WorksheetsOBJETIVOS
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Worksheet time: 48mins
La etapa de reacción química en el diseño de reactores se basa en:
La cinética química, tanto en sistemas homogéneos como heterogéneos, catalíticos o no.
La transferencia de calor únicamente en sistemas homogéneos.
El equilibrio químico sin considerar la cinética.
La presión de operación en reactores catalíticos solamente.
La ecuación cinética que relaciona la velocidad de una reacción química con la concentración, temperatura y medio es:
v = k⋅[A]n⋅[B]m
v = m · a · t
v = k + [A] - [B]
v = P · V / T
Selecciona los principales parámetros necesarios para utilizar la ecuación cinética, que debe basarse en datos experimentales bajo condiciones controladas.
Concentración, temperatura, presión y tiempo de reacción
Color, olor, sabor y textura
Masa molar, punto de fusión, densidad y viscosidad
Longitud, área, volumen y peso
Los fundamentos del diseño de reactores incluyen:
El conocimiento de la cinética de reacción, balances de materia y energía, y características del reactor.
Solo la selección de materiales de construcción.
Únicamente el análisis económico del proceso.
La ubicación geográfica de la planta.
¿Cuáles son los tres modelos básicos para el estudio de los reactores químicos y sus respectivas ecuaciones de diseño?
Modelo de mezcla perfecta, modelo de flujo pistón y modelo de tanque en serie
Modelo de equilibrio, modelo de reacción instantánea y modelo de difusión
Modelo de transferencia de calor, modelo de transferencia de masa y modelo de energía
Modelo de reacción homogénea, modelo de reacción heterogénea y modelo de catálisis
Selecciona el equipo adecuado para realizar reacciones químicas homogéneas y heterogéneas.
Reactores químicos
Centrífugas
Espectrofotómetros
Balanza analítica
¿Qué es la Ingeniería de la Reacción Química?
Disciplina que sintetiza la información, los conocimientos y la experiencia en una gran variedad de campos para diseñar el equipo necesario en el que se puedan desarrollar las reacciones químicas.
Estudio de las propiedades físicas de los materiales sólidos únicamente.
Rama de la ingeniería dedicada exclusivamente al diseño de plantas eléctricas.
Ciencia que se enfoca en la extracción de minerales del suelo.
¿Qué es un reactor químico? ________
Unidad de proceso diseñada para llevar a cabo una o varias reacciones química o procesos en los que unos “reactivos” se convierten en unos “productos”.
Un dispositivo utilizado únicamente para almacenar productos químicos sin que ocurra ninguna reacción.
Un instrumento de medición de temperatura en laboratorios químicos.
Un recipiente utilizado solo para mezclar sustancias sin que cambien sus propiedades.
¿Cuál de los siguientes es un cambio energético que se produce en las reacciones químicas según la Termodinámica Química?
Efecto térmico durante la reacción (calor de reacción)
Grado de extensión de la reacción (equilibrio químico)
Ambos
Ninguno
Menciona uno de los cambios energéticos que se producen en las reacciones químicas según la Termodinámica Química.
Efecto térmico durante la reacción (calor de reacción) o Grado de extensión de la reacción (equilibrio químico).
Cambio de color de los reactivos.
Formación de burbujas en la solución.
Aparición de un precipitado sólido.
Complete: En la cinética química, una reacción en un tiempo aceptable y con un rendimiento adecuado depende de la _________.
velocidad de reacción
temperatura de ebullición
presión atmosférica
masa molar
Complete: En la cinética química, las ________ que influyen sobre la velocidad de reacción son importantes para el rendimiento.
variables
constantes
soluciones
presiones
Complete: Si interviene más de una fase, la velocidad global puede ser la velocidad de _________
transporte
reacción
difusión
mezcla
Complete: En procesos con más de una fase, existen etapas físicas de transporte en las ________ y entre las ________.
fases, fases
mezclas, soluciones
reacciones, productos
sustancias, elementos
¿Qué son las reacciones homogéneas? Rellena el espacio en blanco:
Las reacciones homogéneas transcurren solamente en una fase (normalmente entre gases o entre líquidos miscibles entre sí).
Las reacciones homogéneas ocurren únicamente entre sólidos insolubles.
Las reacciones homogéneas solo suceden en presencia de un catalizador.
Las reacciones homogéneas se producen únicamente entre líquidos inmiscibles.
