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Octave Levenspiel - Ingeniera de las reacciones qumicas

La ingeniera de las reacciones se ocupa de la aplicacin a escala comercial de las mismas. Su objetivo es el dise?o y operacin eficiente de los reactores qumicos. En esta obra se plantea contestar las interrogantes que el ingeniero qumico enfrente en situaciones comunes en rea de trabajo, ?Cual es la informacin necesaria para atacar un problema?, ?Cual es la mejor manera de obtenerla?, ?Cmo seleccionar el dise?o apropiado entre las diferentes opciones? Para ello, se hace hincapi en los razonamientos cualitativos en los mtodos de dise?o sencillos, en los procedimientos grficos y en la comparacin constante de las caractersticas de los principales tipos de reactores. En esta edicin se han incluido varios temas nuevos, como los sistemas bioqumicos, los reactores con slidos fluidizados y los reactores gas/lquido y el flujo no lineal.

ndice:

1 INTRODUCCIN 1

Termodinmica 2

Cintica qumica 3

Clasificacin de las reacciones 4

Variables que afectan a la velocidad de reaccin 5

Definicin de la velocidad de reaccin 6

Plan de la obra 7

2 CINTICA DE LAS REACCIONES HOMOGNEAS 9

Factor dependiente de la concentracin en la ecuacin cintica 10

Reacciones simples y mltiples 10

Reacciones elementales y no elementales 11

Punto de vista cintico del equilibrio

en reacciones elementales 12

Molecularidad y orden de reaccin 13

Coeficiente cintico k 14

Representacin de la velocidad de reaccin 14

Modelos cinticos para reacciones no elementales 16

Ensayo con modelos cinticos 20

Factor dependiente de la temperatura en la ecuacin cintica 24

Dependencia de la temperatura segn la ecuacin

de Arrhenius 24

Dependencia de la temperatura segn la termodinmica 24

Dependencia de la temperatura a partir de la teora de colisin 25

Dependencia de la temperatura a partir de la teora del estado de transicin 27

Comparacin de ambas teoras 28

Comparacin de las teoras con la ecuacin de Arrhenius 30

Energa de activacin y dependencia de la temperatura 31

Prediccin de la velocidad de reaccin a partir de las teoras anteriores 32

Investigacin del mecanismo 33

Prediccin terica de la velocidad de reaccin 36

Factores que dependen de la concentracin 36

Factores que dependen de la temperatura 36

Empleo en el dise?o de los valores predichos 31

Problemas 38

3 INTERPRETACIN DE LOS DATOS OBTENIDOS EN UN REACTOR DISCONTINUO 45

Reactor discontinuo de volumen constante 46

Mtodo integral de anlisis de datos 48

Mtodo diferencia? de anlisis de datos 74

Factor discontinuo de volumen variable 79

Mtodo diferencia? de anlisis 81

Mtodo integral de anlisis 81

Temperatura y velocidad de reaccin 85

Investigacin de una ecuacin cntica 93

Problemas 96

4 INTRODUCCIN AL DISE?O 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 pistn en estado estacionario 118

Tiempo de permanencia y tiempo espacial para sistemas fluyentes 127

Problemas 129

6 DISE?O PARA REACCIONES SIMPLES 137

Comparacin de tama?os en sistemas de un solo reactor 138

Reactor discontinuo 138

Comparacin entre el reactor de mezcla completa y el de flujo en pistn para reacciones de primer y segundo orden 138

Variacin de la relacin de reactores para reacciones del segundo orden 141

Comparacin grfica general 141

Sistemas de reactores mltiples 147

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

Reactores de mezcla completa de igual tama?o conectados en serie 148

Reactores de flujo de mezcla completa de tama?os diferentes en serie 154

Reactores de tipos diferentes en serie 158

Reactor con recirculacin 159

Reacciones autocatalticas 165

Problemas 173

7 DISE?O 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 pistn o para reactores discontinuos 194

Reacciones sucesivas irreversibles de diferentes rdenes 200

Reacciones reversibles en serie o en paralelo 200

Reacciones en serie-paralelo 203

Extensiones y aplicaciones 214

Conclusin 219

Problemas 220

8 EFECTOS DE LA TEMPERATURA Y DE LA PRESIN 231

Reacciones simples 232

Clculo de los calores de reaccin a partir de la termodinmica 232

Clculo de la constante de equilibrio a partir de la termodinmica 234

Procedimiento grfico general de dise?o 242

Progresin de temperatura ptima 242

Efectos calorficos 243

Operaciones adiabticas 243

Operaciones no adiabticas 249

Consideraciones 250

Estudio de? problema especial de reacciones exotrmicas en reactores de mezcla completa 252

Reacciones mltiples 262

Variacin de la distribucin de? producto con la temperatura 262

Variacin del recipiente (O T) con la temperatura para obtener la mxima produccin 264

Observaciones 267

Problemas 268

9 FLUJO NO IDEAL 277

Distribucin de? tiempo de residencia de los fluidos en los reactores 277

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

Mtodos experimentales 280

Curva F 280

Curva C 282

Relaciones entre las curvas F, C y E y el ?tiempo medo? en recipientes cerrados 282

