Balance de Masa en Un Reactor Químico

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA NACIONAL DE CIENCIAS BIOLÓGICAS

INGENIERO BIOQUÍMICO

LABORATORIO DE BALANCE DE MASA Y ENERGÍA.

PRACTICA NO. 2 BALANCE DE MASA EN UN REACTOR QUÍMICO “

”

GRUPO: 4IM1

Nombre de los estudiantes:   

Hernández Martínez Edgar Márquez Rangel Karen Paola Rivera Landa Lizzete Profesores: Núñez Avilés Silvia Edith Martínez Lomelí Daniel Moisés

Fecha de realización: 04/Marzo/2014 Fecha de entrega: 14/Marzo/2014

Objetivos.



 





Aplicar los conceptos de balance de masa con reacción química a un sistema empleando un reactor BATCH ARMFIELD CEB MKII Conocer el funcionamiento del reactor BATCH ARMFIELD CEB MKII. Determinar el reactivo limitante y en exceso de producción de acetato de sodio y etanol a partir de hidróxido de sodio y acetato de etilo. Conocer y aplicar un método indirecto para la medición de la concentración de los reactivos a distintos tiempos. Entender que relación guardan la disminución de la concentración de NaOH con la disminución en la conductividad en el sistema.

Introducción.

La ingeniería de las reacciones químicas se basa en los conceptos cinéticos y termodinámicos de la reacción química aplicados a nivel industrial, para diseñar y hacer funcionar correctamente aquel equipo donde debe tener lugar, el cual se denomina REACTOR QUÍMICO. El diseño de un reactor implica no sólo saber que tan grande o de que tipo debe ser, es importante aclarar que en el diseño se deben tener en cuenta los siguientes aspectos: -

-

-

Las condiciones óptimas de operación: temperatura, presión, velocidad de flujo, cantidad y calidad de las materias primas, además un estudio fisicoquímico y cinético de las especies reaccionantes. Los requerimientos ambientales y de seguridad industrial, los dispositivos apropiados para el funcionamiento y control instrumental. El costo mínimo de inversión maximizando las ganancias. Se requiere un estudio fuerte de mercados que garantice que la producción sea adecuada para los índices de oferta y demanda del producto.

El reactor tipo Batch es un reactor donde no existe flujo de entrada ni de salida, es simplemente un reactor con un agitador que homogeniza la mezcla. Las ventajas del reactor mienten con su flexibilidad. Un solo recipiente puede realizar una secuencia de diversas operaciones sin la necesidad de romper la contención. Esto es particularmente útil cuando se procesan tóxicos. El reactor Batch Armfield CEB MK II se conoce como un reactor discontinuo que fue diseñado para demostrar las reacciones tanto adiabáticas como isotérmicas. Utiliza la combinación de balance de energía y materia para evaluar la forma de la velocidad y la energía de activación, así como los efectos de las condiciones de proceso variables, como son la Temperatura o las concentraciones de los reactivos utilizados.

Resultados. Tabla 1. Valores de conductividad a distintos tiempos. Relación entre concentraciones.

        

  

   

0

3.93

0.01588331

9.3111639

2.2312141

120

3.64

0.01353323

7.42222222

2.0044785

240

3.38

0.01142626

5.92436975

1.77907431

360

3.16

0.00964344

4.77911647

1.56425569

480

2.99

0.0082658

3.96116505

1.37653819

600

2.85

0.00713128

3.32703214

1.20208066

720

2.72

0.0060778

2.76752768

1.01795439

840

2.62

0.00526742

2.35507246

0.8565715

960

2.53

0.00453809

1.99643494

0.69136306

1080

2.44

0.00380875

1.64912281

0.50024351

1200

2.37

0.00324149

1.3864818

0.32676946

1320

2.32

0.0028363

1.20274914

0.18460989

1440

2.26

0.00235008

0.98639456

-0.01369884

1560

2.21

0.00194489

0.80944351

-0.2114083

1680

2.17

0.00162075

0.67001675

-0.40045257

1800

2.13

0.0012966

0.53244592

-0.63027394

1920

2.09

0.00097245

0.39669421

-0.92458953

2040

2.05

0.0006483

0.26272578

-1.33664445

2160

2.02

0.00040519

0.16339869

-1.8115621

2280

2.01

0.00032415

0.13050571

-2.0363383

2400

1.97

0

0

Grafico 1. Tiempo vs Concentración de NaOH

Tiempo vs [NaOH] 0.018

0.016

0.014

0.012

0.01

0.008

0.006

0.004

0.002

0 0

200

400

Grafico 2. Tiempo vs

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

1600

1800

2000

    )    −       Tiempo vs    /( ( 

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

Gráfico 3. Tiempo vs

    Tiempo vs ln(A/B(B-A))

ln(A/B(B-A) = -0.0015t + 2.1556 R² = 0.9984

2.5

2

1.5

1

0.5

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

-0.5

-1

Cuestionario. 1. Valor de la pendiente de la gráfica Tiempo vs especifica de velocidad de reacción.

   que representa la constante  

Constante específica de velocidad de reacción:

       En un sistema en lote a temperatura constante, K = -0.0015 2. Obtenga la pendiente de los datos por regresión lineal así como el coeficiente de correlación de la recta.

