“INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II”
INTRODUCCIÓN
El presente informe que mostramos a continuaci ón trata acerca de la Obtención del Acetaldehído por oxidaci ón selectiva a partir del etanol. El medio de obtención es por oxidaci ón de alcohol en el reactor de lecho fijo.
Además presentamos los conocimientos básicos acerca del acetaldeh ído, sus propiedades f ísicas, químicas y termodinámicas. También presentamos diferentes formas de obtención, métodos de reconocimiento y de las diversas aplicaciones que tiene el producto obtenido.
La mayor parte de aplicaciones aplicaciones es usado como producto producto intermedio en la producción de ácido acético, en anhídrido acético, acetato de etilo, alcohol metílico, etc. Los Alumnos
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OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL:
Obtener acetaldehído por oxidación del alcohol etílico utilizando como catalizador el Oxido de Zinc soportado en Al úmina
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
Emplear el reactor catalítico de lecho fijo para oxidar el alcohol etílico
Determinar los flujos estequiométricos de la reacci ón etanol-aire
Falta realizar) Realizar el diagrama de flujo ( Falta
Falta Realizar) Analizar cualitativamente cualitativamente el producto obtenido ( Falta
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OBTENCIÓN DE ACETALDEHÍDO POR OXIDACIÓN DEL ALCOHOL ETÍLICO UTILIZANDO COMO CATALIZADOR OXIDO DE ZINC SOPORTADO EN ALÚMINA
I.
REVISIÓN BIBLIOGR Á FICA.
I.1. CAT Á LISIS
Se da el nombre de cat álisis a la variaci ón en la velocidad de una reacción química, que pueden o no cambiar su naturaleza química por la sola presencia de alguna sustancia que aparece inalterad a en los productos de reacci ón a las sustancia que aparece inalterada en los productos de reacción a las sustancias que tienen esta propiedad se les da este nombre de catalizadores, y de las reacciones que se efectúan en presencia de estos se dice que son reacciones catalíticas. La variación en la velocidad de reacci ón por los catalizadores puede ser positiva (aceleración) o negativo (retardación).
Catalizador que se altera y la cantidad de reactante convertido en un tiempo determinado. Es también de notar que, como el catalizador no altera el equilibrio, se aceleran en igual proporci ón la reacci ón directa e inversa.
I.2. CAT Á LISIS HETEROG ÉNEA “OBTENCIÓN DE ACETALDEHIDO”
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Se denomina así porque el catalizador y los reactantes pertenecen a fases diferentes. Los sistemas siguientes son los m ás comunes: sólido y gas; sólido y l íquido; liquido y gas; l íquido y líquido (inmiscibles); en cada caso se menciona primero la fase del catalizador.
A
las
dos
primeras
combinaciones
se
les
da
ordinariamente el nombre de catálisis por contacto.
I.2.1. MECANISMOS DE LA CAT Á LISIS HETEROG ÉNEA
Seg ún Sergio E. Droguett pueden distinguirse las siguientes etapas en la reacci ón gas-sólido: •
Difusión de las moléculas de reactivos desde la masa gaseosa hasta las proximidades superficiales externas del sólido.
•
Difusión o penetración de los reactivos a través de los poros del sólido hasta sitios de reacci ón.
•
Adsorción de los reactores en la superficie del sólido
•
Reacción química en la superficie
•
Desorción de los productos desde la superficie hasta la fase gaseosa.
•
Difusión o salida de las mol éculas producto desde el interior de los poros hacia el exterior.
• Difusión de “OBTENCIÓN DE ACETALDEHIDO”
los productos hacia la masa gaseosa F.I.Q.
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Seg ún Kirk y Othmer, la cat álisis heterog énea ocurre por el siguiente mecanismo
a) ADSORCIÓN
La adsorción de moléculas gaseosas o líquidas por un cuerpo sólido se puede explicar por medio de fen ómenos básicos de superficie. Los átomos de la red espacial de un cuerpo
sólidos
situado
dentro
del
cuerpo
tienen
saturados cinéticamente con respecto a los
átomos
laterales e internos. En consecuencia, la adsorción de gases en la superficie se debe a las fuerzas de valencia que
resultan
de
la
instauración
de
los
átomos
superficiales. Puesto que la adsorción se efectúa con generación de calor, la cantidad de gas absorbido deber ía disminuir continuamente al aumentar la temperatura. La adsorción f ísica se caracteriza por lo siguiente: 1. La
adsorción
está en
razón
inversa
de
la
temperatura. 2. Los gases f áciles de licuar son f ácilmente absorbidos 3. Los calores de adsorción f ísica son de la misma magnitud (1 a 10 kilocalor ías) 4. Se
obtiene
rápidamente
el
equilibrio
y
hay
reversibilidad.
