UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Laboratorio de Ingeniería de Reactores Practica N° 3: Reactores CSTR Laboratorista: Ma. Teresa Reyes Reyes Arturo Romo Romo Ramos Matricula: 0618097C Modulo: 4° Sección: 01 29/04/2013
29 de abril de 2013
LABORATORIO DE INGENIERÍA DE REACTORES
Reactores CSTR Objetivo
Demostración práctica del comportamiento de reactores CSTR y comparación con la teoría. Introducción
El reactor de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de mate reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida no sea demasiada viscosa. 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. Se puede considerar que la mezcla es buena buen a o casi perfecta, si el tiempo de circulación de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor. En el reactor continuamente agitado, ocurre la reacción exotérmica A B. Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara (camisa de refrigeración) a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de estudio, se han hecho las siguientes suposiciones: Las pérdidas de calor circundantes son despreciables Las propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficas Mezcla (agitación) perfecta en el reactor, por tanto la concentración, presión y temperatura son iguales en cualquier punto del tanque Temperaturas Uniformes en ambas cámaras ( camisa de enfriamiento y/o calentamiento) Volúmenes Constantes V, Vc
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En reactores de tanque agitado con corrientes continuas a régimen permanente en los flujos de alimentación y de productos, la alimentación adopta inmediatamente una composición final uniforme a lo largo del reactor, debido a la perfección del mezclado. De este m odo, la corriente de salida tendrá la misma composición que la que existe en el interior del reactor. Cuando varios reactores se conectan en serie, la concentración de la mezcla reaccionante en cada reactor es uniforme, pero cambia de un reactor a otro. Es decir, los reactores son conectados en serie de tal modo que la salida de corriente de un reactor es la corriente de alimentación para otro reactor. A medida que se incrementa el número de reactores tanque agitado, el comportamiento del sistema de reactores de mezcla perfecta se aproxima al del reactor de flujo en pistón. Debe mantenerse una agitación adecuada en cada reactor para lograr una uniformidad de concentración. De manera, si, se considera el sistema como un todo, existe un gradiente de concentración escalonado. En el caso, de un reactor de múltiples etapas en sentido horizontal, este está dividido por tabiques verticales de diferentes alturas, por encima de los cuales rebosa la mezcla reaccionante. Cuando los reactantes son parcialmente miscibles y sus densidades lo suficientemente distintas, se trabaja con un reactor vertical, el cual conduce la operación en contracorriente, efecto de suma importancia en las reacciones reversibles.
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La siguiente imagen muestra el posible arreglo que pueden tomar los reactores cstr en serie:
Uno de los principales defectos del reactor tipo tanque agitado es precisamente el tiempo grande de residencia. Efecto que se analiza en el siguiente caso: Reacción de primer orden irreversible.
Cuya ecuación cinética en términos de la concentración y conversión respectivamente, está dada por:
Donde el tiempo de residencia está dado por:
Reemplazando
resulta: 3
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(1) Dónde: : Conversión del producto K
: Constante cinética
Si la reacción se conduce en un reactor discontinuo en las mismas condiciones se tendrá la siguiente ecuación.
Integrando está ecuación
Resulta:
(2) t es el tiempo requerido para alcanzar la misma conversión que en un reactor continuo.
Relacionando las ecuaciones (1) y (2) el tiempo de residencia en el tanque agitado es siempre superior al tiempo de residencia de un reactor discontinuo.
En la figura 4.1.1.A se muestra la gráfica de la razón
:
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De manera que en la curva n =1 se ve que esta razón se eleva muy rápidamente cuando la reacción se aproxima a su finalización. Las otras curvas en la figura 4.1.1.A son para reacciones irreversibles de orden n. Otra forma de demostrar que el tiempo de residencia necesario en el tanque agitado es siempre superior al tiempo de residencia en un reactor discontinuo a la misma temperatura es comparar las dos fórmulas
(4.1.1-1 )
(4.1.1-2) Dónde: : Conversión del producto 5
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: Conversión de la alimentación
Si, se grafica
frente a la conversión
, a T constante, se obtendrá una curva
como la mostrada en la figura 4.1.1.B. Esto debido a que
que si r disminuye
aumenta. Para
es siempre negativa, de modo
,
conversión en el equilibrio, por tanto la curva
; donde
es la
tiene una asíntota vertical en este punto.
