Estancia Reactores

UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA Campus Xalapa

Estancia de Vinculación “Comprobación de las practicas del equipo EDIBON juego de reactores químicos” Laboratorio de Ingeniería Aplicada IQ Asesor: IQ. Gonzalo Pérez Ronzón

Por: LUIS ANGEL VALLEJO DURAN Xalapa, Eqz. Ver. 15 de Junio del 2012.

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INDICE Justificación……………………………………………………………………........3 Introducción……………………………………………………………………..…..4 Objetivos……………………………………………………………………….….…5 Marco teórico…………………………………………………………………..…....7 Principios de instalación y operación………………………………………...10 Tarjeta de adquisición de datos………………………………………………..14 Uso del software…………………………………………………………………..15 Calibración…………………………………………………………………………18 Operación del equipo…………………………………………………………….20 Metodología………………………………………………………………………..22 Práctica 1 “Curvas de calibración de NaOH”………………………………..22 Práctica 2 “Dependencia de k con la temperatura (Ec. de Arrhenius)”...26 Práctica 3 “Comparativa entre conversión teórica y experimental. Desviación de la idealidad con reactor tipo tubular”….…....33 Imágenes de la experimentación…………………………………………..….38 Observaciones y recomendaciones………………………………………….39 Conclusión………………………………………………………………………..40 Bibliografía………………………………………………………………………..40

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JUSTIFICACION El perfil de un Ingeniero Químico se forma a partir de conocimientos teóricos y experimentales adquiridos durante los estudios de licenciatura y posgrado. El Ingeniero Químico es el encargado de someter la materia prima a un proceso de transformación para obtener un producto útil para la sociedad. Para esto hace uso tanto de operaciones básicas de separación y reactores químicos como de economía. Por lo tanto es necesario tener los conocimientos básicos de termodinámica, fenómenos de transporte y cinética de reacciones químicas, entre otros. Dentro de las instalaciones de la Facultad de Ingeniería Química en la Unidad de Ingeniería y Ciencias Químicas de la Universidad Veracruzana se encuentra localizado el Laboratorio de Ingeniería Aplicada IQ. Rafael Pedregal Fernández. En este laboratorio se encuentran los principales equipos que la carrera de Ingeniería Química maneja en su plan de estudios, como lo son: evaporadores, destiladores, reactores, sistemas de generación de vapor, unidades de refrigeración, entre otros. Con el apoyo de la Dirección General del Área Académica Técnica de la Universidad Veracruzana y las autoridades de la facultad se han adquirido dos equipos nuevos para el Laboratorio de Ingeniería Aplicada de la Facultad de Ingeniería Química los cuales son: un equipo de reactores marca EDIBON y una torre de destilación marca PIGNAT, los cuales servirán de ayuda a los alumnos de la facultad de ingeniería química, en su desarrollo profesional y académico, los cuales deben de ser probados y arrancados en una fase inicial de pruebas, para corroborar que están en optimas condiciones de operación y así establecer serie de pruebas de comprobación de prácticas establecidas en los manuales de operación. El uso de equipos de reacciones químicas y operaciones de transferencia de masa son fundamentales en la formación del perfil de Ingeniero Químico, dado que mediante estos se vinculan los conocimientos teóricos adquiridos en clase, con la práctica experimental realizada en los laboratorios de ingeniería aplicada. El proveedor proporciona manuales prácticos que necesitan interpretarse y probarse para ser comprendidos totalmente. Las prácticas sugeridas por el manual son generales y los fundamentos teóricos son básicos, por lo que se necesita de trabajo previo informativo en cuanto a la teoría y la operación del equipo antes de ser tomado en cuenta para realizar prácticas con alumnos.

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INTRODUCCIÓN Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor coste posible. Si la reacción química es catalizada por una enzima purificada o por el organismo que la contiene, hablamos de biorreactores. Existen varias formas de clasificarlos: Según el modo de operación: Reactores discontinuos Reactores continuos: Según la fase que albergan: Reactores homogéneos: tienen una única fase, líquida o gas. Reactores heterogéneos: tienen varias fases, gas-solido, líquido-sólido, gasliquido, gas-líquido-sólido. Este manual se utiliza como material didáctico de la enseñanza de las experiencias educativas de ingeniería de reactores y cinética química, donde en el laboratorio de ingeniería aplicada se cuenta con un nuevo equipo de reactores químicos Edibon, los cuales necesitan de un manual de manejo que sea más accesible para los alumnos de licenciatura. Se plantean prácticas de apoyo experimental para los alumnos de la licenciatura, así como de algunas recomendaciones en el uso del equipo, principios de operación y manejo correcto del equipo. Dentro del manual se explican los pasos que se deben seguir para la instalación del equipo, la operación y el manejo de los reactores, y además la instalación del software de la interface de control del equipo. Se propone un marco teórico para que el alumno comprenda que se está trabajando, las partes y componentes que forman el equipo, que componentes lleva y de los cuidados que se deben tomar al momento de operar los reactores. Al final se exponen conclusiones y observaciones del uso de los reactores químicos en la licenciatura.

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OBJETIVOS GENERALES: Comprobar algunas de las prácticas propuestas en el manual de operación del equipo Edibon. Implementar un programa de realización de prácticas no incluidas en los manuales de operación del equipo de reactores EDIBON y que reforzarán los conocimientos adquiridos en las EE de Cinética Química, Ingeniería de Reactores, y Operaciones de transferencia de Calor.

