Practica 1

UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL ESTADO DE MÉXICO FACULTAD DE QUÍMICA PROGRAMA EDUCATIVO DE INGENIERO QUÍMICO

PRÁCTICA 1

“REPORTE DE LA PRÁCTICA DE LABORATORIO DE DISEÑO DE UN REACTOR HOMOGÉNEO POR LOTES”

Equipo 2 REPORTE QUE PRESENTAN: Enguilo Gonzaga Vania Nayeli Matinez Peña Jesica Ivone Miranda Villatoro Ulises Salinas Tavira Armando Sánchez Tavira Arturo

“LABORATORIO DE INGENIERÍA DE REACTORES ” M. EN C. Q. EDUARDO MARTÍN DEL CAMPO LÓPEZ

Toluca, Estado de México 20 de febrero del 2014

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

ÍNDICE

Objetivo

3

Marco teórico

3

Resultados

4

Memoria de cálculo

4

Discusión de resultados

16

Conclusiones

17

Bibliografía

17

Manejo de residuos

18

Anexos

18

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

2

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

OBJETIVOS  Determinar la ley cinética (constante de reacción, orden de reacción y energía de activación).  Determinar teórica y experimentalmente la conversión alcanzada al realizar el escalamiento de 1:10.  Incrementar habilidades en el laboratorio.

MARCO TEÓRICO Un reactor tipo Batch es un reactor intermitente lo que significa que no existe flujo de entrada ni de salida de un material durante la reacción. Además, este tipo de reactor en su configuración ideal homogeniza perfectamente la mezcla. En la mayoría de los reactores intermitentes, a medida que el reactivo permanece más tiempo en el reactor, se convierte una mayor cantidad de éste producto hasta que se alcanza el equilibrio. En consecuencia, para reactores intermitentes la conversión está en función del tiempo El reactor tipo Batch tiene la ventaja de permitir una alta conversión, sin embargo, también cuenta con la desventaja de alto costo de mano de obra por lote. El algoritmo de diseño de un reactor ideal homogéneo isotérmico sin caída de presión es el siguiente:

1. Balance de moles

2. Ley cinética

3. Estequimetria

4. Combinación de las ecuaciones resultantes.

Existen reacciones tan rápidas que los métodos volumétricos no son adecuados para las investigaciones cinéticas como lo es el caso de la hidratación del anhídrido acético. En estos casos se emplean reactores intermitentes. La reacción sigue la siguiente ecuación:

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

3

Práctica 1

(

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

)

(1)

Si a la mezcla de reacción se le añade KI y KIO3, entonces, a medida que aparece el CH3COOH en el curso de la reacción se va a producir también otra, la de oxidación del IO3- por el I-: (2) La cual sólo tiene lugar en medio ácido, por lo tanto, monitoreando la cantidad de I3- formado se puede seguir la reacción de hidratación.

RESULTADOS Tabla (1). Resultados Generales Orden de reacción constante cinética K0 constante cinética K Energía de Activación Ea Tiempo batch 500 ml al 50% Tiempo batch 500 ml al 99% Tiempo matraz 500 ml al 99%

1 er orden 0.0001 k=exp(-985.66x-9.2142) 8195.7 J/mol 3.2 h 21.32 h 319 h

MEMORIA DE CÁLCULO A continuación se presenta el método utilizado para la obtención de los resultados. Primeramente se usó espectrómetro para obtener la absorbancia: Tabla (2). Datos experimentales del ion I3-. t (s)

20°C 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 360

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

0 0.056 0.069 0.066 0.068 0.067 0.07 0.054 0.057 0.074 0.078 0.11

Absorbancia 25°C 30°C 35°C 0 0 0 0.057 0.017 0.024 0.038 0.081 0.05 0.03 0.035 0.05 0.046 0.063 0.058 0.078 0.074 0.075 0.121 0.096 0.079 0.123 0.011 0.104 0.091 0.085 0.107 0.09 0.115 0.078 0.095 0.096 0.08 0.133 0.074 0.188

4

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes 420 480 540 600

0.077 0.089 0.099 0.088

0.155 0.179 0.081 0.125

0.115 0.124 0.096 0.098

0.111 0.099 0.113 0.118

Se tomó una solución acuosa de I3- (ya preparada con antelación)* y se valoró mediante tiosulfato de sodio 5M Preparación de la solución de

