Tema 4 de los exámenes profesionales para ingenieros químicos: Ingeniería de reacciones químicas
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La última edición de este mensaje fue realizada por zhanghp30 el 29-9-2019 a las 14:19. 1. Conocimientos especializados: (1) Tasa de conversión xa, selectividad Sa, rendimiento Ya. Xa = Cantidad convertida de un reactivo a / Cantidad inicial de ese mismo reactivo a； Sa = Cantidad de reactivo a consumida para producir el producto deseado P / Cantidad de transformación del reactivo a ； Ya = Cantidad de reactivo a consumida para generar el producto final P / Cantidad inicial de un reactivo a. Entonces, Ya = Sa * Xa. Cabe señalar que la unidad de consumo mencionada anteriormente es el mol Para una reacción simple, Sa=1, ya=Xa; para reacciones compuestas, Sa
(7) Catalizadores y su efecto en la velocidad de reacción (pregunta de selección múltiple): Los catalizadores participan en las reacciones químicas, pero su masa y propiedades químicas permanecen inmutables antes y después de la reacción. Los catalizadores pueden cambiar la velocidad de las reacciones directas e inversas, pero no pueden modificar la energía de reacción ni los estados inicial y final del sistema. Tampoco pueden cambiar el estado de equilibrio, pero sí pueden acortar el tiempo necesario para alcanzar dicho estado. La acción catalítica es selectiva.
(8) Algunas conclusiones útiles: En las reacciones de orden positivo, la velocidad de reacción disminuye a medida que aumenta el porcentaje de conversión. En las reacciones irreversibles y en las reacciones endotérmicas reversibles, la velocidad de reacción aumenta con el aumento de la temperatura. En las reacciones exotérmicas reversibles, la velocidad de reacción es máxima en el punto óptimo de temperatura. En las reacciones reversibles, la velocidad de reacción es mínima cuando se alcanza el equilibrio.
1). En una reacción autocatalítica, cuando el porcentaje de conversión es cero y no hay productos en el sistema, la velocidad de reacción es ( )
A. Máxima
B. Tiene un valor extremo
C. Negativa
D. Cero
2). En un reactor de flujo continuo, si &a>0, entonces la relación entre el tiempo espacial T y el tiempo de retención promedio t es ( )
A. Igual
B. Menor
C. Mayor
D. Cercano a
3). Los catalizadores no pueden ( )
A. Cambiar los productos de la reacción
B. Cambiar el equilibrio de la reacción
C. Cambiar la velocidad de reacción
D. Inhibir las reacciones secundarias
4). En una serie de reacciones A----B----D, con constantes de velocidad K1 y K2 respectivamente, si Ea2 > Ea1, para favorecer la formación de B, en principio se debería ( )
A. Aumentar la temperatura
B. Disminuir la temperatura
C. Eliminar rápidamente D
D. Acortar el tiempo de reacción
5). Si la entalpía de una reacción es -150 kJ/mol, entonces la energía de activación de la reacción directa es ( )
A. Indeterminable
B. Mayor que 150
C. Menor que 150
D. Igual a 150
6). El vapor de CH3CHO se descompone a 791 K y a una presión de 48.3 kPa; el tiempo de semivida es de 410 s. A una presión de 22.5 kPa, el tiempo de semivida es de 880 s. Entonces, el orden de la reacción es ( )
A. 0
B. 1
C. 2
D. 3
7). Si la energía de activación de una reacción es de 80 kJ/mol, y la temperatura aumenta de 100 °C a 110 °C, la velocidad de reacción será aproximadamente ( ) veces mayor que antes
A. 1 vez
B. 2 veces
C. 3 veces
D. 4 veces
8). La reacción 2A-----P es de segundo orden. La diferencia entre el tiempo que tarda en consumirse 1/3 de A y el tiempo que tarda en consumirse 2/3 de A es de 9 s. Entonces, el tiempo de semivida es ( )
A. 6 s
B. 8 s
C. 12 s
D. 16 s
9). En una reacción de primer orden en fase líquida, a una temperatura T, la velocidad inicial es r0 = 1×10^-5 mol.dm^-3.s^-1. Después de 1 hora, la velocidad es r1 = 3.26×10^-6 mol.dm^-3.s^-1. Entonces, la constante de velocidad de la reacción es ( )
A. 3.11×10^-4 s^-1
B. 2.11×10^-4 s^-1
C. 4×10^-4 s^-1
D. Indeterminable
10). Se sabe que a 25 °C, la constante de velocidad de descomposición de NaOCl es k = 0.0093 s^-1. A 30 °C, esa constante es k = 0.014 s^-1. Entonces, a 40 °C, ¿cuántos segundos se necesitan para que se descomponga el 99% de NaOCl? A 60 B 139 C 270 D 360 B
(8) Algunas conclusiones útiles: En las reacciones de orden positivo, la velocidad de reacción disminuye a medida que aumenta el porcentaje de conversión. En las reacciones irreversibles y en las reacciones endotérmicas reversibles, la velocidad de reacción aumenta con el aumento de la temperatura. En las reacciones exotérmicas reversibles, la velocidad de reacción es máxima en el punto óptimo de temperatura. En las reacciones reversibles, la velocidad de reacción es mínima cuando se alcanza el equilibrio.