OBJETIVOS PARTICULARES: Adaptar el manual de instalación proporcionado por el proveedor EDIBON a material multimedia, explicativo y fácil de comprender para ser proporcionado a los facilitadores que así lo deseen. Adaptar el manual de operación proporcionado por el proveedor EDIBON a material multimedia, explicativo y fácil de comprender para ser proporcionado a los facilitadores que así lo deseen. Adaptar el manual de prácticas para los diferentes equipos de reactores proporcionado por el proveedor EDIBON a material multimedia, explicativo y fácil de comprender para ser proporcionado a los facilitadores que así lo deseen. RESULTADOS ESPERADOS: Comprobar algunas de las prácticas propuestas del manual de operación de los reactores EDIBON Realizar un manual de sugerencias de prácticas (no incluidas en los manuales del proveedor para los maestros que deseen reforzar los conocimientos teóricos adquiridos en las experiencias educativas de “Operaciones de transferencia de Calor” e “Ingeniería de Reactores y Cinética Química”. MARCO TEÓRICO Existen tres tipos de reactores ideales, los cuales son: reactores discontinuos, (Batch), reactores de mezcla perfecta (Tanque agitado) y reactores de flujo pistón (tubulares). En todos los sistemas se realizan reacciones homogéneas y heterogéneas con dos o más sustancias reaccionantes. Su comportamiento se rige mediante

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modelos matemáticos provenientes de balances de materia y energía en las reacciones químicas. En los reactores ideales discontinuos están los de volumen constante y los de volumen variable. En el caso de trabajar con reacciones en fase liquida, se supone que el fluido es incompresible, y por lo tanto se trabaja con volúmenes del reactor constantes y resolviendo el balance hasta obtener la ecuación de diseño de un reactor discontinuo ideal de volumen constante. Si es el caso de trabajar en fase gaseosa, el volumen de la mezcla reaccionante puede variar por cambios en la temperatura, presión o el número de moles. Y así resolviendo otro balance hasta llegar a la ecuación de diseño de un reactor discontinuo ideal de volumen variable. El reactor discontinuo se emplea también para cálculos cinéticos. Y en la diferenciación de datos se utilizan tres métodos: gráficamente, numéricamente y ajuste de polinomios. El tipo de reactor discontinuo adiabático se trabaja con un reactor aislado del exterior, en el cual no existe transmisión de calor con el exterior. En los reactores de mezcla perfecta (tanque agitado) las propiedades no se modifican ni con el tiempo, ni con la posición dentro del reactor, ya que se supone que se trabaja en estado de flujo de estado estacionario y la mezcla de reacción es completamente uniforme en cualquier punto del reactor. El tiempo espacial es muy utilizado en el diseño de reactores, el cual se define como el tiempo necesario para tratar en el reactor, un volumen de alimentación igual al volumen del reactor. Se utiliza la ayuda de un reactor de mezcla perfecta para determinar una ecuación cinética. Cuando se trabaja con baterías de reactores de mezcla perfecta en serie, cada uno de ellos puede trabaja a temperaturas y volúmenes diferentes. Se utilizan métodos gráficos y analíticos de cálculos para el diseño y/o operación. El reactor flujo pistón trabaja en estado estacionario, es decir que las variables de operación no cambian con el tiempo, se dice que un fluido circula por un tubo en flujo pistón cuando no existen gradientes radiales y cando no hay ningún tipo de mezcla axial. Las propiedades de un reactor de flujo pistón varían solo con la posición por esta razón, si se tiene que aplicar un balance de materia, se necesita emplear LAVD

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diferenciales de volumen de reactor. Posteriormente mediante la integración se extenderá el análisis, al volumen total del reactor y así hasta llegar a la ecuación general de diseño para un reactor de flujo pistón. El reactor de flujo pistón puede ser isotérmico y no isotérmico, adiabático o no adiabático. En los reactores de flujo pistón isotérmicos, la temperatura no varía con la posición del reactor. Además la composición en un punto no varía con el tiempo por tratarse de un reactor de flujo pistón en estado estacionario. La velocidad de reacción será función de la conversión o de la concentración, dependiendo de la cinética de la misma. El reactor de flujo pistón adiabático está aislado del exterior, por lo que no existe transmisión de calor con hacia el exterior. Esto hace que a lo largo del reactor se produzca un aumento o disminución de temperatura en caso de tener reacciones endotérmicas o exotérmicas. Reacción química La reacción química que se propone en el manual de prácticas del proveedor es el del acetato de etilo (CH3 COOC2H5)(l)) y el Hidróxido de sodio (NaOH)(l) la reacción es irreversible y dentro de esta existen cinco pasos intermedios de reacción para llegar a los productos finales de reacción pero para fines de este trabajo solo nos importan los productos finales y la orden de reacción para el desarrollo de la cinética química.. Desarrollo de la estequiometria de la reacción química NaOH(l) +CH3 COOC2H5(l)

CH3COONa(ac) +C2 H5 OH(ac).

Lo productos de la reacción son el acetato de sodio y etanol Esta reacción se puede considerar de primer orden con respecto al hidróxido de sodio y al acetato de etilo, dentro de los límites de concentración de 0 a 0.1 M y temperatura de 20 a 40°C Las condiciones de estado estacionario varían dependiendo de la concentración de los reactivos, flujos, volumen del reactor y temperatura de reacción.

