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CINÉTICA METALÚRGICA Y DISEÑO DEREACTORES -- MET-332

Martes14:00 - 15:30 (P-212)Miércoles 09:45 -11:15 (LPRO) Lab/Ay/Rec

Jueves 09:45 -11:15 (P-208)

Marco A Veramarco.verar@usm.cl

+56 32 265 2961

Contenidos1. Introducción y conceptos básicos - La ingeniería de las

reacciones químicas.

2. Reacciones homogéneas2.1. Clasificación de las reacciones y la etapa controlante2.2. Definiciones varias para distintas reacciones2.3. Adsorción y reacción en interfase2.4. Catálisis

3. Reacciones heterogéneas3.1. Gas-Líquido3.2. Gas-Sólido3.3. Líquido-Líquido

4. Introducción al diseño de reactores4.1. Naturaleza del Diseño.4.2. Fundamentos de Balances de Materia.4.3. Diagramas de Flujo.4.4. Tipos de Reactores Metalúrgicos. 2

Updated - Cronograma del curso

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Evaluación de la AsignaturaNF = FCAT*0.7 + FLAB*0.3 (Ambos ≥ 55)

C-1 = 21.04.2015C-2 = 26.05.2015C-3 = 02.07.2015

Cátedra (CAT) 3 certámenes de igual ponderación

FCAT =∑(CATi*0.33) Si 48 ≤ FCAT < 55 EXAMEN (Ex)

FCATex = FCAT*0.7 + Ex*0.3 Si FCATex < 55 NF = FCATex

NF = FCATex*0.7 + FLAB*0.3

Presentaciones estanincluidas aqui.

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Grupo Fecha Articulo1Ignacio DroguettPedro MuñozPablo Zambrano

Miercoles 15 abril 2015 1_Enhancing Process Kinetics for MineralCarbon Sequestration_5

2Carla AlvaradoSilvia BugueñoJaviera EscobarHector Medina

Jueves 23 abril 2015 2_Lelinski _Rate of Bitumen Film Transferfrom a Quartz Surface_7

3Solange VeraDiego DiazAlejandro ApablazaEsteban Rodriguez

Martes 28 abril 2015 3_Effects of Various Process Parameterson Struvite Precipitation_8

4Joaquin ValenzuelaFrancisco CalderónDiego UrrutiaFelipe Cid

Martes 5 mayo 2015 4_Degradation kinetics and mechanismsof phenol_8

5Angelo FaccilongoCarlos ArnaldiDanitza LizanaDiego Ramirez

Martes 12 mayo 2015 5_Progress in Development of LPDMEProcess_Kinetics and Catalysts_10

6Katherine BustosRodrigo IbacetaPablo TorresMartín Sagredo

Jueves 28 mayo 2015 6_Mechanism and kinetics ofmechanochemical processes incomminuting 2_10

7Italo ManzoPablo MartinMacarena Medina

Martes 2 junio 2015 7_Kinetics_Mechanism_Dehydrolation_11

8Felipe Cofré OsorioFranco FranchinoJoaquín Gallardo

Martes 9 junio 2015 8_Kinetics of Copper Segregation_12

9Camila PickertIgnacio ParedesPaulina Moncada

Martes 16 junio 2015 9_Optimisation and Kinetics Studies onthe Extraction of_18

10Ivan GonzalezFranco OndizJaviera MenesesJaviera Medina

Martes 23 junio 2015 10_DryingData_Methods_Processing_20

Bibliografia

• Habashi, F. (1999). “Kinetics of MetllurgicalProcesses”.

• Levenspiel, O. (2007). “Ingenieria de lasreacciones quimicas”.

• Sinnott, R. and Towler, G. (2012). “Diseno enIngenieria Quimica”.

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¿Por que usamos diferentesecuaciones?

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ObjetivosComprender y aplicar los conceptos fundamentales decinética de reacciones (Rx) que permiten determinar lavelocidad y el mecanismo de una determinadareacción metalúrgica.

.

Integrar lo anterior en la formulación de modelos quepermitan interpretar y diseñar reactores.

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Introducción

Etapas deTratamientoFísico

Etapas deTratamientoFísico

Etapas deTratamientoQuímico

MateriasPrimas Productos

Recirculación

Aplicación deOperaciones Unitarias

de Preparación(equipos quedan definidos

casi por defecto)

Parte de este curso

Aplicación deOperaciones Unitarias

de Separación/Purificación(equipos quedan definidos

casi por defecto)• Termodinámica• Mec. de fluidos• Transferencia de

calor y masa

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Una Rx metalúrgica cualquiera es termodinámicamenteposible SOLO cuando hay una disminución de la EnergíaLibre.

