E"timar el perfil de concentracione" en función de la longitud de un reactor tubular para la "aponificación del acetato de etilo. Objetivos •
+b"er)ar la diferencia de concentración /ue e8i"te dentro de un reactor tubular9 )ariando lo" flu1o" de entrada.
Hipótesis
( maore" flu1o" de la alimentación9 menore" "ern lo" tiempo" de re"idencia con"ecuentemente "e tendrn menore" concentracione" de producto". (dem"9 dentro de un reactor !4R9 una longitud maor permite /ue la reacción "e lle)e a cabo por un periodo maor :maor tiempo de re"idencia;. Marco teórico
El balance de materia aplicado al diferencial de )olumen de la 4ig. 7.& e"% ENTR(-( = S(LI-( = -ES(!(RE,E > (,?@?L(,IAN 4( = :4( B d4(; = :=r(; dV > ' +perando "e obtiene = d4( > :=r(; dV !or la definición de con)er"ión para reactore" en flu1o
Su"tituendo en la ecuación%
Integrando la e8pre"ión anterior%
Si re"ol)emo" la integral no" /ueda%
Que e" la ecuación de di"eCo para un reactor de flu1o pi"tón. E" )lida tanto "i e8i"te o no )ariación de caudal en el "i"tema. Si /ueremo" poner la e8pre"ión anterior en función de la concentración%
Su"tituendo en la ecuación anterior%
Luego podemo" e"cribir%
!ara "i"tema" de den"idad con"tante9 "i tenemo" en cuenta la definición de con)er"ión para reactore" en flu1o%
Su"tituendo la Dltima e8pre"ión en la ecuación obtenemo"%
Material e!uipo " sustancias #para la parte experimental$% Material " &!uipo
3 )a"o" de precipitado de &L
3 pin#a" de 3 dedo"
&!ipeta de &' mL
& termómetro
6 @atrace" aforado" de &L & bureta de 6 mL
'eactivos
&' matrace" Erlenmeer de ' mL & bomba peri"tltica de 6 cabe#ale"
& probeta de ' mL
(cetato de etilo
3 1eringa" de mL
& reactor tubular
& cronómetro
& matra# aforado de '' @l
Fcido clor5ídrico & N
& fle8ómetro
6 "oporte" uni)er"ale"
& Vernier
4enolftaleína
(esarrollo experimental%
!ara reali#ar la metodología e8perimental del arreglo del reactor tubular9 "e recomienda utili#ar bata9 guante" gafa" protectora" como e/uipo de protección indi)idual :E!I;.
•
!arte e8perimental
!rimeramente "e debe ob"er)ar /ue el material mo"trado en la tabla & "e encuentre en perfecta" condicione". -e"pu*" "e proceder a preparar la" "iguiente" di"olucione"% &L de acetato de etilo '.'6 @9 &L de 5idró8ido de "odio '.'6@9 '' mL de cido clor5ídrico '.'' @ :por grupo;. Se monta el e/uipo tal como "e mue"tra en la figura &. Se e"tablecern di"tinto" flu1o" )olum*trico" entre & a G mlHmin. ?na )e# /ue a "e e"tablecieron lo" flu1o" "e alimentan la" di"olucione" al
reactor9 el reactor tubular u"ado contiene tapone" la "alida por lo" cuale" "e pueden tomar alícuota" de la reacción :apro8. mL;. ( cada alícuota tomada "e le debe agregar una" gota" de fenolftaleína con la finalidad de titularla" con cido clor5ídrico '.'' N. 4inalmente "e de"ec5aran lo" re"iduo" al drena1e una )e# /ue "e 5aa neutrali#ado la reacción.
