informe 5 grupo 3 sin modificar

Vista previa del material en texto

UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
CARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA
 
 
LABORATORIO DE REACTORES QUÍMICOS
INFORME N° 5
FUNCIONAMIENTO DE UN REACTOR MEZCLA COMPLETA T.A.C.
EN ESTADO ESTACIONARIO
 
 
GRUPO: 3
INTEGRANTES:
1. Bonifacio Loma Kimberly
2. Jarro Mamani Lidia
3. Manzano Valdivia Xavier Rodrigo
4. Zabala Torrico Carlos Alberto
5. Zambrana Ocaña Jorge Luis
 
Cochabamba, 23/10/2021
1. RESUMEN
El presente informe tiene como propósito entender el funcionamiento de un reactor de mezcla completa, es decir conocer el procedimiento general de su puesta en marcha, mediante la determinación del grado de conversión de un reactivo empleando para este análisis como reacción química la saponificación del acetato de etilo. Así también, se llega a hacer un análisis comparativo entre el grado de conversión determinado experimentalmente utilizando un sistema de titulación con una solución de ácido clorhídrico 0.1 [M] que titulará el hidróxido residual de una alícuota procedente del flujo de la salida del reactor y el grado de conversión determinado de forma teórica empleando la ecuación de diseño de un tanque de mezcla completa.
2. INTRODUCCIÓN
El tipo de reactor mezcla completa consiste en un tanque con buena agitación, en el que hay un flujo continuo de material reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (parcialmente), como consecuencia de ello, el corriente efluente tiene la misma composición.
En los procesos industriales, uno de los reactores de uso común es el reactor de mezcla completa o perfecta. Se llama reactor continuo de mezcla completa (CSTR, Continuous Stirred Tank Reactor) o reactor de retromezcla (backmix), y se emplea sobre todo en reacciones en fase líquida. Este reactor normalmente opera en estado estacionario y se asume que produce una mezcla completa o perfecta, es decir no existe dependencia del tiempo o de la posición en la temperatura, la concentración o de la velocidad de reacción dentro del CSTR, de esta forma siendo todas las variables iguales en todos los puntos del interior del reactor y por lo cual son las mismas en el punto de salida. Por lo tanto, la temperatura y la concentración de la corriente de salida se toman en el modelo como si fueran iguales a aquellas en el interior del reactor. Así mismo, opera de forma continua, es decir los flujos de entrada y salida son permanentes. Es relativamente fácil mantener un buen control de la temperatura con un CSTR y puede adicionarse un intercambiador para el control de esta variable; sin embargo, tiene la desventaja de que la conversión del reactivo por volumen de reactor es la más pequeña de todos los reactores de flujo. Por ello se requieren reactores muy grandes para obtener conversiones altas. 
3. ANTECEDENTES
En reacciones isotérmicas con orden mayor de cero, el volumen del CSTR generalmente será mayor que el volumen de otros reactores flujo para las mismas condiciones de conversión y reacción (temperatura, velocidad de flujo, otros). El motivo por el cual el volumen del CSTR isotérmico suele ser mayor es que siempre funciona a velocidad de reacción más baja, mientras que los otros reactores de flujo inician a alta velocidad en la entrada, ya que el volumen es inversamente proporcional a la velocidad. Sin embargo, para reacciones autocatalíticas, reacciones inhibidas por producto y reacciones exotérmicas no isotérmicas, dichas tendencias no siempre se observan. Con el fin de que exista una buena mezcla de las especies químicas dentro del reactor es necesaria una buena agitación con el fin de asegurar una mezcla de forma total alcanzando una homogeneidad completa. Una mala agitación