¿Qué son las reacciones heterogéneas? Rellena el espacio en blanco:
Las reacciones heterogéneas requieren, al menos, la presencia de más de una fase para transcurrir del modo en que lo hacen (normalmente, bifásicas, fluido-fluido o fluido-sólido).
Las reacciones heterogéneas solo ocurren en una única fase homogénea.
Las reacciones heterogéneas no involucran transferencia de materia entre fases.
Las reacciones heterogéneas solo se dan en soluciones acuosas.
¿Qué es un catalizador? Rellena el espacio en blanco: Un catalizador es una sustancia que cambia la velocidad de reacción (acelerándola o retardándola) y que no es ni un reactivo ni un producto, ni necesita estar presente en grandes cantidades; generalmente no sufre variación.
Un catalizador es una sustancia que cambia la velocidad de reacción (acelerándola o retardándola) y que no es ni un reactivo ni un producto, ni necesita estar presente en grandes cantidades; generalmente no sufre variación.
Un catalizador es una sustancia que se consume completamente durante la reacción y se convierte en un producto final.
Un catalizador es un reactivo que siempre debe estar presente en grandes cantidades para que la reacción ocurra.
Un catalizador es una sustancia que solo disminuye la velocidad de reacción y siempre cambia su composición química.
¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta sobre las reacciones homogéneas?
Transcurren en más de una fase
Transcurren solamente en una fase
Requieren la presencia de catalizadores
Ocurren solo entre sólidos
¿Cuál es la función de un catalizador en una reacción química?
Cambia la velocidad de reacción
Es un reactivo
Es un producto
Se consume en grandes cantidades
¿Qué es una ecuación cinética?
Expresión de la velocidad de la reacción que contempla la influencia de los factores que influyen sobre ella.
Cantidad de producto formado por unidad de volumen y tiempo.
La composición de los reactivos.
La temperatura de la reacción.
¿Cómo se define la velocidad de reacción?
Cantidad (moles) de reactivo o producto transformado por unidad de volumen y unidad de tiempo.
La temperatura de la reacción.
La composición de los reactivos.
La ecuación cinética.
¿De qué factores depende la velocidad de reacción según la imagen?
Composición, temperatura, otros factores del medio (reacciones heterogéneas).
Presión, volumen, masa molar.
Color, sabor, textura.
Cantidad de luz, sonido, presión atmosférica.
¿Cómo se llama el exponente en la ecuación de velocidad de reacción que indica el grado de dependencia de la velocidad respecto a la concentración de los reactivos?
Órdenes de reacción (individuales o global).
Constante de equilibrio.
Energía de activación.
Coeficiente estequiométrico.
¿Qué parámetro en la ecuación de velocidad de reacción incluye la dependencia con la temperatura?
Órdenes de reacción
Coeficiente cinético
Concentración
Presión
¿Cómo se denomina el parámetro k₀ en la ecuación de Arrhenius para la influencia de la temperatura en el coeficiente cinético?
Factor de frecuencia.
Energía de activación.
Constante universal de los gases.
Entalpía de reacción.
¿Qué representa el parámetro E en la ecuación de Arrhenius para la influencia de la temperatura en el coeficiente cinético?
Energía de activación.
Energía libre de Gibbs.
Entalpía estándar de reacción.
Constante de equilibrio.
En las reacciones heterogéneas se producen fenómenos de transferencia de materia y transmisión de calor simultáneos a la propia reacción. ¿Qué pueden controlar estos fenómenos?
La velocidad global
La temperatura ambiente
La presión del sistema
El volumen de los reactivos
Complete la frase: En las reacciones heterogéneas se producen fenómenos de _______ de materia y _______ de calor simultáneos a la propia reacción.
transferencia; transmisión
mezcla; absorción
difusión; emisión
separación; conducción
¿Cuál de los siguientes NO es un tipo de reacción mencionada en el texto?
Reacciones fluido-fluido
Reacciones fluido-sólido no catalíticas
Reacciones fluido-sólido catalíticas
Reacciones sólido-sólido
¿Qué es un reactivo limitante?
El reactivo que se agota en primer lugar si la reacción es completa y normalmente está en menor proporción respecto al valor estequiométrico.
El producto final de una reacción química.
El reactivo que nunca se consume en una reacción.
El catalizador de la reacción.
