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• Cynthia Ramírez

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INTRODUCCIÓN Un tipo común de reactor utilizado en el procesamiento industrial es el reactor de tanque continuocontinuo (CSTR) que se utiliza principalmente para la reacción en fase líquida. Normalmente funciona en estado estacionario y se supone que está perfectamente mezclado. Usualmente no hay dependencia del tiempo o dependencia de la temperatura, la concentración o la velocidad de reacción dentro del tanque., esto significa que cada variable es la misma dentro del reactor. Debido a que las composiciones de mezclas que salen de un CSTR son aquellas dentro del reactor, las fuerzas impulsoras de la reacción, generalmente las concentraciones de reactivo, son necesariamente bajas. Un CSTR requiere el mayor volumen de los tipos de reactores para obtener los conversos deseados, sin embargo, la baja fuerza motriz permite un mejor control de las reacciones exotérmicas y endotérmicas rápidas. Cuando se necesitan altas conversiones de reactivos, se pueden usar varios CSTRS en serie y se pueden obtener resultados igualmente buenos dividiendo un solo recipiente en compartimentos mientras se minimiza la mezcla inversa y el cortocircuito.

OBJETIVO  Estudiar el proceso de reacción de saponificación entre el hidróxido de sodio y acetato de etilo en CSTR.

JUSTIFICACIÓN Los reactores continuos CSTR constituyen una operación bastante compleja, dado que requieren procedimientos tales como llenado, mezclado, calentamiento, control del punto final, adición de alimentación, remoción de productos de enfriamiento y vaciado. Debido a la importancia de estas unidades de proceso y a lo costoso que implicaría su estudio a partir de plantas piloto a nivel de pregrado, el presente trabajo se enfoca en una simulación reactor continuo en donde se lleva a cabo una reacción de saponificación.

HIPÓTESIS Se espera que la conductividad en los productos de la reacción en el CSTR disminuya a medida que transcurre el tiempo, pues se consume más en NaOH, el cual se usa para medir la conductividad.

MARCO TEÓRICO El reactor de tanque agitado continuo (CSTR), también conocido como reactor de tina o mezcla posterior, o un reactor de tanque agitado de flujo continúo (CFSTR), es un modelo común para un reactor químico en ingeniería química. Un CSTR refiere a menudo a un modelo utilizado para estimar las variables de operación de la unidad clave cuándo se utiliza un reactor de tanque agitado

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continúo para lograr una producción especificada, funciona para todos los fluidos: líquidos, gases, y lodos.

SAPONIFICACIÓN DE ACETATO DE ETILO El proceso de saponificación es un proceso que produce jabón, generalmente de grasas y lejía. En términos técnicos, la saponificación implica la hidrólisis básica (generalmente de soda cáustica NAOH) de triglicéridos, que son ésteres de ácidos grasos, para formar la sal de sodio de un carboxilato. El proceso del reactor es una reacción de saponificación de acetato de etilo CH3COOC2H5 con hidróxido de sodio NaOH, donde se produce acetato de sodio CH3COONa y etanol C2H5OH. Es una reacción poco exotérmica (23°C a 40°C), y con pH (11.5 a 12.5) La reacción es la siguiente:

Se idealiza un reactor tipo tanque agitado que cuenta con entrada y salida de reactantes y productos, asimismo con una camisa de refrigeración. También con tanques de almacenamiento para los reactantes y productos, se toma en cuenta lo siguiente:      

El volumen del reactor es constante. Se asume que la agitación es eficiente. También se asume que las propiedades de los compuestos son uniformes en cualquier tiempo. No hay pérdida de calor al exterior del sistema. Las concentraciones en la salida y dentro del reactor son constantes. El flujo a través del recipiente, es decir las corrientes de entrada y salida es continuo. 3

ECUACIÓN DE ARRHENIUS La ecuación de Arrhenius es una expresión matemática que se utiliza para comprobar la dependencia de la constante de velocidad (o cinética) de una reacción química con respecto a la temperatura a la que se lleva a cabo esa reacción. La ecuación fue propuesta primeramente por el químico holandés J. H. van 't Hoff en 1884; cinco años después en 1889 el químico sueco Svante Arrhenius dio una justificación física y una interpretación para la ecuación. Puede ser usada para modelar la variación de temperatura de coeficientes de difusión, población de vacantes cristalinas, velocidad de fluencia, y muchas otras reacciones o procesos inducidos térmicamente. La ecuación de Arrhenius da la dependencia de la constante de velocidad k de reacciones químicas a la temperatura T (en temperatura absoluta, tales como kelvins o grados Rankine) y la energía de activación Ea de acuerdo con la expresión:

donde: k(T): constante cinética (dependiente de la temperatura) A: factor preexponencial o factor de frecuencia. Indica la frecuencia de las colisiones. Ea: energía de activación, expresada en J/mol. R: constante universal de los gases. Su valor es 8,3143 J·K-1·mol-1 T: temperatura absoluta [K]

DISEÑO DE PRÁCTICA Variables.  Caudal y temperatura

Parámetros.  Conductividad

Elección del sistema físico.  Sistema binario acetato de etilo-hidróxido de sodio

EQUIPOS Y MATERIALES A UTILIZAR  Simulador virtual 4

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL       

Ingresar al simulador virtual. Elegir las sustancias, en este caso acetato de etilo e hidróxido de sodio. Medir la conductividad al llevar a cabo la reacción en un CSTR a 4 diferentes caudales y temperaturas. Obtener el tiempo espacial y convertir la conductividad a conversión molar con ayuda de las ecuaciones de la recta proporcionadas para ambas temperaturas. Obtener XA/(1-XA)(M-XA) y graficar contra el tiempo espacial, obtener la ecuación de la recta, en donde m=pendiente=k. Obtener la energía de activación. Obtener el factor de frecuencia (A) para ambas temperaturas.