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Cinética química de la reacción. Alimentaciones Equimolares CA0=CB0

Cinética de desaparición de A

O bien

=

Concentración en función de conversión (1-Xa) Ecuación de diseño del reactor químico

∫

∫

=

)

Obtención del modelo cinético ∫

∫

A completando y resolviendo la integral obtenemos

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(|

[

|)

(|

|)

[

]

]

Donde podemos despejar k

Donde las unidades de k nos dan [ ]

Partiendo de estas ecuaciones se procede a realizar la experimentación de las prácticas propuestas.

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PRINCIPIOS DE INSTALACION Y OPERACION DEL EQUIPO Para comenzar la instalación del equipo se debe primero de consultar el manual de instalación y operación del equipo de reactores químicos Edibon. Descripción del equipo. El equipo de reactores Edibon consta de una unidad de operación la cual consta de la interfaz de adquisición de datos controlados por computadora y el sistema de alimentación de reactivos, sistema hidráulico y sistema mecánico de operación de los reactores. El cual el sistema de alimentación de reactivos llevan dos frascos de 1 litro para los reactivos a usarse, el sistema hidráulico lo forman el baño termostático del reactor el cual lo forman una serie de resistencias dentro de un tanque de aproximadamente 4 litros de capacidad para agua de calentamiento o enfriamiento, el cual tiene un serpentín donde se hacen pasar los reactivos en los cuales se calientan o enfrían antes de entrar al reactor que se use. El sistema mecánico lo integran 3 bombas, las cuales dos son para los reactivos, los cuales es una bomba para cada reactivo y la tercera bomba es para el baño térmico. El equipo cuenta con 6 reactores: 1 tipo batch de capacidad de 1 litro, 1 tubular, 1 tanque agitado de 2 litros de capacidad, y 3 de tipo tanque agitado en serie.

Fig. 1. Equipo de rectores químicos Edibon.

Instalación: Para instalar el equipo y reactores se deben de llevar a cabo los siguientes pasos: LAVD

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Suministro eléctrico Conectar el enchufe 1.Montaje del macho dependiendo conector del enchufe hembra del laboratorio. Este equipo requiere de una fuente monofásica con toma de tierra. 2.-comprobacion del Antes de conectar la voltaje del suministro interfaz al enchufe hembra del laboratorio, asegúrese de que la potencia es la indicada en la parte trasera de la interface 3.- Conexión a tierra

Comprueba que las tierras del PC y la interface sean iguales

4.-Conexión de la Cables de datos, AB-1 interface del equipo y AR-1 de la base del equipo conectados a la interface. Conexión de la Bomba eléctrica AB-2 de la base para la interface Conexión de la bomba eléctrica de reactivo AB-3 de la base de la interface. Vista de la interface ya lista con las conexiones. Conexiones de los Las conexiones AA-1, reactores a usar AA-2 y AA-3, (ejemplo tipo batch.) corresponden al reactor en uso, en este caso la AA1, es del tipo batch.

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Conexiones termopares sensores

de

los Termopares y sensor y de conductividad del reactor, se conectan en la parte posterior y en la cara de enfrente, además cada cable viene con etiqueta de nomenclatura y numero de conexión.

Conexiones de Las mangueras de Bombas de reactivos color azul son de agua y enfriamiento. de enfriamiento y las mangueras delgadas blancas son las de reactivos, todas cuentan con etiqueta y nomenclatura Colocación de los Los reactivos se reactivos ubican atrás de la base del equipo y se colocan e los frascos de 1 litro con sus respectivas mangueras de las bombas. Como debe de verse el reactor conectado a las mangueras y bombas

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Una vez conectado todo el reactor tanto a la interfaz y a las bombas y reactivos debe de verse como se muestra en la figura.

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Uso de los reactores

Si se desea trabajar con otro reactor se debe de realizar la misma operación que la del batch, y se conecta de la misma manera con las etiquetas del reactor y cada manguera a la conexión del mismo la cual cada conexión cuenta con nomenclatura.

Requerimientos hidráulicos. Para la realización de prácticas Se debe de hacer el montaje del conector, se necesita tener una fuente de agua para cargar el baño termostático. El procedimiento de funcionamiento del baño es el siguiente: 1.- Conecte los tubos de 8mm desde las válvulas de entrada-salida hasta el reactor. 2- Conecte la bomba AB-1 que irá cargando el elemento termostatizador, hasta que observamos que el agua vuelve por la válvula de retorno. Además es necesario disponer de un desagüe para verter el agua que tenemos en el baño exterior del recipiente multiproceso.