(Solución A)

(

)

*Cabe destacar, que la solución acuosa del ion tri-yoduro se encontraba en muy altas concentraciones, con una coloración muy obscura, por lo que se optó por diluirla en diversas ocasiones. Titulación: Se realizaron tres titulaciones de tal manera que obtuviéramos un punto de equilibrio más exacto:

Tabla (3). Promedio/punto de equilibrio Titulaciones Muestra

volumen Na2S2Ol ml 1

39.1

2

39.5

3

38.2

Promedio

38.93

A partir de la siguiente relación estequiométrica se determina la concentración a la cual se encuentra la solución del ion tri-yoduro.

[ ]

(

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

)(

)

5

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

A partir de las 3 soluciones de 25ml, generamos la siguiente curva de calibración:

Tabla (4). Absorbancia de la solución del ion I3-. Muestra

Vol I-3 (ml)

blanco solución

A

0

0

3.125

0.128

6.25

0.272

12.5

0.705

original

1.37

Usando la ley de lamber-Beer A=absorbancia b= longitud de paso [cm] (cubeta de cuarzo en forma de tubo de ensayo) = absortividad molar [cm-1M-1] C=concentración [M] Procedemos a calcular la absotividad molar que tiene el ion tri-yoduro

(

Aplicando la ley de beer a la solución de 3.125ml I3-, la concentración es:

(

)

Y así consecutivamente con las demás:

Tabla (5). Datos curva de calibración. Soln I-3 Muestra

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

A

Resultados [I-3] mol/L

)

6

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes blanco soln

original

0

0

0.128

1.1999E-05

0.272

2.5497E-05

0.705

6.6087E-05

1.37

0.00012842

Se obtiene la siguiente gráfica: 1.6

1.4

y = 10668x

Absorbancia

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0

0.00002 0.00004 0.00006 0.00008

0.0001

0.00012 0.00014

Concentracion I-3

Figura (1). Curva de calibración Como la reacción de hidratación del anhídrido acético resulta en ácido acético, este mismo es incoloro: (

)

Por lo tanto si a la mezcla de reacción se le añade KI y KIO3, entonces, a medida que aparece el CH3COOH en el curso de la reacción se va a producir también otra, la de oxidación del IO3por el I-:

La cual sólo tiene lugar en medio ácido, por lo tanto, monitoreando la cantidad de I3- formado se puede seguir la reacción de hidratación, debido a que se genera un cambio de color con respecto al tiempo, lo que indica mayor cantidad de iones tri-yoduro

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

7

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

A continuación se trabajara mediante el resultado experimental de 30s y 20°C. a partir de la relación de L-Beer y los datos de la tabla ()

(

)

Tabla (6). Concentración del ion I3-. Concentración I-3 t (s)

20°C

25°C

30°C

35°C

0

0

0

0

0

30

5.24948E-06

5.34322E-06

1.5936E-06

2.2498E-06

60

6.4681E-06

3.56214E-06

7.593E-06

4.687E-06

90

6.18688E-06

2.81222E-06

3.2809E-06

4.687E-06

120

6.37436E-06

4.31207E-06

5.9057E-06

5.437E-06

150

6.28062E-06

7.31177E-06

6.9368E-06

7.0305E-06

180

6.56184E-06

1.13426E-05

8.9991E-06

7.4055E-06

210

5.06199E-06

1.15301E-05

1.0311E-06

9.749E-06

240

5.34322E-06

8.5304E-06

7.968E-06

1.003E-05

270

6.93681E-06

8.43666E-06

1.078E-05

7.3118E-06

300

7.31177E-06

8.90536E-06

8.9991E-06

7.4993E-06

360

1.03115E-05

1.24675E-05

6.9368E-06

1.7623E-05

420

7.21803E-06

1.45298E-05

1.078E-05

1.0405E-05

480

8.34292E-06

1.67796E-05

1.1624E-05

9.2803E-06

540

9.28032E-06

7.59299E-06

8.9991E-06

1.0593E-05

600

8.24918E-06

1.17176E-05

9.1866E-06

1.1061E-05

Debido a que la reacción de formación del ion tri-yorudo a partir del ácido acético tiene como relación estequiométrica [