PRESENTACIÓN DE DATOS La determinación de la conductividad a diferentes caudales a 30°C en el CSTR originó los datos de la tabla 1. Tabla 1

Caudal (ml/min) 80 60 40 20

A 30°C Conductividad(µS) 18.95 17.08 14.75 11.25

CÁLCULOS Se procede a determinar el tiempo espacial, fracción molar, concentración de A y XA/(1-XA)(MXA) con ayuda de la ecuación de la recta. *Nota: No fue necesario realizar la curva de calibración, ya que las ecuaciones de la recta fueron proporcionadas, en donde y es la conductividad y x la conversión.

Ecuación de la recta: Y=-0.1377X+22.4 Tabla 2

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t(min) 6.25 8.333333333 12.5 25

A 30°C Conversión (mol) CA (mol/L) 0.250544662 0.01498911 0.386347131 0.01227306 0.555555556 0.00888889 0.8097313 0.00380537

XA/(1-XA)(M-XA) 0.44606037 1.025964077 2.8125 22.36692209

Cao=0.02 M=1 Volumen= 1L Con los datos de la tabla 2, se obtuvo la siguiente gráfica: 3

XA/(1-XA)(M-XA)

2.5

y = 0.3858x - 2.0547

2 1.5 1 0.5 0 0

2

4

6

8

10

12

14

t(min)

K1=0.3858

PRESENTACIÓN DE DATOS La determinación de la conductividad a diferentes caudales a 40°C en el CSTR originó los datos de la tabla 3. Tabla 3 A 40°C Caudal (ml/min) Conductividad (µS) 80 13.52 60 12.11 40 10.33 20 7.92

6

CÁLCULOS Se procede a determinar el tiempo espacial, fracción molar, concentración de A y XA/(1-XA)(MXA) con ayuda de la ecuación de la recta. *Nota: No fue necesario realizar la curva de calibración, ya que las ecuaciones de la recta fueron proporcionadas, en donde y es la conductividad y x la conversión.

Ecuación de la recta: Y=-0.0879+15.92 Tabla 4

t(min) 6.25 8.333333333 12.5 25

A 40°C Conversión (mol) CA (mol/L) 0.273037543 0.014539249 0.433447099 0.011331058 0.635949943 0.007281001 0.910125142 0.001797497

XA/(1-XA)(M-XA) 0.51665234 1.350377413 4.798447266 112.6742509

Cao=0.02 M=1 Volumen= 1L Con los datos de la tabla 4, se obtuvo la siguiente gráfica: 6

XA/(1-XA)(M-XA)

5

y = 0.7054x - 4.1467

4 3 2 1 0 0

2

4

6

8

10

12

14

t(min)

K2=0.7054

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Calculando la energía de activación a 30 y 40 °C (303 y 313K).

𝐽 𝐸𝑎 ( ) 0.3858 1 1 𝑚𝑜𝑙 𝑙𝑛 ( )= ( − ) 𝐽 0.7054 8.314 ( ) 313 303 𝑚𝑜𝑙𝐾 Ea= 47581 J/mol Utilizando la ecuación de Arrhenius obtener el factor de frecuencia Ae.

0.3858 = 𝐴𝑒

−47581𝐽/𝑚𝑜𝑙 8.314𝐽 ( )(303𝐾) 𝑚𝑜𝑙𝐾

A=6.15 x 107 min-1

0.7054 = 𝐴𝑒

−47581 𝐽/𝑚𝑜𝑙 8.314𝐽 ( )(313𝐾) 𝑚𝑜𝑙𝐾

A=6.15 x 107 min-1

RESULTADOS Y ANÁLISIS Se determinaron las conductividades a diferentes caudales correspondientes a la saponificación de acetato de etilo e hidróxido de sodio en un CSTR mediante simulación, las cuales tenían un comportamiento decreciente al disminuir los caudales, posteriormente se obtuvieron los parámetros cinéticos para la reacción a diferentes temperaturas y se comprobó que por cada 10°C en aumento, la Kcin aumenta al doble, al usar la ecuación de Arrhenius se obtuvieron factores de frecuencia similares para las reacciones a diferentes temperaturas. Mediante la cinética química se pudo comprobar que la rapidez en que se lleva la reacción depende de factores como la temperatura.

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CONCLUSIÓN La simulación presentada es de bajo costo y puede mejorar el ejercicio de un proceso en la planta química como la saponificación del acetato de etilo con hidróxido de sodio. Los datos que se obtengan en el laboratorio puede ser comparado con las curvas presentadas en esta simulación y además se pueden cambiar las condiciones de los reactantes, y también se puede considerar mediante este esquema de solución otras reacciones químicas.

BIBLIOGRAFÍA 

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Díaz C.,Javier (2014). Saponificación del acetato de etilo con hidróxido de sodio para un reactor, 10-11-2019, de Scribd Sitio web: https://es.scribd.com/doc/261838142/Saponificacion-delacetato-de-etilo-con-hidroxido-de-sodio-para-un-reactor-por-lotes Nieva G. Guillermo (2016). Universidad Politécnica de Madrir 11-11-2019, de Cheam. Reactor Simulator: Herramienta de Simulación de CSTR.Sitio web: http://oa.upm.es/42867/1/TFG_GUILLERMO_NIEVA_GARCIA_VILLARACO.pdf

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