INGERIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II “UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ”
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
LABORATORIO N° O1: (REACTOR BATCH) CURSO
:
INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II
CATEDRÁTICO
:
ALUMNOS
CICLO
SECCION
:
:
Ms. SALVADOR TEODULO ORE VIDALON ARECHE SULLCA, Francois CARCAUSTO GAMARRA, Iván CHULLUNCUY CENTENO, Javier PAITAN DE LA CRUZ, Luis Ángel PALOMINO BARRIENTOS, Diana Carolina RAMOS SIUCE, Luis Benjamín TORIBIO HUAMANI, Nidia Yanina
VIII
:
“A”
Huancayo – Perú 2013 LABORATORIO N°O1
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INGERIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II
INTRODUCCION Los reactores es aquel lugar donde se produce las reacciones químicas. Hay diversos tipos de reactores, aquí los dividiremos en dos categorías, aquellos que son de flujo continuo y los de flujo discontinuo. Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control. Los reactores químicos tienen como funciones principales:
Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.
Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.
Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.
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RESUMEN En un reactor discontinuo ideal (Batch), no hay entrada ni salida de reactante. Se supone además que el reactor está perfectamente agitado, esto es, que la composición es la misma en todos los puntos del reactor para un instante de tiempo dado. Es nos permitirá conocer las condiciones de operación de un reactor de tipo Batch en la obtención de ácido acético, mediante la reacción del anhídrido acético y agua destilada, a escala de laboratorio Registrándose en el experimento tiempos y temperaturas a continuación escritas, y su comparación con resultados obtenidos mediante la utilización de algoritmos con el lenguaje de programación MathCad. Tiempo experimental de estabilidad (Tabla 1 anexos)=52 minutos Tiempo hallado con MathCad= 52.3251 minutos Error relativo en el tiempo=0.625% Temperatura
experimental
final
de
la
reacción
(Tabla
1
anexos)=67.6°C Temperatura obtenida con MathCad=66.325°C Error relativo en la temperatura=1.88%
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CONTENIDO RESUMEN CONTENIDO OBJETIVO IV. FUNDAMENTO TEÓRICO V. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTOS 5.1. MATERILES 5.2. EQUIPOS 5.3. INSTRUMENTOS 5.4. REACTIVOS 5.5. PROCEDIMIENTOS VI. RESULTADOS Y CALCULOS VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS VIII. CONCLUSIONES IX. RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS
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OBJETIVOS
GENERAL
Conocer las condiciones de operación de un reactor de tipo Batch en la obtención de ácido acético, mediante la reacción del anhídrido acético y agua destilada, a escala de laboratorio.
ESPECIFICOS
Realizar el balance de materia y energía de la reacción de obtención del ácido acético en un reactor del tipo Bach para un proceso no isotérmico adiabático.
Comparar las temperaturas obtenidas de forma teórica y práctica para la reacción de obtención de ácido acético.
Calcular el error relativo del experimento.
Representar en una gráfica la temperatura vs tiempo, para su respectivo análisis.
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INGERIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II IV. FUNDAMENTO TEÓRICO
4.1. CONCEPTOS GENERALES: 4.1.1. Definición de Reacción Química. Se conoce como reacción química a aquella operación unitaria que tiene por objeto distribuir de forma distinta los átomos de ciertas moléculas (compuestos reaccionantes o reactantes) para formar otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las reacciones químicas se denominan REACTOR QUÍMICO 4.1.2. Definición de Reactor Químico. Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control
4.2. REACTORES IDEALES Cuando se va a llevar a cabo un determinado proceso que implica una reacción química además de conocerse la cinética debe determinarse el tipo y tamaño del reactor y las condiciones de operación más adecuadas para el fin propuesto. Los equipos en los que se efectúan reacciones homogéneas pueden ser de tres tipos generales: discontinuos (Batch), continuos de flujo estacionario , y semicontinuos de flujo no estacionario Los reactores discontinuos son sencillos de operar e industrialmente se
utilizan cuando se han de tratar pequeñas cantidades de sustancias. El punto de partida para el diseño de un reactor es un balance de materia referido a determinado reactante (o producto), que se realiza sobre determinado volumen de control.