provoca gradientes de concentración en el reactor que dificultan el control de la reacción. Para sistemas donde el mezclado es altamente no ideal, este modelo de mezcla perfecta resulta inadecuado. Por lo que en tales casos se debe recurrir a técnicas de modelaje, como la distribución del tiempo de residencia para obtener resultados significativos. Se cree que para representar un CSTR real se puede emplear un modelo que incluye combinación de un CSTR ideal de un determinado volumen, una zona muerta de volumen determinado y un cortocircuito con un flujo volumétrico determinado. Estos modelos se basan en que casi todos los tanques reactores de agitación hay una zona bien mezclada en la vecindad del agitador, esta zona suele representarse por un CSTR. Después, la región fuera de esta zona bien mezclada puede representarse de diversas maneras. Los modelos más simples incluyen el CSTR principal combinado con un volumen de espacio muerto (en los que la renovación de la mezcla de reacción está completamente ausente); y si se sospecha cierto grado de cortocircuito de la alimentación a la salida, puede agregarse una corriente de cortocircuito (la presencia de cortocircuitos se refiere a una fracción importante de la corriente de entrada que se dirige directamente a la salida sin dispersarse en el interior del reactor).
4. OBJETIVOS
4.1 OBJETIVO GENERAL
Determinar el grado de conversión de la reacción de saponificación del acetato de etilo, operado a un tiempo resistencia y temperatura ambiente.
4.2 OBJETIVO ESPECIFICO
1. Realizar un análisis comparativo del grado de conversión experimental frente a la modelación matemática de un R. T.A.C.
2. Calcular la conversión en estado estacionario de un reactor de tanque agitado continuo a partir de datos teóricos y experimentales.
5. FUNDAMENTO TEÓRICO
Un reactor de mezcla completa es un tanque dotado de un mecanismo de agitación que garantice un mezclado que haga que toda la masa reaccionante sea uniforme en sus propiedades.
Un reactor de mezcla completa opera en forma continua, es decir, los flujos de entrada de reaccionantes y salida de productos son permanentes. Se asume que la corriente de entrada es perfecta e instantáneamente mezclada con la masa presente en el reactor, de tal manera que la concentración de la corriente de salida es igual a la concentración de la masa reaccionante dentro del reactor.
La conversión que se alcanza en un reactor de mezcla completa depende del volumen, el tiempo espacial y la velocidad de reacción en el reactor, además del flujo y la concentración del alimento. Estos factores están relacionados en la ecuación de diseño propia de este tipo de reactor.
El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior del tanque se produzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reacción, y que no existan o queden espacios muertos.
Este tipo de reactores es de uso común en procesos industriales. El CSTR normalmente se opera en estado estacionario y de modo que esté muy bien mezclado. Como resultado de esto último, el CSTR generalmente se modela sin variaciones espaciales en la concentración, temperatura o velocidad de reacción en todos los puntos del recipiente. Puesto que la temperatura y la concentración son idénticas en todo el interior del recipiente de reacción, son también las mismas en el punto de salida. Así pues, la temperatura y la concentración en el flujo de salida se modelan como iguales a las que imperan en el interior del reactor. En los sistemas en los que el mezclado se aleja mucho de lo ideal, el modelo bien mezclado no es apropiado y hay que recurrir a otras técnicas de modelado, como distribuciones de tiempo de residencia, para obtener resultados significativos.