1). En una reacción autocatalítica, cuando el porcentaje de conversión es cero y no hay productos en el sistema, la velocidad de reacción es ( )
A. Máxima
B. Tiene un valor extremo
C. Negativa
D. Cero
2). En un reactor de flujo continuo, si &a>0, entonces la relación entre el tiempo espacial T y el tiempo de retención promedio t es ( )
A. Igual
B. Menor
C. Mayor
D. Cercano a
3). Los catalizadores no pueden ( )
A. Cambiar los productos de la reacción
B. Cambiar el equilibrio de la reacción
C. Cambiar la velocidad de reacción
D. Inhibir las reacciones secundarias
4). En una serie de reacciones A----B----D, con constantes de velocidad K1 y K2 respectivamente, si Ea2 > Ea1, para favorecer la formación de B, en principio se debería ( )
A. Aumentar la temperatura
B. Disminuir la temperatura
C. Eliminar rápidamente D
D. Acortar el tiempo de reacción
5). Si la entalpía de una reacción es -150 kJ/mol, entonces la energía de activación de la reacción directa es ( )
A. Indeterminable
B. Mayor que 150
C. Menor que 150
D. Igual a 150
6). El vapor de CH3CHO se descompone a 791 K y a una presión de 48.3 kPa; el tiempo de semivida es de 410 s. A una presión de 22.5 kPa, el tiempo de semivida es de 880 s. Entonces, el orden de la reacción es ( )
A. 0
B. 1
C. 2
D. 3
7). Si la energía de activación de una reacción es de 80 kJ/mol, y la temperatura aumenta de 100 °C a 110 °C, la velocidad de reacción será aproximadamente ( ) veces mayor que antes
A. 1 vez
B. 2 veces
C. 3 veces
D. 4 veces
8). La reacción 2A-----P es de segundo orden. La diferencia entre el tiempo que tarda en consumirse 1/3 de A y el tiempo que tarda en consumirse 2/3 de A es de 9 s. Entonces, el tiempo de semivida es ( )
A. 6 s
B. 8 s
C. 12 s
D. 16 s
9). En una reacción de primer orden en fase líquida, a una temperatura T, la velocidad inicial es r0 = 1×10^-5 mol.dm^-3.s^-1. Después de 1 hora, la velocidad es r1 = 3.26×10^-6 mol.dm^-3.s^-1. Entonces, la constante de velocidad de la reacción es ( )
A. 3.11×10^-4 s^-1
B. 2.11×10^-4 s^-1
C. 4×10^-4 s^-1
D. Indeterminable
10). Se sabe que a 25 °C, la constante de velocidad de descomposición de NaOCl es k = 0.0093 s^-1. A 30 °C, esa constante es k = 0.014 s^-1. Entonces, a 40 °C, ¿cuántos segundos se necesitan para que se descomponga el 99% de NaOCl? A 60 B 139 C 270 D 360 B
2. Conocimientos sobre casos de estudio 1). Se lleva a cabo una reacción homogénea en un reactor de tipo tanque de agitación intermitente: A + B → P. La cinética de la reacción es rA = k·CA·CB, donde kmol.m^-3.h^-1; k = 10^4 m^3.kmol^-1.h^-1. Cuando las concentraciones iniciales de los reactivos son de 4 mol.m^-3 cada uno, y la tasa de conversión de A es del 0,8, el reactor puede procesar, en promedio, 41,04 mol de reactivo A por hora. La reacción se llevará a cabo ahora en un reactor de flujo continuo con un diámetro interno de 125 mm, manteniéndose las demás condiciones operativas constantes. Se debe determinar la longitud del reactor. CA0 = CB0; por lo tanto, -rA = k * CA². El tiempo de reacción tr = CA0 * f * dXA/(-rA) = XA/KCA0 * (1 - XA) = 0,1 h. El tiempo de reacción es, en otras palabras, el tiempo de retención en el reactor de flujo continuo. Por lo tanto, r0 = FA0/CA0 = 41,04/4 = 10,26 m³/h. V = r0*t = 10,26*0,1 = 1,026 m³. La longitud del tubo L = V/0,785*d² = 0,1026/0,785/0,125/0,125 = 84 m.
