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• Maria Eugenia Cajahuamán

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA TEMA

REACTOR BATCH ADIABATICO (ANHÍDRIDO ACÉTICO + AGUA) INFORME DE LABORATORIO

INFORME DE LABORATORIO Nº1

DEDICATORIA

Es nuestro deseo como sencillo gesto de agradecimiento, dedicarles nuestro trabajo a los alumnos del octavo semestre de la Facultad de Ingeniería Química.

AGRADECIMIENTO

Agradecemos a Dios en primer lugar por cuidarnos y darnos fuerza para superar obstáculos y dificultades a lo largo de toda la vida.

ÍNDICE INTRODUCCIÓN .......................................................................................................................................................... 6 OBJETIVOS .................................................................................................................................................................. 7 OBJETIVO GENERAL ........................................................................................................................................................ 7 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ................................................................................................................................................. 7 MARCO TEÓRICO ........................................................................................................................................................ 8 1.

REACTORES QUIMICOS ...................................................................................................................................... 8 2.

3.

4.

5.

EFECTO DE LA TEMPERATURA ....................................................................................................................................9

CINÉTICA ............................................................................................................................................................ 9 5.1. 5.2.

6.

LOS REACTORES QUÍMICOS TIENEN COMO FUNCIONES PRINCIPALES ......................................................................8

REACTOR DISCONTINUO O REACTOR BATCH .................................................................................................... 9

BALANCE DE MATERIA: ...............................................................................................................................................9 BALANCE DE ENERGÍA ..............................................................................................................................................10

ÁNHIDRIDO ACÉTICO ....................................................................................................................................... 10 6.1.

USOS DE LA SUSTANCIA ............................................................................................................................................11

PARTE EXPERIMENTAL ...............................................................................................................................................12 1. 2. 3. 4. 5. 6.

MATERIALES .............................................................................................................................................................12 REACTIVOS ................................................................................................................................................................12 SEGURIDAD DE CARÁCTER GENERAL ........................................................................................................................12 SEGURIDAD RESPECTO A LOS REACTIVOS ................................................................................................................12 SEGURIDAD RESPECTO A LOS PRODUCTOS ..............................................................................................................12 PROCEDIMIENTO ......................................................................................................................................................12

CÁLCULOS Y RESULTADOS .........................................................................................................................................13 1. CÁLCULOS DE LOS DATOS TEÓRICOS: ..................................................................................................................13 2. REALIZANDO UN BALANCE DE MATERIA: ............................................................................................................13 𝒅𝒕𝒅𝑿𝑨 = 𝑪𝑨𝟎(−𝒓𝑨) … … … … … … . . (𝑰).....................................................................................................................13 𝒅𝒕𝒅𝑿𝑨 = 𝟏𝒆𝟏𝟖. 𝟑𝟎𝟗 − 𝟔𝟎𝟐𝟔𝑻 × 𝟏 − 𝒙𝑨 … … … … … … . . (𝑰𝑰𝑰).................................................................................14 3. REALIZANDO UN BALANCE DE ENERGÍA: .............................................................................................................14

DISCUSIÓN Y RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES: .........................................................................................16 CONCLUSIONES .........................................................................................................................................................16 PROCESAMIENTO DE LOS DATOS TEÓRICOS Y EXPERIMENTALES EN MATLAB ...........................................................17 ANEXOS .....................................................................................................................................................................22

INTRODUCCIÓN

A lo largo del tiempo pudimos observar que para calcular el tiempo que toma alcanzar una conversión dada X en un sistema por lotes o para calcular el volumen de un reactor, necesitamos conocer la velocidad de reacción en función a la conversión (Levenspiel, 1990).

