Ingeniería de la reacción química: problemas de práctica y preguntas de examen

Velocidades de reacción y ecuaciones cinéticas, dimensionado de reactores CSTR y de flujo pistón, conversión y límites del equilibrio.

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Pack de repaso (PDF)Hojas de fórmulas, pasos de los métodos y problemas de práctica con soluciones completas, listos para imprimir.

Temas de esta asignatura

  1. Cinética químicaprimer orden · conversión y segundo orden · Arrheniuscálculos
  2. Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)CSTR de primer orden · PFR de primer orden · conversión a partir del volumencálculos
  3. Equilibrio químicoKc a partir de las concentraciones · Tabla ICE · tabla ICE con ecuación de segundo gradocálculos
  4. Balance de materiamezcla de dos corrientes · mezcla hasta un objetivo · evaporadorcálculos

Consejos para el examen de Ingeniería de la reacción química

  • Escribe la ecuación de diseño del tipo de reactor antes de sustituir la ecuación cinética.
  • Para la misma conversión, un PFR necesita menos volumen que un CSTR en reacciones de orden positivo.
  • Comprueba que la conversión que buscas está por debajo de la conversión de equilibrio.

Ejemplos resueltos

Cinética químicaFácil
t (min)C (mol/L)60 minC = ?

Una reacción de orden cero A → productos tiene una constante de velocidad de 0,01 mol/(L·min). La concentración inicial de A es 0,8 mol/L. Halla la concentración CA al cabo de 60 min.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 0,8 mol/Lt = 60 min

Calcula CA (mol/L)

Mostrar pistas
  1. Orden cero: la velocidad −dC/dt = k no depende de la concentración.
  2. Al integrar se obtiene C = C₀ − kt (válida hasta que se agota A).
  3. kt = 0,6 mol/L.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Ley integrada de orden cero

CA = CA0 − kt = 0,8 − 0,01·60 = 0,2 mol/L

Respuesta

CA = 0,2 mol/L
Dimensionado de reactores (CSTR y PFR)Media
Q = 20 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,25 min⁻¹

Una reacción de primer orden en fase líquida A → B (k = 0,25 min⁻¹) se lleva a cabo en un reactor de flujo pistón (PFR) de 200 L. La alimentación entra a 20 L/min con CA0 = 2,5 mol/L. La densidad es constante y el reactor está en estado estacionario. Halla la concentración de salida CA.

V = 200 LQ = 20 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L

Calcula CA (mol/L)

Mostrar pistas
  1. Tiempo espacial: τ = V/Q = 10 min.
  2. PFR, primer orden: CA = CA0·e^(−kτ).
  3. kτ = 2,5.
Mostrar la respuesta y la solución paso a paso

Reactores ideales, reacción de primer orden (−rA = k·CA) en estado estacionario, con tiempo espacial τ = V/Q. Un CSTR está perfectamente mezclado, así que todo el volumen reacciona a la baja concentración de salida: τ = X/(k·(1 − X)) y CA = CA0/(1 + k·τ). En un PFR cada rebanada de fluido reacciona como un pequeño reactor discontinuo: τ = ln(1/(1 − X))/k y CA = CA0·e−k·τ. Para la misma conversión un CSTR siempre necesita más volumen que un PFR.

Tiempo espacial

τ = V/Q = 200/20 = 10 min

Concentración de salida

CA = 2,5·e−0,25·10 = 0,2052 mol/L

Respuesta

CA = 0,2052 mol/L

Conversión: X = 91,79%.

Cómo funciona la práctica

  • «Practicar esta asignatura» mezcla problemas de todos sus temas, como en un examen real.
  • Cada problema tiene valores nuevos, así aprendes el método y no una respuesta.
  • ¿Te has atascado? Abre primero una pista pequeña y la explicación completa solo cuando la necesites.
  • Los simulacros de examen son cronometrados y no tienen pistas; al final recibes tu nota y una revisión completa.

Calculadoras para esta asignatura

Calculadora de volumen de CSTR y PFR

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