]

[ ]

Entonces podemos calcular la concentración del ácido acético generado en la reacción R1

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

8

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

[

] [

[

]

]

Tabla (7). Concentración del ácido acético a partir de la titulación. Concentración Ácido acético t (s)

20°C

25°C

30°C

35°C

0

0

0

0

0

30

2.62474E-06

2.6716E-06

7.968E-07

1.1249E-06

60

3.23405E-06

1.7811E-06

3.7965E-06

2.3435E-06

90

3.09344E-06

1.4061E-06

1.6405E-06

2.3435E-06

120

3.18718E-06

2.156E-06

2.9528E-06

2.7185E-06

150

3.14031E-06

3.6559E-06

3.4684E-06

3.5153E-06

180

3.28092E-06

5.6713E-06

4.4996E-06

3.7028E-06

210

2.531E-06

5.765E-06

5.1557E-07

4.8745E-06

240

2.67161E-06

4.2652E-06

3.984E-06

5.0151E-06

270

3.4684E-06

4.2183E-06

5.3901E-06

3.6559E-06

300

3.65588E-06

4.4527E-06

4.4996E-06

3.7496E-06

360

5.15573E-06

6.2338E-06

3.4684E-06

8.8116E-06

420

3.60901E-06

7.2649E-06

5.3901E-06

5.2026E-06

480

4.17146E-06

8.3898E-06

5.8119E-06

4.6402E-06

540

4.64016E-06

3.7965E-06

4.4996E-06

5.2963E-06

600

4.12459E-06

5.8588E-06

4.5933E-06

5.5307E-06

A partir de la tabla estequiométrica para la reacción:

Tabla (8). Tabla estequiométrica. ESPECIE INICIAL REACCIÓN

REMANENTE (

A (

B C

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

)

(

) )

9

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

Se suponde que la concentracion del reactivo B es constante, debido a que se agrega en exceso y por lo tanto su concentracion no cambia considerablemente. Por lo tanto podemos deducir que: (

)

( ) ( ) ( )

Desarrollando (1)

Ahora buscamos la cinetica de la reaccion, mediante:

|

(

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

)

10

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

(

)

La concentracion de anhidrido acetico fue calculada mediante:

[(

]

)

Tabla (9). Concentración Anhídrido acético Concentración Anhídrido acético t (s)

20°C 0

25°C

0.00326

30°C

0.00326

35°C

0.00326

0.00326

30 0.00325869 0.00325866

0.0032596 0.00325944

60 0.00325838 0.00325911

0.0032581 0.00325883

90 0.00325845

0.0032593 0.00325918 0.00325883

120 0.00325841 0.00325892 0.00325852 0.00325864 150 0.00325843 0.00325817 0.00325827 0.00325824 180 0.00325836 0.00325716 0.00325775 0.00325815 210 0.00325873 0.00325712 0.00325974 0.00325756 240 0.00325866 0.00325787 0.00325801 0.00325749 270 0.00325827 0.00325789

0.0032573 0.00325817

300 0.00325817 0.00325777 0.00325775 0.00325813 360 0.00325742 0.00325688 0.00325827 0.00325559 420

0.0032582 0.00325637

0.0032573

0.0032574

480 0.00325791 0.00325581 0.00325709 0.00325768 540 0.00325768

0.0032581 0.00325775 0.00325735

600 0.00325794 0.00325707

0.0032577 0.00325723

Tabla (10). Calculo de lnCa. lnCa t (s)