La ecuación 4.1.1-1 muestra que el tiempo de reacción para el reactor discontinuo
es el
área bajo la curva comprendida entre las dos ordenadas y la parte positiva del eje de las abscisas (ABGCD) . El tiempo de residencia en el tanque agitado t es el área del
rectángulo AECD de base
y de altura
. 6
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Es claro que t siempre es mayor que
ya que la relación
no tiene límite cuando
. Sin embargo, se puede evitar este inconveniente, obteniendo la conversión deseada
en varias etapas en el mismo.
Por ejemplo, se desea alcanzar la conversión x A,f para un sistema de dos etapas. Como se puede observar en el gráfico anterior, el tiempo de residencia para una sola etapa es el área del rectángulo AECD para lograr la misma conversión. Suponiendo que en el primer reactor la conversión aumenta de hasta y en el segundo reactor de , de manera que el tiempo de residencia del primer reactor es el área AFGH y del segundo reactor HJCD. A partir del gráfico anterior se puede observar que el tiempo total de residencia en los tanques es inferior al de un solo tanque y que la diferencia de áreas es igual a FEJG. La razón de este hecho es que el primer tanque trabaja en condiciones para las que la velocidad de reacción es máxima. Por tanto, si se utiliza un número n de tanques agitados se tendría el mismo número n de rectángulos con sus vértices superiores derechos sobre la curva. Entonces, cuanto mayor sea el número de etapas, menor será el tiempo total de residencia. Material y Reactivos
1 espectrofotómetro UV-Visible 4 celdas para espectrofotómetro 4 matraces aforados de 100 ml 2 bombas 1 matraz kitasato de 500 ml 3 agitadores magnéticos 3 parrillas con agitación 1 termómetro 3 cronómetros 3 vasos de precipitados de 600 ml 2 matraces kitasato de 250 ml 1 probeta de 250 ml 1 probeta de 10 ml Mangueras de conexión Solución de Violeta Cristal 2 x 10 -5 M Solución de NaOH 0.0200 M
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Procedimiento
a) Para el “CSTR”: montar el aparato que se muestra en la figura del manual utilizando un kitasato de 500 ml. Medir los gastos de la bomba para cada corriente utilizando agua destilada. Los gastos deben de ser de 5 ml/min (aprox.) tanto para violeta cristal como para sosa. Las mangueras de las bombas deben llegar al fondo del kitasato el cual debe estar perfectamente agitado, y la manguera de salida debe de drenar a un recipiente. Se pone en marcha el sistema tomando el tiempo. Cuando empiece a drenar la manguera de salida marcar el nivel al cual llega el líquido dentro del matraz. Con esta medida se determinara el volumen real del reactor. Se toman muestras de la corriente de salida del rector cada 3 minutos. Hacer lecturas de transmitancia en el espectrofotómetro a 590 nm. Tomar lecturas hasta que se estabilice. Tomar la temperatura de la reacción. b) Reactores “CSTR” en serie (V R2 + V R2’): para el “CSTR” en serie se monta el aparato de la figura del manual con las recomendaciones del aparato anterior. Se tomaran muestras cada 3 minutos a la salida de cada reactor hasta que se estabilicen. Determinar el volumen de cada reactor y la temperatura de reacción. Cálculos y Resultados
Reportar los datos experimentales y elaborar una curva de calibración del violeta cristal. Curva de calibración Concentración 0.000035 0.0000175 0.00000875 0.000004375 2.1875E-06 1.09375E-06 5.46875E-07 1.36719E-07
abs 2.692 1.503 0.794 0.37 0.161 0.079 0.014 0.007
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concentración vs abs 3
y = 79312x R² = 0.995
2.5 2
Valores Y
1.5