En este informe explicaremos como obtener la dependencia funcional de la reacción dada. Primero presentaremos una breve exposición de los conceptos básicos de los componentes a tratar, haciendo un hincapié en las definiciones, que ilustra el tiempo respecto a la temperatura en un reactor Batch. Esta exposición va seguida de las instrucciones para convertir la ley de la exposición de la temperatura respecto al tiempo. Una vez determinada podemos realizar la comparación de la parte teórica con la experimental.

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL  Corroborar los datos experimentales con los datos teóricos y luego realizar el balance de materia y energía de la variación de la temperatura respecto al tiempo.

OBJETIVOS ESPECÍFICOS 

Ejecutar el balance de materia y energía en un reactor Bathc que es no isotérmico y adiabático.



Elaborar la comparación grafica de datos experimentales con los datos teóricos, con respecto a la variación de la temperatura respecto al tiempo.

MARCO TEÓRICO REACTORES QUIMICOS Un reactor químico es un equipo en el cual da paso a una reacción química. Este reactor está constituido por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para las sustancias químicas. El diseño de un reactor químico requiere de conocimientos termodinámicos cinética química, transferencia de masa y energía, así como de mecánica de fluidos y finalmente balances de materia y energía. Figura 1: Reactor Batch

Fuente: http://shariarbd.com/wp-content/uploads/2011/02/reactor.jpg

1. LOS REACTORES QUÍMICOS TIENEN COMO FUNCIONES PRINCIPALES 

Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.



Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.



Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

REACTOR DISCONTINUO O REACTOR BATCH Trabajan en estado no estacionario y el más sencillo sería un tanque agitado. Este reactor tiene la ventaja de que su costo de instrumentación es bajo, además de ser flexible en su uso (se le puede detener de modo fácil y rápido). En un reactor Batch no hay flujo de entrada ni salida del material durante la reacción, estas se llevan a cabo en condiciones de presión y temperatura requeridas, y se dejan reaccionar en un tiempo establecido.

2. EFECTO DE LA TEMPERATURA Las velocidades de las reacciones químicas están marcadamente influidas por la temperatura. Esta influencia es de diversos tipos y presentan comportamiento excepcional las reacciones complejas o aquellas limitadas por factores físicos como la difusión, adsorción o la acción especial de los catalizadores (Walas, 1995). CINÉTICA Está referido a la velocidad con que ocurre la reacción y el equilibrio dentro del reactor; estos factores están condicionados por la transferencia de materia y energía (José Felipe Izquierdo, 2004). 2.1.

BALANCE DE MATERIA:

ACUMULACIÓN =ENTRADA + SALIDA + GENERACIÓN + DESAPARICIÓN

En un reactor Batch los dos primeros términos de esta ecuación son cero porque no hay flujo de entrada ni de salida.

ACUMULACIÓN= ENTRADA + SALIDA + GENERACCIÓN Decimos que la entrada y salida es igual a cero. −𝐷𝐴 = 𝐴𝐴 → −(−𝑟𝐴 )𝑉 =

𝑑𝑁𝐴 𝑑𝑡

Realizando la conversión fraccionada: 𝑥𝐴 =

𝑁𝐴0 − 𝑁𝐴 → 𝑁𝐴 = 𝑁𝐴0 (1 − 𝑋𝐴 ) 𝑁𝐴0 𝑑𝑁𝐴 = −𝑁𝐴0 . 𝑑𝑥𝐴

Reemplazando términos: −(−𝑟𝐴 )𝑉 =

−𝑁𝐴0 𝑑𝑥𝐴 𝑑𝑡 𝑁𝐴0 1 → =( ). 𝑑𝑡 𝑑𝑥𝐴 𝑉 −𝑟𝐴 dt CA0 = dxA −rA

2.2.

