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Grado en Ingeniería Química

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Reactores Químicos

Código asignatura
GIQUIM02-3-008
Curso
Tercero
Temporalidad
Segundo Semestre
Materia
Ingeniería Química (M. Fundamental)
Carácter
Obligatoria
Créditos
6
Pertenece al itinerario Bilingüe
No
Actividades
  • Tutorías Grupales (4 Horas)
  • Prácticas de Aula/Semina (7 Horas)
  • Clases Expositivas (49 Horas)
Guía docente

La asignatura “Reactores Químicos” forma parte del módulo Fundamental del 3er Curso de la titulación de Graduado/a en Ingeniería Química de la Universidad de Oviedo y pertenece a la Materia Ingeniería Química de dicha titulación. La asignatura es impartida por el Área de Ingeniería Química del Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente.

El estudio de la Ingeniería de las Reacción Química (Cinética Química y Diseño de Reactores), es un elemento distintivo de la Ingeniería Química frente a otras ingenierías. En un proceso industrial se trata fundamentalmente de transformar las materias primas en productos y para llevarlo a cabo tendremos que diseñar el reactor correspondiente.

La Ingeniería de Reactores es la ciencia que desarrolla y enseña los métodos para calcular lo que puede hacerse con un reactor químico, es decir nos proporciona las bases para realizar el diseño de un reactor, de manera que cumpla con su objetivo; proporcionar un producto dado a partir de unos reactivos conocidos, con una velocidad y selectividad determinadas y mediante un proceso seguro y respetuoso con el medio ambiente.

En el esquema que se adjunta se representan los conocimientos previos básicos para abordar el diseño de un reactor y donde se colocaría el reactor químico en un proceso químico.


Esta asignatura está directamente relacionada con otras asignaturas teóricas cursadas anteriormente por el alumno, fundamentalmente, Fenómenos de Transporte, Termodinámica Aplicada y Cinética Química Aplicada que son la base fundamental para la comprensión de conceptos objeto de estudio en Reactores Químicos. La asignatura, permite a su vez poder desarrollar otras asignaturas impartidas posteriormente como, Dinámica y Simulación de Procesos y Laboratorio de Ingeniería Química III. Para cursar el "Laboratorio de Ingeniería Química III. Reactores y Control de Procesos" el alumno debe de haber superado la asignatura de "Reactores Químicos", siendo por tanto asignatura llave para dicho laboratorio. 

Los alumnos que cursen y superen la asignatura conocerán las ecuaciones de diseño de los reactores ideales así como el balance de energía para el cálculo del volumen del reactor en condiciones no isotérmicas. También serán capaces de determinar el diseño óptimo para reacciones simples y múltiples ylas desviaciones del modelo de flujo ideal así como la aplicación de modelos de flujo no ideales para la determinación de la conversión y el volumen del reactor.

Al finalizar la asignatura, el alumno debería haber desarrollado su capacidad de:

     1. Identificar las variables que intervienen en el diseño de un reactor químico.

     2. Aplicar conocimientos matemáticos para resolver integrales y ecuaciones diferenciales.

     3. Recopilar datos termodinámicos y cinéticos necesarios para la resolución de problemas.

     4. Llegar a resultados concretos en los cálculos.

     5. Razonar el sentido práctico de los resultados obtenidos.

El profesor de esta asignatura pertenece al área de Ingeniería Química del Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente.

Las clases expositivas se complementan con la realización de ejercicios prácticos.

Es una asignatura obligatoria que para ser cursada el alumno debe de haber superado previamente la asignatura “Termodinámica Aplicada”, siendo recomendable que el alumno haya cursado también las asignaturas “Fenómenos de Transporte” y  “Cinética Química Aplicada”

La asignatura no tiene prerrequisitos especiales, pero resulta muy conveniente que los alumnos tengan conocimientos bien asentados de las materias básicas de Matemáticas (especialmente, los correspondientes a resolución de sistemas de ecuaciones, cálculo diferencial e integral) y Física y Química (especialmente los correspondientes a Cinética y Equilibrio Químico).

