UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO LABORATORIO DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS PRÁCTICA 3 SAPONIFICACIÓN DE ACETATO DE ETILO CON HIDRÓXIDO DE SODIO EN REACTOR TUBULAR ELIANA LLANO CARDONA, MANUELA SANTAMARÍA SANTAMARÍA JARAMILLO RESUMEN En este artículo se estudia estudia la reacción de saponifcación saponifcación de acetato acetato de etilo con hidróxido de sodio en un reactor tubular tipo PFR, se busca determinar el eec eecto to del del tiem tiempo po espa espaci cial al en la conv conver ersi sión ón,, adem además ás se anal analizó izó la inuencia de las velocidades de uo sobre la conversión del reactor! "e encontró #ue el reactor no presenta un comportamiento ideal debido a #ue el uo presentado en el reactor es laminar, lo #ue no permite un mezclado perecto $ el cambio en la concentración no se presenta sólo en la dirección del uido, sino tambi%n en dirección radial! &e otro lado se determinó tanto teórica como experimentalmente #ue la reacción estudiada es exot%rmica!
P'(')R'" *('+E" reactor tubular, tiempo espacial, reacción exot%rmica!
OBJETIVOS &eterminar el r%-imen de uo en el reactor tubular utilizado! *alc *alcul ular ar la conv conver ersi sión ón de la reacción ión de producción de acetato de sodio! Establecer el eecto del tiempo espacial en la conversión lo-rada en el reactor tubular! &eter etermi mina narr la idea ideali lida dad d del del reactor tubular utilizado! &eterminar el calor de reacción $ anali naliza zarr si en la reacc eacció ión n estu estudi diad ada a se desp desprrende ende o se absorbe calor! .btener la dist istribución ión de tiem tiempo poss de resid esiden enci cia a de un reacto ctor de uo uo pistó istón n $ un reactor de uo laminar! INTRODUCCIÓN
/n reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios axiales en la con concent centra raci ción ón,, la pres presió ión n $ la
temperatura! (a ecuación ión de dise0o de un reactor tubular es
"iendo "iendo +, el volumen volumen del reactor, reactor, F'o, el uo uo mola molarr del del react eactiv ivo o límite, 1, el tiempo espacial, *'o, la concentración del reaccionante reaccionante ' en la corriente de entrada, 2 ', la conversión de ' $ r ', la velocidad de reacción de '! (os reactores PFR, a menudo, se cons constr tru$ u$en en de much muchos os tubos tubos de pe#ue0os diámetros $ de -randes lon-itudes $ se emplean con uidos a -randes velocidades $ pe#ue0os tiempos espaciales! Esto minimiza el mezclado axial del uido, limita los perfles radiales de temperatura $ provee el área de trans transer erenc encia ia de calor calor neces necesar aria! ia! (os tubos se arre-lan en un banco
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como en los intercambiadores de calor! "i no se desea intercambio calórico en la zona de reacción, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de diámetros más -randes! 345 El reactor tubular es relativamente ácil de mantener, no tiene partes móviles, $ por lo re-ular tiene la conversión más alta por volumen de reactor de todos los reactores de uo! (a desventaa del reactor tubular es #ue es diícil controlar la temperatura dentro del reactor, $ pueden presentarse puntos calientes cuando la reacción es exot%rmica! 