Memoria de c)lculo%
Se reali#ó el balance de materia para un !4R d Q C A dv
=r A → Ecuacion de Diseño PFR ( Edo . estaci onario)
La ecuación de di"eCo del !4R la cambiamo" de )ariable" de )olumen a longitud del reactor conociendo /ue% V = A ∗ L
d Q C A dAL
=r A
Q ∗d C A A =r A dL Q ∗d C A A d L= r A
Integrando la ecuación% 2
−r A= k C A L
∫ 0
C A
Q d L= ∗ A C
L=
∫ −k1C A 0
(
Q 1 1 ∗ − Ak C A C A 0
2
d C A
A
)
-e"pe1ando la concentración final , ( "e obtiene% C A =
Q∗C A 0 L A k C A 0 + Q
La" con)er"ione" "e calcularon con auda de la" "iguiente" ecuacione"% x n=
C A 0 −C An C A 0
!ara calcular la" concentracione" "e re/uirió conocer el )olumen de <,l%
C A 1=
V 1− HCl∗(
0.005 1000
)
5 1000
'esultados
Tabla &. -imen"ione" del reactor
Di [cm] Área [cm^2] L1 [cm] L2 [cm] L3 [cm] L4 [cm] L5 [cm]
Tabla . Re"ultado" de la con)er"ión para cada flu1o. 0onversión *6AQ *m+,min-
61
62
63
64
65
&7 3'
3&.' .G
7.' K.'
73.' 7.
G.' 7K.'
GG.' 7K.'
'
3.
G.'
.'
76.3
76.G
G
3.'
3.'
G.'
.'
G.G
En la tabla "e puede ob"er)ar /ue al ir incrementando el flu1o la con)er"ión )a di"minuendo de manera con"iderable9 e"to "e aprecia me1or en lo" dato" de la" con)er"ione" 3 .
0uestionario 1% 0alcular el per7il de concentraciones en el reactor tubular a partir del balance de materia " compararlo con los resultados experimentales%
En cual/uiera de lo" flu1o"9 la concentración de Na+< en el efluente e" "iempre maor /ue la calculada teóricamente con el balance de ma"a de un reactor !4R. 2% 80ómo varia la conversión del acetato de sodio con respecto a la lon9itud del reactor:
$rfica &. ,on)er"ión del acetato de "odio )" Longitud del reactor
Conversión [X] vs Longitud del re!tor [L] 100.0% 90.0% 80.0% 70.0% 60.0% X
50.0% 40.0% 30.0% 20.0% 10.0% 0.0% 10
20
30
40
50
60
70
80
90
L [!] "lu#o $ 50 l&in
"lu #o $ 75 l&in
"lu#o $ 30 l&in
"lu #o $ 16 l&in
En la grfica & "e puede ob"er)ar /ue conforme aumenta la longitud del reactor9 la con)er"ión tambi*n de e"ta manera e" directamente proporcional. 3% &labore una 9r)7ica de conversión contra tiempo de residencia #9ra7ica 3$ " describa la tendencia observada% 100.0% 80.0% 60.0%
X
40.0% 20.0% 0.0% 5
10
15
20
25
30
35
40
45
Θ min "lu#o $ 50 l&in
"lu#o $ 75 l&in
"lu#o $ 30 l&in
"lu#o $ 16 l&in
!Á"#C$ 2% &#'()O D' !'#D'NC#$ CON&!$ CONV'!#+N D' H#D!+X#DO D' OD#O% ,on ba"e en la" recta" de la grfica 69 flu1o" )olum*trico" de la me#cla reacti)a proporcionan un menor tiempo de re"idencia9 5abiendo un menor tiempo de re"idencia e8i"te un menor periodo en
el /ue la" mol*cula" de ambo" reacti)o" e"tn en contacto con"ecuentemente9 una menor con)er"ión de e"to" a producto". !or lo tanto9 grosso modo la con)er"ión e" in)er"amente proporcional al tiempo de re"idencia.
$rfica 6. Rapide# de reacción )" )olumen del reactor a diferente longitud
*r( vs 'oluen !d longitud del re!tor 0 0 0 0 0
*r( [ol&L+in]
0 0 0 0 0 0 100
200
300
400
500
600
700
' [L] "lu#o 16 L&in
"lu#o 30 L&in
"lu#o 50 L&in
"lu#o 75 L&in
La )elocidad de reacción e" maor al inicio debido a /ue e" en el momento en el cual tenemo" maor cantidad de reacti)o" para reaccionar9 tambi*n e" maor para lo" flu1o" m" grande" debido a /ue en e"to" flu1o" e"tamo" "umini"trando maor cantidad de reacti)o" /ue en lo" flu1o" menore".
