Instituto Politécnico Nacional Escuela Nacional de Ciencias Biológicas Ingeniero Bioquímico Depto. Fenómenos de transporte
Nombre de la Práctica: Balance de Materia en reactor quimico. Alumnos: Araujo Palacios Elba Nidia Alba Miramón Mario Guevara Gómez Miguel Ángel López Sotelo Karla Itzel
Maya Estrada Ángel Esteba Torres Matinéz Jordan Josue Turno: Matutino Grupo: 4IM2
Introducción: Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, está gobernado por un algoritmo de control.
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. Los procesos químicos pueden clasificarse en o Proceso intermitente: La alimentación se introduce al sistema al principio del proceso, y todos los productos se extraen juntos tiempo después. o Proceso continuo: Las entradas y salidas fluyen continuamente durante el proceso. o Proceso semiintermitente: Cualquier proceso que no es intermitente ni es continuo. o Proceso en régimen permanente o estacionario: Todas las variables del proceso (temperaturas, presiones, volúmenes, velocidades de flujo) no cambian con el tiempo, excepto, por fluctuaciones pequeñas alrededor de los valores promedio constantes. o Proceso transitorio: Cualquiera de las variables del proceso cambia con el tiempo. Los procesos intermitentes y semiintermitentes son operaciones en régimen no permanente y los procesos continuos pueden ser transitorios o estacionarios. El proceso intermitente se usa cuando se producen cantidades pequeñas de producto en una única ocasión, mientras que para producciones grandes se usan procesos continuos en régimen permanente. Las condiciones de un régimen transitorio existen durante el arranque de un proceso y en los cambios subsecuentes en las condiciones de operación del proceso.
Objetivo general: Aplicar los conocimientos adquiridos de balance de masa n reacciones químicas. Objetivos específicos: Conocer el principio de la unidad de servicio del reactor de Batch Armfield CEB MKII. Determinar cuál es el reactivo limitante y cuál es el reactivo en exceso, en la producción de acetato de sodio e hidroxilo de etilo. Conocer métodos indirectos para la evaluación de la extensión de una reacción química. En este caso mediante la evaluación continua del cambio en la conductividad. Datos a reportar. ( C−B ) ( C 2 −C 1 ) A=B+ C2−C 3 A: Concentración de NaOH a tiempo t (mol/L)
B: Concentración de NaOH inicial (0.05 mol/L) C: Concentración de NaOH a tiempo infinito (B-D) D: Concentración de acetato de etilo inicial (0.05 mol/L) C1: Conductividad a tiempo t (milisiemens) C2: Conductividad inicial (milisiemens) C3: Conductividad a tiempo infinito (milisiemens) T: Tiempo (segundos)
Resultados: tiempo (min)
conductividad (mili Siemens) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40
A 9.51 4.35 4.01 3.76 3.57 3.41 3.28 3.18 3.09 3.01 2.94 2.89 2.84 2.79 2.75 2.71 2.68 2.65 2.62 2.6 2.57
0.05 0.014 0.0116 0.0099 8.6E-03 7.52E-03 6.61E-03 5.91E-03 5.29E-03 4.73E-03 4.24E-03 3.89E-03 3.55E-03 3.20E-03 2.92E-03 2.64E-03 2.43E-03 2.22E-03 2.01E-03 1.88E-03 1.67E-03
ln ((A)/[(B)(B(A)/[(B)(B-A)] A)]) 0 0 7.77 2.05 6.04 1.798 4.93 1.595 4.17 1.427 3.54 0.264 3.04 1.111 2.68 0.985 2.36 0.858 2.08 0.732 1.85 0.615 1.68 0.518 1.52 0.418 1.37 0.307 1.24 0.215 1.11 0.04 1.02 0.019 0.92 -0.083 0.83 -0.186 0.78 -0.248 0.69 -0.371
42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 60 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88 90 92
2.55 2.53 2.52 2.5 2.49 2.47 2.46 2.45 2.44 2.43 2.42 2.41 2.4 2.39 2.38 2.38 2.37 2.36 2.36 2.35 2.35 2.34 2.34 2.33 2.33 2.33
1.53E-03 1.39E-03 1.32E-03 1.18E-03 1.11E-03 9.74E-04 9.05E-04 8.35E-04 7.66E-04 6.96E-04 6.26E-04 5.57E-04 4.87E-04 4.17E-04 3.48E-04 3.48E-04 2.78E-04 2.08E-04 2.08E-04 1.39E-04 1.39E-04 6.96E-05 6.96E-05 0 0 0
0.63 0.57 0.54 0.48 0.45 0.39 0.36 0.33 0.31 0.28 0.25 0.22 0.19 0.16 0.14 0.14 0.11 0.083 0.083 0.055 0.055 0.027 0.027 0 0 0
-0.462 -0.562 -0.616 -0.733 -0.798 -0.941 -1.021 -0.108 -1.71 -1.272 -1.386 -1.54 -1.66 -1.832 -1.966 -1.966 -2.207 -2.488 -2.488 -2.9 -2.9 -3.611 -3.61 0 0 0
4. Determine cuál es el reactivo en exceso y cuál es el reactivo limitante. NaOH + C4H8O2
Relación estequiometria.
CH3COONa + C2H5OH
Relación de alimentación
1 mol de C4 H 8 O2 =1 1 mol de NaOH
0.05mol de C 4 H 8 O2 0.05 mol de NaOH = 1
1 mol de NaOH =1 1 mol de C4 H 8 O2
0.05 mol de NaOH 0.05mol de C 4 H 8 O2 = 1
Por lo tanto no hay reactivo limitante ni en exceso.
