FUNCIONAMIENTO DE UN REACTOR TUBULAR EN ESTADO ESTACIONARIO
1 Introducción El reactor continuo tubular se considera como sistema ideal cuando las sustancias que circulan por su interior se comportan según un esquema de flujo pistón (PFA, Plung Flow Assumption), el grado de conversión se regula por la longitud del reactor o por po r la velocidad de carga. El reactor tubular de flujo se caracteriza por presentar gradientes de concentración en la dirección del flujo.
2 Objetivos Al final de la práctica el estudiante será capaz de:
Realizar un análisis comparativo del grado de conversión experimental frente a la modelación
matemática de un reactor tubular
Comparar Comparar el grado grado de conversió conversión n de reactor reactor mezcla mezcla completa completa y tubular tubular de igual igual volumen, operado en las mismas condiciones
3 Marco Te Teórico En un reactor de flujo pistón la composición del fluido fluido varía con la coordenada o posición en la dirección del flujo; en consecuencia, el balance de materia materia para un componente de la reacción a de referirse a un elemento diferencial de volumen dV. Así, para el reactante A tendremos (en estado estacionario la acumulación es 0)
entrada = salida + desaparición por reacción + acumulación
(1)
Introduciendo a la ecuación (1)
F A
= ( F A + dF A ) + (−r A ) dV
Teniendo en cuenta que
dF A
=
d [ F A, o (1
X A )]
−
F A, o dX A
= −
Por sustitución resulta:
F A, o dX A
=
(
r A ) dV
−
Por consiguiente, esta es la ecuación referida a A para el volumen dV en la sección diferencial del reactor; para todo el reactor e s necesario integrar esta expresión. Agrupando convenientemente los términos de la ecuación (2), teniendo en cuenta que el caudal molar de la alimentación F Ao , es constante, mientras que – r A depende de las concentraciones de las sustancias o de la conversión, tenemos:
V
dV
∫ F
o
A, o
XA
= ∫ 0
Expresando en términos de tiempo de residencia
dX A
− r A
V F A, o
=
τ
C A, o
XA
= ∫ 0
dX A
− r A
La ec. permite calcular el tamaño del reactor conociendo el caudal de la alimentación y la conversión requerida. Comparando las ecs. (5-11) y (5-17), observamos que en el reactor de flujo en pistón Ra es variable, mientras que en el reactor de mezcla completa es constante. Una expresión mas general para los reactores de flujo en piston ,si la alimentación en la que esta basada la conversión (subíndice o) entra al reactor parcialmente convertida (subíndice i) y sale con la conversión indicada por el subíndice f, sera:
EC. 5
Un caso en el que se emplea este tipo de ecuación se estudia en la pagina 147. Para el caso especial de sistemas de densidad constante
O
Estas ecuaciones de diseño, ecs. (5-17) a (5-19), pueden ponerse en función
de las concentraciones o de las conversiones. Para los sistemas en los que varíala densidad es más conveniente utilizar las conversiones, mientras que para los sistemas de densidad constante se pueden emplear indiferentemente las dos formas. Cualquiera que sea su forma, las ecuaciones de diseño interrelacionan la velocidad de reacción, la conversión, el volumen del reactor, y el caudal de la alimentación, de tal manera que si se desconoce una de estas magnitudes puede calcularse a partir de las otras tres. En la Fig. 5-6 se representan estas ecuaciones de diseño y se observa que el tiempo espacial necesario para cualquier fin particular, puede calcularse siempre por integración numérica o gráfica. Sin embargo, para algunas formas cinéticas sencillas es posible (y conveniente) la integración analítica, para lo cual se sustituye en la ec. (5-17) la expresión cinética de rA y se efectúa la integración. Algunas de las formas integradas más sencillas para flujo en pistón son las siguientes: Reacciones homogéneas de orden cero y EA constante
4 Parte Experimental 4.1 Equipo y material a utilizar
Un reactor tubular
Un sistema de alimentación
Un equipo para titular o un conductímetro
Un cronómetro
Un vaso de 100 mL
Una balanza analítica de +- 0.01
NaOH (Comercial)
Acetato de Etilo P.A
Agua destilada
4.2 Desarrollo de la práctica La determinación del flujo de alimentación y la preparación de los reactivos se procederá de la misma manera que en la práctica 6
Funcionamiento del reactor
Una vez preparadas las soluciones de acetato de etilo, hidróxido de sodio cargar a cada tanque de alimentación.