Las competencias que se trabajarán en esta asignatura son:

Competencias generales

CG1 (i) Capacidad para realizar análisis y síntesis de un proceso en un entorno bien o parcialmente definido.

CG2 (i) Capacidad para organizar y planificar la formulación y resolución de problemas de carácter investigador o productivo.

CG3 (i) Comprender y hacerse comprender de forma oral y escrita en la propia lengua y, al menos, en una lengua extranjera relevante en el ámbito científico, tecnológico o comercial. Capacidad para elaborar, presentar y defender informes, tanto de forma escrita como oral.

CG4 (i) Capacidad de aplicar conocimientos de informática y de diseño asistido por ordenador a la resolución de problemas de cálculo y diseño en su ámbito profesional.

CG5 (i) Capacidad de obtener, gestionar y almacenar de forma ordenada información relevante de su campo de estudio.

CG6 (i) Capacidad para la toma de decisiones optimizando las variables de tiempo e información.

CG7 (i) - Conocimientos para realizar mediciones, cálculos, valoraciones, tasaciones, peritaciones, estudios, informes, planes de labores y otros trabajos análogos

CG8 (i) Capacidad para el manejo de especificaciones, reglamentos y normas de obligado cumplimiento.

CG9 (p) Capacidad para trabajar sólo o en grupo, posiblemente de carácter multidisciplinar, con disponibilidad y flexibilidad para dirigir y ser   dirigido en función de la definición coyuntural o la imposición circunstancial de liderazgos o prioridades.

CG11 (p) Conocimiento, comprensión y capacidad para aplicar la legislación relacionada con su entorno de trabajo.

CG12 (p) Capacidad para las relaciones interpersonales, con reconocimiento de la diversidad y, posiblemente, de la multiculturalidad de las mismas. Capacidad para comunicarse con personas no expertas. 

CG13 (p) Capacidad para resolver problemas con iniciativa, toma de decisiones, creatividad, razonamiento crítico y de comunicar y transmitir conocimientos, habilidades y destrezas en el campo de la Ingeniería Química.

CG14 (s) Tener capacidad para el aprendizaje autónomo, el entrenamiento y la readaptación continua a nuevos tiempos, nuevos retos, nuevas tecnologías, nuevos equipos y nuevas condiciones de trabajo, así como para la interacción sinérgica con expertos de áreas afines o complementarias, de forma crítica y autocrítica. 

CG15 (s) Capacidad para el estudio, la investigación y el desarrollo científico y tecnológico en el ámbito de la Ingeniería Química, de forma creativa y continua.

CG16 (s) Capacidad para realizar trabajo como experto y para liderar equipos de trabajo en plantas industriales donde se desarrollen operaciones y/o procesos de naturaleza física y/o química. 

CG17 (s) Capacidad para aplicar los principios y métodos de la calidad, así como para implantar en su entorno la motivación por los temas de calidad y normativa relacionada con la misma, con especial énfasis en las relaciones laborales, la seguridad de las personas y la protección de instalaciones y del entorno.

CG18 (s) Capacidad de implantar un entorno que premie la iniciativa y el espíritu emprendedor.

CG19 (s) Conocimiento de otros entornos nacionales e internacionales, con relación a otras culturas y costumbres, otros valores, haciendo prevalecer los principios éticos y solidarios de la profesión en cualquier forma de desempeño de la misma. 

CG20 (s) Conocimiento en materias básicas y tecnológicas que les capacite para el aprendizaje de nuevos métodos y teorías y les dote de versatilidad para adaptarse a nuevas situaciones.

CG21 (s) Capacidad para analizar y valorar el impacto social y medioambiental de las soluciones técnicas, así como para implantar sistemas de conservación de recursos, desarrollo sostenible y conservación del Medio Ambiente.