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Tarjetas de Adquisición de Datos Instalación Con el computador de la desconectado del suministro tarjeta eléctrico (apagado), instalar la tarjeta en una ranura PCI de la tarjeta madre de tu PC. Cable SCSI El cable suministrado con el equipo es el SCSI III machohembra. Conecte la cabeza hembra a su tarjeta DAQ y la cabeza macho al conector de la parte trasera de la interface. Este cable tiene conectores de entradas y salidas digitales y analógicas

Instalación El equipo es suministrado con 2 del CDs (CD1/2, CD2/2). CD1/2 contienen los drivers de la software tarjeta de adquisición de datos y el CD2/2 contiene el instalador del software de control. Inserte CD1/2 Éste tardará un tiempo en cargarse y mostrará una ventana que informa del progreso. Los drivers NI-DAQ incluyen todos los programas para el PC para la comunicación con la tarjeta de adquisición de datos, a través del software SCADA ROUC. Después de que se haya iniciado el instalador NIDAQ, por favor haz clic en el botón de siguiente “NEXT” para continuar con el proceso de instalación. Una vez que se reinicia el PC, instalamos el Software de control (Paso 2). Inserte el CD2/2 . Installation Wizard (Wizard de instalación) le LAVD

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guiará durante el proceso de instalación. La siguiente figura muestra la página de bienvenida del “Installation Wizard” para uno de nuestros sistemas. Después de esta página, se accede a la instalación del directorio (te recomendamos abandonar la sección de abandonar (default section), pero puedes cambiarla dependiendo de tu equipo). Haciendo clic en “NEXT”, comienza el proceso de instalación y se instalan todos los componentes que hay que ejecutar en el directorio que hayas definido (Installation Directory\SACED\SystemName),

Uso del software Al ejecutar el programa, aparecerá una pantalla de menú con las diferentes tareas que se pueden llevar a cabo.

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En la parte izquierda superior del panel, tienes los seis botones principales: CALIBRATE (Calibración): Permite leer y calibrar la carpeta de calibración del equipo. Se necesita clave. START: Comienza la práctica pidiendo el nombre de la carpeta para almacenar los datos. Tras introducir un nombre válido, comienza la adquisición, y los indicadores y visualizadores muestran la evolución del tiempo real de las señales adquiridas. STOP: Para la presente adquisición. Sólo es posible realizarlo mientras una adquisición esté en curso. VIEW DATA: Proporciona una nueva ventana de representación gráfica en la que los valores anteriormente adquiridos y almacenados se pueden analizar. Los datos tardan en cargarse un tiempo, dependiendo del tamaño de la carpeta. DONE: Cuando se finalice de trabajar con los datos anteriormente adquiridos se deberá pinchar este botón. QUIT: Apaga y sale del programa. No se puede utilizar cuando una adquisición esté en proceso o cuando se estén visualizando datos. El panel inferior central muestra la representación gráfica de los datos. Dependiendo del sistema, dicho panel puede mostrar dos paneles de una sola vez o sólo uno, que se puede seleccionar desde un menú desplegable. También existe un botón para la ampliación de la representación gráfica “ENLARGE PLOT” que proporciona una ventana gráfica más grande con los mismos datos que en el panel inferior pequeño. Panel de Control La figura de la izquierda muestra un ejemplo de un panel de control, con controles específicos para un equipo concreto. Se pueden ver 3 interruptores digitales y dos controladores analógicos para las velocidades del motor y del ventilador. Este panel varía dependiendo del equipo suministrado y puede tener controles específicos.

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Pantalla de Gráficas Este panel puede representar gráficamente en tiempo real los valores que los sensores han tomado para visualizar la evolución de las medidas en el tiempo.

Guardar Datos Por defecto el software no guarda ningún resultado. Para guardar los datos se debe pulsar el botón “Save Data” y seleccionar cada cuanto tiempo se quiere guardar en segundos. Dependiendo del proceso que se esté estudiando el tiempo entre muestras puede ser más largo o más corto. Si quieres tomar el dato de toma manual, basta con pulsar el botón “take data” y guardará los valores en ese momento. Los datos son guardados en el fichero .dat seleccionado al arrancar el programa.

Visualización de Datos Todos los resultados guardados pueden ser visualizados una vez finalizado el experimento. Para ello basta con accionar el botón “view data”. Aparecerá una nueva pantalla, selecciona la variable que se quiere representar frente al tiempo. Es importante saber que las escalas de los ejes de la gráfica puede ser cambiada, para ello se hace doble click sobre maximum/minimum value, dependiendo del que queramos cambiar. Hay que tener en cuenta que las escalas de los diferentes sensores varían considerablemente de unos a otros LAVD

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Calibración de los Sensores El botón de calibración “CALIBRATE” pedirá una clave para acceder a la ventana de calibración. Existen dos posibles claves: Profesor y asistencia técnica. Esta última está reservada para el personal de asistencia técnica. Cuando la nueva ventana pida la clave, selecciona “Instructor” e introduce la clave que es proporcionada con el equipo. Si es correcta, se abrirá la ventana de calibración. La ventana de calibración mostrará un menú despegable en el que hay diferentes opciones a elegir. Puedes seleccionar “Create New File” (Crear una carpeta nueva) o “Edit Existing File” (Editar una carpeta existente). Para un funcionamiento normal, tienes que elegir “Edit Existing File”. Esta opción cargará los valores encontrados en la carpeta de configuración (por ejemplo, EGAC.edb).

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Edit Existing File: Si selecciona esta casilla, cambiarás la carpeta de calibración, así que actúe con cuidado. Selecciona “Analog Input Channel” (Canal de entrada analógico) de la lista desplegable al elegir el nombre del sensor que se desee calibrar. El nombre del sensor aparecerá en el campo correspondiente junto con la ganancia y la compensación de este canal. Selecciona “Analog Input Channel” (Canal de entrada analógico) de la lista desplegable al elegir el nombre del sensor que se desee calibrar. El nombre del sensor aparecerá en el campo correspondiente junto con la ganancia y la compensación de este canal. Si queremos leer datos, la casilla “Points to average” no puede estar a 0. “Gain” y “Offset” indican la calibración del sensor seleccionado en ese momento. Por otro lado, la casilla de “Volts” (Voltios) indica la lectura en voltios, mientras que “Calibrated” es el valor del sensor con la calibración establecida por la ganancia “Gain” y la compensación “Offset”.

