Grupo N3. reactor tanque agitado continuo PDF

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informa de un reactor tanque agitado continuo...

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UNIVERSIDAD DE ORIENTE. NÚCLEO ANZOÁTEGUI. ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS. DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA. LABORATORIO DE REACTORES

“REACTOR TANQUE AGITADO CONTINUO”

Profesor: Armando Carías

Achee, Silvina; C.I.: 20.172. 547 Benitez, Gabriel; CI: 18.413.441 Brito, Floreida; C.I.: 19. 635. 649 Lopez, Sharon; C.I.: 20.875.644 Velandia, Katherine; C.I.: 21.721. 655 Grupo No 3

Barcelona, Agosto de 2014.

II. RESUMEN

En el presente informe se estudió la reacción de hidrólisis del Acetato de Etilo, con Hidróxido de Sodio, para determinar su constante específica. Para ello se realizó la experimentación correspondiente disponiendo de un reactor tanque agitado continuo ARMAFIELD usado para llevar a cabo la reacción de hidrolisis de acetato de etilo y otra de hidróxido de sodio, ambas preparadas previamente para una concentración de 0,1 N a un volumen de 5L; posteriormente se fijaron las condiciones de operación en el reactor a temperatura de 22°C y un caudal de 32,7 ml/min, en estas condiciones se empezaron a registrar las conductividades respectivas para periodo de tiempo 30 segundos, seguidamente se procedió a determinar las diferentes concentraciones durante todo el proceso, obteniendo valores de concentración en el estado estacionario de () y () a caudal de () y (). Los valores obtenidos, fueron tratados mediante una serie de procedimientos matemáticos, característicos de este tipo de reactor, permitiendo calcular la conversión y la constante específica de la reacción para cada caudal. Por último se graficó la concentración del hidróxido de sodio y del acetato de sodio para caudal alto y bajo observando en un caso un comportamiento ascendente en la concentración del Acetato de sodio y de forma contraria la disminución de la concentración para el hidróxido de sodio, también se calculó el tiempo de residencia para caudales bajos y alto los cuales fueron 1650,87 Seg (caudal bajo 22,7ml/min a 22°C), 1642,20 Seg (Caudal bajo 22,7 a 23 °C) y 715,52

Seg (Caudal alto 75,26ml/min a 23°C)

respectivamente.

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III CONTENIDO Cont. Pág. II. RESUMEN...............................................................................................................2 III CONTENIDO...........................................................................................................3 IV. LISTA DE TABLAS Y FIGURAS..........................................................................4 V. CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN............................................................................5 Objetivo general............................................................................................................6 Objetivos específicos.....................................................................................................6 VI. CAPITULO II: MARCO TEÓRICO......................................................................7 VII. CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO..........................................14 3.1 Procedimiento experimental..................................................................................14 3.2 Diagrama y descripción del equipo.......................................................................17 3.3 Tabla de datos........................................................................................................18 3.4Muestra de Cálculo.................................................................................................22 CAPITULO

IV:

DISCUSION

DE

RESULTADOS

CONCLUSIONES

Y

RECOMENDACIONES.............................................................................................31 4.1.- Tablas de resultados.............................................................................................31 4.2 Discusión de resultados.........................................................................................40 4.3 Conclusiones..........................................................................................................43 4.4 Recomendaciones..................................................................................................44 IX. BIBLIOGRAFÍA...................................................................................................45 X.- ANEXOS...............................................................................................................46 Cuestionario.................................................................................................................49

