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• Lily Roosevelt Ayala

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Universidad Nacional Autónoma de México.

Facultad de Química. Laboratorio de Ingeniería Química IV.

Integrantes: · · · ·

INFORME No. 1 DEFINICIÓN DE UN SISTEMA REACCIONANTE Peña González Mauricio. Suárez Ayala Liliana Sagaceta Mejía Juan Daniel Reyes Mariel Raúl

➽ Objetivos Establecer el esquema de reacción para la hidrólisis del diacetato de etilenglicol (DAEG) y determinar las condiciones de operación para obtener una conversión del 50% de DAEG en un tiempo menor a 15 minutos. ➽ Resultados experimentales. Parte A Tabla 1.1 Resultados Parte A Prueba 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

tiempo (min) 0 7 14 21 28 35 42 49 56 70 84

Temperatura % Área Ac. (°C) Acético 80 0.0 78 2.3 89 8.6 93 14.1 92 17.0 90 17.7 88 20.0 86 19.3 85 19.3 84 19.4 84 19.9

% Área Etilenglicol 0.0 0.0 0.0 3.3 4.2 5.2 4.7 4.6 5.0 4.5 4.4

% Área MAEG 0.0 2.9 8.2 19.4 25.9 26.0 30.8 30.3 29.7 30.9 31.0

% Área DAEG 100 94.8 83.3 63.2 52.9 51.2 44.5 45.8 46.0 45.2 44.7

120 100

% área

80 60 40

20 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Tiempo de reacción [min] Ac. Acético

Etilenglicol

MAEG

DAEG

Gráfica 1.1 Porcentaje de área de reactivos y productos en función del tiempo de reacción a T=80°C

Prueba 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tabla 1.2 Fracción mol para cada componente. Tiempo Temperatura x Ac. x x MAEG (min) (°C) Acético Etilenglicol 0 80 0.000 0.000 0.000 7 78 0.054 0.000 0.039 14 89 0.181 0.000 0.099 21 93 0.259 0.059 0.206 28 92 0.294 0.070 0.259 35 90 0.301 0.086 0.255 42 88 0.330 0.075 0.293 49 86 0.321 0.074 0.291 56 85 0.321 0.080 0.285 70 84 0.322 0.072 0.296 84 84 0.329 0.070 0.296

x DAEG 1.000 0.907 0.720 0.477 0.376 0.358 0.302 0.313 0.314 0.309 0.304

1.2

Fracción mol

1

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

Tiempo de reacción [min] Ac. Acético

Etilenglicol

MAEG

DAEG

Gráfica 1.2 Fracción mol para cada componente en función del tiempo de reacción.

Parte B Tabla 2.1 Prueba

tiempo (min)

Temperatura (°C)

% Área Ac. Acético

% Área Etilenglicol

% Área MAEG

% Área DAEG

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 11 13

0 6 17 21 28 35 42 49 56 63 77 91

85 105 120 121 115 113 105 105 105 103 102 103

0.0 9.9 15.1 16.8 19.5 20.1 23.5 23.4 24.5 25.4 22.1 25.8

0.0 2.0 4.0 6.0 8.4 11.3 16.9 19.9 22.0 24.9 26.8 37.2

0.0 16.7 29.9 33.7 36.4 37.5 39.1 38.8 39.4 36.4 38.9 32.4

100.0 71.4 51.0 43.5 35.6 31.0 20.6 17.9 14.1 13.3 12.2 4.6

19

133

103

21.4

45.8

32.9

0.0

Tabla 2.2 Porcentaje de área y fracción mol obtenido del destilado.

Destilado

% Área Ac. Acético

% Área Etilenglicol

% Área MAEG

% Área DAEG

Fracción mol

52.4 0.64

11.8 0.14

22.0 0.15

13.8 0.07

120 100

%Área

80 60 40 20

0 0

20

40

60

80

100

120

140

tiempo [min] Ac. Acético

Etilenglicol

MAEG

DAEG

Gráfica 2.1 Porcentaje de área de reactivos y productos en función del tiempo de reacción a T=103 °C 120

Fracción mol

100

80 60 40

20 0 0

20

40

60

80

100

120

140

Tiempo de reacción [min] Ac. Acético

Etilenglicol

MAEG

DAEG

Gráfica 2.2 Fracción mol para cada componente en función del tiempo de reacción.