CG22 (s) Capacidad de organización y planificación en el ámbito de la empresa y otras instituciones y organizaciones.

CG23 (p) - Conocer los principios éticos de la profesión y los elementos de una auditoría ética.

Competencias específicas

CE7(a) 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.

CE27(p) 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.

Estas competencias se concretan en los siguientes resultados de aprendizaje:

RRQ1:   Determinar el volumen y/o la conversión de un determinado reactor, para una cinética y estequiometría dadas, de forma analítica y de forma gráfica.

RRQ2:   Obtener información sobre la variación de la concentración con el tiempo en reactores   que operan en régimen no estacionario.

RRQ3:   Optimizar las distintas disposiciones de reactores para reacciones simples y múltiples.

RRQ4: Resolver las ecuaciones de diseño cuando el reactor opera en condiciones no isotérmicas.

RRQ5: Determinar y calcular DTR,s. Aplicar distintos modelos de reactores reales para determinar la conversión y el volumen del reactor en reactores con comportamiento no ideal. Cuantificar las desviaciones que respecto a la idealidad presentar los reactores reales.

Los contenidos de la asignatura “Reactores Químicos” se han organizado con arreglo a los siguientes bloques:

I. INTRODUCCIÓN

1. Conceptos básicos en el diseño de reactores. Clasificación y aplicaciones industriales

II. REACTORES IDEALES. BALANCES DE MATERIA

2. Introducción al diseño de reactores. Ecuaciones de variación              

3. Reactor discontinuo

4. Reactores de flujo

5. Reactores semicontinuos

6. Selección del tipo de reactor y disposición óptima de reactores para reacciones simples. Reactor con recirculación

7. Selección y diseño de reactores para reacciones múltiples

III. EFECTOS DE LA TEMPERATURA EN REACTORES IDEALES. BALANCE DE ENERGÍA

8. Resolución del balance de energía. Métodos analíticos de diseño

9. Métodos gráficos de diseño. Trayectorias de reacción. Selección de las condiciones óptimas de operación y del tipo de reactor                                                    

10. Operaciones adiabáticas por etapas 

11. Estabilidad térmica en reactores. Multiplicidad de estados estacionarios

12. Seguridad en Reactores Químicos (Run-away)

IV. REACTORES DE FLUJO NO IDEAL

13. Desviaciones del modelo de reactor ideal

14. Análisis de reactores reales. Modelos de un parámetro y modelos combinados

Con objeto de racionalizar la organización docente de la asignatura, se ha realizado la distribución de sus contenidos con arreglo a la siguiente tipología de modalidades docentes:

1.Presenciales

    i. Clases expositivas

    ii. Prácticas de aula/Seminarios

    iii. Tutorías grupales

    iv.. Sesiones de evaluación

2. No presenciales

     i. Trabajo autónomo

     ii. Trabajo en grupo

La asignatura se imparte mediante 46 horas de clases expositivas, 7 h de prácticas de aula, 4 h de tutorías grupales y 3 h de sesiones de evaluación. Al comienzo del curso, los alumnos reciben información escrita que incluye la Guía Docente y también recibirán, con antelación a su resolución, los enunciados de los ejercicios numéricos que se desarrollarán en las clases expositivas, prácticas de aula y en tutorías grupales. Durante el desarrollo de la asignatura podrán disponer del material gráfico que se empleará en las clases expositivas. Todo ello estará a su disposición en el “Campus Virtual” que queda activado para el alumno en el momento en el que se matricula de la asignatura.

Las clases expositivas se dedican a actividades teóricas o prácticas impartidas de forma fundamentalmente expositiva por parte del profesor, apoyadas con el material visual antes citado.Las clases prácticas de aula se dedican a actividades de resolución de cuestiones y/o problemas y en las tutorías grupales el alumno resolverá de manera individual un ejercicio práctico o teórico que el profesor corregirá detallando al alumno los errores cometidos y explicándole la forma de resolverlo.

