Sistema de Reactores Cstr en Serie (Final)

Universidad Nacional del Callao Facultad de Ingeniería Química Escuela Profesional de Ingeniería Química LABORATOTIO N°3 Tema: Sistema de Reactores CSTR en Serie

Curso: Laboratorio de Ingeniería Química II

Profesor: Ing. Juan Medina Collana

Alumno: Valderrama Pérez Luis Ángel

Bellavista-Callao

2011-A

060785-E

Laboratorio n°3: Sistema de Reactores CSTR en serie

SISTEMA DE REACTORES CSTR EN SERIE I.

OBJETIVOS    

II.

Determinación de la constante especifica de velocidad en la reacción de saponificación. Determinar como varia la conductividad en relación al tiempo. Determinar como varia la concentración de NaOH y CH3COONa. Determinar como varia la conversión de NaOH y CH3COONa.

FUNDAMENTO TEORICO

INTRODUCCIÓN A LOS REACTORES DE FLUJO En un reactor de mezcla perfecta CSTR, las propiedades no se modifican ni con el tiempo ni con la posición, ya que suponemos que estamos trabajando en estado de flujo estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniforme. El tiempo de mezcla tiene que ser muy pequeño en comparación con el tiempo de permanencia en el reactor. En la práctica se puede llevar a cabo siempre que la mezcla fluida sea poco viscosa y esté bien agitada. El término equivalente a Na, es decir, número de moles de la especie A, en un reactor de flujo será

La conversión de reacción la podemos definir como

  son los moles de la especie A por unidad de tiempo referidos a conversión cero, (diferentes de los moles por unidad de tiempo en la entrada del reactor, que pueden introducirse en el reactor con o sin conversión) Fa son los moles de la especie A por unidad tiempo referido a conversión Xa. 2

Laboratorio de Ingeniería Química II


La relación que existe entre el caudal molar, Fa, y el caudal volumétrico, Q, es el siguiente Fa = QCa

( molesA / s )

ECUACIÓN DE DISEÑO PARA UN REACTOR DE MEZCLA PERFECTA EN ESTADO ESTACIONARIO: Si aplicamos un balance molar global al reactor de mezcla perfecta:

Entrada + Generación - Salida = Acumulación Como estamos en estado estacionario el término de acumulación se anula, con lo que nos queda

3



Un factor muy importante a tener en cuenta es   . Este término indica que la velocidad de reacción ha de ponerse en condiciones de salida, es decir la función de concentración de la velocidad de reacción ha de ponerse en función de la concentración a la salida del reactor.

El balance de masa anterior lo podemos poner en función de la conversión

Sustituyendo en el balance de masa

Reordenando nos queda:

Que es la expresión de la ecuación de diseño de un reactor de mezcla perfecta. Si el caudal no varía desde la entrada a la salida del reactor y de acuerdo a la definición de conversión de reacción:

De la misma forma podemos escribir:

4



Sustituyendo en la ecuación de diseño:

Expresión válida para reactores de mezcla perfecta en los que el caudal volumétrico, Q permanezca constante Un término muy utilizado en el diseño de reactores es el tiempo espacial. Este tiempo espacial se define como el tiempo necesario para tratar en el reactor un volumen de alimentación (medido en condiciones de presión y temperatura a la entrada del reactor) igual al volumen del reactor. Se obtiene dividiendo el volumen de reactor entre el caudal volumétrico de entrada al reactor

Teniendo en cuenta esta definición la ecuación de diseño del reactor de mezcla perfecta queda de la forma

RELACIÓN DE LA CONDUCTIVIDAD CON LA CONCENTRACION: La conductividad de una solución reaccionante en un reactor cambia con el grado de conversión y esto provee un método conveniente para monitorear el progreso de una reacción química. Esto es útil para el estudio de reacciones en que intervienen iones que + presentan conductividades iónicas relativamente altas (particularmente iones H y OH ). En soluciones diluidas la sustitución de un ión por otro de diferente conductividad iónica será proporcional a la velocidad de variación de concentración del ión activo. Por ejemplo la hidrólisis alcalina de un éster. Veamos entonces la reacción de saponificación del acetato de etilo por hidróxido de sodio: NaOH + CH3COOC2H5 = CH3COONa + C 2H5OH

5



Tanto el hidróxido de sodio y el acetato de sodio contribuyen a la conductancia en la solución reaccionante, mientras que el acetato de etilo y el alcohol etílico no. La conductividad del hidróxido de sodio a una concentración y temperatura dada no es la misma que del acetato de sodio a la misma concentración y temperatura; por tanto las relaciones han sido establecidas para permitir deducir la conversión a partir de la conductividad. Esta reacción es de segundo orden y puede ser considerada irreversible a conversiones bajas, temperatura y presión moderada.