BALANCE DE ENERGÍA ACUMULACIÓN= ENTRADA + SALIDA + GENERACCIÓN

Donde: 𝐸𝐸 = 0

𝐸𝑆 = 0 𝑑𝑄 = 𝑑𝐻 𝜇0 . ∆ℎ(𝑇𝑆 − 𝑇)𝑑𝑇 = 𝑚. 𝐶𝑃 𝑑𝑇 + ∆𝐻𝑅 . 𝑁𝐴0 . 𝑑𝑥𝐴

Para un proceso adiabático se sabe que : 𝑑𝑄 = 0 𝑚. 𝐶𝑃 𝑑𝑇 = −∆𝐻𝑅 . 𝑁𝐴0 . 𝑑𝑥𝐴 𝒅𝑻 −∆𝑯𝑹 . 𝑵𝑨𝟎 = 𝒅𝒙𝑨 𝒎. 𝑪𝑷

ÁNHIDRIDO ACÉTICO El anhídrido acético, comúnmente abreviado AC2O, es uno de los anhídridos carboxílicos más simples. Con fórmula química (CH3CO)2O, es uno de los reactivos más ampliamente usados en síntesis orgánica. Es un líquido incoloro, que huele fuertemente a vinagre (ácido acético) debido a su reacción con la humedad del aire.

Tabla 1: Propiedades físicas y químicas básicas

Fuente: https://www.carlroth.com/downloads/sdb/es/4/SDB_4483_ES_ES.pdf

2.3.

USOS DE LA SUSTANCIA

En AC2O es ampliamente empleado en química para la acetilación de alcoholes y aminas. La mayor parte de la producción se utiliza para la fabricación de acetato de celulosa (plásticos y fibras textiles). Otras aplicaciones, por ejemplo, son la síntesis de la tetraacetiletilendiamina (TAED) en la industria de detergentes, y la síntesis de fármacos tales como el ácido acetilsalicílico (aspirina) o el paracetamol. También puede actuar como deshidratante (Centre, 2008).

PARTE EXPERIMENTAL 1. MATERIALES  Termómetro de rango -10°C – 110°C  Cronómetro  Reactor tipo Batch  Agitador Magnético

2. REACTIVOS  5 ml de Anhídrido acético  35 ml de Agua destilada 3. SEGURIDAD DE CARÁCTER GENERAL  Bata de laboratorio  Gafas de protección  Guantes (no utilizar guantes de látex, reactivo corrosivo)  Gorros 4. SEGURIDAD RESPECTO A LOS REACTIVOS  Anhídrido Acético es corrosivo e inflamable.  Evitar contacto físico e inhalación prolongada.  Manipular en vitrina o zona ventilada.  En caso de contacto lavar con agua abundante.  En caso de vertidos recoger con neutralizador sólido (arena) 5. SEGURIDAD RESPECTO A LOS PRODUCTOS  Se obtiene ácido acético diluido.  Evitar contacto con la piel y ojos.  Recoger en bidones indicados. 6. PROCEDIMIENTO 1. Pasamos a medir (CH3CO)2O y H2O. En nuestro caso: 3 ml ((𝐶𝐻3 𝐶𝑂)2 𝑂) y 37 ml 𝐻2 𝑂 ; mezclamos en un reactor Batch, el cual está aislado, este sistema

se encuentra con un agitador magnético. 2. Procedemos a poner la mezcla en el reactor se tapa y se coloca un termómetro para la lectura de las temperaturas. 3. Finalmente se toma la temperatura inicial a un tiempo 0 segundos y se registran las temperaturas cada minuto, hasta llegar a una temperatura constante.

CÁLCULOS Y RESULTADOS 1. CÁLCULOS DE LOS DATOS TEÓRICOS: Dada la reacción:

(𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑶)𝟐 𝑶 + 𝑯𝟐 𝑶 → 𝟐𝑪𝑯𝟑 𝑪𝑶𝑶𝑯 𝑨 + 𝑩 → 𝟐𝑺

Datos:

 Temperatura ambiente = 23°C = 2946K Peso molecular: ̅̅̅̅(𝐶𝐻3 𝐶𝑂)2 𝑂 = 102𝑔/𝑚𝑙 PM ̅̅̅̅𝐻2 𝑂 = 18𝑔/𝑚𝑜𝑙 PM ̅̅̅̅2𝐶𝐻3 𝐶𝑂𝑂𝐻 = 60𝑔/𝑚𝑜𝑙 PM Datos bibliográficos 𝑔 𝑐𝑚3 𝑔 𝜌𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1.00 3 𝑐𝑚 𝑔 𝜌𝑎𝑛ℎ.𝑎𝑐𝑒𝑡. = 1.08 3 𝑐𝑚 𝜌𝑎𝑐.𝑎𝑐𝑒𝑡. = 1.05

Datos tomados de investigaciones científicas ∆𝐻 = −56

𝑘𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎ.𝑎𝑐𝑒𝑡.

𝑙𝑛𝐾 = 18.309 −

= −13378.57

𝑐𝑎𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝑎𝑛ℎ.𝑎𝑐𝑒𝑡.

6026 𝑇

2. REALIZANDO UN BALANCE DE MATERIA: 𝑪𝑨𝟎 𝒅𝒕 = … … … … … … . . (𝑰) 𝒅𝑿𝑨 (−𝒓𝑨 ) a) Determinando −𝒓𝑨 : Esta reacción es de pseudo primer orden: −𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴 −𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴0 (1 − 𝑋𝐴 ) … … … … … … . (𝐼𝐼)

b) Hallamos k del paper dado: 𝑙𝑛𝑘 = − Despejamos k:

6026 + 18.309 𝑇 6026 +18.309 𝑇

𝑘 = 𝑒−

c) Determinando CAo y CAbo:

𝜌=

𝑚 →𝑚 =𝜌×𝑣 𝑣

d) Determinando las masas: 𝑚𝑎𝑛ℎ.𝑎𝑐𝑒𝑡. = 1.08 × 5 = 5.4𝑔 𝑚𝑎𝑔𝑢𝑎 = 1 × 35 = 35𝑔 𝑚𝑡 = 1.05 × 40 = 42𝑔

e) Determinando las moles: 𝑛𝐴 =

5.4 = 0.0529 𝑚𝑜𝑙 102

𝑛𝐵 = 𝐶𝐴0 =

35 = 1.9444 𝑚𝑜𝑙 18

𝑛𝐴0 × 𝜌𝑎𝑐.𝑎𝑐𝑒𝑡. 0.0529 × 1.05𝑥103 𝑚𝑜𝑙 = = 1.3225 𝑚𝑡 42 𝐿

𝐶𝐵0 =

𝑛𝐵0 × 𝜌𝑎𝑐.𝑎𝑐𝑒𝑡. 1,9444 × 1.05𝑥103 𝑚𝑜𝑙 = = 48.61 𝑚𝑡 42 𝐿

Reemplazando k y los valores obtenidos en (b): −𝑟𝐴 = 𝑒 18.309−

6026 𝑇

× 1.3225(1 − 𝑥𝐴 )

f) Finalmente obtenemos el tiempo reemplazando en (a):

𝒅𝒕 = 𝒅𝑿𝑨

𝐶𝐴0 𝑑𝑡 = 𝑑𝑥𝐴 𝑘𝐶𝐴0 (1 − 𝑥𝐴 )

𝟏

𝟔𝟎𝟐𝟔 𝒆𝟏𝟖.𝟑𝟎𝟗− 𝑻

… … … … … … . . (𝑰𝑰𝑰)

× (𝟏 − 𝒙𝑨 ) 3. REALIZANDO UN BALANCE DE ENERGÍA: 𝑑𝑡 ∆𝐻𝑅 × 𝑛𝐴 = 𝑑𝑋𝐴 𝑚𝑡 × 𝐶𝑝

a) 𝐶𝑝 , hallando del Data Bank: 𝐶𝑝 = 𝐴 + 𝐵 × 𝑇 A = 0.468 B = 0.929×10-3

para un rango de 0 a 80 °C de T

Entonces: 𝐶𝑝 = 0.468 + 0.929 × 10−3 × 𝑇 (cal/mol. g K°)