20°C

25°C

30°C

35°C

0

0

0

0

0

30

-0.00040265

-0.00040984

-0.00012222

-0.00017254

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

11

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

60

-0.00049614

-0.00027321

-0.00058245

-0.0003595

90

-0.00047457

-0.00021568

-0.00025164

-0.0003595

120

-0.00048895

-0.00033073

-0.00045299

-0.00041703

150

-0.00048176

-0.00056088

-0.00053211

-0.0005393

180

-0.00050334

-0.00087021

-0.00069035

-0.00056807

210

-0.00038827

-0.0008846

-7.9079E-05

-0.0007479

240

-0.00040984

-0.00065439

-0.00061123

-0.00076949

270

-0.00053211

-0.00064719

-0.00082704

-0.00056088

300

-0.00056088

-0.00068316

-0.00069035

-0.00057526

360

-0.00079107

-0.00095655

-0.00053211

-0.00135239

420

-0.00055368

-0.00111487

-0.00082704

-0.00079826

480

-0.00064

-0.00128761

-0.0008918

-0.00071193

540

-0.00071193

-0.00058245

-0.00069035

-0.00081265

600

-0.00063281

-0.00089899

-0.00070474

-0.00084863

Experimento a 20°C 0 0

100

200

300

400

500

ln Ca

-0.0002 -0.0004 -0.0006 -0.0008

y = -2E-06x R² = -0.783

-0.001

t (s)

Figura (2). Reacción a 20°C

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

600

700

12

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

Experimento a 25°C 0 -0.0002

0

100

200

300

400

500

600

700

600

700

600

700

lnCa

-0.0004 -0.0006 -0.0008 -0.001

y = -2E-06x R² = 0.2927

-0.0012 -0.0014

t (s)

Figura (3). Reacción a 25°C

Experimento a 30°C 0 -0.0002

0

100

200

300

400

500

ln Ca

-0.0004 -0.0006 -0.0008

y = -2E-06x R² = 0.1437

-0.001 -0.0012

t (s)

Figura (4). Reacción a 30°C

Experimento a 35°C 0 0

100

200

300

400

500

ln Ca

-0.0005

-0.001

y = -2E-06x R² = 0.2643

-0.0015

t (s)

Figura (5). Reacción a 35°C

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

13

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

Por lo que se puede determinar que la reaccion es de primer orden y por lo tanto a partir de las recresiones lineales procedemos a calcular la constante de reaccion para cada temperatura. En cada uno de los casos es: Tabla (11). Valores para la constante de reacción T

(

k'

k

293

1.55E-06

3.14E-06

298

2.17E-06

4.39E-06

303

1.74E-06

3.52E-06

308

2.00E-06

4.04E-06

)(

)(

)(

De tal manera que podemos calcular la energia de activacion Ea:

(

)

( )

A partir de los datos experimentales obtenidos: Tabla (12). Determinacion de la energía de activación T

lnk

1/T

293

-12.6717204 0.00341297

298

-12.3354321

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

0.0033557

)

14

Práctica 1

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes 303

-12.5557849 0.00330033

308

-12.4184618 0.00324675

Obtenemos la ecucion de la recta:

y=-985.66x-9.2142

Para calcular el tiempo requerido en un reactor Batch de 500mL para una conversión de 0.5 nos apoyamos en la ecuación de diseño obtenida anteriormente:

Se despeja al tiempo de la ecuación anterior:

(

)

(

)

El valor de k’ se calcula de la misma manera que las anteriormente calculadas: Tabla (13). Escalamiento. t (s) 0 30 60 90 120 150 180 210 240

Absorbancia Conc. I-3 [H*] [ANHDRIDO] Lnca/Ca0 0 0 0 0.000235 0 0.026 2.43726E-06 1.2186E-06 0.0002338 -0.0051991 0.043 4.03085E-06 2.0154E-06 0.0002330 -0.0086133 0.05 4.68703E-06 2.3435E-06 0.0002327 -0.0100225 0.058 5.43696E-06 2.7185E-06 0.0002323 -0.0116354 0.031 2.90596E-06 1.453E-06 0.0002335 -0.0062021 0.08 7.49925E-06 3.7496E-06 0.0002313 -0.0160845 0.074 6.93681E-06 3.4684E-06 0.0002315 -0.0148692 0.022 2.06229E-06 1.0311E-06 0.0002340 -0.0043975