Si queremos cambiar la calibración, tenemos que modificar las condiciones del sensor seleccionado. Por ejemplo, para un sensor de temperatura etiquetado como ST-5, modificaremos su temperatura hasta 0ºC empleando hielo (comprueba la temperatura usando un termómetro calibrado) y leemos los voltios obtenidos en la pantalla anterior. Escribimos la temperatura y los voltios y hacemos lo mismo con agua hirviendo a 100ºC, tomando igualmente nota de la temperatura y los voltios obtenidos.

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Ahora, con los valores obtenidos anteriormente, los escribimos en voltios en la casilla “Voltage (V)” y la temperatura medida con el termómetro (0ºC), en la casilla “Signal”. Pinchamos en “Enter” para guardar lo que hemos escrito. Hacemos lo mismo con la temperatura de 100ºC y presionamos “Enter” tras haber escrito los nuevos valores. Podemos hacerlo también con más puntos de los que necesitamos. No obstante, tras haber introducido dos puntos, se activa ya el botón de “DONE”. Si hacemos clic en él, guardamos la ganancia y la compensación y representa los puntos junto con la adaptación lineal. Pinche en FINISH tras haber introducido todos los datos y la adaptación ha sido realizada con éxito. De esta manera, se exportarán los valores de la ganancia y la compensación a la ventana de calibración. En ella, pincha “ENTER” para guardar los nuevos valores de ganancia y compensación. Haz lo mismo con el resto de los sensores. Cuando todos hayan sido calibrados, pincha en “done” y se modificará la carpeta de configuración. OPERACIÓN DEL EQUIPO 1.- Encienda la interface del equipo mediante el interruptor Power de la parte delantera de la interface. Seguidamente, inicie la aplicación SCADA VPMC tras la instalación del software y los drivers

2.- Enciende el sistema SCADA-QRC (la carpeta de configuración nombreEquipo.edb se cargará). 1. Seleccionamos el reactor en estudio en la pantalla de Bienvenida. 2. Pincha en el botón de comienzo START para la adquisición de datos. 3. Selecciona el nombre de la carpeta para guardar los datos capturados. 4. Se verán los sensores en el panel de la derecha de arriba de la aplicación y los actuadores a mano derecha, debajo de los sensores. 5. Si los valores de los sensores son los que deseas, haz clic en el botón de START SAVING (Captura datos).

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3.- Presiona el botón de STOP (Parada) tras haber realizado la práctica. 3.1 Ahora, puedes visualizar los datos empleando la herramienta de VIEW DATA (Vista de datos). Ésta cargará una ventana nueva de gráficas así como los datos. Dicho proceso puede llevar un tiempo, dependiendo del tamaño de la carpeta (varios megabytes en la mayoría de los casos). Mientras los datos se están cargando, aparecerá un mensaje de advertencia que destellará 3.2Tendrás 3 paneles de gráficas diferentes que se pueden activar con un botón de radio debajo de cada gráfica. 3.3Selecciona la gráfica y marca las cantidades para los ejes X e Y con los botones de radio que se encuentran debajo. Las etiquetas de los ejes cambiarán de acuerdo con ello y la gráfica mostrará un rango para cada una de las presiones usadas. 3.4 Puedes ampliar la gráfica activa presionando el botón de “ENLARGE” (Ampliación). Para cerrar la nueva ventana, suelta dicho botón. 3.5 Cuando finalices, presiona el botón de “CLOSE” (Cerrar) y vuelve a la ventana principal. Allí, pincha en “DONE” (Finalizado). Ahora puedes proseguir con una nueva adquisición o salir del programa.

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METODOLOGIA Para el cumplimiento de los objetivos planteados se realizaron unas series de pruebas de arranque del equipo y así como de la realización de las practicas; para esto se comenzó la primera prueba con agua destilada para poder comprobar que el equipo funcionando adecuadamente, además de que se usaron el reactor tubular y el de lotes (Batch), así como de la manipulación del software del equipo. Para determinar que datos nos arrojaba. El equipo mide conductividad del NaOH con la ayuda de un conductímetro en mS.

PRACTICA 1

“CURVAS DE CALIBRACION DEL NaOH”

Objetivos: Determinar el análisis cuantitativo del NaOH a diferentes temperaturas y concentraciones. Que el alumno aprenda a manipular el equipo de reactores a si como el uso del software del mismo Comprender el uso de las curvas de calibración en el análisis cuantitativo del NaOH.

FUNDAMENTO La curva de calibrado es un método de química analítica empleado para medir la concentración de una sustancia en una muestra por comparación con una serie de elementos de concentración conocida. Se basa en la existencia de una relación en principio lineal entre un carácter medible(en este caso la conductividad) y la variable a determinar (la concentración). Para ello, se efectúan diluciones de unas muestras de contenido conocido y se produce su lectura y el consiguiente establecimiento de una función matemática que relacione ambas; después, se lee el mismo carácter en la muestra problema y, mediante la sustitución de la variable independiente de esa función, se obtiene la concentración de esta. Se dice pues que la respuesta de la muestra puede cuantificarse y, empleando la curva de calibración, se puede interpolar el dato de la muestra problema hasta encontrar la concentración del analito. Las curvas de calibración suelen poseer al menos una fase de respuesta lineal sobre la que se realiza un test estadístico de regresión para evaluar su comportamiento.