365 En esta práctica se estudia la reacción de saponifcación de acetato de etilo con hidróxido de sodio en un reactor tubular tipo PFR, se busca determinar el eecto del tiempo espacial en la conversión, además se analizará la inuencia de las velocidades de uo sobre la conversión del reactor! "e obtuvo #ue el reactor no presenta un comportamiento ideal debido a #ue el uo presentado en el reactor es laminar, lo #ue no permite un mezclado perecto $ el cambio en la concentración no se presenta sólo en la dirección del uido, sino tambi%n en dirección radial! 7ambi%n se determinó tanto teórica como experimentalmente #ue la reacción estudiada es exot%rmica debido a #ue el 89 de reacción o calor de reacción es ne-ativo esto indica #ue la entalpía de los productos es ma$or #ue la entalpía de los reactivos $ por lo tanto durante la reacción se libera calor! ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DEL PREINFORME Y DE LOS
CÁLCULOS SOLICITADOS EN LA GUÍA Núme! "e Re#$!%"&'
ℜ= v D ( 1 ) υ
&onde, + : +elocidad & : &iámetro del reactor υ : +iscosidad cinemática v
=
Q ( 2 ) A
&onde, ; : *audal ' :
πD 4
2
(3 )
7')(' 4! Resultados para el cálculo del núero de Re!nolds para un caudal de entrada de "#l$%n CÁLCULO NUEMRO DE REYNOLDS PARA CAUDALES DE 3(m%)m*$ &iámetro reactor>m? @!@@6 A!4B4CED 6 m ? @C A *audal prom>m s? !4CCGED
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+elocidad >ms? +iscosidad a 6H!4* >m6s? 3A5 +iscosidad a 6G!G* >m6s? 3A5 +iscosidad promedio Re
@G @!A4HCHC HCC I!4ED@G I!BAED@G I!CCGED @G G6I!4I
7')(' 6! Resultados para el cálculo del núero de Re!nolds para un caudal de entrada de &#l$%n CÁLCULO NUEMRO DE REYNOLDS PARA CAUDALES DE +(m%)m*$ &iámetro reactor>m? @!@@6 A!4B4CED 6 m ? @C @!@@@@@@ A *audal prom>m s? CH @!6@C@@ +elocidad >ms? B6 +iscosidad a 6H!* >m6s?3A5 I!GCED@G +iscosidad a 6I!I* >m6s? 3A5 I!66ED@G I!B4HED +iscosidad promedio @G Re BIG!A4 *omo se puede ver en las tablas 4 $ 6, para ambos experimentos se obtuvo #ue el uo es laminar, debido a #ue Re$nolds menores a 6@@@ son uos laminares! Esto indica #ue en el perfl de velocidad dentro del reactor es parabólico
FJK/R' 4! 'er(l de )eloc%dad dentro del reactor de *u+o la%nar &e modo #ue el uido #ue está en el centro del tubo es el #ue menos tiempo pasa en el reactor! 365 T*em,! e&,-.*-%'
τ =
V ( 4) νo
&onde, + : +olumen del reactor! L@ : +elocidad de uo volum%trico #ue entra en el reactor! V = A∗ L ( 5 )
&onde, ' : mAs? 4ED@C (on-itud el reactor >m? 6!HH +olumen reactor >mA? I!@44ED@C 1 >s? I!@44 7')(' B! Resultados para el cálculo del t%epo espac%al para un caudal de entrada de &#l$%n CÁLCULO TIEMPO ESPACIAL PARA CAUDALES DE +(m%)m*$ +o >mAs? C!CGED@G (on-itud el reactor >m? 6!HH A +olumen reactor >m ? I!@44ED@C 1 >s? 46!@4C 7eniendo en cuenta la defnición de tiempo espacial ME( espacio tiempo es el tiempo #ue el uido tarda en entrar por completo en el reactorN 365, se puede decir #ue los resultados obtenidos son confables, debido a #ue al trabaar con un uo de 6@mlmin se obtiene un ma$or tiempo espacial #ue con un uo de A@ mlmin! C!$/e&*0$ e-%