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 (PA y TG)

Todos

20%

Evaluación final

Todos

80%

CONDICIONES: Es obligatoria la asistencia a las Prácticas de Aula y a las Tutorías Grupales, si bien, en casos debidamente justificados será válida una asistencia superior al 80%. Para aprobar la asignatura en cualquiera de las convocatorias, la calificación de la evaluación final no podrá ser inferior al 40% de su valor máximo.

1. Prácticas de Aula y Tutorías Grupales: Se tendrá también 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.

2. 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 cinco cuestiones de carácter teórico o teórico-práctico y la resolución de dos problemas. No se puede aprobar la asignatura con menos del 30% de la nota asignada a la parte teórico-práctico y con menos del 30% de la nota asignada la resolución de los problemas. Un 80% de la calificación final del estudiante corresponderá a la nota obtenida en el examen.

Si se cumplen los requisitos previos indicados, la calificación final se calculará con las notas obtenidas en los dos aspectos indicados, teniendo en cuenta los porcentajes de ponderación señalados para cada uno de ellos en la tabla anterior.

En las convocatorias extraordinarias que tengan lugar durante el curso académico, con anterioridad o posterioridad al semestre en el que habitualmente se imparte la asignatura, la calificación final se calculará con la nota obtenida en las Prácticas de Aula y Tutorías Grupales (las del curso anterior si es la convocatoria de Enero). 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, indicados más arriba, correspondientes a la parte teórico-práctico y a la resolución de los problemas del examen escrito. En el caso de no disponer de nota en las Prácticas de Aula y Tutorías Grupales, por no haber asistido en su momento, se asignará un cero en ese apartado en todas estas convocatorias. 

Evaluación Diferenciada: No será obligatoria la asistencia a PA y TGs. La calificación de la asignatura será la obtenida en el examen final, que contendrá una parte común a todo el alumnado (80%) y preguntas complementarias (20%), para las que se dispondrá de tiempo adicional. Serán de aplicación los mínimos indicados anteriormente.

Se utilizará material gráfico que, como se ha indicado anteriormente, estará a disposición de los alumnos con antelación. Se fomentará la consulta de la bibliografía especializada disponible a través de la red de bibliotecas de la Universidad de Oviedo (BUO), localizada especialmente en la Facultad de Química, así como los recursos en red.

A continuación se indica la bibliografía recomendada:

Bibliografía de referencia

1. Fogler, H. S. (2001). “Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas”. 3ª Ed., Prentice Hall, (Pearson Educación, México).

2. Levenspiel, O. (2004).  “Ingeniería de las Reacciones Químicas”. 3ª Ed. Limusa Wiley, Mexico.

3. Pérez, S. y Gómez A. (1998). “Problemas y Cuestiones en Ingeniería de las Reacciones Químicas”. Bellisco, Ediciones Técnicas y Científicas, Madrid.

4. Santamaria, J. M. y col. (1999).  “Ingeniería de Reactores”. Síntesis, Madrid

Bibliografía complementaria

1. Froment, G. F. y Bischoff, K. B. (1990). ”Chemical Reactor. Analysis and Design”. 2Ed., John Wiley and Sons, Delaware.

2. Hill, C. G. (1977). ”An Introduction to Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design”. John Wiley and Sons, New York.

3. Levenspiel, O. (1986). “El Omnilibro de los Reactores Químicos”. Reverté, Barcelona.

4. Missen, R.W., Mims, C.A. y Saville, B.A. (1999). “Chemical Reaction Engineering and Kinetics”.  Wiley, New York.

5. Smith, J. M. (1981). “Chemical Engineering Kinetics”. 3Ed., McGraw-Hill, New York.

6. Walas, S.M. (1995). “Chemical Reaction Engineering Handbook of Solved Problems”. Gordon and Breach Publishers. USA.