ECUACIONES PARA CALCULAR LA CONSTANTE DE VELOCIDAD: k

C A0 

F A F A  F B

C B 0 

* C A

F A F A  F B

* C B

 C   0.07  1  0.0284 T  294   C C  para T ≥ 294

 A  0.195  1  0.0184 T  294   C A 0

0

para T ≥ 294

C c  = C Bo

para C Bo < C Ao

= C Ao

para C Bo ≥ C Ao

Cc



C Ao

=0

para C Ao < C Bo

C Ao

 a0  b0 

para C Ao ≥ C Bo

6



 A  0.195  1  0.0184 T  294   C A

Si C A no es igual a cero ( C A 



 0):

    C    A

PARA LAS CONCENTRACIONES:

  O   t     C A0       o  

C Ai  (C A  C A0 ) * 

  O   t     o  

C C  C C  * 

para C C 0 = 0

 o   AO

PARA LA CONVERSION DE LA REACCION:

X A



X C



C

A 0



C A



C A0 C C

Para CC0 = 0

C C



CALCULANDO LA CONSTANTE DE VELOCIDAD ESPECÍFICA : k

Velocidad de cambio en el reactor = Entrada – Salida + Acumulación

d (V * C A ) dt

 F * C A0  F * C A  V .k .C A2

Para reactores continuos operando en estado estacionario el volumen se asume constante

k 

F V

*

C A0  C Aeq 2

C Aeq

7



k 

F A  F B V

*

C A0  C Aeq

k  

2

C Aeq

dm 3 mol * s

III. MATERIALES Y EQUIPOS



Hidróxido de sodio.



Acetato de etilo. (   0.902

       

gr ml

)

Agua Destilada. Cronometro. 2 Vasos de precipitado (1000ml y 500ml). 2 Baldes de 7 L. 1 pipeta (5ml). 1 probeta (100ml). Balanza Analítica Equipo de reactor de tanque con agitación continua ( REACTOR CSTR CEM MK II ), este reactor consta de diversos instrumentos que son :

a) Termómetro digital. b) Conductimetro digital. c) 2 Bombas peristálticas d) Calentador de agua eléctrico. e) Bomba de regulación de agua.

IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 

Preparar 4 litros de una solución de 0.05M de hidróxido de sodio y 0.05M de acetato de etilo y depositarlo en los tanques de almacenamiento de cada uno de los reactivos del equipo, a un nivel aproximado de 5 cm del tope y taparlos.



Fijar los controles de velocidad de flujo de las bombas alrededor de 80 ml/min de caudal.



Establecer la velocidad de los agitadores a un valor de 7.0.

8


Laboratorio n°3: Sistema de Reactores CSTR en serie 







Asegurarse que la temperatura del termostato este a 25ºC, esto es para el agua de adentro.

Prender ambos controles, los de la bomba y el de los agitadores en el modo manual y encender el equipo.

Proceder a la lectura de datos de conductividad cada 30 seg. hasta que se mantenga constante.

Calcular el valor de la constante de velocidad especifica, utilizando las ecuaciones mencionadas anteriormente.

V. CALCULOS Y RESULTADOS DATOS: Temperatura (T) = 22ºC =295.15 ºK Volumen del Reactor (V) = 0.7797 dm

3

-3

3

Caudal de alimentación de NaOH (FA) = 90 ml/min. = 1.510 dm /s. -3

3

Caudal de alimentación de CH 3COOC2H5 (FB) = 90 ml/min. = 1.510 dm /s. Concentración de NaOH en el tanque de alimentación (CAu) = 0.05 mol/dm3 Concentración de CH3COOC2H5 en el tanque de alimentación (CBu) = 0.05 mol/dm

3

CALCULANDO:

F A

C A0 

C C



F A  F B

* C A

3 = 0.5 * 0.05 = 0.025 mol/dm = C B 0

= C A 0

para C B 0 < C A 0

C C

para C B 0 ≥ C A 0



= C B 0

Como C B 0

=

C A 0 , entonces: C C



= C B 0 9



Para T = 295.15 K:

Conductividad NaOH Tiempo(s) (ms) (mol/dm3)