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IV. LISTA DE TABLAS Y FIGURAS Fig 1 REACTOR TANQUE AGITADO CONTINUO - CEM MkII..........................17 Fig 2 DIMENSIONES DEL REACTOR TANQUE AGITADO CONTINUO..........17 Tabla 3.3.1 Datos registrados de conductividad en intervalos de 30 segundos para el estudio de la hidrólisis de acetato de etilo en el RTAC. Caudal Bajo: 32,7 ml/min y Temperatura 22ºC.................................................................................................................18 Tabla 3.3.2 Datos registrados de conductividad en intervalos de 30 segundos para el estudio de la hidrólisis de acetato de etilo en el RTAC. Caudal Bajo(32,7ml/min) y Temperatura 23ºC:................................................................................................................19 Tabla 3.3.3 Datos registrados de conductividad en intervalos de 30 segundos para el estudio de la hidrólisis de acetato de etilo en el RTAC. Caudal Alto: (75,26 ml/min) y Temperatura 23ºC:................................................................................................................20 Tabla 3.3.4 Datos de caudal, volumen del reactor, volumen de rebose y temperatura para el estudio de la hidrólisis de acetato de etilo en el RTAC....................................................21 Tabla 4.1.1 Valores de concentraciones y conversiones de NaOH y Acetato de Sodio en función del tiempo (s), para el caudal bajo de 32,71ml/min y a la temperatura de 22°C…………………………………………………………………….31 Tabla 4.1.2 Valores de concentraciones y conversiones del NaOH y Acetato de Sodio en función del tiempo (s), para el caudal bajo de 32,7ml/min y a la temperatura de 23°C......34 Tabla 4.1.3 Valores de concentraciones y conversiones de NaOH y Acetato de sodio en función del tiempo (s), para el caudal alto de 75,26ml/min y a la temperatura de 23°C.....37 Tabla 4.1.4 Constante cinética, conversión en el estado estacionario y tiempo de residencia de la reacción de hidrólisis básica de acetato de etilo en un RTAC, para cada caudal y temperatura…………………………………………………………………………….….39 Tabla 4.1.5. Energía de activación y factor preexponencial………………………………39 A.1 Gráfica de conductividad en función del tiempo para cada caudal a su respectiva temperatura………………………………………………………………………………..…46 A.2 Gráfica de concentración en función del tiempo para el caudal bajo (32,71 ml/min) a la temperatura de 22 ºC……………………………………….…………………………..46 A.3 Gráfica de concentración en función del tiempo para el caudal bajo (32.7 ml/min) a la temperatura de 23 ºC…………………………………………………………..…..…….47 A.3 Gráfica de concentración en función del tiempo para el caudal alto (75,26 ml/min) a la temperatura de 24 ºC……………………………………………………….……………47 A.4 Gráfica de la linealización para conocer los valores de la ecuación de Arrhenius……………………………………………………………………..………….....48

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V. CAPÍTULO I: INTRODUCCIÓN Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, el diseño de un reactor, de forma implicada, implica esencialmente la determinación del tamaño necesario (volumen de reactor) para obtener una cierta cantidad de producto en unas condiciones precisas, para tal fin es necesario conocer tanto la cinética, como la termodinámica de las reacciones de interés. Otras disciplinas importantes para el diseño de reactores son las mecánicas de fluidos, la transferencia de materia y la transmisión de calor. En los reactores homogéneos existe un fluido formando una única fase homogénea siendo el reactor más fácil de diseñar aquel que funciona en condiciones ideales. Particularmente el reactor continuo de mezcla perfecto es característico de reacciones en fase liquida produciendo este una mezcla intensa de los fluidos que contiene, el modelo de flujo de mezcla perfecta implica que el fluido se mezcla de forma total, alcanzándose una homogeneidad completa, de tal forma que la composición y temperatura son iguales en todos los puntos de la mezcla. El estudiante debe tener amplios conocimientos en cuanto al diseño y evaluación del reactor continuo de mezcla perfecta y en ese sentido el laboratorio de análisis de reactores es fundamental ya que este le permite comprobar, en la práctica, todos los conocimientos adquiridos durante los cursos teóricos de análisis de reactores respecto al RTAC, además permite analizar mediante la manipulación de las diferentes variables y de las reacciones químicas el comportamiento del RTAC, lo cual contribuye a establecer criterios solidos que podrá aplicar durante su futuro desempeño como Ingeniero. La realización de esta práctica tiene la finalidad de comprobar la eficiencia del reactor tanque agitado continuo, analizar su comportamiento y hallar la conversión, concentración y constante cinética de dicho reactor.

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Objetivo general Hallar la constante especifica de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo.

NaOH + CH 3 COOC 2 H 5 →

CH 3 COONa +

C2 H 5 OH

Hidróxido de sodio + Acetato de Etilo → Acetato de Sodio + Alcohol Etilico Objetivos específicos 1. Monitorear el transcurso de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo a través de medidas de conductividad en función del tiempo. 2. Anotar el tiempo de rebose del reactor. 3. Determinar la concentración del hidróxido de sodio y del acetato de sodio en el reactor en función del tiempo. 4. Determinar la concentración y la conversión del hidróxido de sodio y del acetato de sodio solo en estado estacionario. 5. Calcular la constante cinética (k) de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo a estado estacionario. 6. Calcular el tiempo de residencia o tiempo espacial. 7. Si se trabaja a dos temperaturas diferentes, expresar k en función de Temperatura. 8. Graficar la concentración del hidróxido de sodio y del acetato de sodio en función del tiempo.