Laboratorio de Ingeniería de Reactores

15

Práctica 1 270 300 360 420 480 540 600

Diseño de un Reactor Homogéneo por Lotes

0.017 0.126 0.116 0.135 0.19 0.2 0.131

1.59359E-06 1.18113E-05 1.08739E-05 1.2655E-05 1.78107E-05 1.87481E-05 1.228E-05

7.968E-07 5.9057E-06 5.437E-06 6.3275E-06 8.9054E-06 9.3741E-06 6.14E-06

0.0002342 0.0002291 0.0002296 0.0002287 0.0002261 0.0002256 0.0002289

-0.0033964 -0.0254516 -0.0234078 -0.0272946 -0.0386318 -0.0407070 -0.0264751

Dando como resultado: k´=0.00006 s-1 Sustituyendo valores en la ecuación de tiempo tenemos como resultado:

(

)

(

)

El cálculo del tiempo requerido para la conversión total tanto en el matraz de 50mL como en el reactor de 500 mL se realiza de manera análoga al tiempo anteriormente calculado:

k’(matraz a 30°C)= 0.000004 s-1 k’(reactor a 30°C)= 0.00006 s-1

(

)

(

)

(

)

…………… Reactor

(

)

……………Matraz

DISCUSIÓN DE RESULTADOS Los datos experimentales se adaptaron de manera eficaz a una reacción de primer orden, lo que indica que los datos obtenidos a partir de la curva de calibración fueron los apropiados para el cálculo de la concentración de ácido acético formado mediante una reacción de hidratación. En cuanto al cálculo de las constantes de reacción, estas pueden tener una gran variación, generado por los puntos que no concordaban con la tendencia al grado de atenuación al determinar de forma experimental la absorbancia. El método usado para determinar las características del escalamiento se calculó de la misma manera que el llevado a

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Práctica 1

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cabo en el matraz, lo que nos hace pensar que si puede haber diferencias considerables. Existen variaciones muy grandes con los reportados en la literatura, debido a que en realidad la reaccion no es de 1er orden, sino que de pseudo primer orden, lo que significa que los cálculos, apoyándonos desde esta premisa, serán muy diferentes.

CONCLUSIONES Los resultados experimentales obtenidos varían de manera considerable con respecto a los reportados a la literatura, en cuestión de la energía de activación aquí determinada es de 8.2 KJ/mol con el reportado en la literatura que es de 50.1 KJ/mol4, a partir de este hecho se modifican notoriamente los datos, sin embargo, se puede deducir que la reacción de hidrolisis llevada a cabo y el método aquí utilizado son viables para la determinación de sus propiedades de reacción. El tiempo de reacción para obtener una conversión del 50%, así como los de la reacción completa en el reactor batch coherentes con los resultados obtenidos.

BIBLIOGRAFÍA 1. Fogler, H.S. Elementos de Ingeniería de Reacciones Químicas, 3ra. Edición, New Jersey, 1999. 2. Levenspiel, O. Ingeniería de las Reacciones Químicas. Ed. REPLA, S.A., 2002. 3. Rutherford, A. Elementary Chemical Reactor Analysis. 3ra. Edición, Canada, 1999. 4. Anita Kovač Kralj. “Checking the Kinetics of Acetic Acid Production by Measuring the Conductivity”. J. Ind. Eng. Chem., Vol. 13, No. 4, (2007) 631-636

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MANEJO DE RESIDUOS Identificación Tabla (14). Clasificación de las soluciones preparadas Solución

Características

código

A

solución de I3- valoradas con una solución acuosa 5X10-4 M de Na2S2O3

B

B

solución acuosa 0.05 M de KIO3 y 0.25 M de KI

B

C

solución diluida de(CH3CO)2O en CH3OH

A

Gestión de residuos Ya que las soluciones A, B y C se mezclan entre sí, se dispondrá de los residuos en un contenedor rotulado. ANEXOS Anexo 1 Clasificación de Residuos CÓDIGO

F G H I

CARACTERÍSTICAS DE LA SUSTANCIA Disolventes orgánicos y soluciones de sustancias orgánicas que no contienen halógenos Disolventes orgánicos y soluciones de sustancias orgánicas que contienen halógenos Residuos sólidos orgánicos Soluciones salinas (inorgánicas) Residuos inorgánicos tóxicos, así como las sales de y sus soluciones de metales pesados Compuestos combustibles tóxicos Mercurio y sales de mercurio Sales metálicas regenerables Sólidos inorgánicos

K

Residuos de vidrio, plástico, metal, columna y cartuchos para HPCL.

A B C D E

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