UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
Ing. Jorge López.
BALLENA COLAN, LUIS C. RAMIREZ SILVA, LUIS E. RODRIGUEZ VASQUEZ, LUZ
REACTOR TANQUE AGITADO I.
OBJETIVOS
II.
Determinar la constante especifica de saponificación.
velocidad en la reacción en la
Determinar cómo varia la conductividad en relación al tiempo. Determinar cómo varia la concentración de NaOH y tiempo Determinar cómo varia la conversión de NaOH y tiempo
CH 3COONa
CH 3COONa
con el
con el
FUNDAMENTO TEÓRICO
Consta de tres recipientes de reactor conectados en serie, cada uno de los cuales contiene un agitador de hélice impulsado por un motor eléctrico de velocidad variable. Dos recipientes de reactivo y dos bombas de alimentación de velocidad variable alimentan reactivos al primer reactor de la línea. Cada reactor está equipado con sondas de conductividad de precisión para monitorear el proceso. La conductividad es mostrada en un medidor digital sobre la consola usando un interruptor de selección, y las cuatro sondas pueden ser conectadas al accesorio de registro de datos CEX-303IFD opcional de Armfield
Los reactores son conectados en serie. Así, un flujo de salida de un reactor puede ser el flujo de alimentación de un segundo. Cuando estos arreglos son utilizados, es posible agilizar los cálculos mediante el uso de la conversión. Es decir, la conversión, X, es el número total de moles de A que ha reaccionado hasta un punto por mol de A para el primer reactor. Cuando hay mezcla perfecta la concentración es uniforme a lo largo de toda la etapa e igual a la de salida, por lo que ha dicha etapa se le denomina IDEAL. Un ejemplo de cómo se puede relacionar la conversión con los volúmenes de reactores conectados en serie, es la siguiente ilustración:
Encontramos cómo están relacionadas las velocidades de flujo molar y la conversión mediante las siguientes ecuaciones:
Donde de esta forma encontramos las definiciones para X1 y X3.
El balance de moles sobre la especie A para el CSTR en serie es :
Donde el volumen es:
Reactor continúo de tanque agitado (CSTR) El reactor CSTR consiste en un tanque al que continuamente fluye el alimento y descarga o productos a flujos volumétricos tales que el volumen de reacción permanece constante. Es un tipo de reactor de uso muy común en procesos industriales, es un tanque con agitación que opera continuamente, que se conoce como reactor de tanque con agitación continua CSTR (Continuos Stirred Tank Reactor) o también llamado Reactor de Retromezcla. El CSTR normalmente opera en estado estacionario y de modo que está bien mezclado. Como resultado de esto último funciona en el estado constante con flujo continuo de reactivo y de productos; la alimentación asume una composición uniforme a través del reactor, corriente de la salida tiene la misma composición q ue en el tanque.
Consideramos mezclado perfecto, así en cualquier punto la concentración y la temperatura son las mismas. El balance de materia se planteará para un elemento de volumen VR, pues en éste la concentración y la temperatura no varían. Esto presupone contar con agitación adecuada para este fin.
Relación de la conductividad con la concentración 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 Ion por otro de diferente conductividad iónica será proporcional a la velocidad de la concentración del Ion activo. Por ejemplo la hidrólisis alcalina de un Ester. Veamos entonces la reacción de saponificación del acetato de etilo por hidróxido de sodio.
La reacción de saponificación NaOH CH 3COOC 2 H 5 CH 3COONa C 2 H 5OH
a
b
c
d
Tanto el hidróxido de sodio y el acetato de sodio contribuyen a la conductancia en la solución reaccionarte, mientras que el acetato de etilo y el alcohol etílico no. La conductividad del hidróxido de sodio a una concentración y temperatura dada es la misma que del acetato de sodio a la misma concentración y temperatura por tanto las reacciones 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, temperaturas y presión moderada. Puede ser considerado equimolar, de segundo orden total, dentro de los límites de la concentración (0 - 0.1M) y de la temperatura (20- 40°C) dicha reacción alcanza el estado estacionario si cierta cantidad de conversión de reactantes iníciales ha s ido efectiva. Las
condiciones del estado constante variarán dependiendo de la concentración de reactivos, caudal, volumen de reactor y temperatura de la reacción.
