j
REACTOR CATALITICO
Líder: Yahira Porras Coordinador: Camila Ballesteros Operario 1: Carolina Gómez Operario 2: Mile Hernández Operario 3: Jennyfer Manrique UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER 29/11/2016
2016
INFORME EJECUTIVO Los reactores catalíticos son aparatos donde ocurren reacciones químicas “catalíticas” de manera controlada. La velocidad de una reacción puede ser modificada por la presencia de sustancias que normalmente no son ni reactivos ni productos; estas sustancias reciben el nombre de catalizadores y son los encargados de proporcionar un aumento en la velocidad de reacción. Dado los resultados de la práctica se obtiene una conversión de 15% y 4,4% para la apertura de la bomba de 10% y 20% respectivamente basados en la toma de tres muestras, por esto, se puede concluir que el procedimiento llevado a cabo fue correcto dado que el resultado obtenido nos muestra la clara reacción de la sacarosa para producir glucosa. Cada que se lleva a cabo la toma de una muestra para hacer la lectura de la absorbancia es necesario purgar la pipeta y demás equipos de medida para evitar alteraciones en los resultados de posteriores muestras. También es importante la utilización de guantes para evitar quemaduras a la hora de la recepción de las muestras.
CONTENIDO 1. INTRODUCCIÓN 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo general 2.2 Objetivos específicos 3. ALCANCE 4. MARCO TEÓRICO 4.1 Espectrofotometría 4.2 Prueba de Fehling 4.3 Hidrólisis de la sacarosa 4.4 Catalizador 4.5 Tipos de reactores catalíticos 4.6 Descripción del equipo 5. METODOLOGÍA 5.1 Calibración de las muestras referencia. 5.2 Comportamiento de la concentración de glucosa en la muestra problema 5.3 Conversión de Sacarosa 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1 Calibración de las muestras de referencia 6.2 Comportamiento de la concentración de glucosa 6.3 Conversión de sacarosa 7. CONCLUSIONES 8. RECOMENDACIONES 9. REFERENCIAS
1. INTRODUCCIÓN Los reactores catalíticos son aparatos donde ocurren reacciones químicas “catalíticas” de manera controlada. La velocidad de una reacción puede ser modificada por la presencia de sustancias que no intervienen en la reacción, ya que cumplen simplemente el papel de catalizadores aumentando la velocidad de la reacción. Los catalizadores pueden ser sólidos o líquidos dependiendo del tipo de reacción que se esté tratando. Actualmente la situación más común en la industria química es la catálisis por sólidos, sin embargo, los catalizadores sólidos pueden perder su actividad catalítica con el tiempo. Un catalizador puede hacer variar la velocidad de reacción de un proceso en miles o millones de veces, por lo que suele ser muy interesante su utilización en procesos industriales. El principal objetivo del reactor catalítico es poner en contacto el catalizador y los reactantes para que de esta manera la reacción progrese de forma idónea en el proceso químico que se presenta. La configuración del diseño en conjunto con los reactivos y catalizadores. Además, la naturaleza de estos últimos permite organizar la catálisis como homogénea, heterogénea y enzimática. En esta práctica se propone un reactor con partículas de resina de diferente diámetro, por la que pasará una solución de sacarosa dando lugar a una reacción de hidrólisis dentro del reactor, formando glucosa y fructosa, producto que se recolecta en un vaso de precipitado. Posteriormente se preparan blancos agregando agua destilada y el reactivo DNS para ser analizados por el espectrómetro.
2. OBJETIVOS
2.1 Objetivo general Analizar el producto generado de una hidrólisis de sacarosa (glucosa) en dos reactores catalíticos de lecho fijo con resinas de diferente tamaño, empleando la técnica de determinación de glucosa por espectrofotometría.
2.2 Objetivos específicos 2.2.1 Realizar la curva de calibración de las muestras referencia. 2.2.2 Determinar cómo influye la velocidad de alimentación en la concentración de glucosa. 2.2.3 Calcular la conversión de sacarosa en glucosa.
