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Octave Levenspiel - Ingeniería de las reacciones químicas

La ingeniería de las reacciones se ocupa de la aplicación a escala comercial de las mismas. Su objetivo es el diseño y operación eficiente de los reactores químicos. En esta obra se plantea contestar las interrogantes que el ingeniero químico enfrente en situaciones comunes en área de trabajo, ¡Cual es la información necesaria para atacar un problema?, ¿Cual es la mejor manera de obtenerla?, ¿Cómo seleccionar el diseño apropiado entre las diferentes opciones? Para ello, se hace hincapié en los razonamientos cualitativos en los métodos de diseño sencillos, en los procedimientos gráficos y en la comparación constante de las características de los principales tipos de reactores. En esta edición se han incluido varios temas nuevos, como los sistemas bioquímicos, los reactores con sólidos fluidizados y los reactores gas/líquido y el flujo no lineal.

Índice:

1 INTRODUCCIÓN 1

Termodinámica 2

Cinética química 3

Clasificación de las reacciones 4

Variables que afectan a la velocidad de reacción 5

Definición de la velocidad de reacción 6

Plan de la obra 7

2 CINÉTICA DE LAS REACCIONES HOMOGÉNEAS 9

Factor dependiente de la concentración en la ecuación cinética 10

Reacciones simples y múltiples 10

Reacciones elementales y no elementales 11

Punto de vista cinético del equilibrio

en reacciones elementales 12

Molecularidad y orden de reacción 13

Coeficiente cinético k 14

Representación de la velocidad de reacción 14

Modelos cinéticos para reacciones no elementales 16

Ensayo con modelos cinéticos 20

Factor dependiente de la temperatura en la ecuación cinética 24

Dependencia de la temperatura según la ecuación

de Arrhenius 24

Dependencia de la temperatura según la termodinámica 24

Dependencia de la temperatura a partir de la teoría de colisión 25

Dependencia de la temperatura a partir de la teoría del estado de transición 27

Comparación de ambas teorías 28

Comparación de las teorías con la ecuación de Arrhenius 30

Energía de activación y dependencia de la temperatura 31

Predicción de la velocidad de reacción a partir de las teorías anteriores 32

Investigación del mecanismo 33

Predicción teórica de la velocidad de reacción 36

Factores que dependen de la concentración 36

Factores que dependen de la temperatura 36

Empleo en el diseño de los valores predichos 31

Problemas 38

3 INTERPRETACIÓN DE LOS DATOS OBTENIDOS EN UN REACTOR DISCONTINUO 45

Reactor discontinuo de volumen constante 46

Método integral de análisis de datos 48

Método diferencia¡ de análisis de datos 74

Factor discontinuo de volumen variable 79

Método diferencia¡ de análisis 81

Método integral de análisis 81

Temperatura y velocidad de reacción 85

Investigación de una ecuación cínética 93

Problemas 96

4 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE REACTORES 103

5 REACTORES IDEALES 107

Reactor ideal discontinuo 108

Tiempo espacial y velocidad espacial 110

Reactor de flujo de mezcla completa en estado estacionario 111

Reactor de flujo en pistón en estado estacionario 118

Tiempo de permanencia y tiempo espacial para sistemas fluyentes 127

Problemas 129

6 DISEÑO PARA REACCIONES SIMPLES 137

Comparación de tamaños en sistemas de un solo reactor 138

Reactor discontinuo 138

Comparación entre el reactor de mezcla completa y el de flujo en pistón para reacciones de primer y segundo orden 138

Variación de la relación de reactores para reacciones del segundo orden 141

Comparación gráfica general 141

Sistemas de reactores múltiples 147

Reactores de flujo en pistón en serie y/o en paralelo 147

Reactores de mezcla completa de igual tamaño conectados en serie 148

Reactores de flujo de mezcla completa de tamaños diferentes en serie 154

Reactores de tipos diferentes en serie 158

Reactor con recirculación 159

Reacciones autocatalíticas 165

Problemas 173

7 DISEÑO PARA REACCIONES MULTIPLES 179

Reacciones en paralelo 180

Reacciones en serie 191

Reacciones sucesivas de primer orden 191

Estudio cuantitativo para reactores de flujo en pistón o para reactores discontinuos 194

Reacciones sucesivas irreversibles de diferentes órdenes 200

Reacciones reversibles en serie o en paralelo 200

Reacciones en serie-paralelo 203

Extensiones y aplicaciones 214

Conclusión 219

Problemas 220

8 EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y DE LA PRESIÓN 231

Reacciones simples 232

Cálculo de los calores de reacción a partir de la termodinámica 232

Cálculo de la constante de equilibrio a partir de la termodinámica 234

Procedimiento gráfico general de diseño 242

Progresión de temperatura óptima 242

Efectos caloríficos 243

Operaciones adiabáticas 243

Operaciones no adiabáticas 249

Consideraciones 250

Estudio de¡ problema especial de reacciones exotérmicas en reactores de mezcla completa 252

Reacciones múltiples 262

Variación de la distribución de¡ producto con la temperatura 262

Variación del recipiente (O T) con la temperatura para obtener la máxima producción 264

Observaciones 267

Problemas 268

9 FLUJO NO IDEAL 277

Distribución de¡ tiempo de residencia de los fluidos en los reactores 277

Curva E. Distribución de las edades del fluido que sale de un recipiente 279

Métodos experimentales 280

Curva F 280

Curva C 282

Relaciones entre las curvas F, C y E y el «tiempo medío» en recipientes cerrados 282

