Reactores y cinética química
Reactores y cinética química evalúa leyes de velocidad, diseño de reactores ideales, selectividad y efectos térmicos. El examen distingue batch, CSTR y PFR, y relaciona conversión con volumen y tiempo de residencia.
Ecuaciones y criterios
- Ley de velocidad: −rA = k(T) f(CA, CB). La constante sigue Arrhenius: k = A exp(−Ea/RT).
- Conversión: X = (FA0 − FA)/FA0.
- Batch: t = NA0 ∫ dX/(−rA V).
- CSTR: V = FA0 X/(−rA). PFR: V = FA0 ∫ dX/(−rA).
- Selectividad y rendimiento permiten comparar rutas con reacciones múltiples.
- En catálisis heterogénea importan área, difusión y desactivación; la cinética aparente puede ocultar limitaciones de transporte.
Ejemplo resuelto
Para A → B de primer orden, −rA = kCA, con k = 0.10 min−1, v0 = 10 L/min y X = 0.80, un CSTR requiere V = v0X/[k(1−X)] = 10(0.80)/[0.10(0.20)] = 400 L. Un PFR con la misma conversión requiere V = (v0/k) ln[1/(1−X)] = (10/0.10) ln 5 = 160.9 L. Para primer orden, el PFR es más eficiente en volumen porque no mezcla fluido fresco con producto; el CSTR mantiene una concentración baja de reactivo en todo el tanque.
Errores que cuestan puntos
- Usar conversión global cuando hay reciclo, sin distinguir la conversión por paso.
- Confundir tiempo de residencia con tiempo espacial.
- No recalcular CA0 si cambian presión o temperatura en fase gas.
- Elegir CSTR o PFR sin analizar el orden de reacción.
- Ignorar el calor de reacción y el perfil de temperatura.