Parte C Tabla 3.1 Pruebas a 60 °C

Relación molar 1:1 Relación molar 2:1

Prueba

Tiempo (min)

Temperatura (°C)

0 1 2 3 4 0 1 2

0 4 8 12 16 0 4 8

60 62 61 63 64 60 69 65

% Área Ac. Acético 0.0 0.5 0.7 1.0 1.5 0.0 0.8 1.5

% Área Etilenglicol

% Área MAEG

% Área DAEG

0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0

0.0 0.6 1.0 1.5 2.3 0.0 1.0 2.9

100.0 98.9 98.3 97.5 96.1 100.0 98.2 95.6

Relación molar 4:1

3 4 0 1 2 3 4

12 16 0 4 8 12 16

67 65 60 72 65 65 66

1.8 2.4 0.0 2.9 5.7 6.1 5.0

0.0 0.0 0.0 0.0 1.1 1.1 4.9

2.3 3.1 0.0 3.5 8.8 8.3 10.5

95.9 94.5 100 93.6 84.3 84.5 79.6

% Área Etilenglicol

% Área MAEG

% Área DAEG

0.0 0.0 0.0 0.0 0.6 0.0 0.0 0.0

0.0 0.9 2.3 4.6 8.8 0.0 1.1 3.2

100.0 98.0 95.8 91.7 85.0 100.0 98.0 94.4

0.0 0.6 0.0 0.0 0.0 2.0 3.7

2.7 7.3 0.0 2.3 4.1 14.4 19.7

94.2 86.8 100 95.7 91.1 73.1 61.6

% Área Etilenglicol

% Área MAEG

% Área DAEG

0.0 0.8 2.2 2.0 1.7 0.0 0.0 4.4

0.0 10.8 17.9 21.8 23.0 0.0 6.6 21.8

100.0 82.0 69.0 63.7 62.2 100 87.8 58.3

Tabla 3.2 Pruebas a 80 °C

Relación molar 1:1

Relación molar 2:1

Relación molar 4:1

Prueba

Tiempo (min)

Temperatura (°C)

0 1 2 3 4 0 1 2

0 4 8 12 16 0 4 8

75 76 84 80 80 75 72 78

% Área Ac. Acético 0.0 1.0 1.9 3.7 5.6 0.0 0.9 2.4

3 4 0 1 2 3 4

12 16 0 4 8 12 16

80 82 73 75 80 80 81

3.0 5.3 0.0 2.0 4.8 10.6 14.9

Tabla 3.3 Pruebas a 100 °C

Relación molar 1:1

Prueba

tiempo (min)

Temperatura (°C)

0 1 2 3 4 0 1 2

0 4 8 12 16 0 4 8

60 110 120 120 120 60 85 100

% Área Ac. Acético 0.0 6.4 10.8 12.5 13.1 0.0 5.6 15.5

Relación molar 2:1

Relación molar 4:1

3 4 0 1 2 3 4

Gráficas 3D de la Parte C

12 16 0 4 8 12 16

100 100 60 97 100 103 103

21.9 21.0 0.0 18.1 24.5 29.5 24.2

6.7 6.1 0.0 4.4 8.4 12 16.8

31.7 31.5 0.0 22.5 28.6 33.7 32.1

39.7 41.5 100 54.9 38.5 21.2 26.9

➽ Análisis de resultados. Análisis Parte A En la gráfica 1 se observa el comportamiento de las distintas especies químicas a través del tiempo, es conveniente realizar un análisis individual para cada especie. DAEG: Ya que es un reactivo en la hidrólisis, su concentración disminuye al aumentar el tiempo transcurrido, como no se alimenta más DAEG al reactor su concentración no aumenta en ningún momento. MAEG: Es el producto de la reacción entre DAEG y agua, su concentración aumenta hasta un punto máximo, después disminuye su concentración debido a que participa como reactivo en la hidrólisis entre MAEG y agua. Etilenglicol: La concentración de Etilenglicol aumenta conforme pasa el tiempo, ya que es el producto de la hidrólisis de MAEG y agua, esto se aprecia de manera clara cuando el MAEG empieza a consumirse como reactivo después de que el DAEG se ha agotado al interior del reactor ACAC: Es el producto de reacción de ambas reacciones, por lo que en la gráfica se aprecia un aumento en %mol, ya que siendo el producto de reacción solo aumentará su % mol.