Todas las ecuaciones que se usan en el tratamientotermodinámico de procesos metalúrgicos considerancondición de Equilibrio. Lamentablemente no aportaninformación respecto al tiempo para alcanzar dicho equilibrio.

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100 mg

10 mg/min 10 %t (min) A B

0 100 1001 90 902 80 813 70 72.94 60 65.615 50 59.0496 40 53.14417 30 47.829698 20 43.046729 10 38.74205

10 0 34.8678411 31.3810612 28.2429513 25.4186614 22.8767915 20.5891116 18.530217 16.6771818 15.0094619 13.5085220 12.1576721 10.941922 9.84770923 8.86293824 7.97664425 7.1789826 6.46108227 5.81497428 5.23347629 4.71012930 4.23911631 3.81520432 3.43368433 3.09031534 2.78128435 2.50315636 2.2528437 2.02755638 1.824839 1.6423240 1.47808841 1.33027942 1.19725243 1.07752644 0.96977445 0.87279646 0.78551747 0.70696548 0.63626949 0.57264250 0.515378

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Transformaciones físicas y químicas de la materia:¿puede ocurrir? ¿a qué velocidad ocurre?

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La primera pregunta es contestada por la termodinámicaen donde se originan dos preguntas mas:

¿Cuál es el balance energético del proceso?¿Cuál es la condición de equilibrio?

La segunda pregunta la contesta la cinética química y sederivan las siguientes interrogantes

¿Cuál es la velocidad de las reacciones?¿Cómo ocurren estas reacciones?

Consideremos la Rx:

A BRx => Endotérmica, si Hr > 0Rx => Exotérmica, si Hr < 0Rx => Espontánea, si Gr < 0Rx => Equilibrio, si Gr = 0

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Con toda esta información NO es posible determinar eltiempo que tarda la Rx en llevarse a cabo.

Tampoco es posible determinar los tiempos de procesos nies posible diseñar reactores.

Se establece un equilibrio químico cuando la velocidad de la reacción directase iguala con la velocidad de la reacción inversa.

Cuando la reacción alcanza el equilibrio (estado final), ambas reaccionessiguen ocurriendo a pesar que no se perciben cambios en la concentración nide reaccionantes ni de productos.

Por Ejemplo:

Pirometalurgia

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MO

MS

M

pO2

pS2

-2-4-6-8-10-12

8

7

6

5

4

3

2

1

0

-1

-2

-3

-4

Cu-O -S Phase Stability Diagram at 700.000 C

File: C:\HSC4\CuOS700.ips log pO2(g)

log pSO2(g)

CuCuO

Cu2O CuO*CuSO4

CuS

Cu2S

CuSO4

Cu2SO4

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MO2MO1

M

pH

Eh

Hidrometalurgia

La condición de equilibrio es posible entenderla desde lainformación termodinámica disponible, pero en la práctica lareacción puede ocurrir en un periodo de tiempo no medible.

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Es decir: el tratamiento termodinámico NO entregainformación sobre la velocidad a la que ocurre la Rx.

Por esta razón, otra aproximación ha sido desarrollada paraestudiar la velocidad de las reacciones CINÉTICA.

La velocidad de una reacción puede definirse como lavelocidad con que disminuye la concentración de unreactante o como la velocidad con que aumenta laconcentración del producto de una reacción.

Si un reactante tiene una concentración C al tiempo t, lavelocidad de consumo será:

-dC/dtPara el caso de la Rx: BP

-d[B]/dt donde [ ] = concentración

Si la conc. del producto tiene una concentración Z al tiempo t,la velocidad de generación será:

dZ/dt

Para el caso de la Rx: BPd[P]/dt donde [ ] = concentración

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El signo – disminución de la concentración

El signo + aumento de la concentración

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t

[B]

t

[P]

B P

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Si la velocidad de cambio en el número de moles de un componentedebido a la reacción es dNi/dt existen diferentes formas de expresarla velocidad de reacción:

Unidad de ExpresiónVolumen del

fluidoMoles de i formados

(volumen de fluido) (tiempo)Masa del sólido

(S-F)Moles de i formados

(masa del sólido) (tiempo)Superficie delsólido (G-S)

Moles de i formados(superficie del sólido) (tiempo)

Volumen delsólido

Moles de i formados(volumen del sólido) (tiempo)

Volumen delreactor

Moles de i formados(volumen del reactor) (tiempo)

dt

dN

Vr i

i

1

dt

dN

Mr i

i

1´

dt

dN

Sr i

i

1´´

dt

dN

Vr i

Si

1´´´

dt

dN

Vr i

Ri

1´´´´

´´´´´´´´´´ iRiSiii rVrVSrMrVr

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