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VI. CAPITULO II: MARCO TEÓRICO  Reacción de Hidrólisis Se producen cuando los compuestos orgánicos reaccionan con el agua. Se caracterizan por la división de una molécula de agua en un grupo de hidrógeno e hidróxido con uno o ambos de estos apegándose a un producto orgánico de partida. La hidrólisis, por lo general, requiere el uso de un catalizador ácido o base y se utiliza en la síntesis de muchos compuestos útiles. El término "hidrólisis" significa literalmente; Descomposición de sustancias orgánicas e inorgánicas complejas en otras más sencillas por acción de agua. [1] Para esta práctica se estudiara la reacción de hidrólisis del acetato de etilo usando el hidróxido de sodio como base. Y la reacción es la siguiente: CH3COOC2H5 + NaOH

CH3COONa + C2H5OH

 Cinética Química El área de la química que estudia la velocidad o rapidez con la que ocurren las reacciones químicas se denomina cinética química. La velocidad de las reacciones puede verse afectada por diversos factores, de los cuales los más relevantes son:  La concentración de reactivos: por lo general, a medida que la concentración de un reactivo aumenta, también aumenta la rapidez de una reacción química. La relación entre la velocidad de reacción y la concentración puede describirse matemáticamente a través de las denominadas leyes de velocidad. [1]  La temperatura a la cual se lleva a cabo la reacción: La velocidad de una reacción química aumenta al elevarse la temperatura del proceso. En la vida diaria los alimentos suelen estar refrigerados (forzando una disminución de la temperatura) para que los mismos no se descompongan tan rápido como les sucedería a temperatura ambiente. La temperatura es el factor más influyente en la velocidad de reacción. Las constantes asociadas a las leyes de velocidad son dependientes de la temperatura del proceso. [1]

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 La presencia de un catalizador: La rapidez de muchas reacciones químicas puede ser aumentada agregando una sustancia conocida como catalizador. Por ejemplo, una reacción que tenga constante de equilibrio grande podría desarrollarse a velocidades muy lentas. En un proceso industrial, sería un desperdicio no aprovechar las características favorables de esta reacción debido a la baja velocidad de reacción. Una sustancia catalizadora podría ayudar a aumentar lo suficiente las velocidades. Se dice que los catalizadores, aunque ayudan a elevar la velocidad de la reacción, no son consumidos en la misma. Sin embargo, en muchos casos estas sustancias suelen experimentar cambios y son consumidos parcial o totalmente. Resulta más apropiado decir que un catalizador es cualquier reactivo que puede aumentar la velocidad de una reacción aunque no sea realmente requerido por la estequiometria. [1]

 El área superficial de los reactivos o catalizadores: Las reacciones en las que participan sustancias en fase sólida suelen avanzar más rápidamente conforme aumenta el área superficial del sólido. Es decir, una sustancia añadida en trozos ejerce menor efecto en la velocidad que si se añade la misma cantidad de sustancia en polvo fino. Es por esta razón que muchos catalizadores son agregados en polvos en vez de trozos. De manera equivalente, una medicina una medicina en forma de tableta se disuelve en el estómago y entra al torrente sanguíneo más lentamente que la misma medicina en forma de polvo o líquido. [1]  Velocidad de Reacción Se define como la cantidad de sustancia que reacciona por unidad de tiempo. Por ejemplo, la oxidación del hierro bajo condiciones atmosféricas es una reacción lenta que puede tomar muchos años, pero la combustión del butano en un fuego es una reacción que sucede en fracciones de segundo. Se define la velocidad de una reacción química como la cantidad de sustancia formada (si tomamos como referencia un producto) o transformada (si tomamos como referencia un reactivo) por unidad de tiempo. La velocidad de reacción no es constante. Al principio, cuando la concentración de reactivos es mayor, también es mayor la probabilidad de que se den choques entre las moléculas de reactivo, y la velocidad es mayor. A medida que 8