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X =
C A 0−C A C A 0
(6 )
Es indierente utilizar cual#uiera de los dos reactivos $a #ue tienen una relación de 44, además sus concentraciones iniciales son e#uimolares, por tanto *'@ : @!6 O Para encontrar la concentración fnal *' se utiliza la curva de calibración #ue se encuentra en la parte fnal de la -uía del laboratorio! y =177.38 x + 1.129 &onde, 2 : conductividad >m"cm? : *oncentración de =a.9 >O? "e encuentra #ue para ambos uos la conversión oscila entre @!I6 $ @!IB, los resultados más detallados se muestran en las tablas de los anexos! &e los resultados obtenidos >ver tablas de anexos? se puede observar #ue se presenta una ma$or conversión cuando se trabaa con un uo menor esto debido a #ue con un uo menor aumenta el tiempo espacial o de residencia media dentro del reactor lo #ue se resume en un ma$or tiempo de contacto entre los reactivos provocando una conversión más alta de reactivos a productos! C!$/e&*0$ *"e-%
)alance de moles en un PFR X
V = F A 0
∫ −dxr 0
A
−r A= k C α A C A =k C Ao ( 1− X )
Q :.rden de la reacción : 6 "e inte-ra $ se despea la conversión Vk C Ao X
=
2
F Ao
−
1
2
Vk C Ao F Ao
7')(' H! Resultados para el cálculo de la con)ers%-n %deal para un caudal de entrada de "#l$%n CONVERSIÓN IDEAL PARA CAUDALES DE 3(m%)m*$ E >mol? BC!HGA A '>m molSs? BG!4I@ a 6H!4* >(molSs? BCA@4!CIC a 6G!G *>(molSs? BCA@!64@ prom BCA@H!BBI Fao >mols? @!@@@6@@ volumen reactor >(? @!@@I x @!ICH 7')(' C! Resultados para el cálculo de la con)ers%-n %deal para un caudal de entrada de &#l$%n CONVERSIÓN IDEAL PARA CAUDALES DE +(m%)m*$ E >mol? BC!HGAB '>mAmolSs? BG!4I a 6H!* BC!A@B@4H@ >mTAmolSs? 6 a 6I!I BC!A46AHBB *>mTAmolSs? BC!A@I4IBG prom C Fao >mols? @!@@@6@ volumen reactor >(? @!@@I x @!IG 1E& e% e-.2! e,e*me$2! *"e-%4
"e%
=o es ideal, por#ue en un reactor de uo ideal todos los átomos de
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material #ue salen del reactor han estado en su interior exactamente el mismo tiempoU además en un reactor ideal el r%-imen de uo debe ser turbulento, $a #ue bao esta condición ha$ mezclado completo en la dirección radialU esto hace #ue la concentración $ las propiedades de las sustancias permanezcan constantes en dicha dirección! como se observa en los cálculos el r%-imen de uo es laminar! 1C56% e& %- e.5-.*0$ "e %75$.*0$ "e "*&2*85.*0$ "e 2*em,!& "e e&*"e$.*- 9DTR: "e 5$ e-.2! "e ;5
Reactor de uo pistón 365 En este caso todos los átomos #ue salen han pasado exactamente el mismo tiempo dentro del reactor, la unción de distribución en un caso así es un pico de altura infnita $ anchura cero, cu$a área es i-ual a 4, el pico ocurre en t:+v:V, matemáticamente este pico se representa con la unción delta de &irac! E ( t ) = δ ( t −τ )
FJK/R' 6! Respuesta de *u+o p%st-n a una entrada de tra.ada por pulso •
Reactor de uo laminar! 365 (a unción de la &7R completa para un reactor de uo laminar es
Esta unción presenta las si-uientes propiedades DTR =δ ( x ) =
{
0 x ≠ 0
∞ x =0
{ } <
0 t
•
E ( t ) =
τ 2
2
τ τ t≥ 3 2 2 t
(ue-o la orma adimensional de la unción &7R es E ( θ ) =
θ=
{
0θ 1 2θ
3
< 0.5
θ ≥ 0.5
}
t τ
}
∞
∫ δ ( x ) dx =1
−∞
∞
∫ g ( x ) δ ( t − τ ) dx =g (t )