Completa la definición: La conversión, también llamada "conversión fraccional", es la fracción de un reactivo (generalmente, el reactivo limitante) que se ha convertido en ________.
productos
reactivos
catalizadores
solventes
A volumen constante, ¿cuál es la expresión para la conversión x_A en términos de concentración?
x_A = 1 - (C_A / C_Ao)
x_A = (C_A / C_Ao)
x_A = C_Ao - C_A
x_A = 1 - (C_Ao / C_A)
¿Cuál es la relación entre la concentración C_A y la conversión x_A?
C_A = C_Ao (1 - x_A)
C_A = C_Ao (1 + x_A)
C_A = C_Ao x_A
C_A = C_Ao / (1 - x_A)
¿Cuál es el objetivo del diseño según la sección '5.4 Formulación de la ecuación cinética'?
Determinar la velocidad de reacción
Determinar una ecuación cinética aplicable para diseñar el reactor
Ajustar ecuaciones cinéticas empíricamente
Conocer los valores numéricos de los parámetros
La ecuación cinética expresa la velocidad en función de _______ de las sustancias o de factores relacionados con el transporte.
concentraciones
temperaturas
presiones
volúmenes
¿Cuáles son los métodos experimentales mencionados para determinar los valores numéricos de los parámetros cinéticos?
A) Ajuste a ecuaciones cinéticas enunciadas empíricamente
B) Ajuste a ecuaciones cinéticas emanadas de modelos de reacción o de transporte-reacción
C) Ambas opciones anteriores
D) Ninguna de las anteriores
¿Qué se calcula mediante la ecuación cinética?
El coeficiente cinético y los órdenes de reacción
La concentración inicial
La temperatura de reacción
El volumen del sistema
Complete el espacio en blanco: El sistema de laboratorio debe ser de operación ______ y fácil control.
sencilla
complicada
lenta
costosa
¿Qué método se utiliza para el seguimiento del avance de la reacción?
Mediante la concentración de alguna especie o propiedad proporcional a ella
Mediante la temperatura
Mediante la presión
Mediante el color del recipiente
El ajuste de los datos experimentales se puede hacer a ecuaciones de velocidad basadas en mecanismos hipotéticos.
Verdadero
Falso
El análisis de los datos experimentales se hace mediante dos métodos considerando sistemas isotermos y a volumen constante.
Verdadero
Falso
¿Cuál es la principal característica del método integral en cinética química?
Diferenciar los datos experimentales de concentración frente al tiempo
Proponer una ecuación cinética e integrarla para obtener una relación entre la concentración y el tiempo
Requiere mayor cantidad de datos
Los datos han de ser más exactos
El método integral está recomendado cuando:
Se ensayan ecuaciones cinéticas sencillas
Los datos son escasos o están dispersos
Ambas opciones son correctas
Ninguna opción es correcta
¿Qué se obtiene al diferenciar directamente los datos experimentales de concentración frente al tiempo en el método diferencial?
La velocidad
La concentración
La dispersión de datos
La cantidad de datos
Completa la frase: El método diferencial requiere ______ cantidad de datos y los datos han de ser más ______.
mayor, exactos
menor, aproximados
mayor, aleatorios
menor, dispersos
¿Cuál es la ecuación cinética para una reacción de orden cero?
-dC_A/dt = k
-dC_A/dt = k C_A
−dCA/dt=kCA2
−dCA/dt=kCAn
Para una reacción de segundo orden, ¿cuál es la forma integrada en términos de concentración?
1/C_A - 1/C_A0 = k t
CA=CA0e−kt
ln(C_A/C_A0) = -kt
C_A = C_A0 - kt
¿Qué se entiende por diseño en el contexto de reactores químicos según el texto? Complete: Diseño es la determinación del ______ (volumen del reactor) para obtener una determinada cantidad de producto bajo unas condiciones establecidas.
tamaño
color
material
presión
¿Cuál de los siguientes aspectos NO forma parte de la información necesaria para el diseño de reactores químicos según la figura?
Termodinámica
Fenómenos de transporte
Ecuación cinética
Color del reactor
¿Qué tipo de fase puede estar presente en el diseño de un reactor químico?
Homogénea
Heterogénea
Ambas
Ninguna
Complete el espacio en blanco: El régimen térmico de un reactor puede ser _______ o adiabático.
isotermo
exotérmico
endotérmico
barotérmico
¿Cuál de los siguientes modos de operación es posible en el diseño de reactores químicos?
