimar la economía de diferentes alternativas.


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Diseño mecánico de un reactor químicoDiseño mecánico de un reactor químico..

Materiales de construcciónCaracterísticas mecánicasCaracterísticas mecánicas

Resistencia (espesor)Corrosión

Requerimientos de agua o vapor, sistemas de bombeoMantenimientoInstrumentación y sistemas de controly


Control del reactorControl del reactor

Mantener el reactor operando en las condiciones defuncionamiento óptimo. Se incluye establecer unafuncionamiento óptimo. Se incluye establecer unaestrategia para evitar las fluctuaciones al máximo.

Cuando se presente la situación es necesario estudiar laforma en que se deben variar las condiciones deoperación para regresar a las condiciones defuncionamiento óptimo en el menor tiempo posible.

La clave para lograr estos compromisos radica enidentificar cuáles son las condiciones de control quedeben utilizarse como punto de control.


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Importancia de la cinéticaImportancia de la cinética

De la anterior queda claro que se debe contar conexpresiones de rapidez de reacción correctas. Estasexpresiones se obtienen, hasta el momento,expresiones se obtienen, hasta el momento,experimentalmente. La expresión puede obtenerse de lassiguientes formas:a)Usando un reactor de laboratorio. Este reactor puedeoperarse de manera isotérmica y deben evitarse losfenómenos de transferencia de masa y calor (Procesosfísicos).físicos).b)Utilización de un reactor a escala piloto.c)Con un reactor industrial.


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