3. ALCANCE Después de la calibración del equipo se llevó a cabo la manipulación de la bomba utilizando un flujo de 10%, seguidamente se tomaron tres muestras que fueron utilizadas para aplicar la prueba de Fehling y comprobar la presencia de glucosa en dichas muestras, durante esta toma se hizo una variación de flujo hasta 20% donde finalmente se tomaron los datos necesarios de absorbancias para realizar los cálculos de concentración y conversión. 4. MARCO TEÓRICO
4.1 Espectrofotometría Es uno de los métodos de análisis más usados, y se basa en la relación que existe
entre la absorción de luz por parte de un compuesto y su concentración.
Cuando se hace incidir luz monocromática (de una sola longitud de onda) sobre un medio homogéneo, una parte de la luz incidente es absorbida por el medio y otra transmitida, como consecuencia de la intensidad del rayo de luz sea atenuada desde Po a P, siendo Po la intensidad de la luz incidente y P la intensidad del rayo de luz transmitido. Dependiendo del compuesto y el tipo de
absorción a medir, la muestra puede estar en fase líquida, sólida o gaseosa. En las regiones visibles y ultravioleta del espectro electromagnético, la muestra es generalmente disuelta para formar una solución. Cada sustancia tiene su propio espectro de absorción, el cual es una curva que muestra la cantidad de energía radiante absorbida, Absorbancia, por la sustancia en cada longitud de onda del espectro electromagnético, es decir, a una determinada longitud de onda de la energía radiante, cada sustancia absorbe una cantidad de radiación que es distinta a la que absorbe otro compuesto.
Figura 1. Espectrofotómetro
4.2 Prueba de Fehling
Esta prueba se utiliza para el reconocimiento de azúcares reductores. El poder reductor que pueden presentar los azúcares proviene de su grupo carbonilo, que puede ser oxidado a grupo carboxilo con agentes oxidantes suaves. Si el grupo carbonilo se encuentra combinado no puede presentar este poder reductor. Consiste en una reacción redox en la que el grupo aldehído (reductor) de los azúcares es oxidado a grupo ácido por el Cu2+ que se reduce a Cu+. Tanto los monosacáridos como los disacáridos reductores reaccionan con el Cu2+ dando un precipitado rojo de óxido cuproso. La reacción tiene lugar en medio básico por lo que es necesario introducir en la reacción tartrato sódico-potásico para evitar la precipitación del hidróxido cúprico. La prueba de Fehling no es específica; otras sustancias que dan reacción positiva son los fenoles, aminofenoles, benzoína, ácido úrico, catecol, ácido fórmico, hidrazobenceno, fenilhidrazina, pirogalol y resorcinol.
Figura 2. Proceso de presencia de glucosa
4.3 Hidrólisis de la sacarosa
La sacarosa es un disacárido, es decir, un hidrato de carbono que se forma a partir de la unión de dos azúcares monosacáridos, glucosa y fructuosa.
Figura 3. Molécula de sacarosa
La sacarosa no posee carbonos anoméricos libres por lo que carece de poder reductor y la reacción con el licor de Fehling es negativa. Sin embargo, en presencia de HCl y en caliente, la sacarosa se hidroliza, es decir, incorpora una molécula de agua y se descompone en los monosacáridos que la forman, glucosa y fructosa, que sí son reductores. La prueba con la que se ha verificado la hidrólisis se realiza con el licor de Fehling y, si el resultado es positivo, aparecerá un precipitado rojo. Si el resultado es negativo, la hidrólisis no se ha realizado correctamente y si en el resultado final aparece una coloración verde en el tubo de ensayo se debe a una hidrólisis parcial de la sacarosa.
Figura 4. Reacción estequiometria de sacarosa
4.4 Catalizador
Un catalizador es una sustancia que afecta la velocidad o la dirección de una reacción química, sin ser consumido durante el proceso, variando la energía de activación. “De acuerdo con la teoría del estado de transición, el catalizador reduce la barrera de energía potencial, que a su vez usan para formar productos”.
Sin embargo, el catalizador no influye en el equilibrio de una reacción, debido a que esta se rige solo por la termodinámica, por lo tanto, la constante de equilibrio con o sin catalizador es la misma.
Para seleccionar el tipo de catalizador que favorezca una reacción específica es necesario realizar diferentes pruebas experimentales que permitan establecer condiciones óptimas para lograr un catalizador efectivo.
El factor clave de la actividad catalítica no es la composición química, sino su estructura física o cristalina por lo tanto se requiere que el material del catalizador sea fácil de manipular es deseable que los catalizadores sean materiales fáciles de manejar y accesibles, debido a que con diferentes métodos es posible obtener grandes superficies activas.