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Seg ún todas las probabilidades, las fuerzas que participan en la adsorción f ísica son de naturaleza Vander Waals débil. La segunda clase de adsorción, que desempeña papel importante en la catálisis heterog énea, es la adsorción química o activada, que se caracteriza por lo siguiente: 1. En general, la adsorción tiene una temperatura máxima 2. La adsorción de gases licuados no son f ácilmente adsorbidos. 3. De ordinario son lentas la producción del equilibrio y la reacción reversible. 4. Son altos los calores de adsorción (10 a 100 kilocalorías) y comparables en magnitud a los calores de reacción química. Se ha identificado la superficie de un catalizador sólido en un sistema gaseoso como el asiento de acción catalítica y se ha reconocido la adsorci ón química en la superficie como un paso previo indispensable para una reacción catalítica heterog énea.
La adsorción no es el
único
que complica el
mecanismo de la catálisis heterog énea. Los pasos necesarios en una reacción de catálisis heterog énea son: •
El traslado en masa de reactantes a la superficie exterior bruta de la part ícula del catalizador y la
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salida de los productos de la superficie s ólida al cuero del líquido. •
El traslado difusional y el flujo de reactantes hacia el interior de la estructura porosa de la part ícula del catalizador, y la salid por iguales medios de los productos de reacción.
•
La adsorción activada de los reactantes y la desorción de productos en la interfase catal ítica.
•
La reacción superficial de reactantes absorbidos para formar productos adsorbidos químicamente.
b) FACTOR GEOMÉTRICO
Las investigaciones experimentales indican que hay cierta correlación entre la actividad del catalizador y en las relaciones especiales de la molécula reactante y de la red cristalina del catalizador. La deshidrogenación catalítica se efectúa cuando un grupo de átomos superficiales debidamente espaciados y de la actividad necesaria absorbe el reactante en una posición exactamente orientada. A esta interpretaci ón se le dio el nombre de hip ótesis de los múltiples en virtud de la acción simultánea de varios átomos superficiales.
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Se ha pensado en una posible relación entre el magnetismo y la catálisis.
No cabe duda de que la propiedad catal ítica y las propiedades magnéticas coexisten a menudo.
Seg ún la llamada “Teoría electrónica de la cat álisis” propuesta por Sxhwab se explica la activaci ón catalítica por transición de los electrones de los reactantes al catalizador metálico.
I.3. ACETALDEHÍDO
I.4. ALCOHOL ET ÍLICO
(Ethyl alcohol). (Alcohol; alcohol de cereales; etanol; EtOH) C2H5OH.
I.4.1. PROPIEDADES: (96%) (ALCOHOL INDUSTRIAL )
Ind. Ref. 1.3651 (15°C); tensión superficial, 22.8 dinas/cm (20°C); viscosidad, 0.0141 poises (20 °C); presión de vapor, 43 mm (20°C); calor específico, 0.618 calorías/g (23°C); punto de
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inflamación, 14°C; p. E., 0.816 (15.56 °C); p.eb., 78 °C; p. C., -114°C. Temp. Autoignición 422.7°C. Además los alcoholes son compuestos covalentes polares, es un líquido incoloro, limpio y volátil de sabor picante, el alcohol anhidro es miscible en todas proporciones con el agua.
I.4.2. OBTENCIÓN
a) A partir del etileno por hidratación catalítica directa o por medio del sulfato de etilo como producto intermedio del sulfato de etilo como producto intermedio b) Por fermentación de melazas de mieles pobres.
I.4.3. CALIDADES U.S.P. (95% por volumen); absoluto; puro; desnaturalizado; espíritus de colonia; diversas graduaciones, como p.ej. 190 grados. NOTA: la mitad del número de esta graduaci ón da el 1% de
alcohol etílico presente en la mezcla.
I.4.4. ENVASES “OBTENCIÓN DE ACETALDEHIDO”
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Barriles, camiones y vagones cisterna.
I.4.5. PELIGROS
Inflamable,
peligroso
riesgo
de
incendio.
Límites
de
inflamabilidad en el aire, 3.3 a 19% . Tolerancia, 1000 ppm en el aire. Veneno no acumulativo; puede tener efectos tóxicos y narcóticos por ingestión.
