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UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIA Y TECNOLOGIA CARRERA DE INGENIERIA QUIMICA

Funcionamiento de un reactor mezcla completa TAC en E.E.

Estudiantes: Bellido Quispe Severina Carpio Chavez Angela Nelida Janco Flores Lizeth Maiz Uriona Gabriela Alejandra Ticona Mamani Emerey Digna Docente: Lic. Bernardo López Arce Materia: Laboratorio de Reactores Gestión: I / 2016 Fecha: 18-08-2016 Grupo: N° 2 Miércoles

Cbba- Bolivia

1. Introducción Los reactores de flujo continuo casi siempre se operan en estado estacionario. Consideraremos tres tipos; el reactor continuo de mezcla perfecta (CSTR), el reactor de flujo tapón (PFR) y el reactor empacado (PBR). Pueden encontrarse descripciones detalladas de tales reactores en el banco de referencia profesional (ARP). Como introductorio hablaremos del reactor continuo mezcla perfecta, un tipo de reactor de uso común en procesos industriales es el reactor continuo de mezcla perfecta (CSTR) o reactor de retromezcla, y se emplea sobre todo para reacciones en fase liquida. Normalmente se opera en estado estacionario y se asume que produce una mezcla perfecta, no hay dependencia del tiempo o de la posición en la temperatura, la concentración o de la velocidad de reacción dentro del CSTR. Es decir, todas las variables son iguales de todos los puntos del interior del reactor. Como la temperatura y la concentración son también idénticas en todo el interior del recipiente de reacción, son las mismas en el punto de salida. Por lo tanto, la temperatura y la concentración de la corriente de salida se toman en el modelo como si fueran iguales a aquellas en el interior del reactor. Para sistemas donde el mezclado es altamente no ideal, este modelo de mezcla perfecta resulta inadecuado, por lo que podemos recurrir a técnicas de modelaje, como la distribución de tiempo de residencia, para obtener resultados significativos.

2. Antecedentes El reactor tanque agitado continuo casi siempre se opera en estado estacionario, el uso de estos reactores es común en procesos industriales; llamada también reactor de mezcla perfecta. Este modelo ideal supone que la reacción alcanza la máxima conversión en el instante en que la alimentación entra al tanque. Es decir, que en cualquier punto de este equipo las concentraciones son iguales a las de la corriente de salida. Además para este tipo de reactor se considera que la velocidad de reacción para cualquier punto dentro del tanque es la misma y suele evaluarse a la concentración de salida. Para este reactor suele asumirse que existe un mezclado perfecto, en la práctica esto no es así, pero puede crearse un mezclado de alta eficiencia que se aproxima a las condiciones ideales.

 velocidad de producccion   velocidad de entrada  velocidad de salidad     velocidad de acumulacio n  de materia de A   de materia de A   de materia de A por reacccion   de materia de A          homogenea  

Acumulación de A [moles/tiempo] = 0 estado estacionario Entrada de A, [moles/tiempo] = FA,o  FA,o 1  X A,o  Salida de A, [moles/tiempo] = FA  FA,o (1  X A ) Generación de A [moles/tiempo] =  rAV (desaparición de A por reacción química) rA = (moles de A que reaccionan / (tiempo) (volumen de fluido); V = volumen de reactor Sustituyendo al balance de materiales se tiene

FA,o X A   rA V

El FA,o  C A,o *  V Y efectuando operaciones, resulta:

V τ φV

C

X

A,o 

 X A,f A,i  C A,o  C A  (  rA ) ( r ) A

3. Objetivos



Determinar el grado de conversión de la reacción de saponificación del acetato de etilo, operada a un tiempo de residencia y temperatura ambiente.



Realizar un análisis comparativo del grado de conversión experimental frente a la modelación matemática de un R. T.A.C.

4. Desarrollo experimental



Armar el sistema de alimentación y el Reactor Tanque Agitado (RTAC).



Llenar los tanques de alimentación con agua potable.



