fogler capitulo 1- curso 2013-2013
TRANSCRIPT
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 1
CDP1-AA Un reactor de 200 dm3-lote de volumen constante es presurizado a 20
atm con una mezcla de 75% de A y 25% inerte. La reacción en fase gaseosa se
lleva a cabo isotérmicamente a 227 º C.
Figura CDP1-AA-1: Reactor de volumen constante
Datos
V = 200-dm3
P = 20 atm
T = 227 C
a) Asumiendo que la ley del gas ideal es válida, cuantas moles de A hay en el
reactor inicialmente? Cuál es la concentración inicial de A?
Ec. CDP1-AA-1
Ec. CDP1-AA-2
Ec. CDP1-AA-3
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 2
Ec. CDP1-AA-4
b) Si la reacción es de primer orden:
Calcular el tiempo necesario para consumir 99% de A.
Ec. CDP1-AA-5
∫
∫
Ec. CDP1-AA-6
Ec. CDP1-AA-7
Ec. CDP1-AA-8
Ec. CDP1-AA-9
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 3
c) Si la reacción es de Segundo orden:
Calcular el tiempo para consumir el 80% de A. También calcular la presión en el
reactor en este momento si la temperatura es 127 C.
Ec. CDP1-AA-10
∫
∫
Ec. CDP1-AA-11
Ec. CDP1-AA-12
Ec. CDP1-AA-13
Ec. CDP1-AA-14
Calcular la presión en el reactor en este momento si la temperatura es 127 C.
A+ i B + C
Ec. CDP1-AA-15
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 4
Ec. CDP1-AA-16
Ec. CDP1-AA-17
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 5
P1-7A. Calcule el tiempo que tomará reducir el número de moles de A a 1% de
su valor inicial en un reactor intermitente de volumen constante para la
reacción y los datos del ejemplo 1-1.
A B
Datos del ejemplo 1-1:
k=0.23min-1
NAo=100moles
(
)
∫
∫
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 6
∫
(
)
(
)
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 7
P1-8A. ¿Qué suposiciones se realizaron al deducir la ecuación de diseño para?
a) El reactor intermitente?
b) El CSTR?
c) El reactor de flujo tapon?
d) El reactor de lecho empacado?
e) Explique con palabras el significado de
¿Es la velocidad de
reacción una cantidad extensiva? Explique su respuesta
RESOLUCION
a) Las suposiciones son las siguientes:
Un reactor intermitente no tienen flujo de entrada de reactivos ni flujo de salida
de productos, por lo que la ecuación de balance molar queda definida de la
siguiente forma:
Si la mezcla de reacción es perfectamente mezclada, de manera que no hay
variación en la velocidad de reacción en todo el volumen, es decir en
todo el volumen de la reacción.
∫
b) Las suposiciones para un reactor CSTR son:
Opera en estado estacionario y se asume que produce una mezcla perfecta.
No hay dependencia del tiempo o de la posición en la temperatura, la
concentración o de la velocidad de reacción, es decir, todas las variables son
iguales en todos los puntos del interior del reactor.
0 0
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 8
c) Las suposiciones para un reactor de flujo pistón (PFR) son:
No hay variación radial en la velocidad de reacción.
La P=constante, T=constante, ε=0, v=constante
ot
Ni
Flujo estacionario y no hay acumulación
d) Las suposiciones para un reactor de lecho empacado (PBR) son:
Flujo estacionario y no hay acumulación
No hay gradientes radiales de concentración, temperatura o velocidad de
reacción.
L a caída de presión a través del reactor y la desactivación del catalizador son
despreciables.
e) Explique con palabras el significado de
¿Es la velocidad de reacción
una cantidad extensiva? Explique su respuesta
Para la reacción:
es el numero de moles del reactivo A por unidad de tiempo por unidad de
volumen:
[
]
es la velocidad de desaparición de la especie A por unidad de masa (o área)
del catalizador:
[
]
es la velocidad de formación (generación) de la especie A por unidad de masa
(o área) del catalizador:
[
]
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 9
es una propiedad intensiva, es decir, se trata de una función de la
concentración, temperatura, la presión y el tipo de catalizador (en su caso), y se
define en cualquier punto (ubicación) dentro del sistema. Es independiente de la
cantidad. Por otro lado, una propiedad extensiva se obtiene mediante la suma de
las propiedades de los subsistemas individuales dentro del sistema total, en este
sentido, es independiente de la `medida` del sistema.
