| Introducción a la ingeniería de las reacciones químicasCinética química
Cinética y termodinámica
Bajo condiciones apropiadas unas sustancias pueden transformarse en otras que constituyen diferentes especies químicas. Si ocurre ésto sólo por reordenación o redistribución de los átomos para formar nuevas moléculas, decimos que se ha efectuado una reacción química. En química se estudian estas reacciones considerando su modo y mecanismo, los cambios físicos y energéticos que tienen lugar, y la velocidad con que se forman los productos.
La cinética química estudia la velocidad y el mecanismo por medio de los cuales una especie química se transforma en otra. La velocidad es la masa de un producto formado o de un reactante consumido por unidad de tiempo. El mecanismo es la secuencia de eventos químicos individuales cuyo resultado global produce la reacción observada. La cinética química considera todos los factores que influyen sobre ella explicando la causa de la magnitud de esa velocidad de reacción.
El Ingeniero Químico ha de conocer la cinética de la reacción para hacer un diseño satisfactorio del aparato en el que ésta ha de efectuarse a escala técnica. Si la reación es lo suficientemente rápida para que el sistema esté practicamente en equilibrio, el diseño es muy sencillo ya que no es necesaria la información cinética y resulta suficiente la información termodinámica. No es necesario conocer el mecanismo de una reacción para diseñar un reactor. Lo que sí se necesita es una ecuación de velocidad satisfactoria.
La velocidad de una reacción química puede variar desde un valor tendiente a infinito hasta prácticamente cero. En las reacciones iónicas o en las reacciones de combustión a elevadas temperaturas, la velocidad es extremadamente rápida. Por el contrario, la velocidad de combinación de hidrógeno y oxígeno en ausencia de un catalizador a temperatura ambiente, es muy lenta. La mayor parte de las reacciones industriales se verifican a velocidades situadas entre estos extremos, y éstos son los casos para los cuales el diseñador necesita aplicar los datos cinéticos para determinar los tamaños finitos del equipo de reacción.
El tiempo disponible para efectuar una reacción química en escala comercial se encuentra limitado si el proceso debe ser económico. Por otra parte, la conversión de equilibrio es importante como una referencia para evaluar el rendimiento real del equipo de reacción.
Clasificación de las reacciones
Existen muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la Ingeniería de las Reacciones Químicas probablemente el esquema más útil es el que resulta de dividirlas, de acuerdo con el número y tipo de fases implicadas, en dos grandes grupos: sistemas homogéneos y heterogéneos.
Una reacción es homogénea si se efectúa sólo en una fase, y es heterogénea si, al menos, se requiere la presencia de dos fases para que transcurra a la velocidad que lo hace.
Superpuestas a estos dos tipos de reacciones tenemos las catalíticas cuya velocidad está alterada por la presencia, en la mezcla reaccionante, de materiales que no son reactantes ni productos. Estos materiales, denominados catalizadosres, no necesitan estar presentes en grandes cantidades. Los catalizadores actúan, en cierto modo, como mediadores retardando o acelerando la reacción.
En la Tabla 1.3 se puede ver una clasificación general de reacciones químicas distinguiendo entre sistemas homogéneos y heterogéneos, junto con la posibilidad de que las reacciones sean catalizadas o no.
Además de la clasificación anterior se pueden establecer otro tipo de clasificaciones. En la Fig. 1.18 se expone una clasificación de las reacciones químicas atendiendo a diferentes criterios.
Tabla 1.3
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Variables que afectan a la velocidad de reacción
Definición de la velocidad de reacción
La velocidad de una reacción química puede estar afectada por diversas variables. En los sistemas homogéneos las variables son la temperatura, la presión y la composición, mientras que en los sistemas heterogéneos, como está presente más de una fase, el problema será más complejo. En este tipo de sistemas la transmisión de calor y materia pueden jugar un papel muy importante en la determinación de la velocidad de reacción.
Si una reacción química consta de varias etapas en serie, la etapa más lenta de la serie es la que ejerce una mayor influencia, siendo la etapa controlante del proceso. Un problema importante será determinar qué variables afectan a cada una de las etapas y en qué grado. Solamente cuando conocemos la magnitud de cada factor tenemos una representación clara del efecto de estas variables sobre la velocidad de reacción. Cuando conocemos la magnitud de cada factor tenemos una representación clara del efecto de estas variables sobre la velocidad de reacción. Cuando dispongamos de esta información podremos extrapolar estas velocidades a condiciones nuevas y diferentes.
El siguiente paso será definir la velocidad de reacción de modo que sea significativa y útil. Si la velocidad de cambio en el número de moles de un componente i debido a la reación es:
entonces la velocidad de reacción en sus diferentes formas se define de los modos siguientes:
- Basada en la unidad de volumen del fluido reaccionante:
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Ec. 1.30
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- Basada en la unidad de volumen de reactor, si es diferente de la velocidad basada en la unidad de volumen de fluido:
 | Ec.1.31 |
- Basada en la unidad de masa de sólido en los sistemas sólido-fluido:
 | Ec.1.32 |
- Basada en la unidad de volumen de sólido en los sistemas gas-sólido:
 | Ec.1.33 |
En los sistemas homogéneos el volumen del fluido en el reactor es casi siempre idéntico al volumen del reactor, y en estos casos no hay distinción entre V y Vr, empleándose indistintamente la Ec. 1.30 y Ec. 1.31. Sin embargo en los sistemas heterogéneos resultan aplicables todas las definiciones anteriores de la velocidad de reacción y la elección de la forma de la ecuación cinética empleada en cada caso en particular es cuestión de conveniencia.
Las definiciones anteriores de velocidad están relacionadas de la siguiente manera:
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