Conceptos matemáticos utilizados 285

Modos de emplear la información sobre la distribución de edades 291

Cálculo directo de la conversión por la información del trazador 294

Modelos para flujo no ideal 297

Modelo de dispersión (flujo disperso en pistón) 298

Empleo del modelo de dispersión cuando el grado de dispersión es pequeño 300

Empleo del modelo de dispersión cuando el grado de dispersión es grande 303

Observaciones 306

Determinación experimenta¡ de la intensidad de la mezcla de fluidos 310

Reacción química y dispersión 313

Modelos de tanques en serie 319

Cálculo de la conversión con el modelo de tanques en serie 322

Aplicaciones 323

Modelos combinados 326

Modelos empleados para desviaciones pequenas de flujo en pistón y colas largas 327

Tanque real con agitación 330

Determinación de flujo defectuoso en aparatos de proceso 335

Modelos para lechos fluidizados 339

Consideraciones finales 346

Problemas 347

10 MEZCLA DE FLUIDOS 359

Mezcla de un solo fluido 360

Grado de segregación 360

Mezclas de fluidos con tiempo de mezcla pequeña y grande 365

Resumen de conclusiones para un solo fluido 368

Modelos de segregación parcial 372

Mezcla de dos fluidos miscibles 376

Distribución del producto en reacciones múltiples 378

Problemas 381

11 INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE REACTORES PARA SISTEMAS HETEROGÉNEOS 385

Ecuación cinética para reacciones heterogéneas 385

Modelos de contacto para sistemas de dos fases 389

Problemas 391

12 REACCIONES SóLIDO-FLUIDO 393

Selección de un modelo 395

Modelo de núcleo sin reaccionar para partículas esféricas de tamaño constante 397

La difusión a través de la película gaseosa como etapa controlante 399

La difusión a través de la capa de cenizas como etapa controlante 401

La reación química como etapa controlante 404

Velocidad de reacción para partículas esféricas de tamaño decreciente 406

La reacción química como etapa controlante 407

La difusión a través de la película gaseosa como etapa controlante 407

Generalización 408

Determinación de la etapa controlante de la velocidad 411

Aplicación al diseño 415

Partículas de un solo tamaño con flujo en pistón de sólidos y composición uniforme del gas 419

Mezcla de partículas de tamaños diferentes, pero constantes, flujo en pistón de sólidos, y gas de composición uniforme 419

Flujo de mezcla completa de partículas de un solo tamaño constante y gas de composición uniforme 422

Flujo en mezcla completa de partículas de diversos tamaños constantes, y gas de composición uniforme 426

Aplicación a un lecho fluidizado con arrastre de sólidos finos 429

Reacciones instantáneas 436

Problemas 441

13 REACCIONES FLUIDO-FLUIDO 449

La ecuación de velocidad 451

Regímenes cinéticos para el transporte de materia para la reacción 451

Ecuación de velocidad para reacciones instantáneas; casos A y B 453

Ecuaciones de la velocidad para reacción rápida;casos C y D 457

Velocidades intermedias; casos E y F 458

Ecuación de velocidad para reacción lenta; caso G 458

Ecuación de velocidad para reacción infinitamente lenta; caso H 459

Parámetro de conversión en la película, M 459

Indicaciones para determinar el régimen cinético a partir de los datos de solubilídad 460

Indicaciones para determinar el régimen cinético a partir de los datos experimentales 461

Cinética de reacción con sólidos en suspensión 463

Fermentaciones aerobias 464

Observaciones sobre las velocidades 465

Aplicación al diseño 466

Torres para reacciones rápidas; casos A, B, C o D 468

Torres para reacciones lentas 480

Mezcladores-sedimentadores (flujo en mezcla completa en las dos fases) 483

Modelos de contacto semicontinuo 491

Destilación reactiva y reacciones extractivas 492

Problemas 495

14 REACCIONES CATALIZADAS POR SOLIDOS 505

Ecuación de velocidad 507

La película gaseosa como etapa controlante 510

El fenómeno de la superficie como etapa controlante 510

Caso en que la resistencia a la difusión en los poros sea importante 515

Efectos caloríficos durante la reacción 525

Combinación de resistencias para partículas en condiciones isotérmicas 529

Métodos experimentales para la determinación de velocidades 531

Comparación entre los reactores experimentales 536

Determinación de las resistencias controlantes y de la ecuación de velocidad 537

Distribución del producto en las reacciones múltiples 541

Descomposición de un solo reactante por dos caminos 542

Descomposición conjunta de dos reactantes 543

Reacciones en serie 544

Extensión a los catalizadores reales 546

Aplicación al diseño 557

Reactores adiabáticos de lecho relleno por etapas 561

Reactor de lecho fluidizado 568

Problemas 577

15 DESACTIVACIÓN DE LOS CATALIZADORES 591

Mecanismo de la desactivación del catalizador 592

Ecuación cinétíca 595

Determinación experimental de la ecuación cinética 597

Una carga de sólidos: determinación de la velocidad cuando la desactivación es independiente de la concentración 598

Una carga de sólidos: determinación de la velocidad para la desactivación en paralelo, en serie y lateral 604

Reactores experimentales con flujo de sólidos 606

Determinación experimental del mecanismo de desactivación 606

Diseño 608

Problemas 619

ÍNDICE DE AUTORES 625

INDICE ALFABÉTICO 629

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