−∞
FJK/R' A! Cur)a de la DTR para un reactor de *u+o la%nar
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C-%! "e e-..*0$ "
Δ Rx!= Δ Rx! + Δ C# Δ T "
"
"
Δ Rx!= Δ $rod%&to− Δ R'(&t)vo
experimentalmente se observa #ue a medida #ue avanza la reacción la temperatura aumenta lo #ue corrobora #ue se presenta una liberación de calor durante el proceso! CONCLUSIONES
Δ C#= Δ C# $rod%&to* − ΔC# R'(&t)vo*
7')(' G! Resultados para el cálculo del calor de reacc%-n CALOR DE REACCIÓN 7prom >W*? 6C!B 89W etanol >cal mol?3B5 DHC!46 89W acetato de sodio >cal mol? 3B5 D4C!I 89W productos >cal mol? 3B5 D66H!6 89W acetato de etilo >cal mol? 3B5 D4@H!IC 89W =a.9 >cal mol? 3B5 D4@4! 89W reactivos >cal mol? 3B5 D6@G!IH 89W reacciXn>cal mol? 3B5 D4I!@G 89W reacciXn>Ymol? 3B5 DGHCHH!BG *p reactivos >YmolS? 3B5 6HI!HICH *p productos >YmolS? 3B5 4H!@@GC *p DCA!HGI4 87 4!B 89W reacciXn>Ymol? DGHHCC!BCH *omo se puede observar en la tabla anterior el 89 de reacción o calor de reacción es ne-ativo esto indica #ue la entalpía de los productos es ma$or #ue la entalpía de los reactivos $ por lo tanto durante la reacción se libera calor, esto nos permite concluir #ue la reacción de saponifcación de acetato de etilo con hidróxido de sodio es una reacción exot%rmica! 'demás en los datos tomados
"e observa #ue a medida #ue aumenta el uo de los reactivos dentro del reactor, disminu$e el tiempo espacial $ por tanto el tiempo de contacto entre ellos, lo #ue hace #ue ha$a una conversión menor! 7ambi%n se observa #ue si el uo dentro del reactor es laminar el comportamiento se alea de la idealidad del reactor, esto debido a #ue los reactivos no presentan un buen mezclado $ no todos los átomos permanecen el mismo tiempo dentro del reactor $ por tanto se presentará un cambio de concentración tanto en dirección radial como en la dirección de uo, lo #ue hace #ue el reactor no presente un uo tapón! &e otro lado se-Zn los datos de temperatura obtenidos experimentalmente $ el resultado del cálculo teórico del calor de reacción para la saponifcación de acetato de etilo con hidróxido de sodio, se evidencia #ue la reacción de saponifcación de acetato de etilo con hidróxido de sodio es una reacción exot%rmica! *onocer $ comprender el dise0o $ operación de dierentes tipos de reactores es undamental para la producción de casi todas las sustancias #uímicas industriales, este conocimiento, #ue se ad#uiere a nivel de laboratorio, le permite al in-eniero #uímico establecer las características operacionales adecuadas #ue re#uiere un determinado proceso industrial, además de darle criterios #ue le permitan transormar procesos $a
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existentes con el fn de hacerlo mas efciente! REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
345 Reactor PFR! Publicación electrónica en línea http[[[!-a leon!commcoronadoPR'*7J*'"\J 4BPractica4B!pd ! *onsultada el C de ma$o de 6@44! 365 9!"! Fo-ler, Elementos de in-eniería de las reacciones #uímicas, A ed! O%xico Prentice 9all, 6@@4! 3A5 (!"! '-uilar, Oecánica de uidos, OedellínD*olombia, 6@@! 3B5 base de datos biblio-ráfca ]novel! http[h$!]novel!com! *onsultada el C de ma$o de 6@44!