I.4.6. USOS
Disolvente para resinas, grasas, aceites
ácidos
grasos,
hidrocarburos, hidróxidos alcalinos; medio de extracción; fabricación
de
intermedios;
derivados
orgá nicos
(especialmente acetaldehído), colorantes, drogas sintéticas; elastómeros; revestimientos;
detergentes; cosméticos;
soluciones productos
para
limpieza;
farmacéuticos;
explosivos; anticongelantes; bebidas; antisépticos; medicina.
I.5.
OXIGENO
Es el elemento numero ocho de la tabla periódica, con masa atómica 16, fue descubierto por Priestley en 1772 por calcinaci ón de nitrato de potasio. “OBTENCIÓN DE ACETALDEHIDO”
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A partir de esto Lavoisier estableció, sus propiedades en la combustión y en la respiración.
PROPIEDADES FÍSICAS
1.5.1.
I.6.
-
Casi incoloro
-
Densidad 1.05 g/ml
-
No se licua hasta 183 °C
-
Poco soluble en agua
-
Muy electronegativo
REACCIONES QUÍMICAS PARA EL RECONOCIMIENTO DE ACETALDEHÍDO
I.6.1. REACCIÓN DE FEHLING.
Para oxidar acetaldehído por medio de la soluci ón alcalina de iones cúprico, se utilizan dos soluciones, una de sulfato de cobre y otra de tartrato de sodio y potasio e hidr óxido de sodio.
La solución de sulfato de cobre se comporta como una solución de oxido cúprico (CuO), el cual oxida al grupo aldehído a grupos carboxílico y se reduce a oxido cuproso (Cu2O), que es un de un color rojo ladrillo, la reacci ón es la siguiente:
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CH3 CHO +
2Cu++ + 5OH
CH3
C
O + Cu2O + 3H2O
Si al efectuar el ensayo aparece la coloraci ón rojo ladrillo, se puede confirmar la presencia de acetaldehído.
I.6.2. REACCIÓN DE TOLLENS
El reactivo de Tollens es una soluci ón amoniacal de nitrato de palta, la cual se prepara agregando suficiente amoniaco a la solución de nitrato de plata, con la cual se forma el complejo argento amoniacal.
Ag +
+ 2NH3
Ag(NH3)2+
Este complejo se comporta como un agente débilmente oxidante y cuando reacciona con reductores fuertes, domo en el caso del acetaldehído, la plata se deposita en forma de metal sobre las paredes del recipiente, seg ún la reacción general:
CH3 C H + 2Ag(NH3)2+ + 3OH
I.
I.7.
PARTE
CH3 C O + Ag + 4NH3 + 2H2O
EXPERIMENTAL
DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE OBTENCI ÓN DEL
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ACETALDEHÍDO
El acetaldehído se puede obtener en el laboratorio oxidando C2H2OH en presencia de catalizadores en nuestro caso el Oxido de Zinc (Zn O) soportado en al úmina mediante la siguiente reacción. Zn O
CH3
CH2OH
+
½ O
CH3
CHO + H2O
I.8. MECANISMO DE REACCI ÓN
La mayoría de procesos catalíticos industriales importantes ocurren en una interfase gas-sólido. El
mecanismo de estas
reacciones esta basado en la teor ía propuesta por Longmuir en 1916. Este sugirió que el proceso ocurre en la forma siguiente:
a) Movimiento de las moléculas gaseosas hacia la superficie por convección o difusión Corriente R (sorbato) 000000000
............................. C (absorbente)
b) Flujo de reactivos por los poros de la sustancia catalítica “OBTENCIÓN DE ACETALDEHIDO”
R
C
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c) Absorción de las moléculas del reactivo sobre la superficie. Esta absorción se produce mediante un fuerte enlace qu ímico y se conoce como quimiosorción
R (sorbato) 000000000
............................. C (absorbente)
d) Tiene lugar una reacción elemental entre las moléculas absorbidas, o entre moléculas absorbidas o moléculas en fase gaseosa. F O
•
P
............................. C (absorbente)
e) Desorción de las superficies de las moléculas producto
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............................. C (absorbente)
f) Flujo de productos a través de los poros de la sustancia catalítica.
F
•
g) Movimiento de las moléculas gaseosas desde la región superficial mediante convección o difusión.
Corriente
P •
.............................
Donde:
R: Reactivos (etanol y oxigeno) C: Catalizador (Oxido de Zinc) P: Productos (acetaldehído, agua) 1) CH3
CH2OH
+
½O
CH3
CH2O (C)
2) CH3
CH2OH (C)
½O
CH3
CHO + H2O + (C)
∆F2
CH3
CHO + H2O + (C)
∆F
CH3
CH2OH + ½ (C)
½O
∆F1
Donde:
(C): Catalizador s ólido Oxido de Zinc “OBTENCIÓN DE ACETALDEHIDO”
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“INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II” ∆F1
y
∆F
: Energ ía libre de activaci ón para cada uno de los pasos en el mecanismo de reacci ón.