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25°C 0.15 0.1 25°C

0.05 0 0

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Fig.2 ejemplo de una curva de calibración del NaOH A 25°C Material y equipo 1lt de solución de NaOH .1 M 1lt de solución de NaOH .05 M 1 lt de solución de NaOH .01M 1 lt de solución de NaOH .02M Reactor discontinuo batch QRDC

Desarrollo de la práctica 1.- Ejecute el programa QRC 2.- Seleccione el tipo de reactor a utilizar. En este caso será QRDC. 3.- Presione el botón START e introduzca el nombre del fichero que contendrá los datos en la nueva ventana. 4.-Coloque la disolución de hidróxido de sodio correspondiente, comenzando con .01 M en el frasco de reactivo que se encuentran en la parte posterior del equipo 5.- Introduzca en el reactor por alguna de las bombas peristálticas la disolución de Hidróxido de sodio, hasta alcanzar el nivel del conductímetro SCC-1. 6.-Encienda el circuito de termostatización y seleccione 25ºC como temperatura. 7.-Encienda el sistema de agitación para facilitar la rápida termostatización. 8.-Determine la conductividad del NaOH a 25ºC. LAVD

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8. Repita las medidas a 35 y 45ºC. 9. Anote los resultados. 10. Vacíe el reactor. 11. Límpielo con agua, varias veces. Cálculos Siguiendo los pasos anteriores se obtuvieron los siguientes resultados: A 25°C se obtuvo los siguientes datos Concentración Conductividad 0 0 0.01 2.77 0.05 11 0.1 16.23

A 35°C se obtuvo los siguientes datos Concentración Conductividad 0 0 0.01 3.28 0.05 12.995 0.1 18.76

A 40°C se obtuvo los siguientes datos Concentración Conductividad 0 0 0.01 3.52 0.05 14.015 0.1 19.68

A 45°C se obtuvo los siguientes datos Concentración Conductividad 0 0 0.01 3.78 0.05 14.78333333 0.1 19.7

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Grafica de las curvas de calibración del NaOH A diferentes temperaturas

Concentracion (M) vs Conductividad (mS) 0.1 0.09 0.08

Concentración (M)

0.07 0.06 25°C

0.05

35°C 40°C

0.04

45°C 0.03 0.02 0.01 0 0

5

10

15

20

Conductividad (mS)

Conclusión Con esta práctica el alumno podrá identificar la concentración del NaOH a diferentes concentraciones y temperaturas y con la ayuda de las curvas este podrá seguir el avance de una reacción.

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PRACTICA 2. Dependencia de k con la temperatura (Ec. de Arrhenius) Calculo del factor de Frecuencia y la Energía de Activación en la Hidrólisis del acetato de etilo. Fundamento La ecuación de Arrhenius es una expresión matemática que se utiliza para comprobar la dependencia de la constante de velocidad (o cinética) de una reacción química con respecto a la temperatura a la que se lleva a cabo esa reacción. La ecuación fue propuesta primeramente por el químico holandés J. H. van 't Hoff en 1884; cinco años después en 1889 el químico sueco Svante Arrhenius dio una justificación física y una interpretación para la ecuación. Actualmente, es vista mejor como una relación empírica. Puede ser usada para modelar la variación de temperatura de coeficientes de difusión, población de vacancias cristalinas, velocidad de fluencia, y muchas otras reacciones o procesos inducidos térmicamente Dicho de manera breve, la ecuación de Arrhenius da la dependencia de la constante de velocidad k de reacciones químicas a la temperatura T (en temperatura absoluta, tales como kelvins o grados Rankin) y la energía de activación Ea", de acuerdo con la expresión:1

donde: : constante cinética (dependiente de la temperatura) : factor preexponencial o factor de frecuencia. Refleja la frecuencia de las colisiones. : energía de activación, expresada en J/mol. : constante universal de los gases. Su valor es 8,3143 J·K-1·mol-1 : temperatura absoluta [K] .

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Grafico de Arrhenius Para utilizar la ecuación de Arrhenius como modelo de regresión lineal entre las variables y , la ecuación puede ser reescrita como:

Un gráfico de Arrhenius muestra el logaritmo de las constantes cinéticas ( en el eje de las ordenadas en coordenadas cartesianas) graficado con respecto al inverso de la temperatura ( , en el eje de las abcisas). Los gráficos de Arrhenius son ocasionalmente utilizados para analizar el efecto de la temperatura en las tasas de rapidez de las reacciones químicas. Para un único proceso térmicamente activado de velocidad limitada, un gráfico de Arrhenius da una línea recta, desde la cual pueden ser determinados tanto la energía de activación como el factor preexponencial. Cuando se grafica de la forma descrita anteriormente, el valor de la intersección en el eje y corresponderá a

, y la pendiente de la línea será igual a

.