4.5 Tipos de reactores catalíticos Reactor de lecho fijo
Figura 5. Reactor de lecho empacado
Básicamente un reactor de lecho fijo consiste en un tubo cilíndrico lleno de partículas de catalizador, en el cual los reactivos fluyen a través del lecho de catalizador y se convierten en productos. Ellos pueden ser considerados los más utilizados en la industria química con respecto al reactor de lecho fluidizado, debido a que su costo de construcción, operación y mantenimiento es bajo, se requieren poco equipo auxiliar, es particularmente apropiado para pequeñas unidades comerciales, además no hay problemas en la separación del corriente efluente del reactor y el catalizador y permiten un contacto eficaz de gas-sólido.
La síntesis de amoníaco, la producción de ácido sulfúrico (por oxidación de SO2 a SO3), y la producción de ácido nítrico (por oxidación de amoniaco) son sólo algunos de los procesos que emplean reactores de lecho fijo con diferentes configuraciones y modificaciones como por ejemplo el aumento en la superficie de enfriamiento evitando los frentes calientes que deterioren el catalizador, o el enfriamiento entre etapas para controlar adecuadamente la temperatura.
Reactor de lecho fluidizado
Figura 6. Reactor de lecho fluidizado
En reactores de lecho móvil, una fase de fluido sube a través de un lecho de partículas de catalizador. El sólido se alimenta en la parte superior del lecho, se mueve hacia abajo gracias a la gravedad aproximándose al comportamiento de tipo flujo pistón, luego se transfieren a la parte superior del reactor mediante un equipo neumático o mecánico de manera continua.
Si es necesario regenerar el catalizador debido a que se desactiva rápidamente, entonces el reactor de lecho fluidizado proporciona enormes ventajas pues gracias a su estado similar al líquido permite bombear fácilmente de una unidad a otra, además la mezcla de sólidos en el lecho permite trabajar a intervalos pequeños de temperatura
4.6 Descripción del equipo
A continuación, se muestra la descripción detallada de las partes del equipo.
Figura 7. Descripción del equipo
5. METODOLOGIA 5.1 Calibración de las muestras referencia. Reactivo 1: Se preparan 250 ml de solución (concentración 100 g/l), de la siguiente manera: 25 gramos de sacarosa disueltos en 250 ml de agua. Reactivo 2: DNS (25 ml)
Disolver 0,4 gramos de NaOH en 12,5 ml de agua y agregar 7,5 gramos de tartrato sódico potásico, calentar hasta disolverlo. Lentamente adicionar 0,25 gramos de ácido 3,5-dinitrosalcílico agitando bajo calentamiento. Aforar a 25 ml con agua destilada. Almacenar a temperatura ambiente en botellas oscuras. Realizar la determinación de azúcares reductores mediante 1 ml con agua destilada. Elaborar una gráfica relacionando las absorbancias con las concentraciones y determinar el rango lineal. Antes de encender el equipo se debe asegurar que el blanco esté ubicado en la porta celda. En el tablero del equipo se debe evidenciar un valor que corresponde a la absorbancia. A continuación, se enciende el equipo y se debe revisar que la
válvula del reactor que se va a trabajar esté abierta y las otras estén cerradas. Se procede a acceder al software a emplear (QRCC) Para éste caso se necesita la curva de calibración, entonces se elige la opción CALIBRATE. Se elige la opción sensor name C1 y automáticamente empieza a estabilizarse (hasta que permanezca constante en un número); luego de esto se escoge la opción LEAST SQUARE y se toma el dato de la casilla VOLTS (mV), se copia ese dato y se procede a introducirlo en la siguiente ventana VOLTS; se da la opción ENTER DATA y se minimiza la ventana. Se registra el dato arrojado.
5.2 Comportamiento de la concentración de glucosa en la muestra problema Luego de la calibración se procede a lo siguiente:
El patrón, se coloca en la porta celdas. En la casilla C-1 se debe introducir el dato de concentración de la solución, que está dado por la curva de calibración para cada caso.