Regular los flujos de los dos tanques de alimentación (A, B) tomando el agua en la probeta de 50ml en 10ml de líquido con el cronometro, el caudal de 1,2 (ml/s) de (A, B).



Una vez definido los flujos de cada taque procedemos a unir con un tubo en T de vidrio, comunicando al reactor.



Llenar el reactor a 1L de reacción, inmediatamente succionar con ayuda de una jeringa de succión.



Regular el flujo de salida hasta igualar el flujo total de entrada del reactor de 2,4 (ml/s).



Una vez regulado los flujos de alimentación de cerrar las llaves principal y vaciar toda el agua potable, para poder depositar los reactivos de alimentación.



calcular las concentraciones de cada reactor (acetato de etilo e hidróxido de sodio) con la siguiente ecuación.

C A* ,o 

C A, o V

A

C B* ,o 

C B , o V

B



El sistema de reacción es equimolar por lo tanto las concentraciones iniciales son iguales 0,1M (CAo, CB,o).



Ya teniendo las concentraciones iniciales preparar 5 litros de acetato de etilo e hidróxido de sodio (pesar 20g de hidróxido de sodio y pipetear 48 ml de acetato de etilo).



Una vez de preparado la solución alimentar en lo tanques de (A, B). posteriormente llenar el tanque agitado con 1 litro de agua destilada.



Armar el sistema de titulación de alícuota



Preparar 50 ml de solución de HCl a 0,1 M, inmediatamente llenar a la bureta lista para titular.



Abrir las válvulas de la alimentación, en marcha del cronometro, en la bureta de 50 ml recibir la solución.



El primer dato a los 2 minutos de 6ml de alícuota, colocar el indicador fenoftaleina



de color rosado, luego a titular con HCl hasta el cambien color incoloro.



Posteriormente a 3 minutos tener el alícuota, así sucesivamente hasta obtener los datos constantes.

5. Cálculos y resultados

5.1 DATOS  Calibración de los flujos:

NaOH: V[ml] t[seg]

Acetato de etilo: V[ml] t[seg]

10

13.03

10

13.26

20

26.02

20

26.89

30

39.04

30

40.86

40

51.92

40

54.21

50

63

50

64.8

CNaOH=0.100074M

CAc Etilo=0.099M t[min] 2 5 8 11 14 17 20 23 26 29 32

V alícuota [ml] 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6 6

CHCl=0.106858M V HCl [ml] 0.25 0.9 1.1 1.7 1.8 1.8 1.8 1.8 1.8 1.7 1.6

5.2 CALCULOS CALIBRACIÓN DE LOS FLUJOS: Flujo del tanque 1(NaOH):

v Vs t

V[ml]

t[seg]

Q(ml/seg)

10

13,03

0,767

20

26,02

0,769

50

30

39,04

0,768

40

40

51,92

0,770

50

63

0,794

70 60

30 20

R² = 0.9991

10 0

Q[ml/seg]

0

0.774

Flujo del tanque 2 (Acetato de etilo):

10

20

30

40

50

v Vs t

V[ml]

t[seg]

Q(ml/seg)

10

13,26

0,754

20

26,89

0,744

30

40,86

0,734

40

54,21

0,738

30

50

64,8

0,772

20

70 60 50 40

R² = 0.9975

10

Q(ml/seg)

60

0

0,748

0

𝑨+𝑩 →𝑪+𝑫 Como la reacción es equimolar: CA=CB

C NaOH 

Vtitulado * C HCl Vali cot a

X A  1

CA C A,o

10

20

30

40

50

60

Tiemp Volumen de Volumen CNaOH (M) XA o la alícuota de HCl [min.] [ml] [ml] 2 6 0,25 0,00445 0,95551 5 6 0,9 0,01603 0,83983 8 6 1,1 0,01959 0,80423 11 6 1,7 0,03028 0,69745 14 6 1,8 0,03206 0,67965 17 6 1,8 0,03206 0,67965 20 6 1,8 0,03206 0,67965 23 6 1,8 0,03206 0,67965 26 6 1,8 0,03206 0,67965 29 6 1,7 0,03028 0,69745 32 6 1,6 0,02850 0,71524 En la figura 1 se observa el comportamiento de la conversión de A con el tiempo.