Linear (Valores Y) 1 0.5 0 0
0.00001
0.00002
0.00003
0.00004
Datos del Reactor 1 V real: 525 ml min
seg
t (seg)
2 9
34 12 21
154 372 561
1.046 0.887 0.616
1.31884E-05 1.11837E-05 7.76679E-06
-11.2361714 75824.0918 34.0578979 -11.401055 89416.009 44.0816018 -11.765653 128753.247 61.1660278
12
43
763
0.563
7.09855E-06
-11.8556204
16
40 5 30 2 9 19 21 53 17 27 38
1000 1385 1590 1802 1989 2179 2421 2633 2897 3087 3278
0.52 0.473 0.398 0.311 0.267 0.237 0.2 0.183 0.162 0.155 0.15
6.55638E-06 5.96379E-06 5.01816E-06 3.92122E-06 3.36645E-06 2.9882E-06 2.52169E-06 2.30734E-06 2.04257E-06 1.95431E-06 1.89126E-06
-11.9350712 -12.0298046 -12.202448 -12.4491071 -12.6016513 -12.7208399 -12.8905826 -12.9794138 -13.1013037 -13.1454749 -13.1782647
6
23 26 30 33 36 40 43 48 51 54
abs
concentración
ln conc
1/conc
% ZA
140873.89 64.5072625 152523.077 167678.647 199276.382 255022.508 297048.689 334649.789 396560 433398.907 489580.247 511690.323 528746.667
67.2180754 70.1810571 74.9092193 80.3938874 83.1677426 85.0590075 87.3915675 88.4632842 89.7871697 90.2284648 90.5436756
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% ZA 120 y = 0.0159x + 46.393 R² = 0.8652
100 a Z n ó i s r e v n o c
80 60
% ZA
40
Linear (% ZA)
20 0 0
1000
2000
3000
4000
tiempo
Como CB0>>C A0 podemos suponer que CB0=CB en cualquier tiempo por lo que podemos obtener la representación con los datos obtenidos de una cinética de primer orden, aunque este es un pseudo-orden.
ln conc -11 0
1000
2000
3000
4000
-11.5 } c n o c [ n L
-12 ln conc
-12.5 -13 -13.5
Linear (ln conc) y = -0.0006x - 11.276 R² = 0.9771 tiempo
α=1 κ = 0.0006
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Datos para el Reactor 2 V real: 270 ml min
seg
t (seg)
3
12 16 57 35 52 31 45 49 15 40 50 0 10 58 30 1
192 376 597 755 892 1351 1545 1729 1875 2020 2210 2400 2590 2818 3090 3241
6 9 12 14 22 25 28 31 33 36 40 43 46 51 54
abs
0.475 0.421 0.365 0.316 0.289 0.265 0.257 0.244 0.241 0.227 0.203 0.183 0.181 0.179 0.163 0.16
concentración
5.98901E-06 5.30815E-06 4.60208E-06 3.98426E-06 3.64384E-06 3.34123E-06 3.24037E-06 3.07646E-06 3.03863E-06 2.86211E-06 2.55951E-06 2.30734E-06 2.28213E-06 2.25691E-06 2.05517E-06 2.01735E-06
ln conc
1/conc
% ZA
-12.0255852 -12.1462672 -12.2890026 -12.4331578 -12.5224733 -12.6091702 -12.6398239 -12.6917318 -12.7041031 -12.76395 -12.875694 -12.9794138 -12.990403 -13.0015142 -13.0951498 -13.1137262
166972.632 188389.549 217293.151 250987.342 274435.986 299290.566 308607.004 325049.18 329095.436 349392.07 390699.507 433398.907 438187.845 443083.799 486576.687 495700
70.0549728 73.4592495 76.9896107 80.0786766 81.780815 83.2938269 83.7981642 84.6177123 84.8068388 85.6894291 87.202441 88.4632842 88.5893686 88.7154529 89.7241275 89.913254
% ZA 100 90 80 a Z 70 n ó 60 i s 50 r e v 40 n o 30 c 20 10 0
y = 0.0057x + 73.724 R² = 0.8861
% ZA Linear (% ZA)
0
1000
2000
3000
4000
tiempo
Como CB0>>C A0 podemos suponer que CB0=CB en cualquier tiempo por lo que podemos obtener la representación con los datos obtenidos de una cinética de primer orden, aunque este es un pseudo-orden. 11
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ln conc -11.8 -12 0
1000
2000
3000
4000
-12.2 -12.4
] c n o c [ n L
-12.6
ln conc
-12.8
Linear (ln conc)
-13 y = -0.0003x - 12.101 R² = 0.9588
-13.2 -13.4
tiempo
α=1 κ = 0.0003
Datos para el Reactor 3 V real: 270 ml min
seg
t (seg)
5
20 45 20 20 10 20 30 30 45 5 45 20 20 5 25
320 525 740 920 1150 1340 1530 1710 1905 2105 2325 2600 2780 2945 3145
8 12 15 19 22 25 28 31 35 38 43 46 49 52
abs
0.278 0.253 0.238 0.228 0.22 0.219 0.216 0.212 0.204 0.203 0.201 0.2 0.193 0.185 0.176