Discontinua
Semicontinua
Continua
Todas las anteriores
¿Qué grado de mezcla puede tener un reactor químico?
Ideal
Real
Ambos
Ninguno
¿La ecuación cinética es parte de la información necesaria para el diseño de reactores químicos?
Verdadero
Falso
Complete el espacio en blanco: Los fenómenos de _______ son considerados en el diseño de reactores químicos.
transporte
combustión
difracción
evaporación
¿Cuál de los siguientes NO es un régimen térmico mencionado en la figura?
Isotermo
Adiabático
Exotérmico
Ninguno de los anteriores
Complete el espacio en blanco: El diseño del reactor depende del modo de _______.
operación
presión
temperatura
volumen
¿Qué disciplina estudia la velocidad de las reacciones químicas en el diseño de reactores?
Termodinámica
Cinética química
Fenómenos de transporte
Grado de mezcla
¿Cuáles son los tres tipos de reactores ideales básicos según el modo de operación y los modelos ideales de flujo?
Reactor discontinuo, Reactor tipo tanque agitado, Reactor tubular
Reactor homogéneo, Reactor heterogéneo, Reactor catalítico
Reactor de lecho fijo, Reactor de membrana, Reactor de columna
Reactor de mezcla perfecta, Reactor de flujo pistón, Reactor de burbujeo
Se definen ______ tipos de reactores ideales básicos combinando el modo de operación y los modelos ideales de flujo.
tres
cuatro
dos
cinco
¿Cuál de los siguientes es un tipo de reactor ideal básico?
Reactor discontinuo
Reactor catalítico
Reactor de membrana
Reactor de lecho fijo
¿Cuál de los siguientes es un tipo de reactor ideal básico?
Reactor tipo tanque agitado
Reactor de columna
Reactor de membrana
Reactor de lecho fijo
¿Cuál de los siguientes es un tipo de reactor ideal básico?
Reactor tubular
Reactor de membrana
Reactor de lecho fijo
Reactor catalítico
¿Cuál es la ecuación general que representa el balance de materia?
E + G = S + A
E - G = S + A
E + S = G + A
E + G + S = A
¿Qué ocurre en los reactores discontinuos según las simplificaciones del balance de materia?
Entrada y salida nulas
Acumulación nula
Generación positiva
Generación negativa
¿Qué ocurre en los reactores continuos según las simplificaciones del balance de materia?
Entrada y salida nulas
Acumulación nula
Generación positiva
Generación negativa
La generación es ______ cuando el componente desaparece (reactivos) y ______ si aparece (productos).
Negativa; positiva
Positiva; negativa
Cero; infinita
Infinita; cero
Según el grado de mezcla, si es completa, ¿a qué tipo de balance se refiere?
Balance macroscópico referido a todo el volumen
Balance microscópico referido a un elemento de volumen
Balance parcial referido a una parte del volumen
Balance global referido a la mezcla
Según el grado de mezcla, si es nula, ¿a qué tipo de balance se refiere?
Balance macroscópico referido a todo el volumen
Balance microscópico referido a un elemento de volumen
Balance parcial referido a una parte del volumen
Balance global referido a la mezcla
¿En qué tipo de operaciones es necesario el balance de energía?
Operaciones isotermas
Operaciones no isotermas
Operaciones adiabáticas
Operaciones isobáricas
Complete la frase: El tiempo necesario para tratar un volumen de alimentación igual al volumen del reactor se llama ________.
tiempo espacial
flujo volumétrico
coeficiente de difusión
número de Reynolds
Complete la frase: La inversa del tiempo espacial se llama ________.
velocidad espacial
masa espacial
energía temporal
distancia temporal
¿Qué es un reactor discontinuo?
Un recipiente agitado en el que se introducen los reactivos, se deja transcurrir la reacción y se retiran los productos resultantes.
Un reactor donde los reactivos se añaden y retiran continuamente.
Un recipiente donde no ocurre ninguna reacción.
Un reactor que solo funciona a presión constante.
En la Figura 5.2, al tiempo t = 0, la concentración de A es _____
C_A0
0
C_B0
C_A
¿Qué se determina para un volumen de reactor conocido según la imagen?
La presión necesaria
El tiempo necesario
La temperatura necesaria
El tipo de mezcla
Balance de materia: ¿Qué significa que sea macroscópico?
