UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN INGENIERÍA QUÍMICA
Informe Experimental: Reactor Continuo De Mezcla Completa
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Laboratorio Experimental Multidisciplinario Multidisciplinario VI
Profesores: María Elena Quiroz Macías Carlos Orozco Hernández
Integrantes: Córdova Peña Elías Covelo Bonilla Carlos Jiménez Osorio Rogelio Ortiz García Jésica Silos Hernández Brenda Valeria
Semestre 2014-II
Fecha de entrega: 04/03/ 2014
Introducción
Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus propiedades son uniformes en todo el interior del 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. Los reactores continuos utilizados con mayor frecuencia son los de tanque agitado o de mezcla completa y los reactores de flujo en pistón. Los reactores continuos de tanque agitado (CSTR), o también denominados de flujo de mezcla completa (RFMC), son unidades de reacción que operan en estado estacionario. Consiste en un tanque en donde la alimentación posee la misma concentración de la corriente de salida en cualquier punto del interior del mismo, y teóricamente se alcanza la máxima conversión de los reactivos en el instante en que éstos entran a la unidad. Cuentan con un sistema de agitación que garantiza el mezclado de los reactivos para generar un mayor rendimiento de los productos de salida. Cada reacción en particular necesita ciertas revoluciones de mezclado pero en el diseño se considera una holgura en las revoluciones por minuto del motor de agitación para garantizar un mayor mezclado que en teoría se considera un mezclado perfecto, pero a nivel físico puede no cumplirse ese criterio por consideraciones que abarcan desde el sistema mecánico del reactor que proporciona el mezclado, hasta la compatibilidad de los reactivos a la hora de reaccionar, sin embargo, ajustándose a condiciones ideales puede darse un mezclado de alta eficiencia, garantizando la máxima conversión de los reactivos en la unidad. Por lo general, los reactores continuos de tanque agitado CSTR se operan cerca de ó en puntos de equilibrio inestables, que corresponden a una producción óptima del proceso. Aun cuando el punto de equilibrio sea estable a lazo abierto, este puede ser muy sensible a cambios de carga. Debido a que los CSTR son comúnmente la parte central de un proceso químico completo, el control de la operación del CSTR ha sido uno de los problemas más importantes en la industria química. A nivel industrial es uno de los reactores más comunes debido a su rentabilidad económica. Su diseño, al igual que los demás reactores, depende de la cinética química y naturaleza de la reacción, y de la cantidad de producto deseado se quiera generar para determinar su volumen. Dependiendo de la naturaleza de las especies a reaccionar, los reactores de mezcla completa pueden presentar ciertas modificaciones. Objetivos
Conocer el funcionamiento de un reactor de mezcla completa determinando la conversión que alcanza una reacción al operar un reactor continuo y determinar la cinética experimentalmente
Problema Experimental
Determinar como cambia la concentración de un componente a determinado tiempo en la reacción de hidrólisis de acetato de etilo.
Generalidades
Son reactores donde el grado de reacción puede variar con respecto a la posición en el reactor, pero no en función del tiempo. El reactor puede tener la forma de un tanque, una estructura tubular o una torre, y tiene multitud de aplicaciones en plantas a gran escala con el propósito de reducir los costos de operación y facilitar el control de la calidad del producto. Un ejemplo son los reactores para el cracking de los hidrocarburos donde operan en forma continua con un flujo estable tanto como de entrada de reactantes como salida de productos. Es decir pueden trabajar en reactores de mezcla completa (CSTR), tubulares, de lecho móvil o en reactores con recirculación. Para esta práctica se utilizó un reactor CSTR el cual cuenta con algunas ventajas frente a otros reactores como: *Se utiliza cuando se requiere agitación intensa *Es relativamente fácil mantener un buen control de la temperatura *Se utilizan para reacciones en fase líquida homogénea *Su costo de operación es bajo comparado con el de los reactores por lotes. *Su operación es continua. *Se facilita el control automático de la producción. Si se conectan muchos reactores CSTR pequeños en serie, se llega al comportamiento de un reactor tubular o PFR. Cuando se tiene un sistema de reactores en paralelo, la eficacia óptima del mismo se alcanza ajustando el flujo de tal modo que las composiciones de las ramas paralelas individuales sean aproximadamente iguales antes de reunirse. Un reactor CSTR es un tanque en el cual la masa reaccionante es continuamente agitada de tal manera que se considera como una mezcla completa y, por lo tanto, se asume que sus propiedades son uniformes en todo el interior del reactor. La ecuación de diseño de un reactor de mezcla completa es:
Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo límite, τ, el tiempo espacial, C Ao, la concentración del reaccionante A en la corriente de entrada, X A, la conversión de A y rA, la velocidad de reacción de A La velocidad de una reacción no catalítica depende de la concentración de reaccionante. Con respecto al reaccionante A, la ecuación de velocidad de reacción se expresa de la siguiente manera
Siendo k, la constante específica de velocidad de reacción, n, el o rden cinético de la reacción y C A, la concentración de reaccionante El orden de una reacción se determina experimentalmente y la constante de velocidad de reacción depende de la temperatura de la reacción y se puede calcular con la ecuación de Arrhenius, de la forma
Siendo A, el factor pre-exponencial, E, la energía de activación, T, la temperatura en escala absoluta y R, la constante universal de los gases Para simular un reactor CSTR con reacción de tipo cinético cuya velocidad depende solamente de la concentración de uno de sus reaccionantes, el número de variables que se requieren para una especificación completa es de seis. Las variables que usualmente, se especifican son el flujo calórico en la corriente de energía, la caída de presión en el tanque y el volumen del reactor, además de la energía de activación, el factor pre-exponencial y el orden de la reacción
Procedimiento Experimental Materiales y reactivos:
Reactor continuo 3 Buretas de 50 mL 2 Vasos de precipitado de 250 mL 1 Vaso de precipitado de 30 mL Fenolftaleína Hidróxido de sodio 0.02 M Acetato de etilo 0.02 M Ácido Clorhídrico 0.02 M
Agitador magnético Parrilla con agitador 3 Soportes universales con pinzas 1 Probeta graduada 50 mL Cronómetro 3 Vasos de precipitado 4 L 2 Pipetas volumétricas 10 mL 1 Pipeta graduada 10 mL Propipeta
Procedimiento experimental:
Se hacen pruebas previas en el reactor, con agua, para establecer un flujo de trabajo. Se prepara el equipo para la titulación y se preparan las soluciones. Se cierran todas las válvulas del sistema de reactor Se agregan al reactor 2.5 L de acetato de etilo y 2.5 L de Hidróxido de sodio Se deja reaccionar esa mezcla durante 15 minutos Pasados los 15 minutos se comienza a agregar de manera continua los reactivos por separado y se abre la válvula de salida, regulando un flujo constante de 1.6 mL/s Se toman mediciones de concentración cada 5 min
Resultados Experimentales
Flujo (ml/s) HCl (M) NaOH(M) Acetato de etilo
Alicuota (ml) 1 2 3 4 5 6 7 8 9
1.6 0.02 0.02 0.02 Tiempo (min) 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Vpe = 0.6 mL
VPE (ml) 0.7 0.6 0.7 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6 0.6
Resultados obtenidos
Conversión experimental Conversión teórica para tanque ideal A) Cinética de la práctica anterior B) Datos reportados en la literatura Gráfica 1/rA vs XA Y -1/rA vs CA Observaciones y Análisis de Resultados Memoria de cálculo Conclusiones Bibliografía