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 10
P1-9A. Use el balance de moles para deducir una ecuación análoga a la ecuación
(1-7) para un CSTR fluidizado que contenga partículas de catalizador, en
términos de peso del catalizador W y otros parámetros apropiados.
Entrada- Salida+ Generación= Acumulación
∫
En el reactor no hay acumulación, entonces tenemos:
∫
Densidad del catalizador:
Entonces:
∫
Integrando:
Reemplazando la ecuación de balance en W se tiene:
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 11
P1-10. Explique cómo se puede convertir la ecuación que muestra el balance
general en moles para una especie j dada a una ecuación general de balance en
masa para las mismas especies.
∫
Ec. P1-10-1
Si consideramos que Mj es el peso molecular de las especies j
Ec. P1-10-2
Donde, es el flujo másico de j dentro del reactor y
Ec. P1-10-3
Si se multiplica en el balance de moles para especies j, se tiene que:
∫
Ec. P1-10-4
Para constante,
∫
( )
Ec. P1-10-1
∫
Ec. P1-10-1
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 12
P1-11.Consideremos una célula como un reactor. El licor de remojo de maíz
nutriente penetra a la célula del microorganismo Penicilliumchrysogenum y se
descompone para formar productos tales como aminoácidos, ARN y ADN.
Escriba un balance de masa inestable para
a) El licor de remojo de maíz
b) El ARN
c) La penicilina
Asuma que en la célula hay mezcla perfecta y que el ARN permanece dentro de la
célula
SOLUCIÓN:
∫
∫
∫
[
]
[
]
[
]
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 13
[
]
Reemplazando los datos tenemos
[
]
a) Licor de remojo de maiz
Condiciones:
Mezcla perfecta:
∫
Como es una mezcla perfecta asumimos que es constante
b) ARN
Condiciones:
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 14
Permanece dentro de la celula.
Mezcla perfecta =>
c) Penicilina
Condiciones:
Mezcla perfecta =>
∫
∫
P1-12A. En 2002, Estados Unidos produjo 32,5% de los productos químicos a
nivel mundial, según la tabla “Gllobal Top 50”, Chemical and Engineering
News, 28 de julio de 2003. En la tabla P1-12.1 se listan 10 productos químicos
más producidos en 2002.