2) En una reacción irreversible en fase líquida de segundo orden, si la concentración inicial es de 5 kmol/m³, se necesitan 285 segundos para que la reacción alcance cierta concentración. Si la concentración inicial es de 1 kmol/m³, se necesitan 283 segundos para alcanzar la misma concentración. ¿Cuánto tiempo se necesita entonces para pasar de una concentración inicial de 5 kmol/m³ a 1 kmol/m³? deta T=285-283=2s; se trata de una reacción reversible en la que el volumen no cambia antes ni después de la reacción. La parte que ya ha reaccionado no tiene ningún efecto sobre la reacción en sí. En cualquier momento del proceso de reacción, se puede considerar como momento inicial y como momento final. 3). ¿Cuánto disminuye la actividad de un fluido radiactivo con un período de semivida de 20 h, que fluye a una velocidad de 0,1 m³/h a través de dos reactores de mezcla homogénea de 40 m³ cada uno, conectados en serie? La radiactividad sigue las leyes de una reacción de primer orden. Entonces, k = Ln2/k = 0,693/20 = 0,03465 h^-1. En el reactor de mezcla total, T = CA0 – CAf / -rA; este es el primer reactor. 40/0,1 = (CA0 – CAf) / kCA0(1 – XA). XA = 0,9327. En el segundo reactor, la tasa de conversión sigue siendo de 0,9327. Por lo tanto, la tasa de conversión total es: (CA0 – CA0(1 – XA)(1 – XB)) / CA0 = 1 – (1 – 0,9327)(1 – 0,9327) = 0,9955. 4). Reacción compleja en fase líquida: A + B → P(1) ； A+P------S(2). Las concentraciones iniciales son CA0=2.0 mol/l, CB0=4.0 mol/l, mientras que CP0 y CS0 son 0. La reacción tiene lugar en un reactor intermitente. Se miden las concentraciones de CA=0.3 mol/L y CB=2.4 mol/L. ¿Cuáles son entonces las concentraciones de P y S? Con B como referencia, ¿cuál es la selectividad del reactivo B y cuál es el rendimiento del producto? 1 Consumo de A = (CB0-CB) = 4-2.4 = 1.6 ； En la reacción 2, la cantidad de A que se consume es igual a (2-0.3)-1.6 = 0.1. Por lo tanto, Cs = 0.1. La concentración del producto P es igual a la cantidad de P producida menos la cantidad de P consumida: Cp = 1.6-0.1 = 1.5. Si tomamos como referencia a B, la selectividad de la reacción es B = Cp/(CB0-CB) = 1.5/4-2.4 = 0.9375. La tasa de rendimiento del producto P es Cp/CB0 = 1.5/4 = 0.375. 5) Una reacción de descomposición en fase gaseosa de primer orden: A → 3P ； Se lleva a cabo en un reactor tubular isotérmico; los materiales de partida contienen un 50% de sustancia reactiva y un 50% de material inerte. El tiempo de retención es de 10 minutos. El caudal volumétrico en la salida del sistema se multiplica por 1,5 con respecto al valor inicial. Se debe determinar la tasa de conversión de A y la constante de velocidad de la reacción. Factor de expansión SA = 3 – 1/1 = 2. Tasa de expansión EA = SA * yA0 = 2 * 0.5 = 1. V = V0(1 + EA * XA); por lo tanto, V/V0 = 1.5. XA = 0.5. T = CA0 * f * dXA/(-rA) = f * dXA/(k * (1 - XA)/(1 + XA)). Con T = 10 y XA = 0.5, se obtiene que k = 0.08863 L/min