A) Composición uniforme, mezcla completa
B) Entrada y salida nulas
C) Composición variable
D) Mezcla incompleta
Balance de materia: ¿Cómo son la entrada y salida en el caso presentado?
Nulas
Iguales
Diferentes
Desconocidas
La ecuación [5.9] se simplifica a: G = ___.
A
B
C
D
¿Cuál es la expresión correcta para G según la ecuación [5.9]?
G = (r_A) V
G = - (r_A) [kmol/(m^3 s)] · V [m^3]
G = dN_A/dt
G = A
¿Cómo se define A en la ecuación [5.9]?
A = dN_A/dt [kmol/s]
A = - (r_A) V
A = G
A = V[m3]
Completa la siguiente ecuación integrando:
t = - ∫NA0NA(−rA)VdNA
t = ∫NA0NA(−rA)VdNA
t = - ∫NA0NA(rA)VdNA
t = ∫NA0NA(rA)VdNA
Utilizando la conversión y siendo el volumen constante, completa la siguiente ecuación:
t = C_{A0} ∫_{0}^{x_A} (−rA)dxA
t = CA01 ∫_{0}^{x_A} dx_A (-r_A)
t = C_{A0} ∫0xAdxA(−rA)
t = ∫0xACA0(−rA)dxA
Utilizando la conversión y siendo el volumen constante, completa la siguiente ecuación:
t = - ∫CA0CA(−rA)dCA
t = ∫CACA0rAdCA
t = ∫CA0CArAdCA
t = - ∫CACA0(−rA)dCA
¿Qué se necesita conocer para resolver analítica, numérica o gráficamente las ecuaciones en un reactor químico?
La presión de operación
La ecuación cinética
El tipo de catalizador
La temperatura ambiente
¿Qué es un reactor tipo tanque agitado según la definición proporcionada?
Un recipiente agitado con entrada y salida continua, con homogeneidad interna.
Un recipiente cerrado sin entrada ni salida.
Un recipiente con entrada pero sin salida.
Un recipiente sin agitación interna.
En el diagrama del reactor tipo tanque agitado, ¿qué representa la variable Q?
Caudal volumétrico (m³/s)
Concentración de A (kmol/m³)
Velocidad de reacción
Volumen del reactor
En el diagrama del reactor tipo tanque agitado (Figura 5.3), ¿qué representa la variable C_A0?
Concentración inicial de A (kmol/m³)
Caudal volumétrico
Conversión de A
Volumen del reactor
Complete el espacio en blanco: En el reactor tipo tanque agitado, la homogeneidad existe en todos los puntos de su interior debido a la ________.
agitación
temperatura
presión
volumen
La función de la agitación en el reactor tipo tanque agitado, según la descripción y el diagrama, es:
Mejorar la mezcla de los reactivos y mantener la homogeneidad.
Aumentar la presión interna del reactor.
Reducir la temperatura del sistema.
Evitar la entrada de aire al reactor.
¿En qué estado opera el reactor según la imagen?
Estado estacionario
Estado transitorio
Estado de apagado
Estado crítico
Según el balance de materia, ¿qué significa que sea macroscópico?
A) Composición uniforme, mezcla completa
B) Acumulación nula
C) Reacción incompleta
D) Temperatura variable
¿Cuál es la acumulación en el balance de materia para un reactor en estado estacionario?
Nula
Máxima
Variable
Infinita
La ecuación [5.9] se simplifica a: E + G = S. ¿Cuál es la expresión de E en términos de Q y C_{A0}?
E = Q [m^3/s] · CA0[kmol/m3] = FA0[kmol/s]
E = Q[kmol/s]/CA0[m3/s]
E = Q[m3/s]+CA0[kmol/m3]
E = Q [kmol/m^3] · CA0[m3/s]
¿Cuál es la expresión de G en términos de r_A y V?
G = -(-r_A) [kmol/(m^3·s)] · V [m^3]
G=rA⋅V2
G = V / r_A
G = r_A + V
La ecuación [5.9] se simplifica a: E + G = S. ¿Cuál es la expresión de S en términos de Q y C_A?
S = Q [m^3/s] · C_A [kmol/m^3] = F_A [kmol/s]
S=Q[kmol/s]+CA[m3/s]
S = Q [kmol/m^3] · C_A [m^3/s]
S=Q[m3/s]/CA[kmol/m3]