Conceptos matemticos utilizados 285

Modos de emplear la informacin sobre la distribucin de edades 291

Clculo directo de la conversin por la informacin del trazador 294

Modelos para flujo no ideal 297

Modelo de dispersin (flujo disperso en pistn) 298

Empleo del modelo de dispersin cuando el grado de dispersin es peque?o 300

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

Observaciones 306

Determinacin experimenta? de la intensidad de la mezcla de fluidos 310

Reaccin qumica y dispersin 313

Modelos de tanques en serie 319

Clculo de la conversin con el modelo de tanques en serie 322

Aplicaciones 323

Modelos combinados 326

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

Tanque real con agitacin 330

Determinacin 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 segregacin 360

Mezclas de fluidos con tiempo de mezcla peque?a y grande 365

Resumen de conclusiones para un solo fluido 368

Modelos de segregacin parcial 372

Mezcla de dos fluidos miscibles 376

Distribucin del producto en reacciones mltiples 378

Problemas 381

11 INTRODUCCIN AL DISE?O DE REACTORES PARA SISTEMAS HETEROGNEOS 385

Ecuacin cintica para reacciones heterogneas 385

Modelos de contacto para sistemas de dos fases 389

Problemas 391

12 REACCIONES SLIDO-FLUIDO 393

Seleccin de un modelo 395

Modelo de ncleo sin reaccionar para partculas esfricas de tama?o constante 397

La difusin a travs de la pelcula gaseosa como etapa controlante 399

La difusin a travs de la capa de cenizas como etapa controlante 401

La reacin qumica como etapa controlante 404

Velocidad de reaccin para partculas esfricas de tama?o decreciente 406

La reaccin qumica como etapa controlante 407

La difusin a travs de la pelcula gaseosa como etapa controlante 407

Generalizacin 408

Determinacin de la etapa controlante de la velocidad 411

Aplicacin al dise?o 415

Partculas de un solo tama?o con flujo en pistn de slidos y composicin uniforme del gas 419

Mezcla de partculas de tama?os diferentes, pero constantes, flujo en pistn de slidos, y gas de composicin uniforme 419

Flujo de mezcla completa de partculas de un solo tama?o constante y gas de composicin uniforme 422

Flujo en mezcla completa de partculas de diversos tama?os constantes, y gas de composicin uniforme 426

Aplicacin a un lecho fluidizado con arrastre de slidos finos 429

Reacciones instantneas 436

Problemas 441

13 REACCIONES FLUIDO-FLUIDO 449

La ecuacin de velocidad 451

Regmenes cinticos para el transporte de materia para la reaccin 451

Ecuacin de velocidad para reacciones instantneas; casos A y B 453

Ecuaciones de la velocidad para reaccin rpida;casos C y D 457

Velocidades intermedias; casos E y F 458

Ecuacin de velocidad para reaccin lenta; caso G 458

Ecuacin de velocidad para reaccin infinitamente lenta; caso H 459

Parmetro de conversin en la pelcula, M 459

Indicaciones para determinar el rgimen cintico a partir de los datos de solubildad 460

Indicaciones para determinar el rgimen cintico a partir de los datos experimentales 461

Cintica de reaccin con slidos en suspensin 463

Fermentaciones aerobias 464

Observaciones sobre las velocidades 465

Aplicacin al dise?o 466

Torres para reacciones rpidas; 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

Destilacin reactiva y reacciones extractivas 492

Problemas 495

14 REACCIONES CATALIZADAS POR SOLIDOS 505

Ecuacin de velocidad 507

La pelcula gaseosa como etapa controlante 510

El fenmeno de la superficie como etapa controlante 510

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

Efectos calorficos durante la reaccin 525

Combinacin de resistencias para partculas en condiciones isotrmicas 529

Mtodos experimentales para la determinacin de velocidades 531

Comparacin entre los reactores experimentales 536

Determinacin de las resistencias controlantes y de la ecuacin de velocidad 537

Distribucin del producto en las reacciones mltiples 541

Descomposicin de un solo reactante por dos caminos 542

Descomposicin conjunta de dos reactantes 543

Reacciones en serie 544

Extensin a los catalizadores reales 546

Aplicacin al dise?o 557

Reactores adiabticos de lecho relleno por etapas 561

Reactor de lecho fluidizado 568

Problemas 577

15 DESACTIVACIN DE LOS CATALIZADORES 591

Mecanismo de la desactivacin del catalizador 592

Ecuacin cintca 595

Determinacin experimental de la ecuacin cintica 597

Una carga de slidos: determinacin de la velocidad cuando la desactivacin es independiente de la concentracin 598

Una carga de slidos: determinacin de la velocidad para la desactivacin en paralelo, en serie y lateral 604

Reactores experimentales con flujo de slidos 606

Determinacin experimental del mecanismo de desactivacin 606

Dise?o 608

Problemas 619

NDICE DE AUTORES 625

INDICE ALFABTICO 629

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