TECNOLÓGICO NACIONAL DE MÉXICO

INSTITUTO TECNOLÓGICO DE TEPIC

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA Y
BIOQUÍMICA

EJERCICIOS

SÍNTESIS Y OPTIMIZACIÓN DE PROCESOS

DOCENTE:
JUANA URESTI MELENDEZ

ALUMNAS:
PADILLA HERNANDÉZ ROXANA YARELI
No. Control: 15400755
VIRGEN LÓPEZ JACQUELINE
No. Control: 15400768
7.1 Una posible ruta para producir cloruro de vinilo implica tres reacciones
químicas:
Cloración directa:
C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2
Oxicloración:
C2H4 + 2HCl2 + ½O2 → C2H4Cl2 +H2O
Pirólisis del dicloroetano:
2C2H4Cl2 → 2C2H3Cl + 2HCl

a) Indique cuál es la reacción global para este proceso. Compare esta

reacción global con la del Ejemplo 7.1. ¿Existe alguna ventaja
potencial de este proceso sobre el del ejemplo 7.1?
b) Desarrolle un diagrama de flujo preliminar, detectando la distribución
de especies y las necesidades de los sistemas de separación.

RESULTADOS:
a) Reacción global para este proceso
C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2
2C2H4Cl2 → 2C2H3Cl + 2HCl
= C2H4 + Cl2 → C2H3Cl + HCl

C2H4 + 2HCl2 + ½O2 → C2H4Cl2 +H2O

2C2H4Cl2 → 2C2H3Cl + 2HCl
= 2C2H4 + Cl2 + ½O2 → C2H3Cl2 +H2O Reacción global del problema
C2H4 + HCl + ½O2 → C2H3Cl2 +H2O Reacción global del ejemplo

Se observó que en el ejemplo se usan dos reactores para las reacciones

principales y en este ejercicio se usarán tres reactores, por lo tanto, no se
tiene ninguna ventaja potencial con respecto al ejemplo porque será mayor
la potencia.
 b) Desarrolle un diagrama de flujo

A = C2H4 E = O2
B = Cl2 F = H2O
C = C2H4Cl2 G = C2H3Cl2
D = HCl
Diagrama de flujo de proceso (obtención de cloruro de vinilo)

En la Cloración directa la reacción es espontánea a T > 200°C.

La reacción de oxicloración es exotérmica, alcanzando una conversión del
95% a 250°C
7.6 La combinación de dos componentes elementales, A y B, para producir
una nueva molécula, C, tiene interés comercial pero presenta una energía
libre de Gibbs desfavorable:
A+B→C ∆G = +40 kcal/gmol para toda T.
Se ha pensado en generar un conjunto de reacciones factibles que lleven a
cabo en forma global esta reacción que originalmente es imposible. Basados
en el principio de la diferencia común propuesto por May y Rudd, se han
generado las siguientes relaciones entre varias moléculas:
D–E=A
F–G=A
H–I=A
Dentro de un intervalo de temperaturas de 300 a 1000 °K, encuentre si a
partir de estas tres relaciones es posible generar un conjunto de reacciones
termodinámicamente factibles. De ser así, indique cuál sería ese conjunto
de reacciones y el intervalo de temperaturas para el cual cada reacción es
viable; en caso negativo, justifique su resultado.
Las relaciones para estimar la energía libre de Gibbs de cada componente
pueden aproximarse mediante una ecuación lineal en T:
∆Gi = ai + biT
Con los siguientes valores de las constantes a y b para cada componente:
Componente i ai bi
D 5.29 0.0457
E 1.00 0.0100
F -18.58 0.0286
G 0 0
H 15.50 0.0350
I 4.08 0.0064
Tabla 1.

Para el uso de estas expresiones, T debe estar en °K para obtener la energía

libre de Gibbs en kcal/gmol.
CÁLCULOS:
A partir de la ecuación ∆Gi = ai + biT se determinó la energía libre de Gibbs
para cada componente con los datos de la tabla 1, usando como referencia
el intervalo de temperaturas de 300 a 1000 °K, obteniendo lo siguiente:
T [°K] ∆GD ∆GE ∆GF ∆GG ∆GH ∆GI
300 19 4 -10 0 26 6
400 23.57 5 -7.14 0 29.5 6.64
500 28.14 6 -4.28 0 33 7.28
600 32.71 7 -1.42 0 36.5 7.92
700 37.28 8 1.44 0 40 8.56
800 41.42 9 4.3 0 43.5 9.2
900 46.42 10 7.16 0 47 9.84
1000 50.99 11 10.02 0 50.5 10.48
Tabla 2.

A partir de los datos de la tabla 2 se calculó la energía libre de Gibss para

cada reacción propuesta, obteniendo lo siguiente:
T [°K] ∆G(D-E) G(F-G) G(H-I)
300 15 -10 20
400 18.57 -7.14 22.86
500 22.14 -4.28 25.72
600 25.71 -1.42 28.58
700 29.28 1.44 31.44
800 32.85 4.3 34.3
900 36.42 7.16 37.16
1000 39.99 10.02 40.02
Tabla 3.

Se graficó la energía libre de Gibbs de cada reacción, así como A, que es la

diferencia común, y C-B la mitad de la reacción, donde:
∆G(A) = 0
∆G(C-B) = 40 kcal/gmol
 50

C-B
40

30

20
∆G

10

Ɛ
A
0
0 200 400 600 800 1000 1200

-10

-20
T

Gráfica 1.