Éste procedimiento se debe llevar a cabo con todos los patrones (los blancos que se prepararon al inicio). Cuando se vaya a cambiar el patrón se debe lavar la celda de cuarzo con agua y con ayuda del frasco lavador y se seca con algodón. Después de realizar el proceso con el último patrón, se siguen las siguientes acciones:
Get linear fit (Gráfica) Save and Exit Se procede a ir a la pestaña SCADA
Luego de esto y teniendo un blanco en la celda se le da START, se encienden los actuadores (AB-1). La bomba de calentamiento recircula el baño. Las temperaturas del software corresponden a: ST-1: Temperatura del baño ST-2: Temperatura de salida del flujo ST-3: Temperatura del flujo del agua de calentamiento ST-4: Temperatura de entrada al reactor ST-5: Temperatura de salida del reactor
Antes de empezar el procedimiento se debe oprimir el icono de Save Data, esto con el fin de que el software guarde los datos que se generan mientras ocurre la reacción. Está equipado con una resina de intercambio catiónico de 0.62 nm de diámetro. Se regula el flujo a 10% y la bomba peristáltica empieza a moverse para permitir el paso del flujo. A continuación, se agrega la solución y se toma la muestra (cuando el vaso llegue a 100 ml). Se toma una muestra en el tubo (10 ml) y se cambia el caudal a 20 % y se realiza el mismo procedimiento. De las muestras anteriormente tomadas se escogen 2 muestras de 5 ml cada una y se le adiciona el reactivo Fehling A y B (1.5 ml de cada uno); se evidencia un cambio en la coloración (se tornará azul) y se calientan en un baño maría a 100°C hasta alcanzar una coloración rojiza que indica que hay reacción. Se adicionan 2 ml de muestra y 2 ml de reactivo DNS, se deja en baño maría 5 minutos a 100°C; si hay presencia de fructosa o glucosa se notará un cambio en la coloración (más intenso) y se prosigue a llevar la muestra al espectrofotómetro para medir la absorbancia.
Nota: Se debe buscar un color que esté en la gama de colores de los patrones utilizados; si ocurre lo contrario, se debe diluir la muestra hasta obtener un color que pertenezca a este rango. La longitud de onda debe estar especificada en 540 nm y por último se lee la absorbancia en el tablero del equipo. 5.3 Conversión de Sacarosa Para obtener la conversión de necesario es necesario:
Por medio de la estequiometria de la reacción se halla la concentración de sacarosa que reacciona. Teniendo el valor de concentración inicial de sacarosa y la que reacciona, es posible calcular la concentración final. Se aplica la ecuación de conversión.
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 6.1 Calibración de las muestras de referencia. En la siguiente tabla se encuentran los datos de calibración obtenidos en el software.
Tabla 1. Datos de calibración de las muestras de referencias
Muestra referencia
Volts[mV]
Concentración [g/l]
1
0.001146
0.00000
2
0.002333
0.02625
3
0.003152
0.05250
4
0.003676
0.07875
5
0.004054
0.10500
6
0.004407
0.13125
En la Figura 8. se muestra la variación de la concentración con respecto a los Volts.
Concentracion vs volts Concentración de la solución [g/l]
0,14 y = 39,24x - 0,0571 R² = 0,9395
0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 -0,02
0
0,001
0,002
0,003
0,004
0,005
Volts [mV]
Figura 8. Curva de calibración de las muestras de referencias.
6.2 Comportamiento de la concentración de glucosa
En la Tabla 2 se encuentran los datos obtenidos con el espectrofotómetro.
Tabla 2. Datos de concentración y absorbancia para las muestras de referencia
Muestra referencia
Absorbancia
Concentración [g/l]
1 2 3 4 5 6
0 0.18 0.3 0.52 0.7 1.01
0 0.02625 0.0525 0.07875 0.105 0.13125
En la siguiente figura, se muestra la variación de la concentración con respecto a la absorbancia.
Concentración de la solución [g/l]
Absorbancia vs concentración 0,16 y = 0,132x + 0,006 R² = 0,9816
0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
Absorbancia
Figura 9. Variación de la concentración con respecto a la absorbancia.
En la Tabla 3 se encuentran los datos de absorbancia obtenidos en el espectrofotómetro para las muestras problema, así como la concentración de glucosa obtenida de la ecuación obtenida en la Figura 9.
Tabla 3. Datos de concentración de las muestras problema
Muestras
Velocidad de
Temperatura
Absorbancia
Concentración
problema
la bomba [%]
[°C]
1
10
51.5
0.52
0.7875
2
10
58.7
0.52
0.7875
3
20
60
0.16
0.23
de glucosa [g/l]
6.3 Conversión de sacarosa A partir de la siguiente reacción se realizan los cálculos de la conversión de sacarosa en glucosa.