TABLA P1-12.1 PRODUCCIÓN QUÍMICA
Productos
químicos
de 2002
Miles de
toneladas
métricas
Intervalo
en 1995
Productos
químicos
de 2002
Miles de
toneladas
métricas
Intervalo
en 1995
1. H2SO4 36567 1 6. H2 13989
2. N2 26448 2 7. NH3 13171 6
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 15
3. C2H4 23644 4 8. Cl2 11362 10
4. O2 16735 3 9. P2O5 10789
5. C3H6 14425 9 10.
C2H2Cl2
9328
Referencias: Chemical and Engineering News, 7 de Julio de 2003,
http://pubs.acs.org/cen/
TABLA P1-12.2 PRINCIPALES COMPAÑÍAS EN VENTAS
Posición
2002
Posición
2001
Posición
2000
Posición
1999
Posición
1995
Compañía Venta de productos
químicos [millones
de dólares]
1 1 2 2 1 Dow Chemical 27609
2 2 1 1 2 Dupont 26728
3 3 3 3 3 Exxon Mobil 16408
4 5 5 6 6 General Electric 7651
5 4 4 4 Huntsman Corp 7200
6 8 10 9 PPG Industries 5996
7 9 8 10 Equistar Chemicals 5537
8 7 7 Chevron Philips 5473
9 Eastman Chemical 5320
10 Praxair 5128
Referencias:
Posición en 2002: Chemical and Engineering New, 12 de mayo de 2003
Posición en 2001: Chemical and Engineering New, 13 de mayo de 2002
Posición en 2000: Chemical and Engineering New, 7 de mayo de 2001
Posición en 1999: Chemical and Engineering New, 1 de mayo de 2000
http://pubs.acs.org/cen/
(a) ¿Cuáles fueron los 10 productos químicos más producidos en el año que
acaba de terminar? ¿Hubo cambios significativos respecto de las estadísticas
de 1995? El mismo número de C&E News menciona las compañías químicas
que más ventas tuvieron, como se indica en tabla P1-12.2
Los 10 productos químicos más producidos son:
Tabla 12-3
Posición
2002
Productos
químicos
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 16
Los cambios que existieron en las estadísticas son:
Tabla 12-4
Posición
en 2002
Productos
químicos
Posición
en 1995
Productos
químicos
de 2002
3 C2H4 4 23644
4 O2 3 16375
5 C3H6 9 14425
7 NH3 6 13171
8 Cl2 10 11362
El Oxígeno y Amoníaco son los productos químicos que han subido de
posición. El Eteno, Propeno y Cloro son los productos químicos que han
bajado de posición.
(b) ¿Cuáles son las 10 compañías más destacadas en ventas para el año
inmediato anterior? ¿Hubo cambios significativos respecto de las estadísticas
de 2002?Las 10 compañías más destacadas en ventas son:
Tabla 12-5
Posición
2001
Compañía
1 Dow Chemical
2 Dupont
de 2002
1 H2SO4
2 N2
3 C2H4
4 O2
5 C3H6
6 H2
7 NH3
8 Cl2
9 P2O5
10 C2H2Cl2
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 17
3 Exxon Mobil
4 Huntsman Corp
5 General Electric
6
7 Chevron Philips
8 PPG Industries
9 Equistar Chemicals
10
Los cambios que existieron en las estadísticas son:
Tabla 12-6
Posición
2002 Compañía
Posición
2001
Venta de
productos
químicos
[millones
de dólares]
4 General Electric 5 7651
5 Huntsman Corp 4 7200
6 PPG Industries 8 5996
7 Equistar Chemicals 9 5537
8 Chevron Philips 7 5473
9 Eastman Chemical
5320
10 Praxair
5128
Huntsman Corp y Chevron Philips son las empresas que han subido de
posición. General Electric, PPG Industries y Equistar Chemicals son las
empresas que han bajado de posición. Eastman Chemical y Praxair son
empresas que no se encuentran listadas para el 2001.
(c) ¿Por qué cree que el H2S04 es la sustancia química más producidad?.¿Cuáles
son algunas de sus aplicaciones?
El ácido sulfúrico es importante materia prima en manufatura. Se utiliza en
alguna fase de la fabricación de casi todos los productos industrialess. Es usado
en la fabricación de otros ácidos fuertes
A continuación se en listan algunas aplicaciones:
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 18
- Se usado en la producción de fertilizantes, tales como sulfato de amonio
(NH4) 2SO4, superfosfato Ca (H2PO4)2, que se forma cuando el fosfato de
roca se trata con ácido sulfúrico.
- Se utiliza como agente deshidratante
- Se utiliza en la fabricación de explosivos, tintes, otros ácidos, papel
pergamino, pegamento, la purificación del petróleo y la recolección de los
metales.
- Se utiliza para eliminar los óxidos de hierro y de acero antes de galvanizado
electrolítico
- Se utiliza en la metalurgia no-ferrosa, la producción de rayón y película
- Como reactivo de laboratorio y reactivo de ataque y en las baterías de
almacenamiento
- También es aditivo alimenticio de propósito general.
(d) ¿Cuál es la producción anual (lb/ano) de etileno, óxido de etileno y benceno?