Reemplazando datos: 𝑑𝑇 −13378.57 × 0.0529 =− 𝑑𝑥𝐴 42 × (0.468 + 0.929 × 10−3 × 𝑇) dT 16.851 = (d) dxA (0.468 + 0.929 × 10−3 × T) INTEGRANDO (d) 𝑇

𝑥

∫ (0.468 + 0.929 × 10−3 × T)𝑑𝑇 = ∫ 16.851 ∗ dxA 𝑇0

0

0.929 × 10−3 × T 2 0.929 × 10−3 × T0 2 0.468T + − 0.468T0 − = 16.851𝑥 2 2 0.929 × 10−3 2 0.929 × 10−3 × T0 2 T + 0.468T + (−0.468T0 − − 16.851𝑥) = 0 2 2

−𝟎. 𝟒𝟔𝟖 + √𝟎. 𝟒𝟔𝟖𝟐 − 𝟒 ∗

𝟎. 𝟗𝟐𝟗 × 𝟏𝟎−𝟑 𝟎. 𝟗𝟐𝟗 × 𝟏𝟎−𝟑 × 𝐓𝟎 𝟐 ∗ (−𝟎. 𝟒𝟔𝟖𝐓𝟎 − − 𝟏𝟔. 𝟖𝟓𝟏𝒙) 𝟐 𝟐

𝑻= 𝟐∗

𝟎. 𝟗𝟐𝟗 × 𝟏𝟎−𝟑 𝟐

DISCUSIÓN Y RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES: La pendiente es semejante. La temperatura es ligeramente superior en el caso experimental. En el experimento el aumento de temperatura es casi inmediato.

CONCLUSIONES

La diferencia se produce probablemente por el comportamiento totalmente adiabático. Errores en la precisión de los reactantes utilizados. Modelo cinético. Tabla 2: RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES

Tiempo Temperatura Temperatura (min) (ºC) (K) 0

23,8

296,8

1

25,2

298,2

2

26,6

299,6

3

27,5

300,5

4

28,7

301,7

5

29,9

302,9

6

30,9

303,9

7

31,9

304,9

8

32,7

305,7

9

33,4

306,4

10

34,1

307,1

11

34,6

307,6

12

35

308

13

35,4

308,4

14

35,6

308,6

15

35,8

308,8

16

35,9

308,9

17

36

309

PROCESAMIENTO DE LOS DATOS TEÓRICOS Y EXPERIMENTALES EN MATLAB clear memory clear all disp('============TAIPE ZEVALLOS ANGELICA===============') disp('******************CALCULOS TEORICOS******************') disp('======================================================================') disp(' (CH3CO)2O + H2O ---> 2CH3COOH ') disp('======================================================================') syms x TK0=269; To=(-0.468+((0.468^2)-4*0.929*10^(-3)/2*(-16.851*x-0.468*TK0-0.929*10^(-3)/2*TK0^2))^(1/2))/(2*0.929*10^(-3)/2); Xo=0; Xf=0.99; t0=0; n=15; h=(Xf-Xo)/n; i=0; tiempo=t0; fprintf(' i x(i) TK(i) tmin(i)\n') fprintf('%10.1f %12.5f %12.5f %12.5f\n',i,Xo,TK0,t0) for i=1:n; x=Xo+h; TK=eval(To); x=Xo; T1=eval(To); k1=h*(1/(exp(18.309-6026/(T1))*(1-x))); x=Xo+h/2; T2=eval(To); k2=h*(1/(exp(18.309-6026/(T2))*(1-x))); x=Xo+h/2; T3=eval(To); k3=h*(1/(exp(18.309-6026/(T3))*(1-x))); x=Xo+h; T4=eval(To); k4=h*(1/(exp(18.309-6026/(T4))*(1-x))); t0=t0+1/6*(k1+2*k2+2*k3+k4); Xo=Xo+h; fprintf('%10.1f %12.5f %12.5f %12.5f\n',i,Xo,TK,t0) TK0=[TK0,TK]; end