∆F ∆F2
I.9.
: Energ ía libre de activaci ón total para la reacci ón ∆F1
y
: menor que
∆F
MATERIALES Y REACTIVOS
I.9.1. EQUIPOS: ◊
Reactor A nivel de banco: evaporador, precalentador, reactor tubular, condensador
◊
Comprensora
◊
Refrigerante
I.9.2. MATERIALES ◊
Balón de destilación
◊
Trama de gases
◊
Cocinilla eléctrica
◊
Cronometro
◊
Comprensora
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I.10.
CALCULOS
a) ESTEQUIOMETR Í A
1 lt 273 K 1 mol − gr 760 = ml 152 = .23 ! 10-3 mol-gr C2H5OH nC H OH ml K lt 1000 23 22 . 416 520 2
5
nO - est " .23 ! 10
-3
2
nO 2
a$i =
0.5 mol − grO 2 = -3 1 molC 2 H 5OH 4.62 ! 10 #o$-%r O2
mol-gr C2H5OH
21 mol grO 2 760 22.414 lt aire 100 mol graire 520 " 0.014 #o$-%r O2&#in
1 lt aire 1 mol aire #in
b) % DE EXCESO DE OXIGENO
0.014
mol O 2 #in
−
4.62 x 10
−
3
mol grO2 −
#in
0.014
x 100
=
67'
1 molOH 0.7 grOH 1 molH O 1) grH O 42 grOH ml OH 1 molOH 1 molH O 2
H2O " 152 #$ H2O
2
2
1 molH O 1 grH O " 51.46 #$ H2O 2
2
c) FLUJO MOLAR DE AIRE “OBTENCIÓN DE ACETALDEHIDO”
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f aire
=
1 lt aire #in
1 mol − gr aire = 0.0446 mol − gr aire #in 22.414 aire
d) FLUJO MOLAR DE O 2
f O 2
=
0.04456 #o$ - %r aire 21 mol − gr O2
= .37 ! 10-3 22 . 414 lt aire
#in
mol − gr O2 #in
e) FLUJO MOLAR DE ETANOL
f C2H5OH "
.27 x10−3 mol − grC 2 H 5OH 32miin
= 2.)) x10−4
mol − grO 2 #in
f) RELACIÓN MOLAR DE ALIMENTACIÓN
.37 x10
−
f O2 f C 2 H 5OH
=
3.)) x10
−
4
3
mol grO2 −
#in
mol grC 2 H 5OH −
=
33.53
mol grO2 −
mol grC 2 H 5OH −
#in
g) FLUJO MOLAR DE AGUA
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f H 2 O
=
51.46 ml H 2O 32 #in
1 grH O 1 mol grH O mol − grH O 0.0) = #in 1 mlH O 1) grH O 2
2
2
2
2
h) FLUJO MOLAR DE ALIMENTACI Ó N
f T = 2.)) x10−4
f T
= 0.045
mol grC 2 H 5OH
mol − gr aire
#in
#in
+ 0.446
mol gr a $i# entación #in
i) PRESIÓ N PARCIAL DE ETANOL
yT
= .65)x10−3
Fracción molar del etanol
2.)) x10−4
yC 2 H 5OH
=
pC 2 H 5 OH
= ( 520 mmHg )( 0.03) = 15 .6 mmHg
−3
.65) x10
= 0.03
j) PRESI Ó N PARCIAL DE OXIGENO “OBTENCIÓN DE ACETALDEHIDO”
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Fracción molar del oxigeno
.37 x10
−3
yO2
=
pO2
= ( 520mmHg )( 0.7 ) = 504 .4 mmHg
.65) x10
−3
= 0.7
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CONCLUSIONES
1.
Se obtuvo acetaldehído por oxidación del alcohol etílico utilizando como catalizador el Oxido de Zinc soportado en alúmina
2.
La cantidad de oxigeno utilizado es:
3.
Los moles de etanol que ingresa a la reacción es de :
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BIBLIOGRAFIA
SMITH. J. M, Walter P. Murphy, Ingeniería de la Cinética Química, Ediciones Mc Graw-Hill Book Company INC. México 1968.
OCTAVE, Levenspiel. Ingeniería de las reacciones químicas. Editorial Reverte, España, 1981
CHANG, Raymond. Química Editorial Máx. Well 1991.
INTERNET : http://www.acetaldehído/obtención/propiedades/usos/com.htm.
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