2) En una reacción irreversible en fase líquida de segundo orden, si la concentración inicial es de 5 kmol/m³, se necesitan 285 segundos para que la reacción alcance cierta concentración. Si la concentración inicial es de 1 kmol/m³, se necesitan 283 segundos para alcanzar la misma concentración. ¿Cuánto tiempo se necesita entonces para pasar de una concentración inicial de 5 kmol/m³ a 1 kmol/m³? deta T=285-283=2s; se trata de una reacción reversible en la que el volumen no cambia antes ni después de la reacción. La parte que ya ha reaccionado no tiene ningún efecto sobre la reacción en sí. En cualquier momento del proceso de reacción, se puede considerar como momento inicial y como momento final. 3). ¿Cuánto disminuye la actividad de un fluido radiactivo con un período de semivida de 20 h, que fluye a una velocidad de 0,1 m³/h a través de dos reactores de mezcla homogénea de 40 m³ cada uno, conectados en serie? La radiactividad sigue las leyes de una reacción de primer orden. Entonces, k = Ln2/k = 0,693/20 = 0,03465 h^-1. En el reactor de mezcla total, T = CA0 – CAf / -rA; este es el primer reactor. 40/0,1 = (CA0 – CAf) / kCA0(1 – XA). XA = 0,9327. En el segundo reactor, la tasa de conversión sigue siendo de 0,9327. Por lo tanto, la tasa de conversión total es: (CA0 – CA0(1 – XA)(1 – XB)) / CA0 = 1 – (1 – 0,9327)(1 – 0,9327) = 0,9955. 4). Reacción compleja en fase líquida: A + B → P(1) ； A+P------S(2). Las concentraciones iniciales son CA0=2.0 mol/l, CB0=4.0 mol/l, mientras que CP0 y CS0 son 0. La reacción tiene lugar en un reactor intermitente. Se miden las concentraciones de CA=0.3 mol/L y CB=2.4 mol/L. ¿Cuáles son entonces las concentraciones de P y S? Con B como referencia, ¿cuál es la selectividad del reactivo B y cuál es el rendimiento del producto? 1 Consumo de A = (CB0-CB) = 4-2.4 = 1.6 ； En la reacción 2, la cantidad de A que se consume es igual a (2-0.3)-1.6 = 0.1. Por lo tanto, Cs = 0.1. La concentración del producto P es igual a la cantidad de P producida menos la cantidad de P consumida: Cp = 1.6-0.1 = 1.5. Si tomamos como referencia a B, la selectividad de la reacción es B = Cp/(CB0-CB) = 1.5/4-2.4 = 0.9375. La tasa de rendimiento del producto P es Cp/CB0 = 1.5/4 = 0.375. 5) Una reacción de descomposición en fase gaseosa de primer orden: A → 3P ； Se lleva a cabo en un reactor tubular isotérmico; los materiales de partida contienen un 50% de sustancia reactiva y un 50% de material inerte. El tiempo de retención es de 10 minutos. El caudal volumétrico en la salida del sistema se multiplica por 1,5 con respecto al valor inicial. Se debe determinar la tasa de conversión de A y la constante de velocidad de la reacción. Factor de expansión SA = 3 – 1/1 = 2. Tasa de expansión EA = SA * yA0 = 2 * 0.5 = 1. V = V0(1 + EA * XA); por lo tanto, V/V0 = 1.5. XA = 0.5. T = CA0 * f * dXA/(-rA) = f * dXA/(k * (1 - XA)/(1 + XA)). Con T = 10 y XA = 0.5, se obtiene que k = 0.08863 L/min
La última edición de este mensaje fue realizada por zhanghp30 el 16-1-2020 a las 10:40. En el proceso PFR, a una temperatura de 650°C, se lleva a cabo la reacción de oxidación-deshidrogenación del buteno para producir butadieno: C4H8(A) → C4H6 + H2. La velocidad de reacción es -rA = kPA/kmol/m3·h. El gas reactivo es una mezcla de buteno y vapor de agua, con una relación molar de 1. La presión de operación es de 0.10133 MPa. A 650°C, el valor de k es de 106.48 kmol/m3·h·MPa. La tasa de conversión del buteno es del 0.9. ¿Cuál debería ser el vacío en este caso? T = CA0·f·dXA/kPA; PA = CA·RT; SA = 1 + 1 – 1/1 = 1. Por lo tanto, CA = CA0·(1–XA)/(1 + 0.5XA). T = f·(1 + 0.5XA)·dXA/(kRT·(1–XA)) = 13.2 s. Reacción autocatalítica en fase líquida: A + P → P + P. -rA = k·CACP. En un reactor batch isotérmico, la velocidad de reacción se determina mediante CA0 = 0.95 mol/L y CP0 = 0.05 mol/L. Después de 1 hora, la velocidad de reacción alcanza su valor máximo. Se debe calcular la constante de velocidad