El factor preexponencial, A, es una constante de proporcionalidad que toma en cuenta un número de factores tales como la frecuencia de colisión y la orientación entre las partículas reaccionantes. La expresión representa la fracción de las moléculas presentes en un gas que tienen energía igual o superior a la energía de activación a una temperatura dada. Objetivo  

Demostrar que la dependencia de la constante de velocidad con la temperatura es a través de la ecuación de Arrhenius. Calcular los valores de la energía de activación y el factor de Arrhenius.

Material y equipo   

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2 litros de disolución de acetato de etilo 0.013 M 2 litros de disolución de hidróxido sódico 0.013 M Equipo QRCAC

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Desarrollo de la práctica 1.- Encienda el equipo QRC 2.- Seleccione el tipo de reactor a utilizar. En este caso será QRCAC 3.- Presione el botón START e introduzca el nombre del fichero que contendrá los datos en la nueva ventana. 4.- Introduzca en el reactor cantidad suficiente de Hidróxido de sodio como para que bañe la célula de conductividad y el termopar. 5.- Encienda el circuito de termostatización y selecciones 25ºC como temperatura. 6.- Encienda el sistema de agitación para facilitar la rápida termostatización. 7. Determine la conductividad del Hidróxido de sodio a 25ºC. 8. Introduzca 0.5 litros de disolución de Acetato de sodio. 9. Mida durante 30 minutos. 10. Repita las medidas a 35 y 45ºC. 11. Anote los resultados 12. Vacíe el reactor. 13. Límpie el reactor con agua destilada varias veces. Cálculos Obtención del modelo cinético ∫

∫

A completando y resolviendo la integral obtenemos

(|

[

|)

]

Donde podemos despejar k

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Donde las unidades de k nos dan [ ]

Experimentación Datos experimentales a 35.2 °C tiempo(min)

C (mol) 0 3

k(35.2°C)= k=

0.013 0.072

(0.0130.0072)/(3)(0.013)(0.0072) 20.65527066 lt/mol.min

Datos experimentales a 42.1 °C tiempo(min)

k(42.1°C)= k=

C (mol) 0 0.016 3 0.0074 (0.0160.0074)/(3)(0.016)(0.0074) 24.2117117 lt/mol.min

Propuesta: Realiza los cálculos para esta experimentación a 25°C

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Grafica del proceso de experimentación en el equipo QRC a 35°C

Gráfica del proceso de experimentación en el equipo a 45°C

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Linearización de la Ec. De Arrhenius

}

Sustitución de datos experimentales.

Tabulación de lnk vs 1/T Lnk 3.0277

1/T 3.243 x10-3

3.1867

3.172 x10-3

3.5 3 2.5 Series1

1.5

Series2

lnk

2

Lineal (Series1) 1

Lineal (Series2)

0.5 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

1/T °K

GRAFICO DE Lnk vs 1/T

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Cálculo de la Ea por regresión

Calculo de A por regresión

Resultado modelo de k

Siendo este ultimo el modelo de k para esta experimentación Conclusión Se comprobó en esta practica los diferentes resultados de la obtención de k por diferentes temperaturas y sus diferentes concentraciones en donde se demuestra la comprobación de la teoría y como se puede obtener la ecuación modelo de Arrhenius para el proceso planteado.

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PRACTICA 3. Comparativa entre conversión teórica y experimental. Desviación de la idealidad con reactor tipo tubular Fundamento La conversión es la fracción de la alimentación o de algún material clave de la alimentación que se convierte en productos. Así pues, el porcentaje de conversión es: % de conversión = moles (o masa) de alimentación (o de un compuesto de ésta) que reaccionan / moles (o masa) de alimentación (o de un compuesto de ésta) introducidos multiplicando esta división por 100. Es preciso especificar cuál es la base de cálculo para los cálculos en la alimentación y en que productos se está convirtiendo esa base de cálculo, pues de lo contrario la confusión será absoluta. La conversión tiene que ver con el grado de conversión de una reacción, que por lo regular es el porcentaje o fracción del reactivo limitante que se convierte en productos. La ecuación de la fracción de conversión es la siguiente: Ci=Ci, 0(1-Xi) Donde Ci es la concentración de la especie i, Ci,0 la concentración inicial y Xi la conversión de dicha especie. Los reactores de flujo tubular se emplean como unidades de laboratorio, con el propósito de obtener una ecuación de velocidad que describa el modo de operación del reactor y el desarrollo de la reacción química que tiene lugar en él. El reactor de flujo tubular (QRTC) se utiliza especialmente para el estudio cinético de reacciones homogéneas líquido-líquido. Para el estudio de este reactor es necesaria la utilización de un Módulo de servicios e Interface con la denominación QUSC. Este tipo de reactor está constituido por un tubo simple continuo en el que los reactantes entran por uno de los extremos del reactor, y los productos salen por el otro extremo, con una variación continua de la composición de la mezcla de reacción en el interior. Las reacciones que tienen lugar son homogéneas y es muy conveniente que se realicen a temperatura constante. El diseño de este pequeño reactor de flujo tubular tiene la capacidad suficiente para mostrar el comportamiento de los reactores a gran escala.

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Objetivos: En esta práctica se pretende la realización de un estudio comparativo entre la conversión teórica de reactor estudiado y la conversión experimental obtenida. Evaluar y comparar la fracción de conversión teórica obtenida mediante soluciones analíticas, contra la fracción de conversión experimental.