- La producción anual de etileno por año en el 2002 es 5,21*1010
lb/ año
- La producción anual de óxido -etileno por año en el 2002 es 7,6*109 lb/ año
- La producción anual de benceno por año en el 2002 es 1,58*1010
lb/ año
(e) ¿Por qué cree que hay tan pocas sustancias químicas orgánicas entre los 10
principales?
Porque la base del material crudo , carbón y petróleo para la química orgánica es
muy limitada and su producción no es creciente como producción de material
crudo para química inorgánica
P1-13A. Remitiéndose al material del texto y las referencias adicionales para
reactores comerciales que se dan al final del capítulo, llene la tabla P1-13
Tabla P1-13 COMPARACIÓN DE TIPOS DE REACTORES
Tipo Característica
Tipos de fases
presentes Uso Ventajas Desventajas
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 19
Batch
Los reactivos
se alimentan al
inicio del
proceso,
durante la
reacción no se
añade ni retira
nada. A éste
reactor se lo
enfira o
calienta
facilmente.
1. Fase líquida.
2. Fase gas.
3. Sólido -
Líquido.
1. En la industria a
pequeña escala.
2. En laboratorios de
experimentación.
3. Farmaceúticas.
4. Fermentación.
1. Alta conversión
por unidad de
volumen.
2. Flexibilidad para
usar en varias
reacciones.
1. Altos costos de
operación.
2. Calidad del
producto variable.
CSTR
Flujo contínuo
de reactivos y
productos.
Composición
uniforme a lo
largo del
reactor.
1. Fase líquida.
2. Gas -
Líquido.
3. Sólido -
Líquido.
1. Se usa cuando se
requiere agitación.
2. Cuando se
necesita corrientes
en serie en diferente
configuración.
1. Operación
contínua.
2. Buen control de la
temperatura.
3. Dos posibles
fases de reacción.
4. Simplicidad en la
de construcción.
5. Bajos costos de
operación.
6. Fácil limpieza.
1. Baja Conversión
por unidad de
volumen.
2. Es posible que
haya una mala
agitación.
3. Requiere de
entrada de alta
potencia.
PFR
Un reactor
largo, o varios
reactores
CSTR en
serie. No hay
variación
radial y la
concentración
cambia a lo
largo de la
longitud.
1.
Principalmente
fase gaseosa
1. Reacciones
rápidas.
2. Reacciones
homogéneas.
3. Reacciones
heterogéneas.
4. Flujo contínuo.
1. Alta conversión
por unidad de
volumen.
2. Fácil
mantenimiento.
3. Bajos costos de
operación.
4. Operación
contínua.
1. Gradiente
térmico no
deseado.
2. Pobre control de
la temperatura.
3. Limpieza
costosa.
PBR
Reactor
tubular
empacado con
partículas de
catalizador
sólido.
1. Fase gas
(catalizador
sólido).
2. Reacciones
Gas - Sólido.
1. Se usa
principalmente en
reacciones
heterogéneas en fase
con catalizador
sólido.
1. Alta conversión
por unidad de
volumen.
2. Bajos costos de
operación.
3. Operación
contínua.
1. Gradiente
térmico no
deseado.
2. Pobre control de
la temperatura.
3. Canalización.
4. Limpieza
costosa.
P1-14(h) En la figura P1-10 se muestra diagramas esquemáticos de la cuenca
de los Ángeles. El fondo de la cuenca cubre aproximadamente 700 millas
cuadradas (2*1010
ft2) y está rodeado casi en su totalidad por cordilleras. Si
suponemos una altura de inversión de 2000 pies en la cuenca, el volumen de
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 20
aire que hay en su interior es de 4*103 ft
3. Usaremos este volumen del sistema
para modelar la acumulación y desaparición de contaminantes del aire. Como
primera y muy burla aproximación, trataremos de la Cuenca de los Ángeles
como un recipiente bien mezclado (análogo a un CSTR) en el que no hay
variaciones especificas en la concentración de los contaminantes. Considere
sólo el contaminante monóxido de carbono y suponga la fuente de CO es el
escape de los automóviles de los cuales en promedio están ocupando en la
cuenca 400.000 en cualquier momento dado. Cada automóvil produce
aproximadamente 3000 píes cúbicos de escape que contienen 2% en moles de
monóxido de carbono.