ANEXOS
7')(' I! Resultados para la con)ers%-n real o/ten%dos para un caudal de entrada de react%)os de "# l$%n .!$"5.2*/*"-" 9mS).m: T9=C: >N-OH? X C!GB 6H!4 @!@A4CA6CHA @!IB4IACGAH C!I6 6H!4 @!@A6@IACC6 @!IAHI4CI C!IH 6H!4 @!@A66H6G4 @!IAIGAC@BG C! 6H!4 @!@AA@B6@HG @!IABGIG4G G!@B 6H!6 @!@AAA6AAG @!IAAAI@A4A G!4C 6H!6 @!@AB@@@BH4 @!I6GGBH G!4I 6H!6 @!@AB44A6@A @!I6BAAIB G!4I 6H!6 @!@AB44A6@A @!I6BAAIB G!64 6H!6 @!@AB6I6AA6 @!I6IHIIAB4 G!6G 6H!A @!@ABC6@HI @!I6CIG@HG G!A4 6H!A @!@ABIBC@A @!I6HGCHAB G!AA 6H!A @!@ABHIIBH @!I6H6@HGGA G!AB 6H!B @!@AH@4H666 @!I6B6AI6 G!AH 6H!H @!@AH@G4HI @!I6BCB6@46 G!AH 6H!H @!@AH@G4HI @!I6BCB6@46 G!AG 6H!C @!@AH4IBAH @!I6B@GI6H G!B6 6H!G @!@AHBCC6A4 @!I66CCIIBG G!B 6H!G @!@AHAHABGI @!I6A6A6C@I G!B4 6H!I @!@AHB@IHH @!I66H@G6G G!B6 6H! @!@AHBCC6A4 @!I66CCIIBG G!B6 6C @!@AHBCC6A4 @!I66CCIIBG G!B4 6C!4 @!@AHB@IHH @!I66H@G6G G!B 6C!6 @!@AHAHABGI @!I6A6A6C@I G!A 6C!6 @!@AH6G4@6 @!I6AH4BBI G!A 6C!A @!@AH6G4@6 @!I6AH4BBI G!B 6C!B @!@AHAHABGI @!I6A6A6C@I G!A 6C!H @!@AH6G4@6 @!I6AH4BBI G!AG 6C!C @!@AH4IBAH @!I6B@GI6H G!AC 6C!G @!@AH46GGB @!I6BAC@4A4 G!AC 6C!I @!@AH46GGB @!I6BAC@4A4 G!AB 6C! @!@AH@4H666 @!I6B6AI6 G!A6 6G @!@AB@6BC @!I6HBIGCHB G!A4 6G!4 @!@ABIBC@A @!I6HGCHAB G!6 6G!6 @!@ABGAAAB4 @!I6CAAA6C G!6I 6G!A @!@ABCGCCH @!I6CC4H4GC G!6G 6G!B @!@ABC6@HI @!I6CIG@HG G!6H 6G!H @!@ABH@GIAC @!I6GBC@I4
G!6B G!4H
6G!C 6G!G
7')(' ! Resultados para la con)ers%-n entrada de react%)os de &# l$%n .!$"5.2*/*"-" 9mS).m: T9=C: >N-OH? C!C 6H! C!GB 6H! C!GC 6H! C!G 6H! C!I 6H! C!IA 6H! C!I6 6H! C!I6 6H! C!IH 6H! C!IG 6H! C!4 6H! C!B 6C C!B 6C C!H 6C C!C 6C C!I 6C C!G 6C!4 G!@4 6C!4 G!@6 6C!4 G!@B 6C!6 G!@A 6C!6 G!@A 6C!6 G!@C 6C!A G!@I 6C!A G!@I 6C!A G!@ 6C!B G!@ 6C!B G!4 6C!H G!4 6C!H G!4 6C!C G!44 6C!C G!44 6C!G G!4A 6C!I G!4A 6C!I G!4A 6C! G!4B 6C! G!4A 6G G!4A 6G!4 G!4B 6G!4 G!46 6G!6
@!@ABBH4BC @!@AABB@GH
@!I6GGB6C @!IA@6GC6C