Llenar el reactor con 1 litro de agua destilada, unir rápidamente a la entrada de alimentación. ( evitar la existencia de burbujas dentro del reactor tubular)
Abrir las válvulas principales de los alimentadores, inmediatamente poner en marcha el cronómetro.
Determinación del grado de conversión de la reacción
Se armará un sistema de titulación
Preparar 25 ml de una solución 0,1 M de HCl y cargar a la bureta
Tomar a los 3 minutos 6 ml de alicota en la salida del reactor
Colocar 2 gotas de indicador, anotar el volumen gastado.
Repetir esta operación hasta que no exista un cambio significativo del volumen del ácido clorhídrico
4.2.1 4.2.2 Diagrama Experimental
5. Datos Cálculos y Resultados NaOH + CH3COOC2H5 → CH3COO:Na + C2H5OH A+B→C+D C Ao
= C Bo = 0.1 M
C HCl
ϕ T
ϕ V
=
=
0.1 M
1.76
=
ml
1.82
s ml s
METODO EXPERIMENTAL C NaOH
X A
=
=1 −
V Titulado
* C HCl
V Alicuota C A C A0
CÁLCULOS Y RESULTADOS.-
0 1,2 0,4 1,6 2,2 1,8 1,7 1,8 1,6 2 1,9 1,8 2 1,8 1,9 1,8 1,9 1,7 1,9 1,8 1,8 1,7 4,3
0 0,02 0,01 0,03 0,04 0,04 0,03 0,04 0,03 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,04 0,03 0,04 0,04 0,04 0,03 0,09
1,5 1,5 1,2 1,3 1 0,8 1
0,03 0,03 0,02 0,03 0,02 0,02 0,02
Conversión teórica
=
X A
τ τ
τ
=
* k * C A, o
* k * C A, o + 1
X s 2
−
kC A0 (1
X e
−
X s )
2
X2=0,61 comparando con el valor práctico la divergencia es de 17, 21%
6 CONCLUSIONES.
Al hacer la comparación de los valores practico y teóricos se pueden decir que los resultados obtenidos son bastantes buenos.
Se concluye que para realizar la práctica; el equipo debe tener todos los requerimientos básicos de un piston
Aunque se tuvo muchas dificultades para
armar el equipo, se pudo regular los flujos de entrada y salida del equipo.
Los resultados obtenidos del grado de conversión están dentro de nuestras expectativas ya que el obtenido por el método experimental fue menor comparado con el obtenido por el modelo matemático que resultaría ser una conversión ideal.
7 Bibliografía 1. FOGLER H. S. (2001) “Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas”, 3a. ed. Pearson Educación, México 2.
OCON GARCIA J., (1981) “Cinetica de las Reacciones Quimicas” 1.a ed. Staley M. Walas
3. DENBINGH, K. G. (1990) “Introducción a la Teoría de los Reactores Químicos”, 2a. ed. Limusa S.A, Mexico 4.
LEVENSPIEL, O. (1998) “Ingeniería de las Reacciones Químicas”, 2a. ed. Wiley, Nueva Cork
5.
http://biblos.uamerica.edu.co/cinetica/resumen.php
6.
http://www.dicv.csic.es/docs/itq/itq1.pdf .
7.
http://www.sc.edu.es/iawfemaf/archivos/materia/teoria.htm