t=0 CaO= 0.05 mol/dm3
CbO= 0.05 mol/dm3
t>0
Cx
Cx
Cx
Cx
t=t
Ca
Cb
Cc
Cd
Cc=Cx
Cd=Cx
Ca=CaO- Cx
CcO= 0
Cb=CbO -Cx
Formulas a emplear a0
F a F a F b
a
b0
c b0 para
c a0 para
F a F a F b
b0 a0
a0 0.195 1 0.0184T 294 a0
para T 294
para T 294
para a0 b0
a a0 b0
para a0 b0
a0 0.1951 0.0284T 294 a c a 0 1 a 0
a1 a a0
0 1 0
c1 c
b0 a0
c 0.070 1 0.0284T 294 C
a 0
b
para c0 0
para T 294
CdO= 0
Donde: a : Concentración de
3 NaOH en el tanque de alimentación (mol/dm )
a 0 : Concentración de
3 NaOH en la alimentación de mezclado (mol/dm )
a1 : Concentración de
3 NaOH en el reactor después de un tiempo t (mol/dm )
a
: Concentración de NaOH en el reactor después de un tiempo (mol/dm3)
OBS: b: Concentración de CH 3COOC2H5, usar los mismos subíndices de a C: Concentración de CH 3COONa, usar los mismos subíndices de a F: Vo: Caudal total de alimentación (L/s) Fa: Voa: Caudal de alimentación de NaOH (L/s) Fb: Vob: Caudal de alimentación de CH 3COOC2H5 (L/s) K: Constante de Velocidad especifica. T: Temperatura del Reactor V: Volumen del Reactor
CONVERSION EN LA REACCION xai
xci
Donde:
a0 a1 a0 c
c
( para c0 0)
x a
: Conversión de NaOH
x c
: Conversión de CH3COONa
1 : Conductividad a un tiempo t 1 (siemens)
0 : Conductividad a un tiempo inicial
(siemens)
: Conductividad a un tiempo infinito (siemens)
Calculando la constante de velocidad especifica, k: d (V a1 ) dt
Fa0 Fa0 Vka12
Para reactores continuos operando en estado estacionario el volumen se asume constante: k
k
F (a0 a1 ) V
2
a1
( Fa Fb ) V
III.
(a0 a1 ) 2 1
a
mol 3
dm s
MATERIALES Y MÉTODOS
3.1 EQUIPOS:
Cronometro.
Equipo de reactores Tanque agitado en serie (ARMFIELD CEP-MK II).
Termómetro.
Balanza Analítica.
Baldes de 7L.
Probetas y pipetas.
3.2 MATERIALES:
NaOH 0.05 M Acetato de Etilo 0.05 M Agua Destilada.
3.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Preparación de la solución
Se prepara de 10 de litro de hidróxido de sodio de 0.05M e igual cantidad de acetato de etilo a la misma concentración. Luego se deposita cada solución en los tanques de almacenamiento de reactivo del equipo.
Reactor tanque agitado
Fijamos el control de velocidad de flujo de la bomba 70ml/min
Prendemos el equipo y comenzamos a tomar lectura de la conductividad cuando esta,
después de subir al encendido del equipo comienza a bajar las lectura de conductividad se tomaran cada minuto hasta que l a conductividad sea constante
IV.
CALCULOS Y RESULTADOS._
Se obtuvo los siguientes datos reportados en el laboratorio: Tiempo (min)
Conductividad (mS)
0
4.23
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
4.15 4.09 4.03 3.97 3.92 3.9 3.88 3.86 3.85 3.84 3.83 3.83 3.82 3.82 3.81 3.81
17 18 19 20
3.81 3.81 3.81 3.81
Desarrollo
Temperatura (T) = 298 K
Volumen del reactor (V) = 7 Litros.
Caudal de alimentación de NaOH (υ0A) = 90 ml min = 1.5 10 3 dm s
Caudal de alimentación de
Concentración de NaOH en el tanque de alimentación (aμ) = 0.05 mol/ dm3.
Concentración de CH3COOC2H5 (bμ) = 0.05 mol/ dm3.