CH3COONa

0

4.73

0.025

30

4.70

60

Conversion NaOH

Conversion CH3COONa

0.00

0.00

0.00

0.0229

0.0021

0.0823

0.0823

4.66

0.0226

0.0024

0.0949

0.0949

90

4.63

0.0224

0.0026

0.1044

0.1044

120

4.59

0.0218

0.0032

0.1297

0.1297

150

4.55

0.0214

0.0036

0.1424

0.1424

180

4.51

0.0213

0.0037

0.1497

0.1487

210

4.46

0.021

0.004

0.1582

0.1582

240

4.44

0.0209

0.0041

0.1646

0.1646

270

4.43

0.0208

0.0042

0.1677

0.1677

300

4.41

0.0206

0.0044

0.1741

0.1741

330

4.40

0.0206

0.0044

0.1772

0.1772

360

4.39

0.0205

0.0045

0.1804

0.1804

390

4.38

0.0204

0.0046

0.1835

0.1835

450

4.38

0.0203

0.0047

0.1867

0.1867

480

4.38

0.0203

0.0047

0.1899

0.1899

510

4.36

0.0203

0.0047

0.1899

0.1899

540

4.36

0.0203

0.0047

0.1899

0.1899

570

4.36

0.0203

0.0047

0.1899

0.1899

600

4.36

0.0203

0.0047

0.1899

0.1899

630

4.36

0.0203

0.0047

0.1899

0.1899

660

4.33

0.0203

0.0047

0.1899

0.1899

690

4.30

0.0203

0.0047

0.1899

0.1899

(mol/dm3)

10



C C



= 0.025 mol/dm

3

 C   0.07  1  0.0284 T  294   C C 

-3

= 1.807 10 Siems = 1.807mSiems

Entonces, reemplazando:

 A0  0.195  1  0.0184 T  294   C A0  9.956 mSiems

c    = 1.807 ms

11



a0   0=

9.956 ms

  O   t    9.956   t    C A0 = (0  0.025) *     0.025      o     9.956 1.807    

C Ai  (C A  C A0 ) * 

  O   t    6.5927   t   = 0 . 025 *   6.5927 - 1.807   o     

C C  C C  *  Conversiones:

X A

X C

C

A 0





CA



C A0



C C C C

=



=

0.025



a1



0.025

C 1

0.025

TIEMPO vs NaOH y CH3COONa reactor 1 0.03 0.025 a N O 0.02 O C 3 H0.015 C y H O 0.01 a N

NaOH CH3COONa

0.005 0 0

500

1000

1500

t(seg)

12



TIEMPO vs CONVERSION a 0.25 N O O C 0.2 3 H C y H0.15 O a N e 0.1 d n o i s 0.05 r e v n o c 0

0

200

400

600

800

1000

1200

t(seg)

En estado estacionario la concentración de NaOH es 0.01525 mol/dm

k 

F A  F B V

*

3

C A0  C Aeq 2

C Aeq g

CALCULO DE LA CONSTANTE

k 

0.0015  0.0015 0.7797

*

0.025  0.0198 0.01982

k  0.051 dm 3 / molseg

(Real)

13



0

TEORICAMENTE PARA T = 22 C=295.15K

K=0.0799 dm3/molseg

(teóricamente)

VI. CONCLUSIONES









El grado de conversión aumenta a medida que la conductividad de la solución disminuye, es decir son inversamente proporcionales.

El grado de concentración del reactivo disminuye a medida que la conductividad de la solución disminuye, es decir son directamente proporcionales.

La conversión del equilibrio en un CSTR es menor que la conversión que se obtendría en una batería de reactores CSTR en serie con el mismo volumen.

Los valores de la constante de velocidad para ambas temperaturas difieren mucho en su valor, lo que nos indica que hubo errores de m edición.

VII. RECOMENDACIONES



Lavar el equipo con agua destilada, antes de utilizarlo.



Esperar que se estabilice el valor de la conductividad que marca el panel de lectura.



Tener cuidado en el momento de realizar las mediciones, para que los resultados no salgan erróneos.

14



VIII. BIBLIOGRAFIA











Alan S. Foust, Leonard A. Wenzel,”Principios de Operaciones Unitarias”, primera edición, Editorial Continental.

1993-2003 Microsoft Corporation., “Enciclopedia Encarta”

Molyneux . F. “Ejercicios de Laboratorio de Ingeniería Química”. Ed.Blume, Barcelona España 1969.

Smith J.M. “Ingeniería de la Cinética Química”.Ed.CECSA, Nueva Edición, México 1987.

H.Scott Fogler. “Elementos de Ingeniería de las reacciones químicas”. Editorial Mexicana. Tercera Edición, México, 2001.

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