5% &labore una 9r)7ica del inverso de la rapide; de reacción contra conversión total evaluados a cada 7lujo del reactor tubular%
1&*r( vs Conversión [X] 6000000 5000000 4000000
1&*r(
3000000 2000000 1000000 0 30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Conversión [X] "lu#o 16 L&in
"lu#o 30 L&in
"lu#o 50 L&in
"lu#o 75 L&in
<% (etermine el valor de la producción de acetato de sodio obtenida en el reactor tubular a las di7erentes condiciones de operación " compara con el arre9lo de tan!ue a9itado reali;ado anteriormente% &xpli!ue por !ué este comportamiento% =% &labore una 9r)7ica de producción de acetato de sodio contra tiempo de residencia " expli!ue esta tendencia del reactor tubular%
!Á"#C$ 5% &#'()O D' !'#D'NC#$ V )!ODACC#+N D' N$OH
35
40
80
@aore" tiempo" de re"idencia permite" a lo" reactante" mantener en maor tiempo de contacto9 reaccionando a"í maore" cantidade"9 traduciendo en una maor producción del producto de"eado. >% 8Qué variables de operación modi7icaría para aumentar la producción " la conversión en un reactor tubular:
Su longitud el flu1o ?% 0on base a los resultados obtenidos se@ale cuales son las principales di7erencias !ue existen entre un reactor de tan!ue a9itado " un reactor tubular%
E"to" reactore" traba1an en e"tado e"tacionario9 e" decir9 /ue "u" propiedade" no )arían con el tiempo. E"te modelo ideal "upone /ue la reacción alcan#a la m8ima con)er"ión en el in"tante en /ue la alimentación entra al tan/ue. E" decir9 /ue en cual/uier punto de e"te e/uipo la" concentracione" "on iguale" a la" de la corriente de "alida. (dem" para e"te tipo de reactor "e con"idera /ue la )elocidad de reacción para cual/uier punto dentro del tan/ue e" la mi"ma "uele e)aluar"e a la concentración de "alida. !ara e"te reactor "uele a"umir"e /ue e8i"te un me#clado perfecto9 en la prctica e"to no e" a"í9 pero puede crear"e un me#clado de alta eficiencia /ue "e apro8ima a la" condicione" ideale". E"to" reactore" traba1an en e"tado e"tacionario. E" decir9 la" propiedade" en un punto determinado del reactor "on con"tante" con el tiempo en el e1e radial en un "egmento determinado. E"te modelo "upone un flu1o ideal de pi"tón9 la con)er"ión e" función de la po"ición. En e"te tipo de reactor la compo"ición del fluido )aria de un punto a otro a tra)*" de la dirección del flu1o9 e"to implica /ue el balance para un componente dado de la o la" reaccione" /uímica" implicada" o debe reali#ar"e en un elemento diferencial de )olumen. 1% 0alcule el tiempo espacial la velocidad espacial " el tiempo de permanencia necesarios para obtener una conversión del >5B en este sistema%
Tiempo e"pacial Velocidad e"pacial Tiempo de re"idencia
G.6&''G6 6 '.&3K7 G6&.''G6 6
min min=& min
!ealice na comaraci
Conversión vs (rreglos de -e!tores 100.0% 80.0% 60.0%
X
40.0% 20.0% 0.0% 500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
5500
kV/?7 C/-
n*C/-
"-
En la grfica anterior "e puede ob"er)ar /ue el reactor !4R genera una maor con)er"ión en comparación /ue lo" otro" do" tipo" de reactore"9 mientra" /ue el arreglo n=,STR genera una maor con)er"ión /ue un "olo reactor tipo ,STR