Análisis Parte B A diferencia de la parte A, no se llegó un equilibrio químico, debido a que se consumió totalmente DAEG, ya que,al trabajar a la temperatura de ebullición de la mezcla, se favoreció la formación de productos debido a que es una reacción endotérmica. Realizando un análisis individual del comportamiento de las especies en la gráfica 2 se observa: DAEG: Su concentración disminuye hasta que reacciona completamente, llegando a un porcentaje de área de cero. MAEG: Su concentración aumenta considerablemente hasta los 80 minutos, su formación es mayor que los otros productos, sin embargo, después de este tiempo, baja su concentración, disminuyendo su pendiente, ya que, hay dos reacciones consecutivas y después de 80 minutos participa como reactivo en la reacción. etilenglicol: Se observa un crecimiento casi lineal. En el momento en el que baja la concentración de MAEG, la producción de etilenglicol aumenta, debido a que MAEG es un reactivo y al aumentarlo, favorece su producción. Ácido acético: Su concentración aumenta al transcurso de la reacción, sin embargo, incrementa menos que el MAEG, se observa un decremento en su pendiente porque se retira parte de su concentración en el destilado, y al disminuir los productos, por principio de Le Chatelier, no se favorece su producción. Durante la reacción, se agrega agua debido a que se trabaja a volumen constante y el aumento de un reactivo, favorece la formación de productos. El condensado se formó principalmente por agua, ácido acético y etilenglicol por las reacciones simultáneas, principalmente por la reacción del MAEG con el agua que se añade, la concentración de etilenglicol se favorece aún más porque se está removiendo ácido acético de los productos con el destilado., y al disminuir uno de los productos de la reacción (Ácido acético), para mantener el equilibrio químico, tiene que aumentar la concentración del otro producto (Etilenglicol) Análisis Parte C En esta parte de la experimentación, se observó el comportamiento de la reacción al manipular dos variables; la temperatura y la relación molar de la reacción de DAEG, en donde se modificaba la cantidad de agua añadida. Al aumentar la relación molar, es decir, añadir más agua, el porcentaje de DAEG disminuye debido a que, de acuerdo al principio de Le Chatelier, al aumentar los reactivos, la reacción se desplazará a los productos por lo que, si se desea que se lleve a cabo la reacción en un menor tiempo, se debe utilizar la relación molar de 4:1 Al variar la temperatura y manteniendo constante la relación molar, se observa que, a mayor temperatura, el porcentaje de área del DAEG disminuye, debido a que hay un mayor consumo de éste y, por lo tanto, una mayor cantidad de productos. Esto sucede ya que la reacción es endotérmica, y basándose en el principio de Le Chatelier, al aumentar ésta, la reacción se ve favorecida hacia los productos. En el comportamiento grafico se puede observar que en cuanto aumenta la relación molar, proporcionalmente el área del DAEG disminuye, por lo tanto la tendencia es, si aumentamos las cantidades de reactivo podemos mover el equilibrio hacia la formación de productos por lo tanto nos muestra como podemos mover la formación de los mismos , lo que nos lleva a pensar que no necesitamos tanto tiempo para poder consumir el DAEG, sin embargo si la reacción hubiera ocurrido por una mayor cantidad de tiempo, según la tendencia grafica se hubiera alcanzado el