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En las operaciones no isotérmicas debe agregarse también el balance de energía, que está relacionado con el anterior por el término de reacción química, ya que el calor generado o absorbido es proporcional a la extensión de la reacción. 4.2.1. REACTOR DISCONTINUO IDEAL En un reactor discontinuo ideal no hay entrada ni salida de reactante. Se supone además que el reactor está perfectamente agitado, esto es, que la composición es la misma en todos los puntos del reactor para un instante de tiempo dado. Como la entrada y la salida son nulas el balance de materia queda
Dado que el reactor está perfectamente agitado, esto es, todos los puntos tienen la misma composición, el volumen de control para realizar el balance es todo el reactor Evaluando los términos:
Y teniendo en cuenta que NA = NAo(1 – XA) resulta
Integrando se obtiene la ecuación de diseño para el reactor discontinuo:
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Si el volumen de reacción permanece constante puede expresarse en función de la concentración de reactivo CA = NA/V
4.3. PRODUCCIÓN DE ÁCIDO ACÉTICO El ácido acético también es mejor conocido como ácido metilencarboxílico, se puede encontrar en forma de ion acetato. Éste es un ácido que se encuentra en el vinagre, siendo el principal responsable de su sabor y olor agrios. Su fórmula es CH3-COOH (C2H4O2). De acuerdo con la IUPAC se denomina sistemáticamente ácido etanoico El anhídrido acético, comúnmente abreviado Ac 2O, es uno de los anhídridos carboxílicos más simples. Con fórmula química (CH3CO)2O, es uno de los reactivos más ampliamente usados en síntesis orgánica. Es un líquido incoloro, que huele fuertemente a vinagre (ácido acético) debido a su reacción con la humedad del aire.
El anhídrido acético se disuelve en agua hasta aproximadamente un 2,6% (m/m) .3 Sin embargo, una solución acuosa de anhídrido acético no es estable porque éste descompone en unos pocos minutos (el tiempo exacto depende de la temperatura) en una solución de ácido acético La hidrólisis del anhídrido acético produce ácido acético: (CH3CO)2O + H2O → 2CH3COOH La hidrólisis es una reacción química entre agua y otra sustancia, como sales. Al ser disueltas en agua, sus iones constituyentes se combinan con los iones hidronio u oxonio,
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INGERIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II H3O+ o bien con los iones hidroxilo, OH-, o ambos (puede decirse que el agua reacciona "rompiendo el compuesto"). 4.3.1. REACTOR QUE SE PUEDE UTILIZAR: La reacción se lleva a cabo en un reactor tipo Batch (Por lotes), mismo que trabajaremos en el diseño ya que es el que se adapta a nuestro sistema, que consiste en una reacción en fase líquida, una producción pequeña y generación de un producto puro 4.3.2. CINÉTICA QUÍMICA DE REACCIÓN:
ANHÍDRIDO ACÉTICO
ÁCIDO
+ AGUA → 2 ACÉTICO
(CH3CO) 2O + H2O → 2(CH3COOH)
Se cuenta con una tabla de datos experimentales para ésta reacción, a partir de la cual se calculará la velocidad de reacción (
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– ).
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V. METODOLOGÍA Y PROCEDIMIENTOS 5.1. MATERIALES
Soporte universal
Pinza para retirar agitador magnético
Probeta graduada
5.2. EQUIPOS
Reactor Batch
Cocinilla para agitador magnético
Agitador magnético
5.3. INSTRUMENTOS
Termómetro
Cronometro
5.4. REACTIVOS
Anhídrido acético ( 20ml) (qp)
Agua destilada (20ml)
5.5. PROCEDIMIENTOS 1. Se procedió a montar el equipo con los materiales y equipos respectivos 2. Se midió 20ml de anhídrido acético y 20 ml. de agua destilada, registrándose sus temperaturas de forma separada. 3. Ambos se colocaron en el reactor Batch juntamente con el agitador magnético, en siguiente orden primero el agua luego el anhídrido acético. 4. Una vez mezclados en el reactor, inmediatamente se midió la temperatura a un tiempo cero, de ahí las temperaturas se fueron registrando en intervalos de tiempo de 1 minuto y 5 minutos como se muestra en la tabla 1 de anexos.