Material utilizado *1 litros de disolución de hidróxido de sodio 0.013 M *1 litros de disolución de acetato de etilo 0.013 M *Equipo QRC *Manual de prácticas del equipo QRTC.

Desarrollo de la práctica Los cálculos a realizar son los siguientes: =0.013

∫ ∫

∫ Ahora resolviendo la integral llegamos a la siguiente expresión: [

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]

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Donde:

Para tener un modelo real se deberá usar un valor de k con el cual previamente se experimento a 25° C para sustituirlo en el modelo cinético. k=24.21 lt/mol (min) CA= 0.045 XA= 0.65 Resolviendo la integral, haciendo acomodos y sustituyendo:

Con la expresión anterior será posible obtener una conversión fraccional sabiendo un tiempo (espacial) transcurrido de la reacción. Se deberán calcular conversiones teóricas dándole valores al tiempo (en minutos y fracciones de segundos) y se llenará una tabla para después compararla con los datos experimentales obtenidos de la reacción

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Tabla de conversiones teóricas tiempo (min) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5 11 11.5 12 12.5 13 13.5 14 14.5 15

Donde:

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XA 0 0.13606911 0.23954373 0.32088285 0.38650307 0.44055944 0.48586118 0.52437574 0.55752212 0.58634953 0.61165049 0.63403477 0.65397924 0.67186218 0.68798752 0.70260223 0.71590909 0.72807614 0.73924381 0.74953037 0.75903614 0.76784678 0.77603583 0.78366685 0.79079498 0.79746835 0.80372915 0.80961447 0.81515712 0.82038617 0.82532751

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La tabla anterior se deberá comparar con una tabla hecha mediante los datos experimentales, la fracción conversión posiblemente varíe con respecto a la teórica, y como parte de la conclusión el alumno deberá de presentar las posibles razones por las cuales se desvía el valor. Conclusión Se demostró en esta práctica los diferentes valores que se pueden obtener en la conversión teórica y experimental, quedando como propuesta a los alumnos, hagan los diferentes mediciones con los reactivos en el equipo, esto les ayudará a fortalecer los conocimientos en el área aplicada dentro de la carrera.

.

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IMÁGENES DE LA EXPERIMENTACIÓN

Baño térmico de los reactores

Frascos de reactivo

Reactor en operación

Reactor en operación

Proceso de reacción

inicio de software

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OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES El uso de equipo de reactores cuenta con un manual del fabricante donde se encontraron varias inconsistencias en el desarrollo de prácticas, donde el alumno debe de revisar los pasos a seguir en la realización de éstas. Cabe recalcar que la traducción esta al revés, en los manuales se indica que el acetato de etilo se debe de cargar primero al reactor, sin embargo el conductímetro mide iones hidroxilo presentes en la solución, y el acetato de etilo es un Ester, por o cual el conductímetro no registra lectura de conductividad. Por lo anteriormente mencionado se llega a la conclusión que las lecturas de conductividad deberán de ir bajando conforme avance la reacción ya que los iones hidroxilo ayudaran a formar la molécula del etanol. Para la realización de las curvas de calibración hay un limite para las lecturas de conductividad, el equipo solo mide concentraciones que van desde un limite superior de 20 mS, partiendo desde este limite superior, hacia concentraciones menores La interfaz del equipo tiene las etiquetas de la bombas de reactivos al revés donde la AB-2 corresponde ala AB-3 en el software, y la AB-3 corresponde a la bomba AB-2 en el software. Recomendación  Cuando el software envié una advertencia antes de arrancar el equipo a funcionamiento, y esta advertencia dice sobre que se encuentra desconectado el cable scci al equipo de control de interfaz, debe de apagarse la interfaz y además checar en el pc del equipo la tarjeta que se conecta a la tarjeta madre del equipo, y verificar que se encuentra bien conectada. 

Utilizar siempre agua destilada en la operación del equipo.



Utilizar reguladores de voltaje para todo el equipo incluyendo el QRC y el equipo de cómputo.



Manejar con cuidado los reactores, tratar de no golpearlos, ya que cuentan con sensores de medición que son muy precisos y sensibles y esto puede causarle algún daño



Los productos de reacción debe de ser analizados antes de ser vertidos al desagüe, esto se hace mediante un análisis completo en medición de pH determinando si se hace una neutralización de residuo.

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CONCLUSION En el trabajo expuesto se plantea la puesta en operación del equipo, también queda demostrado la comprobación de las prácticas propuestas por el proveedor del equipo. Se establecen los pasos a seguir para un buen uso de los reactores químicos, esperando que el alumno asuma la responsabilidad de trabajar con profesionalismo y responsabilidad y que aproveche al máximo las instalaciones para lograr la complementación de sus estudios en las diferentes áreas de la carrera de la ingeniería química.

BIBLIOGRAFIA 

Manual de operación e instalación del fabricante EDIBON



Tiscareño Lechuga Fernando Reactores Químicos con Multirreacción Editorial: Reverte Año: 2008

 J.M Smith Ingeniería de la Cinética Química Editorial: CECSA Año: 1991  Levenspiel Octave Ingeniería de las Reacciones Químicas Editorial: Repla; Reverte Año: 1987

http://es.wikipedia.org/wiki/Curva_de_calibrado http://es.wikipedia.org/wiki/Ecuaci%C3%B3n_de_Arrhenius

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