estado estacionario y por lo consecuente se podría ver en los gráficos el comportamiento de cada uno de los componentes y verificar como pueden llegar a un estado de equilibrio, en donde ya no se mostrarían variaciones a través del tiempo de reacción y así poder llegar a una concentración máxima o concentración limite por cantidad de reactivo. ➽ Cuestionarios. Parte A 1. ¿En qué momento de la experimentación se inicia la reacción La reacción inicia cuando se mezclan el agua caliente con el DAEG del matraz. Esto se puede comprobar debido a que, al mezclarlos en el matraz, la temperatura de DAEG dentro del matraz bola (85 °C) disminuye pues se trata de una reacción endotérmica de acuerdo a la literatura. 2. ¿Qué criterio empleó para suspender la prueba experimental Para cada una de las pruebas se graficó % de área vs tiempo de reacción (ver Gráfica 1). Al inicio de la reacción de muestra que para el producto DAEG existe una curva con pendiente negativa, es decir, el porcentaje de área disminuye, mientras que para los tres productos (MAEG, ácido acético y etilenglicol) las curvas tienen una pendiente positiva; conforme avanza el tiempo de reacción, las pendientes de las curvas tienden a cero, donde se puede asumir que la reacción ha alcanzado el equilibrio químico. 3. Estima usted que los resultados obtenidos permiten describir el comportamiento con respecto al tiempo de cada una de las especies presentes en la reacción. Sí lo permite, y podemos observarlo en la Gráfica 1. donde se muestran claramente los comportamientos de cada una de las especies conforme avanza la reacción. Lo permite porque todas las especies alcanzan su equilibrio químico. El agua tiene un papel importante, ya que además de ser el medio para que se lleve a cabo, en la reacción es un reactivo, pero en los resultados obtenidos del cromatógrafo ésta no aparece porque el agua es un producto de la combustión y el cromatógrafo utilizado para la experimentación no lo detecta como producto. 4. ¿Creé usted que el número de datos obtenidos fue suficiente para obtener información sobre el comportamiento de la reacción ¿Por qué No, porque solo se conoce que la reacción es reversible, que es endotérmica y cuáles son sus productos, pero aún no se sabe nada de la reacción y cuantas se llevan a cabo. 5. Si la reacción hubiese transcurrido durante 3 horas. ¿Qué resultados se obtendrían Se observaría que las curvas de la Gráfica 1. tendrían el mismo comportamiento, es decir, las pendientes tenderían a cero pues se alcanza el equilibrio químico. Las curvas no se juntarían pues la conversión de la reacción nunca alcanzará el cien por ciento. Parte B 1. ¿En qué momento de la experimentación inicia la reacción? Inicia cuando se agrega el agua al matraz bola de tres bocas, donde previamente se calentó el DAEG. 2. ¿Qué criterio empleó para dar por terminada la experimentación Cuando el valor del porcentaje de área del DAEG tiende a cero. 3. ¿Creé usted que el número de datos obtenidos fue suficiente para obtener información sobre el comportamiento de la reacción ¿Por qué

Sí es suficiente, debido a que se observa el consumo del DAEG, quienes participan como reactivos y productos y cuantas reacciones se llevan a cabo durante la hidrólisis (dos reacciones simultáneas).

4. ¿Cuál fue el resultado del análisis del destilado Aparecen los cuatro componentes de la reacción, sin embargo, el DAEG presenta la menor cantidad de porcentaje de área, se encuentran en mayor proporción el etilenglicol y ácido acético. 5. ¿Cuál fue el objetivo de efectuar la reacción a la temperatura de ebullición y producir un destilado La intención de presentar la reacción en ebullición es para eliminar el producto volátil ácido acético, eso se hace para favorecer las reacciones donde participa el DAEG aumentando su conversión, de manera que se consuma totalmente (también se agrega agua continuamente para favorecer esas reacciones) y se obtenga un mayor porcentaje de etilenglicol. Con el destilado se conocen los productos de la reacción, pues al tener una temperatura muy alta se favorece el sentido directo de la reacción por ser endotérmica, además, se remueve el ácido acético por su volatibilidad y se favorece la producción de etilenglicol. 6. ¿Por qué es necesario reponer agua al sistema? El agua es volátil y se fue eliminando del matraz. En la reacción de hidrólisis ambos el DAEG y el agua son reactivos, para aumentar la conversión del DAEG y favorecer la reacción era necesario reponer el agua, además, como es un reactor de tipo semi-batch, se necesita que la reacción se lleve a cabo con volumen constante. Así mismo, el agregar agua genera mayor cantidad de Etilenglicol por el principio de Le Chatelier. Para cada una de las especies, compare el comportamiento obtenido en las reacciones, a la temperatura de ebullición y a la temperatura de 80C. Se encuentran dos reacciones en juego: DAEG + H2O ↔ CH3COOH + MAEG MAEG + H2O ↔ CH3COOH + Etilenglicol En los experimentos a 80 °C, por las gráficas se deduce que se presentó mayoritariamente la reacción 1 y muy poco de la 3. Teniendo siempre una concentración creciente de MAEG y muy poca concentración, pero también creciente de Etilenglicol. En los experimentos a temperatura de ebullición, el MAEG al inicio tiene una tendencia creciente pero después se va consumiendo, en este momento se presenta la reacción 2, esto se comprueba al observar que también aumenta la concentración de Etilenglicol justo en ese punto. 7. Describa el comportamiento con respecto al tiempo de cada una de las especies presentes durante la reacción. La concentración del DAEG tiene una tendencia exponencial con exponente negativo es decir decreciente, y tiene un consumo abrupto al final, a partir de esto se especula la presencia de una segunda reacción. Las demás especies tienen un comportamiento logarítmico con base mayor a 1, es decir positivo, igualmente, observando un cambio al final, lo que indica la presencia de una segunda reacción., con un cambio abrupto al final. 8. Defina el esquema reaccionante de la hidrólisis del diacetato de etilenglicol sobre la base de la descripción hecha en el punto anterior DAEG + H2O ↔ CH3COOH + MAEG