La ecuación adopta la forma conocida llamada ecuación de diseño para un CSTR.
La ecuación de diseño del CSTR da el volumen de reactor necesario para reducir la velocidad de flujo de entrada de la especie j, Fjo, a la velocidad del flujo de salida, Fj. Cabe señalar que le CSTR se modeló de modo tal que las condiciones en el flujo de salida (por ejemplo: concentración, temperatura) son idénticas a las que imperan en el tanque. La velocidad de flujo molar Fj no es más que el producto de la concentraciónde la especie j y la velocidad de flujo volumétrica v.
Considerando un balance general de materia para observar de donde viene la ecuación de diseño se tiene: 
Donde:
Acumulación de A [moles/tiempo] = 0 estado estacionario
Entrada de A, [moles/tiempo] =
Salida de A, [moles/tiempo] = 
Generación de A [moles/tiempo] = (desaparición de A por reacción química)
 (moles de A que reaccionan / (tiempo) (volumen de fluido)
V = volumen de reactor
Sustituyendo al balance de materiales se tiene:
y efectuando operaciones, resulta:
 Dónde:
 Tiempo de residencia Flujo volumétrico total
6. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS
6.1 EQUIPO Y MATERIAL A UTILIZAR
· Un reactor TAC
· Un sistema de alimentación
· Un equipo para titular o un conductímetro
· Un cronometro
· Un vaso de 100 ml
· Una balanza analítica
· NaOH (Comercial)
· Acetato de Etilo
· Agua destilada
7. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1) Llenar los tanques de alimentación con agua potable.
2) Regular los flujos de los dos tanques de alimentación (A, B).
3) Una vez definidos los flujos de cada tanque procedemos a unir con un tubo en T de vidrio, comunicado al reactor.
4) Llenar el reactor con 1 litro de agua, para calibrar la salida del reactor inmediatamente succionar con ayuda de una jeringa de succión la salida del reactor, una vez se igualado el flujo de ingreso y salida, el caudal A más caudal B debe ser igual al caudal de salida del reactor.
5) Una vez regulado los flujos de alimentación cerrar las llaves principales y vaciar toda el agua potable, para poder depositar los reactivos de alimentación.
6) De acuerdo a los flujos de alimentación se calculará las concentraciones de acuerdo con las siguientes ecuaciones (provenientes del balance de masa).
7) El sistema de reacción será equimolar por lo tanto las concentraciones iniciales CAo, CBo tendrán un valor de 0,1 M.
8) Una vez determinadas las concentraciones, preparar 5 litros de cada reactivo.
Funcionamiento del reactor 
1) Una vez preparadas las soluciones de acetato de etilo, hidróxido de sodio cargar a cada tanque de alimentación. 
2) Llenar el reactor con 1 litro de agua destilada. 
3) Encender el motor de agitación. 
4) Abrir las válvulas principales, succionar inmediatamente con la jeringa el sifón de salida del reactor, poniendo en marcha el cronómetro.
Determinación del grado de conversión de la reacción 
1) Armar el sistema de titulación (soporte universal, pinza de nuez, bureta). 
2) Preparar 25 mL de una solución 0,1 M de HCl y cargar a la bureta. 
3) Tomar a los 2 minutos 5 mL de alícuota en la salida del reactor. 
4) Colocar 2 gotas de indicador, anotar el volumen gastado. 
5) Repetir la operación cada minuto, hasta que el volumen de ácido sea constante. 
	τ(tau)
	V(alicuota)
	VHCl ml
	C NaOH
	XA
	0
	5
	5
	0,100
	-
	3
	5
	4,5
	0,090
	0,100
	6
	5
	2,3
	0,046
	0,540
	8
	5
	2,3
	0,046
	0,540
	12
	5
	2,3
	0,046
	0,540
	14
	5
	1,7
	0,034
	0,660
	18
	5
	1,7
	0,034
	0,660
	20
	5
	1,7
	0,034
	0,660
	23
	5
	1,7
	0,034
	0,660
	26
	5
	1,7
	0,034
	0,660
	27
	5
	1,1
	0,022
	0,780
	93
	5
	1,1
	0,022
	0,780
	35
	5
	1,1
	0,022
	0,780
TABLA 1
8. DATOS, CALCULOS Y RESULTADOS 
A + B ⇀ C + D
T=20ºC
K=4,5 mol/L*s
=1,2 ml/s 
	N
	Tiempo(min)
	V alícuota(ml)
	V HCl (ml)
	C NaOH
(M)
	