RESULTADOS:
De la gráfica 1 se obtuvo:

Para que la reacción A + B = C sea posible se utiliza la reacción F – G = A en

un intervalo de 650-1000°K, ya que es la reacción que tiene una energía libre
de Gibbs menor a 10 kcal/gmol en ese intervalo de temperatura. Por lo
tanto, F – G = A, es la reacción factible.
Las otras dos reacciones se descartan porque su energía libre de Gibbs es
mayor a las 10 kcal/gmol.

Usando el concepto de diferencia común, se dedujo que la reacción,

A + B → C, es imposible porque su energía libre de Gibbs es mayor a 40
kcal/gmol.

Se toma A como diferencia Ecuación global:

común:
F–G=C–B
A+B=C∴ A=C–B
F+B=C+G
F – G = A (Reacción factible)
7.7 Considere la siguiente reacción:
2NO2 → 2NO + O2
La cual se desea estudiar en un intervalo de temperaturas de 298 a 1298
°K. Se tienen las siguientes relaciones para determinar la estimación de la
energía libre de Gibbs en función de la temperatura:
NO2: ∆G = 12.42 – 0.0145(T – 298)
NO: ∆G = 20.72 + 0.00295(T – 298)
O2: ∆G = 0
a) Corrobore que esta reacción es imposible en el intervalo de
temperaturas de interés. Justifique su análisis.
b) Se desea explorar el diseñar un conjunto de reacciones tipo Solvay
para diseñar un proceso cuya reacción global sea la reacción de
interés. Se plantean inicialmente los siguientes compuestos para esa
búsqueda:

SO2: ∆G = -71.74 + 0.00255(T - 298)

SO3: ∆G = -88.52 – 0.0199(T – 298)
CO: ∆G = -32.81 + 0.0214(T – 298)
CO2: ∆G = -94.26 + 0.0007(T – 298)
Genere las mitades de reacciones que sean candidatas para el proceso y
prepare un diagrama de energía libre de Gibbs en función de la temperatura
para esta búsqueda.
c) ¿Puede identificar algún conjunto de reacciones que lleven a cabo la
transformación deseada? De ser así, establezca ese grupo y sus
condiciones favorables de operación.
RESULTADOS
a) Corrobore que esta reacción es imposible en el intervalo de
temperaturas de interés. Justifique su análisis.

Tomando como diferencia común el O2 y graficando la reacción:

2NO2 → 2NO + O2
2NO2 - 2NO = O2

T [°K] 2NO2 2NO 2NO2 - 2NO O2

298 24.84 41.44 -16.6 0
398 21.94 42.03 -20.09 0
498 19.04 42.62 -23.58 0
598 16.14 43.21 -27.07 0
698 13.24 43.8 -30.56 0
798 10.34 44.39 -34.05 0
898 7.44 44.98 -37.54 0
998 4.54 45.57 -41.03 0
1098 1.64 46.16 -44.52 0
1198 -1.26 46.75 -48.01 0
1298 -4.16 47.34 -51.5 0

0
0 200 400 600 O2 800 1000 1200 1400

-10

-20
∆G

-30

-40

-50

-60
T

O2 2NO2 - 2NO
Como se muestra en la gráfica la reacción es imposible que se lleve a cabo
de manera directa por que la diferencia de la energía libre de Gibbs es mayor
a los 10 kcal/gmol, se necesitaría tener reacciones intermedias para poder
llevar a cabo la reacción y obtener nuestro producto de interés.

b) Genere las mitades de reacciones que sean candidatas para el proceso

y prepare un diagrama de energía libre de Gibbs en función de la
temperatura para esta búsqueda.

1. 2SO3 → 2SO2 + O2 2. 2CO2 → 2CO + O2

2SO3 - 2SO2 = O2 2CO2 - 2CO = O2

T °K 2NO2 - 2NO 2SO3 - 2SO2 2CO2 - CO O2

298 -16.6 -33.56 -122.9 0
398 -20.09 -38.05 -127.04 0
498 -23.58 -42.54 -131.18 0
598 -27.07 -47.03 -135.32 0
698 -30.56 -51.52 -139.46 0
798 -34.05 -56.01 -143.6 0
898 -37.54 -60.5 -147.74 0
998 -41.03 -64.99 -151.88 0
1098 -44.52 -69.48 -156.02 0
1198 -48.01 -73.97 -160.16 0
1298 -51.5 -78.46 -164.3 0
 0
0 200 400 600 800 O2 1000 1200 1400
-20

-40

-60

-80

-100

-120

-140

-160

-180

2SO3 - 2SO2 2CO2 - 2CO 2NO2 - 2NO

c) ¿Puede identificar algún conjunto de reacciones que lleven a cabo la

transformación deseada? De ser así, establezca ese grupo y sus
condiciones favorables de operación.
En la gráfica del b) se observa que la reacción 2SO3 - 2SO2 es la más cercana
a la reacción deseada, por lo tanto, se considera la reacción factible.
El conjunto de reacciones para llevar a cabo la transformación es:

2SO3 - 2SO2 = O2 y 2NO2 - 2NO = O2

Siendo O2 la diferencia común, la ecuación global es:

2NO2 - 2NO = 2SO3 - 2SO2
2NO2 + 2SO2 = 2SO3 + 2NO