MAEG + H2O ↔ CH3COOH + Etilenglicol En el sistema se presentan 2 ecuaciones. Son endotérmicas y reversibles, la hidrólisis tiene como productos un alcohol y un ácido carboxílico. Las reacciones de hidrólisis pueden catalizadas por un ácido o una base. En este experimento se supo que fue un ácido porque se corroía la jeringa que se usó para inyectar al cromatógrafo. Parte C 1. ¿Qué efecto tiene el aumento de la relación molar en el DAEG que se consume en el sistema de reacción en un tiempo corto? Al aumentar la relación molar, disminuye el porcentaje área del DAEG. Al aumentar la cantidad de reactivo, el equilibrio se desplaza hacia los productos por lo que el consumo de DAEG se da en un menor tiempo para lograr minimizar el efecto de la perturbación. Tal y como se describe en el principio de Le Chatelier el cual explica que, para un sistema en equilibrio químico, la variación de concentración de uno de los componentes constituye una fuerza. 2. ¿Qué efecto tiene el aumento de la temperatura en el DAEG que se consume en el sistema de reacción en un tiempo corto? Al aumentar la temperatura, disminuye el porcentaje área del DAEG. El aumento de temperatura logra una conversión mayor en tiempos cortos. Al ser una reacción endotérmica, se favorece la reacción. 3. ¿Estima usted que los resultados obtenidos permiten establecer las condiciones de operación para obtener una conversión del 50% de diacetato de etilenglicol (DAEG) en un tiempo menor a 15 minutos? ¿Por qué? La conversión del 50% de diacetato de etilenglicol (DAEG) se puede alcanzar en 8 minutos a la temperatura de 100°C, en la relación molar 4:1. En la relación 2:1, se tiene que esperar al menos 12 minutos. 4. Si la reacción hubiese transcurrido durante 60 minutos ¿Qué resultados se obtendrían? Si la reacción hubiera ocurrido por 60 minutos habríamos alcanzado estado estacionario y conseguido visualizar en las gráficas el comportamiento de los compuestos hasta obtener ese estado de equilibrio, donde no ocurren más variaciones. También habríamos logrado visualizar la conversión máxima que podríamos haber alcanzado de DAEG para cada relación a las diferentes temperaturas de trabajo. Empíricamente se puede deducir para la temperatura de 60 °C, no se hubiera llegado al 50% de conversión en 60 minutos. ➽ Conclusiones. Se cumplió el objetivo de la práctica, a partir de tres experimentos a diferentes condiciones, se obtuvo un esquema de reacción y se identificaron las condiciones óptimas de operación. Las condiciones de operación propuestas para una conversión del DAEG del 50% en menos de 15 minutos son: establecer la temperatura del sistema a 100 °C, con una relación molar 4:1, por un tiempo de reacción de 8 minutos. A pesar de que nuestra propuesta opera bajo esas condiciones, es importante aclarar que esto no significa que sean las condiciones óptimas de operación necesarias para alcanzar el objetivo, pues existen otras condiciones bajo las cuales se cumple el objetivo, sin embargo, el tiempo de reacción aumenta, se usa menos energía, o menos cantidad de reactivo. Los experimentos realizados en esta práctica se pueden aplicar para obtener el esquema de reacción para un proceso en una planta química, aunque es importante tomar en cuenta que, al escalar el reactor, condiciones de agitación provocan gradientes de todas las variables en el sistema y se deben tomar las

debidas precauciones. Adicionalmente se observa que hay dos otras variables que se pudieron haber modificado en el sistema, que son la presión y el volumen, sin embargo, se llega a la conclusión de que, por ser un sistema líquido, no se tendría gran efecto en la reacción, contrario de lo que pasaría en una reacción con componentes gaseosos.