	1
	0
	5
	5
	0,1
	0
	2
	3
	5
	4,5
	0,09
	0,1
	3
	6
	5
	2,3
	0,046
	0,54
	4
	8
	5
	2,3
	0,046
	0,54
	5
	12
	5
	2,3
	0,046
	0,54
	6
	14
	5
	1,7
	0,034
	0,66
	7
	18
	5
	1,7
	0,034
	0,66
	8
	20
	5
	1,7
	0,034
	0,66
	9
	23
	5
	1,7
	0,034
	0,66
	10
	26
	5
	1,7
	0,034
	0,66
	11
	27
	5
	1,1
	0,022
	0,78
	12
	33
	5
	1,1
	0,022
	0,78
	13
	35
	5
	1,1
	0,022
	0,78
	14
	38
	5
	1,1
	0,022
	0,78
	15
	41
	5
	1,1
	0,022
	0,78
TABLA 2
Graficamos 
	N
	tiempo (min)
	Xa
	1
	0
	0
	2
	3
	0,1
	3
	6
	0,54
	4
	8
	0,54
	5
	12
	0,54
	6
	14
	0,66
	7
	18
	0,66
	8
	20
	0,66
	9
	23
	0,66
	10
	26
	0,66
	11
	27
	0,78
	12
	93
	0,78
	13
	35
	0,78
	14
	38
	0,78
	15
	41
	0,78
TABLA 3
GRAFICA 1
9. RESULTADOS
Analizando la gráfica se obtuvo un valor de conversión en estado estacionario para un reactor con los datos recolectados es de = 0,8.
	CONVERSION EXPERIMENTAL
	CONVERSION TEORICA
	%DIFERENCIA
	0,8
	0,8285
	3,44%
TABLA 4
10. CONCLUSIONES
Se logró determinar el grado de conversión de la reacción de saponificación de acetato de etilo, con una conversión experimental del 80% (0,8) mientras que la conversión teórica fue del 82,85% (0,8285).
11. BIBLIOGRAFIA 
· REACTOR QUIMICO DE MEZCLA COMPLETA. (s. f.). google sites. Recuperado 22 de octubre de 2021 
https://sites.google.com/site/reactorquimicodemezclacompleta/classroom-pictures.
· FOGLER H. S. (2001) “Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas”, 3a. ed. Pearson Educación, México
https://tuylaquimica.files.wordpress.com/2011/03/saponificacic3b3n-de-grasas-y aceites.pdf
· FOGLER H. S. (2008). Elementos de Ingeniería de las Reacciones Químicas, 3a. ed. Pearson Educación, México.
https://www.docsity.com/es/cinetica-del- /4693614/
· Atkins P. N., Fisicoquímica, 3ª ed., Addison Wesley Iberoamericana, Wilmington, 1991.
https://www.uco.es/dptos/bioquimica-biol-mol/pdfs/08_ESPECTROFOTOMETRIA.pdf
· LEVENSPIEL, O. (1998) “Ingeniería de las Reacciones Químicas”, 2a. ed. Wiley.
· DURÁN TORRES C (2011). Reacciones encadenadas
12. ANEXOS
FIGURA 1
Diagrama Experimental
funcionamiento de un reactor mezcla completa T.AC. en estado estacionario
FIGURA 2 
Partes de un Reactor Tanque Agitado Continuo 
9
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1
 
 
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN
 
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA
 
CARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA
 
 
 
 
 
LABORATORIO DE REACTORES QUÍMICOS
 
 
INFORME N°
 
5
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
GRUPO: 3
 
INTEGRANTES:
 
 
1.
 
Bonifacio Loma Kimberly
 
2.
 
Jarro Mamani Lidia
 
3.
 
Manzano Valdivia Xavier Rodrigo
 
4.
 
Zabala Torrico Carlos Alberto
 
5.
 
Zambrana Ocaña Jorge Luis
 
 
 
 
 
 
C
ochabamba, 
23
/10/2021
 
 
 
 
1 
 
UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMÓN 
FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGÍA 
CARRERA DE INGENIERIA QUÍMICA 
 
 
LABORATORIO DE REACTORES QUÍMICOS 
 
INFORME N° 5 
 
 
 
 
 
 
 
 
GRUPO: 3 
INTEGRANTES: 
 
1. Bonifacio Loma Kimberly 
2. Jarro Mamani Lidia 
3. Manzano Valdivia Xavier Rodrigo 
4. Zabala Torrico Carlos Alberto 
5. Zambrana Ocaña Jorge Luis 
 
 
 
 
Cochabamba, 23/10/2021