Figura 10. Reacción química de sacarosa
6.3.1. Velocidad de la bomba del 10% Concentración inicial de sacarosa= 10 g/l Concentración final de glucosa= 0.7875 g/l 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒓𝒙 = 𝟎. 𝟕𝟖𝟕𝟓
𝒈 𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒂 𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂 𝟑𝟒𝟐 𝒈 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒂 ∗ ∗ ∗ 𝒍 𝟏𝟖𝟎 𝒈 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒂 𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒂 𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒔𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂
𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒓𝒙 = 𝟏. 𝟒𝟗𝟔
𝒈 𝒍
𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 = 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒓𝒙 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 = 𝟖. 𝟓 𝒈/𝒍
%𝑪𝒐𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 =
𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 − 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍
%𝑪𝒐𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 = 𝟏𝟓
6.3.2. Velocidad de la bomba del 20% Concentración inicial de sacarosa= 10 g/l Concentración final de glucosa= 0.23 g/l 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒓𝒙 = 𝟎. 𝟐𝟑
𝒈 𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒂 𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂 𝟑𝟒𝟐 𝒈 𝒅𝒆 𝒔𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒂 ∗ ∗ ∗ 𝒍 𝟏𝟖𝟎 𝒈 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒂 𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒅𝒆 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒂 𝟏 𝒎𝒐𝒍 𝒔𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂
𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒓𝒙 = 𝟎. 𝟒𝟑𝟕
𝒈 𝒍
𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 = 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒆𝒏𝒕𝒓𝒂𝒅𝒂 − 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒓𝒙 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒔𝒂𝒍𝒊𝒅𝒂 = 𝟗. 𝟓𝟔 𝒈/𝒍
%𝑪𝒐𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 =
𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍 − 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒇𝒊𝒏𝒂𝒍 ∗ 𝟏𝟎𝟎 𝑺𝒂𝒄𝒂𝒓𝒐𝒔𝒂𝒊𝒏𝒊𝒄𝒊𝒂𝒍
%𝑪𝒐𝒏𝒗𝒆𝒓𝒔𝒊ó𝒏 = 𝟒. 𝟒
Luego de realizar las operaciones pertinentes se observa que a mayor flujo de alimento es menor la conversión.
7. CONCLUSIONES Durante la calibración del equipo, el programa arroja los datos de volts; los cuales al graficarlos con respecto a la concentración es posible obtener una curva de tendencia lineal con pendiente positiva, la cual concuerda con los establecidos por la literatura.
Por otra parte, a pesar de los inconvenientes que se presentaron durante la práctica debido a que el catalizador se presenta como lecho fluidizado, se logró la reacción de hidrólisis de la sacarosa, obteniendo una conversión de 15% y 4.4% para la apertura de la bomba de 10% y 20% respectivamente.
Finalmente, al analizar las muestras es posible afirmar que, al aumentar el flujo de alimento, disminuye la producción de glucosa.
8. RECOMENDACIONES Previamente a la calibración es necesario encender el espectrofotómetro con treinta minutos de anticipación para que la lámpara se estabilice y el equipo funcione correctamente. Por otra parte, antes de realizar la práctica se debe poner en marcha el baño termostático seleccionando en el programa la temperatura deseada, con el fin de alimentar el baño que calienta al reactor, y así estabilizar la temperatura en el reactor. También se recomienda trabajar con una temperatura entre 50°C y 60°C puesto que con este rango se favorece la hidrolisis de sacarosa. Finalmente se recomienda esterilizar correctamente los equipos para obtener mediciones exactas de absorbancia.
9. REFERENCIAS Levenspiel, O. (2004). Ingeniería de las reacciones químicas. Tercera edición. McGraw-Hill. México. pág. 376-378, 427-429.
Charles, H, Hill, JR. (1977). An Introduction to Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design. New York. Pág 425-429.
Froment, G. Bishoff, .K. (2008). Chemical Reactor Analysis and Design. Tercera edición. John Wiley. New York.
Fundamentos de espectrofotometría. Recuperado de la universidad nacional a distancia. http://datateca.unad.edu.co/contenidos/358005/Fundamentos_de_espectrof otometria.pdf