M = -0.0015 R 2 = 0.9984 3. Determine cuál es el reactivo limitante y cuál es el reactivo en exceso.

Relación estequiometria.

                   

Relación de alimentación

    = 1         = 1    

Por lo tanto, dado que RE = RA, decimos que ningún reactivo está limitando la reacción.

2000

4. Obtención de las concentraciones de acetato de etilo, acetato de sodio y de alcohol etílico. NOTA: Las concentraciones están consideradas para el proceso total, es decir, al final del mismo, ya que antes de esto las concentraciones son variables.

A C

B

D

Donde:

A)  NaOH B)  C)  D)  

      

Balance global de masa: A + B = C + D 1. Balance parcial de NaOH: E = C

Por tanto C =



2. Balance parcial de

Por tanto C =



(   )   : E = C (   )  

: P = S  )        (   S =    3. Balance parcial de

4. Balance parcial de

:

P=S

 )       (     S =    

Discusión.

Analizando el sistema en base a los datos obtenidos se encuentra que la conductividad medida en el reactor es directamente proporcional a la concentración del NaOH, ya que a altas concentraciones de este, la conductividad presenta mayores valores y conforme se fue consumiendo dicho reactivo, la conductividad disminuye, por lo cual es posible determinar la cantidad de NaOH presente de manera indirecta conociendo los valores de conductividad, este tipo de mediciones resulta útil cuando es complicado medir de manera directa cuanto reactivo se está consumiendo, ya que hacer una medición directa implicaría tener muestras a cada uno de los tiempos fuera del reactor, lo cual además de ser difícil genera pérdidas y es un tanto inexacto. Es importante destacar del primer grafico que si en lugar de graficar la cantidad de NaOH estuviéramos graficando la de alguno de los productos, se obtendría un comportamiento inverso. En el segundo gráfico observamos un comportamiento parecido al grafico 1. Un hecho importante de mencionar es que si para la elaboración de los gráficos se hubieran tomado en cuenta todos los datos (es decir, si se hubieran incluido los datos posteriores a 1800s), estos se hubieran desviado un tanto de la tendencia lineal en el grafico 3, esto se debe a que cerca del final de la reacción, las substancias dentro del reactor no se encuentran de manera homogénea, además es menos probable que haya colisiones efectivas entre los reactantes debido a la presencia de un gran número de moléculas de producto que impiden la interacción de los antes mencionados. El objetivo de trazar el último grafico es debido a que a partir de él se puede obtener la llamada constante específica de velocidad de reacción para la reacción del hidróxido de sodio con acetato de etilo, esta cantidad tomada a una temperatura constante, por lo que depende de esta, además es un valor específico para cada reacción química, lo que nos  permitiría predecir el comportamiento de esta reacción a una temperatura dada. Para la reacción de hidróxido de sodio con acetato de etilo, a una temperatura de 15°C, la k = 0.0015mol/Ls.

Conclusiones.     

En un proceso por lote se introducen los reactivos o materias primas al t = 0 y los  productos son obtenidos después de determinado tiempo. El reactor tipo Batch es un reactor donde no existen flujos de entrada ni de salida. Se puede medir la concentración del NaOH aprovechando sus propiedades electrolíticas. Para este sistema, la conductividad medida en el reactor es directamente  proporcional a la concentración del NaOH. La constante de velocidad de reacción depende de la temperatura y es específica  para cada reacción.



La constante de velocidad para la reacción entre el hidróxido de sodio y el acetato de etilo tiene un valor de k = -0.0015mol/Ls.

Referencias.

Bibliográficas. (1) Chang, R. Química 10ª Edición. 

México: McGraw Hill (2010) Págs. 556-588. (2) Kuhn, H., Forsterling, H., Waldeck, D. Principios de fisicoquímica. 2ª Edición. México: Cengage Learning. 2011 

Electrónicas.

1.

GENERALIDADES SOBRE ENZIMAS (Marzo, 2014).

Disponible en: http://mazinger.sisib.uchile.cl/repositorio/lb/ciencias_quimicas_y_farmaceuticas/schmi dth02/parte02/01.html