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VI. CALCULOS Y RESULTADOS DATOS:
Temperatura del agua destilada=16°C
Temperatura del anhídrido acético=13°C
Temperatura inicial de la mezcla=14°C
Densidad de la mezcla a condiciones iniciales (19°C)- Huancayo
ΔH = -50000
Fuente: libro de Smith J.M. Ingeniería De La Cinética Química 6 a Ed 1991. Pag. 311
() ( ) ( )
La reacción es:
() ()() () ()
BALANCE DE MATERIA
() Integrando:
∫ () LABORATORIO N°O1
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– : ()( ) Determinando Determinando
Como:
Determinando las masas: Anhídrido Acético
() Agua
El volumen total del sistema es:
Determinando las moles:
Determinando las concentraciones:
Reemplazando k y los valores obtenidos se tiene: LABORATORIO N°O1
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( ) ( ) ( ) ( ) ( ) () REALIZANDO EL BALANCE DE MATERIA:
() Remplazando (-r) en la ecuación
( ) () En la ecuación remplazamos la constante K y tendremos el tiempo en función a T y x
( ) () ( ) () BALANCE DE ENERGIA:
Reemplazando datos:
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INGERIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II SOLUCIÓN USANDO EL MATHCAD solve
y'
0
280.4
y'
1
y
2323
y0
10 5
( 1 x) ( 5.2 x) 9.0610
288 0 280.42 2323 D( x y ) y0 10 5 ( 1 x) ( 5.2 x) 9.0610 0
1
z ) 0 r kf ixed( y 00 0. 5 20 D288 1
z
0. 025
295. 01
2 0 0.506
2
0. 05
302. 021
0. 844
3
0. 075
309. 031
1. 075
4
0. 1
316. 042
1. 236
5
0. 125
323. 052
1. 351
6
0. 15
330. 063
1. 433
7
0. 175
337. 073
1. 494
8
0. 2
344. 084
1. 539
9
0. 225
351. 094
1. 573
10
0. 25
358. 105
1. 599
11
0. 275
365. 115
1. 619
12
0. 3
372. 126
1. 635
13
0. 325
379. 136
1. 647
14
0. 35
386. 147
1. 658
15
0. 375
393. 157
. ..
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A
z 0 1
B z c
z 2
C c 60
z r kf ix ed( y 0 0.5 20 D)
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INGERIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II Graficas:
Temperatura vs Convercion 450
A R U T A B R E P M E T
400
350
300 0
0.2
0.4 A
CONVERCION
TIEMPO VS CONVERCION 150
O P MC E I T
100
50
0
0
0.2
0.4
0.6
A
CONVERCION
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INGERIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II TEMPERATURA VS TIEMPO
340
A R U T B R E T P M E T
320
300
0
20
40
60
8
C t
TIEMPO
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VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS Es necesario el conocer las densidades y temperaturas de los componentes a utilizar y de la mezcla a las condiciones en las que se experimentó. Se obtuvieron resultados bastante cercanos tanto en referencia al tiempo y la temperatura de estabilidad para la obtención del ácido acético. Los rangos de tiempo, debieron de ser en intervalos constantes y continuos para obtener una distribución en la gráfica aún mejor.
VIII. CONCLUSIONES .
Se pudo observar el avance de la reacción a las condiciones de operación pre establecidas para la obtención del ácido acético lográndose registrar el tiempo en el que se realizó, siendo este el de 52 min (valor experimental); valor comparable con el obtenido por algoritmo en el lenguaje de programación MathCad que fue de 52.3251 min; dando un error relativo de 0.625%
Por otro lado la temperatura a la cual se estabilizo la reacción fue de 67.6°C (valor experimental); comparable con el obtenido por MathCad que fue de 66.325°C,dando un error relativo de 1.88%
Los errores relativos obtenidos nos muestran la acertividad del experimento realizado, dándonos la posibilidad de considerarlo aceptable.
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INGERIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS II IX. RECOMENDACIONES
En las operaciones no isotérmicas-adiabáticas debe considerarse el balance de energía, que está relacionado con el término de reacción química, ya que el calor generado o absorbido es proporcional a la extensión de la reacción.
Directamente en cuanto al experimento se hace necesario el uso de equipo de seguridad como guantes, lentes, mascarillas y guardapolvo.
Se debe de hacer el uso correcto de los equipos y materiales de laboratorio.
BIBLIOGRAFÍA
Levenspiel,O. (1998). Ingeniería de las reacciones químicas. Reverté. México.
J. J. Shatyski and D. Hanesian, Adiabatic kinetics studies of the acetic anhydride reaction, Ind. Eng. Chem
Froment,G.F., Bischoff, K.B. (1990). Chemical reactor analysis and design. Wiley. New York
PAGINAS WEB
http://www.fing.edu.uy/iq/maestrias/DisenioReactores/materiales/notas1.pdf
http://www.galeon.com/hamd/pdf/reactorquimico.pdf
http://www.cheric.org/PDF/JIEC/IE13/IE13-4-0631.pdf
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ANEXOS: TABLA 1: DATOS REGISTRADOS EN EL LABORATORIO # DE DATO 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
TIEMPO(s) 0 60 120 180 240 300 420 540 660 900 1200 1500 1800
TIEMPO(min) TEMP.(°C) 0 22 1 22.5 2 23.3 3 24 4 24.8 5 25.5 7 27.2 9 28.8 11 30.6 15 34.7 20 42 25 54 30 70.8
TEMP. (K) 295.15 295.65 296.45 297.15 297.95 298.65 300.35 301.95 303.75 307.85 315.15 327.15 343.95
FOTOS TOMADOS EN EL LABORATORIO LOPU :
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