Realizaremos un balance molar de estado no estacionario para el CO que sale de
área de la curva por un viento “Santa Ana”. Una Santa Ana es un viento de alta
velocidad que se origina en el desierto de Mojave al noreste de Los Ángeles. Este
aire desértico limpio fluye hacia la cuenca por un corredor que corredor que
supondremos tiene 20 millas de anchura y 2000 pies de altura (altura de inversión)
y sustituye al aire contaminado, el cual fluye hacia el mar o hacia el sur. La
concentración de CO en el viento Santa Ana que entra en la cuenca es de 0.08 ppm
(2.04 *10-10
lb mol/ft3).
a) ¿Cuántas libras mol de gas hay en el volumen de sistemas que escogimos para
la cuenca de los Ángeles, si la temperatura es de 75ºF y la presión es de 1 atm?
(En el Apéndice B se dan los valores de la constante de los gases ideales).
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 21
b) ¿Con qué velocidad, FCO,A , emiten monóxido de carbono todos los
Automóviles hacia la cuenca (lb mol CO/h)?
c) Calcule la velocidad de flujo volumétrico (ft3/h) de un viento de 15 mph a
través del corredor de 20 millas de anchura y 2000 pies de altura.
d) ¿Con qué velocidad FCO,S, induce el viento Santa Ana monóxido de carbono en
la cuenca (lbmol/h)?
e) Suponiendo que las velocidades de flujo volumétrico de entrada y salida de las
cuenca son idénticas, v=vo, demuestre que el balance molar no estacionario de
CO dentro de la cuenca es
f) Verifique que la solución de la ecuación (P1-10.1) es
g) Si la conversión inicial de monóxido de carbono en la cuenca antes de que
comience a soplar el viento Santa Ana es de 8ppm (2.04*10-8
lbmol/ft3). Calcule
el tiempo requerido para que el monóxido de carbono alcance un nivel de 2
ppm.
DATOS
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 22
CÁLCULOS
a)
b)
[
]
c)
[
] [
] [ ]
d)
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 23
e)
Ecuación de flujo no estacionario
f)
∫
∫
g)
8ppm (2.04*10-8
lbmol/ft3).
2 ppm.
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 24
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 25
P1-15B La reacción
Se efectuará isotérmicamente en un reactor de flujo continuo. Calcule los
volúmenes de los reactores tanto CSTR como del PFR necesarios para consumir
99% de A (es decir, CA=0.01CAo) si la velocidad de flujo molar que entra es
5(mol/h) suponiendo que la velocidad de reacción (-rA) es:
a) con
(Resp: V=99dm3)
b) con
c) con
(Resp: VCSTR=66000dm
3)
La velocidad del flujo volumétrico de entrada es de 10(dm3/h). (Nota: FA=CA*v. Si
la velocidad de flujo volumétrico constante v=vo. También
CAo=FAo/vo=[5mol/h]/[10dm3/h]=0.5mol/dm
3).
d) Repita los inicios a), b) y c) para calcular el tiempo necesario para consumir
99.9% de la especie A en un reactor intermitente de volumen constante de
1000dm3 con CAo=0.5(mol/dm
3)
SOLUCIÓN:
PARTE A
con
Como v=vo=cte
Entonces:
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 26
Para un CSTR:
Para un PFR:
∫
∫
[ ]
[ ]
[ ]
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 27
PARTE B
con
Para un CSTR:
(
)
Para un PFR:
∫
∫
( )
PARTE C
con
Para un CSTR:
( )
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 28
Para un PFR:
∫
∫
[
]
[
]
[
]
PARTE D
Cálculo del Tiempo para Reactor Intermitente:
a)
DATOS:
SOLUCIÓN:
∫
∫
∫
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 29
∫
(
(
))
b)
∫
∫
∫
(
)
(
) (
)
c)
∫
∫
∫
∫
∫
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 30
[
]
[
]
[
]
[
]
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 31
P1-16B Escriba un resumen de un párrafo de un artículo sobre cinética química
o ingeniería de las reacciones químicas. El artículo se deberá haber publicado
en los últimos cinco años. ¿Qué aprendió de este artículo? ¿Por qué es
importante el artículo?