a esta temperatura. -rA = kCA*(1-CA); d(-rA)/dCA = 0. Por lo tanto, CA = 0,5 MOL/L. T = -f dCA/k*CA(1-CA). Al integrar y sustituir T = 1, se obtiene que k = 2,944 L/MOL·H. Las preguntas 6 y 7 requieren un buen conocimiento de las matemáticas avanzadas. Estos problemas tienen una descripción sencilla y un proceso de resolución también sencillo; son tipos de preguntas que se suelen plantear con frecuencia, por lo que merecen atención 8)*. En el reactor CSTR tiene lugar la siguiente reacción: 4NH3(A) + 6HCHO(B) = (CH2)6N4(P) + 6H2O(S). El volumen del reactor es de 490 cm³, y la velocidad de agitación es de 1800 revoluciones por minuto. La cinética de la reacción se expresa como -rA = kCACB², donde K = 1.42*10³*E^-3090/T. Las concentraciones iniciales de A son de 4.06 mol/l, y las de B son de 6.32 mol/l. La tasa de flujo de ambos componentes es de 1.5 cm³/s. La temperatura de reacción es de 36 °C. Se desea determinar las concentraciones en la salida del reactor, Caf y Cbf. Las concentraciones iniciales son CA0 = 4.06/2 = 2.03, y CB0 = 6.32/2 = 3.16. Se tiene que CA = CA0(1-XA), y CB = CB0 – 3/2*CA0. Entonces, r*(CA0-CA)/-rA = VR, donde R = 3 cm³/s. Al sustituir los valores, se obtiene que XA = 0.82, CA = 0.365 mol/L, y CB = 0.663 mol/L.
9)*. En un reactor de mezcla total tiene lugar una reacción reversible: A + B → R + S. Los valores de k1 y k-1 son respectivamente 7 m³/kmol·min y 3 m³/kmol·min. Las tasas de flujo volumétrico de A y B son de 0.004 m³/min. Las concentraciones iniciales de A y B en la materia prima son de 2.8 kmol/m³ y 1.6 kmol/m³, respectivamente. VR = 0.12 m³. ¿Cuál es la tasa de conversión de B? r=0,008 m³/min, CA0=2,8/2=1,4; CB0=1,6/2=0,8. Se supone que la tasa de conversión de B es CB=CB0(1-XB)=0,8(1-XB). CA=CA0-CB0XB=1,4-0,8XB. CS=0,8XB=CR-rB=K1CACB-K-1*CRCS=2,56XB²-12,32XB+7,84. T=VR/r=0,12/0,008=15 minutos. XB=0,75. 10) Reacción en serie A------P-------S, K1=0,15 MIN⁻¹, K2=0,05 MIN⁻¹. El caudal de entrada es de 0,5 m³/min. CA0 no es cero; CP0=CS0=0. Se desea determinar el rendimiento de P en un CSTR de volumen 1 m³. T=1/0.5=2 MIN, YP=CP/CA0=K1T/（1+K1T）（1+K2T）=0.21
9)*. En un reactor de mezcla total tiene lugar una reacción reversible: A + B → R + S. Los valores de k1 y k-1 son respectivamente 7 m³/kmol·min y 3 m³/kmol·min. Las tasas de flujo volumétrico de A y B son de 0.004 m³/min. Las concentraciones iniciales de A y B en la materia prima son de 2.8 kmol/m³ y 1.6 kmol/m³, respectivamente. VR = 0.12 m³. ¿Cuál es la tasa de conversión de B? r=0,008 m³/min, CA0=2,8/2=1,4; CB0=1,6/2=0,8. Se supone que la tasa de conversión de B es CB=CB0(1-XB)=0,8(1-XB). CA=CA0-CB0XB=1,4-0,8XB. CS=0,8XB=CR-rB=K1CACB-K-1*CRCS=2,56XB²-12,32XB+7,84. T=VR/r=0,12/0,008=15 minutos. XB=0,75. 10) Reacción en serie A------P-------S, K1=0,15 MIN⁻¹, K2=0,05 MIN⁻¹. El caudal de entrada es de 0,5 m³/min. CA0 no es cero; CP0=CS0=0. Se desea determinar el rendimiento de P en un CSTR de volumen 1 m³. T=1/0.5=2 MIN, YP=CP/CA0=K1T/（1+K1T）（1+K2T）=0.21
Esta es mi área débil; voy a imprimirlo para estudiarlo detenidamente~~
Parece que el autor no ha hecho ningún resumen sobre las reacciones complejas (paralelas, en secuencia).
Está en el tutorial de repaso. Tengo poco tiempo para trabajar, así que solo puedo resolver los ejercicios de este tipo; es muy probable que aparezcan en el examen Si no lo sabes, ve a buscarlo en un libro.
La última vez perdí en este aspecto; esta vez voy a recuperarlo