%GRÁFICO 1 subplot(2,2,1),plot(tiempo,temper,'m*-')

title('CÀLCULOS TEÒRICOS - t(min) vs T (K)') xlabel('tiempo, min') ylabel('Temperatura, K') grid('on') disp('======================================================================') disp('DATOS EXPERIMENTALES') disp('======================================================================') tEXP=[0;1;2;3;4;5;6;7;8;9;10;11;12;13;14;15;16;17]; TEXP=[23.8;25.2;26.6;27.5;28.7;29.9;30.9;31.9;32.7;33.4;34.1;34.6;35;35.4;35.6;35.8;35.9];

]; TEXPER=[TEXP+273]; disp(' tmin(EXP) TK(EXP)') disp([tEXP TEXPER]) disp('======================================================================') %GRÁFICO 2 subplot(2,2,2),plot(tEXP,TEXPER,'c-*') title('DATOS EXPERIMENTALES - t(min) vs T (K)') xlabel('tiempo, min') ylabel('Temperatura, K') grid('on') %GRÁFICO 3 subplot(2,2,3),plot(tiempo,temper,'m*-',tEXP,TEXPER,'c-*') title('CÀLCULOS TEÒRICOS - DATOS EXPERIMENTALES') xlabel('tiempo, min') ylabel('Temperatura, K') legend('Teòrico- t(min) vs T (K) ','Experimental- t(min) vs T (K)') grid('on')

CORRIENDO PROGRAMA ====================================================================== (CH3CO)2O + H2O ---> 2CH3COOH ====================================================================== CÀLCULOS TEÒRICOS ====================================================================== i x(i) TK(i) tmin(i) 0.0 0.000000 293.000000 0.000000 1.0 0.066000 294.501113 0.619240 2.0 0.132000 295.999408 1.218083 3.0 0.198000 297.494902 1.801054 4.0 0.264000 298.987610 2.372850 5.0 0.330000 300.477547 2.938534 6.0 0.396000 301.964729 3.503831 7.0 0.462000 303.449172 4.075557

8.0 0.528000 304.930889 4.662322 9.0 0.594000 306.409896 5.275744 10.0 0.660000 307.886209 5.932727 11.0 0.726000 309.359841 6.660212 12.0 0.792000 310.830807 7.506572 13.0 0.858000 312.299122 8.575433 14.0 0.924000 313.764800 10.172788 15.0 0.990000 315.227854 15.391949 ====================================================================== **********************CALCULOS EXPERIMENTALES********************** ====================================================================== (CH3CO)2O + H2O ---> 2CH3COOH ====================================================================== i x(i) TK(i) tmin(i) 0.0 0.00000 269.00000 0.00000 1.0 0.06600 270.54764 3.83462 2.0 0.13200 272.09220 7.45824 3.0 0.19800 273.63368 10.90680 4.0 0.26400 275.17212 14.21490 5.0 0.33000 276.70752 17.41707 6.0 0.39600 278.23991 20.54933 7.0 0.46200 279.76930 23.65139 8.0 0.52800 281.29571 26.77013 9.0 0.59400 282.81916 29.96527 10.0 0.66000 284.33966 33.31999 11.0 0.72600 285.85724 36.96290 12.0 0.79200 287.37191 41.12051 13.0 0.85800 288.88368 46.27270 14.0 0.92400 290.39257 53.82894 15.0 0.99000 291.89860 78.00818 ======================================================================

ANEXOS ANEXO 1

ANEXO 2

ANEXO 3

ANEXO 4 ANEXO 3

ANEXO 5