concentración
3.50514E-06 3.18993E-06 3.00081E-06 2.87472E-06 2.77386E-06 2.76125E-06 2.72342E-06 2.67299E-06 2.57212E-06 2.55951E-06 2.53429E-06 2.52169E-06 2.43343E-06 2.33256E-06 2.21908E-06
ln conc
1/conc
% ZA
-12.5612789 -12.6555105 -12.7166293 -12.7595544 -12.7952725 -12.7998283 -12.8136216 -12.8323137 -12.87078 -12.875694 -12.8855951 -12.8905826 -12.9262098 -12.9685442 -13.018416
285294.964 313486.166 333243.697 347859.649 360509.091 362155.251 367185.185 374113.208 388784.314 390699.507 394587.065 396560 410943.005 428713.514 450636.364
82.4742788 84.0503329 84.9959653 85.6263869 86.1307242 86.1937664 86.3828929 86.6350615 87.1393988 87.202441 87.3285253 87.3915675 87.8328626 88.3371999 88.9045794
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30
55
3330
0.17
2.14343E-06
-13.0531016 466541.176 89.2828324
% ZA 90 89 a 88 Z n87 ó i s 86 r e v 85 n o c 84 83 82
y = 0.0017x + 83.424 R² = 0.9058
% ZA Linear (% ZA)
0
1000
2000
3000
4000
tiempo
Como CB0>>C A0 podemos suponer que CB0=CB en cualquier tiempo por lo que podemos obtener la representación con los datos obtenidos de una cinética de primer orden, aunque este es un pseudo-orden.
ln conc -12.5 0
1000
2000
3000
4000
-12.6 ] c n o c [ n L
-12.7 ln conc
-12.8
Linear (ln conc)
-12.9 -13 -13.1
y = -0.0001x - 12.603 R² = 0.9322 tiempo
α=1 κ = 0.0001
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A partir de la ecuación
en función de la conversión de violeta cristal,
determinar la conversión a la salida de cada uno de los reactores, para cada uno de los sistemas considerados, cuando ya se haya estabilizado el reactor: Método analítico: Para el reactor 1:
=0 0.0000063-6.6213*10 +6.3*10 -06
-09
Resolviendo la ecuación anterior: X1=0.95233
Bien
X2=1050.04
X
Suponiendo un pseudo orden:
Debido a que:
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LABORATORIO DE INGENIERÍA DE REACTORES :.
⇒ Para el reactor 2:
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+1.62E-09=0
0.00000162-1.70262E-06
Resolviendo la ecuación:
Para el reactor 3:
=0 5.4*10 -5.6754*10 +5.4*10 -7
-7
Resolviendo la ecuación:
-10
Calcular la conversión para dos reactores en paralelo tipo CSTR con condiciones iguales a las . utilizadas en la práctica (
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( ) ( ) Resolviendo la ecuación nos queda:
Hacer un estudio comparativo de los valores de conversión tanto calculado analíticamente como los obtenidos a partir de los datos experimentales, para: a) Un reactor CSTR de volumen V R2 V R2=0.27L
( ) Sustituyendo:
( ) Resolviendo la ecuación nos queda:
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b) Un reactor CSTR de volumen V R1 V R1= 0.525L
( ) Sustituyendo:
( ) Resolviendo la ecuación:
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c) Dos reactores CSTR en serie V R2+V R2’
Resolviendo la ecuación:
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Conclusión
Los resultados mostrados en la realización de esta práctica muestran la ventaja de trabajar con reactores CSTR en serie ya que se puede lograr una mayor conversión de los reactivos. Aunque estos datos presentan desviaciones de lo ideal esto se puede deber a las variaciones del flujo cuando pasaba de un reactor a otro ya que estos solo se conectaban con una manguera y se llevaba a cabo por acción de la gravedad. Bibliografía
http://www.umss.edu.bo/epubs/etexts/downloads/35/IMAGENES/texto_estudiante/tema% 204/index.htm http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigac ion/Enero_2011/BENITES_SARAVIA_FIEE/INFORME.PDF
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