real o/ten%dos para un caudal de
X
@!@A4AH@GG6 @!@A4CA6CHA @!@A4GBHB@H @!@A44BHAB @!@A4G@4 @!@A64B@@AI @!@A6@IACC6 @!@A6@IACC6 @!@A66H6G4 @!@A6ACHHBA @!@A6H4@BG @!@A6GC@4GC @!@A6GC@4GC @!@A6I4CHH6 @!@A6IG66I @!@A6IHCI @!@A66A@B @!@AA4HBI@ @!@AA6444IH @!@AAA6AAG @!@AA6CGHC4 @!@AA6CGHC4 @!@AABACC @!@AAHBBB6 @!@AAHBBB6 @!@AAC@HI4I @!@AAC@HI4I @!@AACC64B @!@AACC64B @!@AACC64B @!@AAG4IHG @!@AAG4IHG @!@AAIA4A6A @!@AAIA4A6A @!@AAIA4A6A @!@AAIIGC @!@AAIA4A6A @!@AAIA4A6A @!@AAIIGC @!@AAGGBBC
@!IBA6BC4AI @!IB4IACGAH @!IB46G6GA @!IB@B6GAA4 @!IB@4BHBH @!IA6I@I @!IAHI4CI @!IAHI4CI @!IAIGAC@BG @!IAI4G66IH @!IAG@BBGCA @!IAC4464 @!IAC4464 @!IAH4G6B @!IAHCAHAH @!IAH@G4HI @!IAHAHABGI @!IAB66HHC @!IAABB@GH @!IAAAI@A4A @!IAACC64B @!IAACC64B @!IA6I4CHH6 @!IA66H6G4 @!IA66H6G4 @!IA4G@4 @!IA4G@4 @!IA4CI@6 @!IA4CI@6 @!IA4CI@6 @!IA4B@G4BI @!IA4B@G4BI @!IA@IBAAIG @!IA@IBAAIG @!IA@IBAAIG @!IA@HC4H@C @!IA@IBAAIG @!IA@IBAAIG @!IA@HC4H@C @!IA446H6CI
G!4 G!44 G!44 G!46 G!44 G!46 G!46 G!44 G!4A G!44 G!4 G!4 G!4 G!@C G!@ G!@C G!@I G!@H G!@I G!@C G!@H G!@H G!@G G!@C G!@H G!@B G!@6 G!@A C!H C!4
6G!6 6G!A 6G!B 6G!B 6G!H 6G!C 6G!C 6G!G 6G!I 6G!I 6G! 6G! 6I 6I 6I!4 6I!6 6I!6 6I!A 6I!A 6I!B 6I!B 6I!H 6I!H 6I!C 6I!C 6I!C 6I!G 6I!G 6I!I 6I!I
@!@AACC64B @!@AAG4IHG @!@AAG4IHG @!@AAGGBBC @!@AAG4IHG @!@AAGGBBC @!@AAGGBBC @!@AAG4IHG @!@AAIA4A6A @!@AAG4IHG @!@AACC64B @!@AACC64B @!@AACC64B @!@AABACC @!@AAC@HI4I @!@AABACC @!@AAHBBB6 @!@AAAI@A4A @!@AAHBBB6 @!@AABACC @!@AAAI@A4A @!@AAAI@A4A @!@AABA@CC @!@AABACC @!@AAAI@A4A @!@AAA6AAG @!@AA6444IH @!@AA6CGHC4 @!@A6I4CHH6 @!@A6H4@BG
@!IA4CI@6 @!IA4B@G4BI @!IA4B@G4BI @!IA446H6CI @!IA4B@G4BI @!IA446H6CI @!IA446H6CI @!IA4B@G4BI @!IA@IBAAIG @!IA4B@G4BI @!IA4CI@6 @!IA4CI@6 @!IA4CI@6 @!IA6I4CHH6 @!IA4G@4 @!IA6I4CHH6 @!IA66H6G4 @!IAA@IBAA @!IA66H6G4 @!IA6I4CHH6 @!IAA@IBAA @!IAA@IBAA @!IA6HABCG4 @!IA6I4CHH6 @!IAA@IBAA @!IAAAI@A4A @!IAABB@GH @!IAACC64B @!IAH4G6B @!IAG@BBGCA