3.
au 0.05 mol bu 0.05 mol
Ca0
F a F a F b
dm
3
dm
3
* a
CH 3COOC 2 H 5
Cb0
F b F a F b
(υ0B) = 90 ml
* b
3.
1.5 10 3 dm = s min
Ca0 0.5 0.05 mol
3
dm
0.025 mol
3
dm
Cb0 0.5 0.05 mol
Como CB0 ≥ CA0 entonces CC∞ = CA0 CC∞ = 0.05 mol/dm3
c
0.071 0.0284(T 294)C
C
ΛC∞ = 1.9563 mS ΛA∞ = 0 mS
Ao 0.195 1 0.0184 (T 294 )C Ao A0 0.1951 0.0184298 2940.025 mol
dm
3
A0 5.2472mS C A 0 1.9563 mS 1.9563 mS
Resolviendo: CA∞ = 0 mol/lt C A (C A C A0 )( C A (0 0.025)(
0 t ) C A0 0 4.23 x10
4.23 x10
3
3
t
1.9563 x10 3
) 0.025
4.23 x10 3 t 0 t C Ct C C ( ) (0.025)( ) 0 4.23 x10 3 1.9563 x10 3
X At 1
X At 1 X Ct
C At C A 0 C At 0.025
C Ct C A 0
C Ct 0.025
3
dm
0.025 mol
3
dm
Reemplazando valores: Tiempo (min)
Conductividad (mS)
0
4.23
0.025
0
0
0
1
4.15
0.02412038
0.03518494
0.00087962
0.03518494
2
4.09
0.02346066
0.06157365
0.00153934
0.06157365
3
4.03
0.02280094
0.08796235
0.00219906
0.08796235
4
3.97
0.02214122
0.11435106
0.00285878
0.11435106
5
3.92
0.02159146
0.13634165
0.00340854
0.13634165
6
3.9
0.02137155
0.14513788
0.00362845
0.14513788
7
3.88
0.02115165
0.15393412
0.00384835
0.15393412
8
3.86
0.02093174
0.16273035
0.00406826
0.16273035
9
3.85
0.02082179
0.16712847
0.00417821
0.16712847
10
3.84
0.02071184
0.17152659
0.00428816
0.17152659
11
3.83
0.02060188
0.1759247
0.00439812
0.1759247
12
3.83
0.02060188
0.1759247
0.00439812
0.1759247
13
3.82
0.02049193
0.18032282
0.00450807
0.18032282
14
3.82
0.02049193
0.18032282
0.00450807
0.18032282
CA
XA
CC
XC
15
3.81
0.02038198
0.18472094
0.00461802
0.18472094
16
3.81
0.02038198
0.18472094
0.00461802
0.18472094
17
3.81
0.02038198
0.18472094
0.00461802
0.18472094
18
3.81
0.02038198
0.18472094
0.00461802
0.18472094
19
3.81
0.02038198
0.18472094
0.00461802
0.18472094
20
3.81
0.02038198
0.18472094
0.00461802
0.18472094
GRAFICOS DE LOS RESULTADOS:
Tiempo vs Conductividad 4.25 4.2 4.15 4.1 4.05 4 3.95 3.9 3.85 3.8 3.75 1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
CONCENTRACION NaOH Y ACETATO vs. TIEMPO 0.03
CA
CC
0.025 0.02 0.015 0.01 0.005 0 0
5
10
15
20
Conversión vs Tiempo 0.2 0.18 0.16 0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0
5
10
15
20
25
Determinamos la CONSTANTE DE VELOCIDAD ESPECÍFICA para el REACTOR 1: En el estado estacionario la concentración del Hidróxido de Sodio es:
a o 0.025
mol dm
3
a
eq 0.020381
mol
dm
3
Hallando la constante de reacción
K K
K
( F a F b )(aO a1equilibrio ) V a1equilibrio 2 mol dm 3 s
1.5 10
K 0.04767
V.
3
1.5 10 3 0.025 0.02038 0.7 0.020381 2
dm
3
mol .s
CONCLUSIONES._
1. Se observa que la conductividad es inversamente proporcional al tiempo.
2. Se observa como el hidróxido de sodio se consume conforme avanza el tiempo y el aumento del CH 3COONa conforme avanza la reacción.