5. Diga cómo se pueden obtener las concentraciones de acetato de etilo, de acetato de sodio y del alcohol etílico, repórtelos. Ya que la reacción se lleva acabo al 100%, para conocer las concentraciones de los productos (acetato de sodio y etanol), se hace un balance tomando en cuenta la reacción química y los
moles, al ser una reacción de doble sustitución en donde los reactivos y los productos como iones tienen carga 1 o -1, y como la relación es uno a uno, tendremos como resultado que las concentraciones del acetato de sodio y del etanol son iguales que las concentraciones iniciales.
Discusión: El reactor Batch Armfield CEB MKII es un reactor discontinuo diseñado para demostrar reacciones adiabáticas como isotérmicas, usa la combinación de balance de energía y balance de materia para evaluar la forma de velocidad y la energía de activación., así como los efectos de las condiciones de proceso variables tales como la reacción temperatura, concentraciones de reactivos. En los sistemas de reacción homogéneos, las velocidades de reacción dependen de la concentración de los reactivos. Teoría de la colisión indica un aumento de la velocidad si la concentración de uno o de ambos los reactivos se incrementa, dependiendo de la reacción particular. Es importante reconocer que la ecuación ajustada para la reacción neta no indica cómo la velocidad de reacción es afectada por un cambio en la concentración de los reactivos Se llevó a cabo una reacción exotérmica de doble sustitución entre el NaOH y C4H8O2, a partir la experiencia con mezcla de los reactantes con concentraciones equimolar se logra que la conductividad descienda a medida que transcurre el tiempo y la concentración del ión hidroxilo disminuye., este objetivo se logró siendo visualizado en la gráfica de concentración v/s tiempo. Si por otra parte se utiliza agua destilada para la puesta en marcha se logra que al transcurrir el tiempo la conductividad sea ascendente hasta alcanzar un máximo cuando la concentración en el reactor es estacionaria y luego desciende a medida que la conversión de hidróxido aumenta. Aumentando el flujo volumétrico después de cada estado estacionario, la conversión disminuye, esto se debe a que a mayor flujo de alimentación el tiempo de residencia es menor, lo que produce un menor contacto entre los reactivos. Todo esto considerando volúmenes constantes en los reactores (500 ml). Mientras la concentración de hidróxido de sodio disminuye, las medidas de conductividad de este reactivo también disminuye, esto se debe a que cada vez la solución es menos rica en hidróxido de sodio, éste compuesto es el que posee la mayor conductividad en la reacción debido a la negatividad del ion hidroxilo (OH-). La velocidad de reacción depende de la
concentración de los reactantes en cada reactor. En el primer reactor, donde se tiene más concentración de reactante la velocidad de reacción es mayor esto también es para cuando se tiene un flujo mayor de alimentación. Los valores determinados experimentalmente para la constante de velocidad varían considerablemente para los reactores 1 y 2 de acuerdo a las concentraciones de los reactantes y el grado de conversión de éstos. En la primera gráfica se puede observar que a medida que aumenta el tiempo la concentración de NaOH disminuye, durante los primeros segundos se observa que disminuye de forma considerable hasta llegar a un punto donde se vuelve casi constante, esto sucede ya que al inicio de la reacción se tiene la totalidad de los reactivos y conforme transcurre el tiempo la cantidad de reactivo es menor, pues se van consumiendo para llevar a cabo la reacción, existiendo una relación estequiométrica entre los reactivos, es decir pro cada mol que reacciona de NaOH también lo hará un mol de C 4H8O2 y al tener una relación de alimentación de 1 (debido a que presentan las mismas condiciones), no hay un reactivo limitante y ni un reactivo en exceso. En cinética química, la constante k que aparece en las ecuaciones de velocidad es función de T y P, y recibe el nombre de constante de velocidad o coeficiente de velocidad. Las unidades de la constante de velocidad o el coeficiente de velocidad varían con el orden de la reacción. Cada coeficiente de velocidad de reacción k tiene una dependencia de la temperatura, que es dada usualmente por la ecuación de Arrhenius. Por lo que el valor la constante especifica de velocidad de reacción en nuestro sistema es de k = 0.0016 a una temperatura de 15 °C. Al observarse un descenso en la conductividad indica que los productos no son capaces de conducirse la electricidad (por la disociación que sufre el NaOH produciendo una sal, siendo bajos conductores de electricidad). Conclusión:
Se encontró la velocidad constante de un reactor discontinuo agitado (reactor Batch Armfield CEB MKII) La concentración de NaOH disminuye conforme transcurre el tiempo. No hay reactivo limitante ni reactivo en exceso. La medición del cambio en la conductividad es un método indirecto para medir la evaluación de una reacción química.
Referencias:
http://www.discoverarmfield.co.uk/data/esp/cex/ceb.php http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/josem/static/cineticadisolucion.pdf http://books.google.com.mx/books? id=tEZ1yPBnxBkC&pg=PA4&lpg=PA4&dq=hidroxido+de+etilo+es+el+etanol? &source=bl&ots=m97tITbvDC&sig=lx6y09O5MgYZHc_q3nDZBxLR5g&hl=es&sa=X&ei=99pVUvPRGsOA2wXhsIEw&ved=0CCoQ 6AEwAA#v=onepage&q=hidroxido%20de%20etilo%20es%20el%20etanol%3F&f=false