X A Vs t 1.20000 1.00000 0.80000 0.60000 0.40000

0.20000 0.00000

0

5

10

15

20

25

30

35

Figura 1 Calculando la constante k para esta reacción mediante la siguiente expresión: K = 1.208*1010 EXP(45504/8.314*(20+273.15)) = 95.88 Lmol-1 min-1 CONVERSIÓN TEÓRICA Utilizando la ecuación de diseño de un tanque de mezcla completa podremos calcular el grado de conversión teórica. XA = K*Cao*(1-XA)2*Ƭ XA Teórico=0.85

Tabla de Variación del Grado de Conversión Teórica y Experimental Grado de conversión

Grado de

experimental

conversión teórica

0.737

0.85

% Diferencia

13.2

6. Conclusiones y recomendaciones 6.1 Conclusiones En la práctica, se realizó la hidrólisis básica del acetato de etilo, produciendo, el alcohol etílico y el acetato de sodio. Esto se realizó, en reiteradas ocasiones, en la primera corrida se colocó en el reactor el acetato de etilo y el hidróxido de sodio en relaciones equimolares, y se tomaron alícuotas a intervalos definidos, las cuales se titularon, de manera indirecta. Es decir, se colocó ácido en exceso en los Erlenmeyer utilizados para la titulación, de manera que se tituló el ácido, para determinar, de manera indirecta, la cantidad resultante de hidróxido en la muestra, por ende, la concentración del resto de componentes en el Erlenmeyer reactor, para ese momento determinado. Una vez determinado cada concentración, se pudo determinar por el método integral el orden de reacción, para cada componente, y por ende, global para la reacción. El cálculo del orden de reacción, permite analizar de manera, no solo cualitativa, sino cuantitativa, el comportamiento de la reacción con respecto a cada reactivo en particular. Esta reacción, como es de tipo elemental, se podría inferir que el orden de cada reactivo es igual su coeficiente estequiométrico. Como estos dos reactivos interactúan de manera directa en la reacción, se supone que la frecuencia con que estos dos colisionen afectará directamente la velocidad de reacción y la velocidad con la que los mismos colisionen es función de la concentración en que se encuentren y del número de moléculas de cada uno que se requieren para que la colisión derive en la sustitución. En este caso, solo se requiere una molécula de cada uno, por lo tanto, se espera que los órdenes sean de uno. En la práctica, se calculó el orden de la reacción por medio del método integral, que resulta ser el más sencillo, y debido a que los órdenes teóricos son enteros, resulta sencillo probar para los distintos órdenes. En los resultados se puede observar que los coeficientes de correlación de para el orden uno con respecto a cada uno de los reactivos ofrecen valor muy cercano a uno es decir que su ajuste a una recta es muy bueno, por lo tanto, se deduce que este orden es el orden que mejor correlaciona los datos recabados con una ley de velocidad para esta reacción en particular. Esto no significa que sea el orden real de la reacción, o que no exista alguna otra correlación que ajuste de manera correcta a los datos, sino, que para realizar algún estimado de la coordenada de reacción para

algún tiempo determinado, con un orden global de dos, se puede realizar de manera aceptable. 6.2 Recomendaciones En la experiencia realizada podemos recomendar que al regular los flujos de cada tanque de alimentación (A, B) sea preciso, que en los dos tanques se mantenga constante el flujo de alimentación al reactor ya que puede afectar a nuestro reactor de mezcla completa estacionaria y no se estaría cumpliendo con las condiciones según la teoría planteada. También se debe tener cuidado con el agitador, debe estar bien sujeto y tratar que este en el medio del reactor para que sea bien homogénea la mezcla.