la reacción avanza, al ir disminuyendo la concentración de los reactivos, disminuye la probabilidad de choques y con ella la velocidad de la reacción. La medida de la velocidad de reacción implica la medida de la concentración de uno de los reactivos o productos a lo largo del tiempo, esto es, para medir la velocidad de una reacción necesitamos medir, bien la cantidad de reactivo que desaparece por unidad de tiempo, bien la cantidad de producto que aparece por unidad de tiempo. La velocidad de reacción se mide en unidades de concentración/tiempo, esto es, en mol/s. [2]  Orden de Reacción Representa el número de moléculas de las sustancias involucradas en la ecuación de la reacción real, y esta puede o no ser igual a la ecuación estequiométrica para toda la reacción. Para el caso donde los coeficientes estequiométricos de una reacción química son iguales a los órdenes de reacción individual, la reacción recibe el nombre de elemental, mientras que para aquellas donde difieren, reciben el nombre de no elementales, es decir, no se realizan exactamente como aparecen escritas. [2] Considérese la reacción general homogénea: aA + bB → Productos La ley de velocidad para esa reacción puede expresarse de la siguiente forma: -RA=K [A]α [B]β

Ec. (2.1)

Dónde: K= Constante de velocidad. [A] y [B] = Concentraciones de los reactantes. α y β = Orden de la reacción, pueden ser números enteros o fracciones, donde α es el orden de la reacción con respecto al reactivo A, y β es el orden de la reacción con respecto al reactivo B. El orden global de la reacción, n, es la sumatoria de los órdenes individuales. [2] n= α + β.

Ec. (2.2)

 Reactor tanque agitado continuo (RTAC)

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Estos reactores trabajan en estado estacionario, lo que significa, que sus propiedades no varían con el tiempo. 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. [2] Para deducir la ecuación de diseño del reactor tanque agitado continuo se parte del balance de materia: ENTRA + GENERA = SALE + ACUMULA

Ec. (2.3)

Asumiendo que el tanque del reactor está bien mezclado y el orden de reacción es constante, el balance molar puede ser escrito: V

Fao− Fa−∫ (−ra)dv= 0

dNa dt

Ec. (2.4)

Teniendo en cuenta: dNa =0 dt



Estado estacionario



Hipótesis de mezclado perfecto

V

∫ (−ra) dv= (−ra ) V 0

Esta ecuación puede ser arreglada para encontrar el volumen del RTAC basándose en el flujo y la reacción: V=

Fao− Fa ( −ra )

Ec. (2.5)

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De la definición de Conversión, FA = FAo (1 - X) o FAo - FA = FAo*X, la ecuación puede reescribirse (y se obtiene la ecuación de diseño de un RTAC): V=

Fao∗Xa (−ra )

Ec. (2.6)

 Cualidades, ventajas y uso del reactor tanque agitado continuo Uso: 

Reacción en fase líquida.



Reacciones gas- líquido.



Reacciones gas sólido.

Ventajas: 

Operación continúa.



Buen control de temperatura.



Fácilmente adaptable a reacciones de dos fases, (gas-liquido).



Buen control.



Simplicidad de operación.



Fácil limpieza.

Desventajas: 

Baja conversión por unidad de volumen.



Posibles by-pas y canalizaciones por poca agitación. Constante de velocidad de reacción La constante de velocidad de reacción (k), no es verdaderamente una constante,

es solo independiente de las concentraciones de las especies que interactúan en la reacción. La cantidad k es referida velocidad de reacción específica o constante de velocidad. Casi siempre depende fuertemente de la temperatura.

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En sistemas líquidos llega a estar en función de parámetros como fuerza iónica y la elección de disolvente. Estas otras variables normalmente exhiben un efecto mucho menor sobre la velocidad de reacción especifica que la temperatura, con excepción de lis disolventes supercríticos, como el agua supercrítica. Por consiguiente, para los objetivos del material aquí presentado, se asumirá que k solo depende de la temperatura. Esta suposición es válida en la mayoría de las reacciones de laboratorio e industriales, y parece funcionar bastante bien. Fue el gran químico Arrhenius quien primero sugirió que la dependencia de la velocidad de reacción específica (k) respecto a la temperatura, podría correlacionarse por una ecuación del tipo:

K= A∗e

− Ea RT

Ec. (2.7)

Ec. (2.7) Dónde: K = constante cinética de la reacción (s.-1). A = factor de frecuencia o factor de Arrhenius (l/mol*s). Ea = energía de activación (J/mol). R = constante de los gases (8,3143 J/mol*K). T = temperatura absoluta (K). La energía de activación podría considerarse como una barrera para la tr...