TEMA:
Cinética química: Femptoquímica (Nobel 1999)
“Descripción:
Conocer los estados transitorios entre los reactivos y los productos es un paso
fundamental para comprender y controlar una reacción química. En 1999 el Premio
Nobel de Química fue entregado al investigador egipcio Ahmed Zewail por sus trabajos
sobre los procesos ultrarrápidos involucrados en una reacción química. Éstos
permitieron identificar especies transitorias cuya vida se reduce a unos pocos
femptosegundos (1 fs = 10-15
s). Para utilizar una imagen sencilla: es como si la
"película" de la reacción pudiera estudiarse fotograma a fotograma, con un lapso entre
dos fotogramas del orden de los femptosegundos. El presente artículo describe con
claridad los rudimentos del procedimiento galardonado y realiza, paralelamente, un
excelente resumen de los eventos que pautan una reacción química a escala molecular.
Idioma:
Español (ES)
Autor:
Pedro Aramendía
Fuente:
UBA - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales - Revista Exactamente
Fecha de publicación:
26 de Febrero de 2009” (1)
Referencia artículo:
http://www.uruguayeduca.edu.uy/Userfiles/P0001/File/NobelFemto.pdf
RESUMEN: ______________
(1) http://www.uruguayeduca.edu.uy/Portal.Base/Web/VerContenido.aspx?ID=200582
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 32
El artículo habla acerca del trabajo excepcional de Ahmed Zewail sobre el estudio
ultrarrápido delas reacciones químicas que lleva un campo denominado
“Femptoquímica”.
Se enlaza un breve comentario acerca de lo que son las trasformaciones químicas y lo
que implica el proceso en los átomos de la materia, como las vías metabólicas en
general, o los procesos industriales dan lugar a varios pasos de reacción en los que los
productos de una etapa son los reactivos de la siguiente. Estas reacciones que se
producen son elementales y en cada etapa se rompen uniones químicas y se van
generando especies intermediarias las cuales son más reactivas y tienen un tiempo de
vida muy pequeño entre un mili y un picosegundo. Controlar la reactividad de los
intermediarios de una reacción es la forma más eficaz de obtener información y
respuestas sobre el comportamiento de la materia.
Zewail logró la observación directa del complejo activado, parte de la reacción más
importante, y con ayuda de trabajos de científicos ingleses y alemanes se identificó los
intermediarios de las reacciones de milisegundos a microsegundos; en décadas
posteriores se pudo acelerar la detección y sensibilidad para el estudio de las reacciones
que tienen lugar en el nanosegundo y el picosegundo.
Todos estos estudios que se realizaron permitieron detectar y conocer el origen de
radicales libres y especies reactivas del oxígeno potencialmente peligrosas para la
salud, procesos químicos atmosféricos, mecanismo de la fotosíntesis entre otros.
Comentario.
Gracias a este artículo tengo el conocimiento de que los complejos intermedios que se
forman durante la reacción química son tan reactivos al punto de que las reacciones que
ocurren pueden ser en pocos segundos y que esto define algunas características de los
átomos durante la reacción. El artículo es importante porque da a conocer la perspectiva
de los científicos en esa época, que con la tecnología de ese entonces lograron un
avance en la cinética de las reacciones y que hoy en día todos los procesos industriales
lo aplican.
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 33
P1-17B (a) Inicialmente hay 500 conejos (x) y 200 zorros (y) en la propiedad
Farrners Oats . Use Polymath o MATLAB para graficar la concentración de
zorros y conejos en función del tiempo para un periodo hasta de 500 días. Las
relaciones entre depredador y presa están dadas por el siguiente conjunto de
ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas:
Constante para el crecimiento de la población de conejos k1 = 0.02 día-l.
Constante para la muerte de conejos k2 = 0.00004/(día x núm. de zorros).
Constante para el crecimiento de zorros después de comer conejos k3 = 0.0004/(día
x núm. de conejos).
Constante para muerte de zorros k4 = 0.04 día-l.
¿Cómo serán sus resultados para el caso k3 = 0.00004/(día x número de conejos) y
tfinal = 800 días? Grafique también el número de zorros contra el número de
conejos.
Explique por qué las curvas tienen el aspecto que tienen.
Escriba un párrafo que describa sus hallazgos.
(b) Use Polymath o MATLAB para resolver el siguiente sistema de ecuaciones
algebraicas no lineales:
Con suposiciones iniciales de x = 2, y = 2. Trate de familiarizarse con las teclas
de edición de Polymath y MATLAB.
DATOS:
Número inicial de conejos: x=500
Número inicial de zorros: y=200
Número de días=500
k1 = 0.02 día-l.
k2 = 0.00004/(día x núm. de zorros)
k3 = 0.0004/(día x núm. de conejos)
k4 = 0.04 día-l
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 34
SOLUCIÓN DEL LITERAL (a):
Usando POLYMATH
TABLA 1
Primer reporte de resultados de POLYMATH
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 35
GRÁFICO 1
x=f(t) e y=f(t)
Cuando k3 = 0.00004/(día x número de conejos) y tfinal = 800 días:
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 36
TABLA 2
Segundo reporte de resultados de POLYMATH
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 37
GRÁFICO 2
x=f(t) e y=f(t)
GRÁFICO 3
Gráfica de zorros vs. Conejos
y=f(x)
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 38
CONCLUSIÓN:
Se observa en el gráfico 2 que al disminuir 10 veces la constante k3 (constante para el
crecimiento de zorros después de comer conejos) el número de conejos en casi todos los
tramos de la curva es mayor al número de zorros entonces observamos que en el grafico
1 en el tiempo final de 500 días el número de zorros es mayor al de conejos y en el
gráfico 2 pasa lo contrario en el tiempo final de 800 días. Los gráficos 1 y 2 representan
funciones periódicas por lo tanto sus soluciones también lo son, es decir, cada cierto
tiempo el número de conejos es igual al número de zorros y es por esto que la gráfica 3
tiene esa forma casi ovalada.
SOLUCIÓN DEL LITERAL (b):
Resultados de POLYMATH:
TABLA 3
Resultados de POLYMATH para el sistema de ecuaciones no lineales
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 39
P1-18 ¿Qué pasa si?
Figura P1-18.1: Esquema de flujo para la producción de nitrobenceno.
(a) La corriente de alimentación de benceno del ejemplo R1.3 – 1 del PRS no se
precalentara con una corriente de producto. ¿Cuáles serían las consecuencias?
Sin precalentamiento de la alimentación de benceno disminuirá la velocidad de
reacción y por lo tanto se puede lograr conversiones menores esto quiere decir
que los reactivos no podrían estar lo suficientemente calientes como para que
estos reaccionen y formen productos debido a que las condiciones de operación
no dan la posibilidad que se logre por su temperatura y lograr tener el
calentamiento apropiado.
(b) Se necesitara conocer el costo de un reactor Pfaundler de 6000 galones y otro
de 15000 galones? ¿Qué costo tendrían?
Tabla 1. Valores de volumen y costos (puestos)
cost, $ V, galon lnCost lnV
24342,84 6,69 10,1 1,9
36315,25 54,60 10,5 4
59873,70 445,86 11 6,1
66170,67 1096,63 11,1 7
147265,45 7331,93 11,9 8,9
242799,59 8103,03 12,4 9
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 40
Figura 1. Diagrama ln cost=f(ln V)
Para 6000 galones
(c) Sólo se presentara un operador para hacer funcionar la planta de
nitrobenceno? ¿Cuáles serían algunas de sus primeras preocupaciones?
Es imposible que solamente una persona opere una planta, ya que existen varios
procesos y equipos que deben ser controlados.
y = 0,2929x + 9,3655 R² = 0,9129
0
2
4
6
8
10
12
14
0 2 4 6 8 10
lnco
st
lnV
lnCost=f(lnV)
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 41
La primera preocupación del operador sería que no podría estar en la capacidad de
detectar a tiempo el mal funcionamiento de algún equipo y por lo tanto la planta
podría sufrir graves daños o incluso provocar un grave accidente.
Al estar solo el operador no tendría ayuda ni técnica ni médica, en el caso de daños
de los equipos o si sufriera algún accidente.
Es necesario que exista un grupo de personas que estén encargados de la seguridad de la
planta para así evitar accidentes y por ende también pérdidas económicas y humanas.
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 42
P1-20A EFP #2. ¿Cuantos metros cuadrados de pizza fueron comidos por una
población estudiantil de pregrado de 20000 durante el semestre de otoño de
2004?
1.- Metros cuadrados de una pizza promedio _____0,20 m2_______
2.- Estudiantes que les gusta la pizza _____8000________
3.- Restaurants que venden pizza ________12________
4.- Frecuencia de personas que consumen pizza ________3200_______
5.- Cantidad de rebanadas consumidas en cada consumo _________6_________
6.- Cantidad de veces consumidas por semana ________2________
Por lo que a partir de estos datos se estiman los límites de los posibles resultados
teniendo una cantidad mínima de 21000 m2 y un máximo de 29000 m
2. Con una
aproximación media de 25920 m2.
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 43
P1-21B. Este problema se empleara en cada uno de los siguientes capítulos para
ayudarlo a desarrollar destrezas del pensamiento crítico.
a) Escriba una pregunta acerca de este problema que requiere del pensamiento
crítico.
Ser capaz de utilizar un pensamiento crítico significa que piensas por ti mismo, que
no aceptas las ideas y opiniones de los demás simplemente porque lo dicen ellos, lo
dice la mayoría o lo dice la sociedad, sino porque has pensando en ello, conoces los
argumentos a favor y en contra y has tomado tu propia decisión respecto a lo que
consideras verdadero o falso, aceptable o inaceptable, deseable o indeseable.
Tomando el concepto anterior como antecedente la pregunta sería:
¿Los métodos conocidos y empleados para solucionar problemas en reacciones
químicas son únicos, invariables y no dan lugar a nuevos métodos?
Por lo antes mencionado la contestación resulta algo lógica de decir, la cual sería
que el resultado podrá ser en muchos casos concreto y único, pero la forma y los
métodos de llegar a dicho resultado siempre podrán ser variantes y dependerán de la
creatividad del solucionador.
b) Que generalizaciones puede hacer acerca de los resultados de este problema.
Siempre habrá muchos métodos para solucionar problemas en reacciones químicas,
pero claro todo estará en función de una buena teoría y sin desviarse de las leyes que
la naturaleza establece.
c) Escriba una pregunta que expanda este problema.
¿Sería capaz usted de mejorar los métodos existentes para solucionar problemas de
reacciones o crear un nuevo método?
UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR Facultad de Ingeniería Química
Ingeniería de las Reacciones Químicas
Capítulo 1 Página 44
CDP1-B Un reactor novedoso utilizado en las operaciones de procesamiento
especiales es la espuma (líquido + gas) reactor (Figura CDP1-B).
Figura CDP1-B Reactor espuma.
Suponiendo que la reacción sólo se produce en la fase líquida, derivar la ecuación
general diferencial de balance molar en términos de
-rA = velocidad de reacción, g mol A por cm3 de líquido por segundo
e = fracción de volumen de gas
FA = velocidad de flujo molar de A, g mol / s
V = volumen de reactor
SOLUCION
Dado: La reacción de la fase liquida en un reactor de espuma es:
A B
Considerando un elemento diferencial ΔV del reactor
Por balance de material tenemos:
Donde
= fracción del elemento del reactor que es líquida.
Podemos tener:
Deben relacionarse con –rA a FA