REACTOR BATCH ADIABATICO (ANHÍDRIDO ACÉTICO + AGUA)

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CENTRO DEL PERÚ FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO Nº 1

REACTOR BATCH ADIABATICO (ANHÍDRIDO ACÉTICO + AGUA)

CÁTEDRA: INGENIERÍA DE LA REACCIONES QUÍMICAS II CATEDRÁTICO:ING. ORE VIDALON, Salvador PRESENTADO POR: SEMESTRE: VIII

ÍNDICE OBJETIVOS ............................................................................................................................... 3 OBJETIVO GENERAL ......................................................................................................... 3 OBJETIVO ESPECIFÍCO...................................................................................................... 3 MARCO TEORICO ................................................................................................................... 4 1. REACTORES QUIMICOS ............................................................................................. 4 2. REACTOR DISCONTINUO O REACTOR BATCH .................................................. 4 3. CINÉTICA ...................................................................................................................... 5 4. Balance de materia: ......................................................................................................... 5 5. Balance de energía ........................................................................................................... 6 6. ÁNHIDRIDO ACÉTICO ................................................................................................ 6 6.1. Producción................................................................................................................ 6 PARTE EXPERIMENTAL........................................................................................................ 7 Materiales ............................................................................................................................... 7 Reactivos ................................................................................................................................ 7 Procedimiento ......................................................................................................................... 7 CÁLCULOS Y RESULTADOS ............................................................................................ 7 CÁLCULOS DE LOS DATOS TEÓRICOS:.................................................................... 7 1.1 Realizando un BALANCE DE MATERIA: ............................................................. 8 1.2 Realizando un BALANCE DE ENERGÍA: ............................................................. 9 1.3 RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES: ............................................ 10 DISCUSIÓN Y RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES: .................................... 17 CONCLUSIONES.................................................................................................................... 17

OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL 

Comparar los datos experimentales con los datos teóricos que se hallaran con las fórmulas de balance de materia y balance de energía de la variación de la temperatura respecto al tiempo.

OBJETIVO ESPECIFÍCO 

Elaborar el balance de materia y energía en un reactor batch que es no Isotérmico y adiabático.



Realizar una comparación grafica de datos experimentales y teóricos, con respecto a la variación de la temperatura respecto al tiempo.

MARCO TEORICO 1. REACTORES QUIMICOS Un reactor químico es un equipo en el cual da paso a una reacción química. Este reactor está constituido por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para las sustancias químicas. El diseño de un reactor químico requiere de conocimientos termodinámicos

cinética química,

transferencia de masa y energía, así como de mecánica de fluidos y finalmente balances de materia y energía.

2. REACTOR DISCONTINUO O REACTOR BATCH Es aquel en donde no entra ni sale material durante la reacción, sino más bien, al inicio del proceso se introduce los materiales, se lleva a las condiciones de presión y temperatura requeridas, y se deja reaccionar por un tiempo preestablecido, luego se descargan los productos de la reacción y los reactantes no convertidos. También es conocido como reactor tipo Batch.

Las ventajas del reactor por lotes se encuentran con su versatilidad. Un solo buque puede llevar a cabo una secuencia de operaciones diferentes sin la necesidad de romper la contención.

Esto es particularmente útil en el

tratamiento, tóxicos o muy potentes compuestos.

3. CINÉTICA Está referido a cuán rápido ocurren las reacciones, el equilibrio dentro del reactor, y la velocidad de la reacción química; estas factores están condicionados por la transferencia (balance) de materia y energía.

4. Balance de materia: ENTRA + SALE + GENERA + DESAPARECE = ACUMULA

En un reactor Batch no hay flujo de entrada ni de salida, por lo tanto los dos primeros términos de esta ecuación son cero.

 =   → =   →  =1  =    =. =  →  =(). 1   =   

Mediante conversión fraccionada:

Reemplazando:

5. Balance de energía ENTRA + SALE + GENERA + TRANSMITE = ACUMULA

Donde:

 =0

 =0 = .∆ℎ =.∆.. =0 .=∆..   = ∆.. 

Para un proceso adiabático:

6. ÁNHIDRIDO ACÉTICO El anhídrido acético se disuelve en agua hasta aproximadamente un 2,6% (m/m). 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.

6.1.

Producción Industrialmente el anhídrido acético puede ser producido por oxidación del acetaldehído con O2,  formándose ácido peracético CH3C(=O)OOH que reacciona catalíticamente con otra molécula de acetaldehído para dar el anhídrido acético; o por pirólisis del ácido acético a cetena CH2=C=O, la cual a continuación en una segunda etapa reacciona con una molécula de ácido acético para formar el anhídrido acético; o por carbonilación catalítica (empleando monóxido de carbono) del acetato de metilo.

PARTE EXPERIMENTAL Materiales 

Reactor tipo Batch



Termometro de rango -10°C  –  110°C



Cronometro



Agitador Magnético

Reactivos 

5 ml de Anhídrido acético



35 ml de Agua destilada

Procedimiento 1. Medimos (CH 3CO)2 O y H2O. En nuestro caso: 3 ml (



) y 37 ml



; mezclamos en un reactor Batch, el cual está aislado, este sistema se

encuentra con un agitador magnético. 2. Consecuentemente ponemos la mezcla en el reactor se tapa y se coloca un termómetro para la lectura de las temperaturas. 3. Finalmente se toma la temperatura inicial a un tiempo 0 segundos y se registran las temperaturas cada minuto, hasta llegar a una temperatura constante.

CÁLCULOS Y RESULTADOS CÁLCULOS DE LOS DATOS TEÓRICOS: Dada la reacción:

   →     →

 

Datos: 

TemperaturaAmbiente = 23°C = 296K

̅ =/ ̅ =/ ̅=/ .. =.    =.     .. =.   

Peso molecular de cada compuesto:  



 Datos bibliográficos

  

 Datos tomados de investigaciones científicas 



∆=  . . =.  . . =. 

1.1 Realizando un BALANCE DE MATERIA:

a) Determinando

 

 =   

:

Esta reacción es de pseudo primer orden:

 =  =1  = 6026 18.309

b) H allamos k del paper dado:

Despejamos k:

 − =  +.

=  →=×

c) Determinando C  Ao y C  Abo:

d) Determinando las masas:

.. =1×35=35 =1. 0 8×5=5. 4   =1. 0 5×40=42  = 1025.4 =0.0529   = 3518 =1.9444    × 0. 0 529 ×1. 0 510  .  .   =  = 42 =1.3225    × 1, 9 444×1. 0 510  .  .   =  = 42 =48.61 

e) Determinando las moles:

Reemplazando k y los valores obtenidos en (b):

 =.− ×1.32251  f) F inalmente obtenemos el tiempo reemplazando en (a):

   =  1    = .−      ×  

1.2 Realizando un BALANCE DE ENERGÍA:

  = ∆×× 

a)



, hallando del Data Bank:

 =×

A = 0.468 B = 0.929×10 -3

 para un rango de 0 a 80 °C de T

 =0.4680.929×10− × cal/mol. g K°  = 42×0.13378. 5 7×0. 0 529 4680.929×10− × dTdxA = 0.4680.16.929×10 851 − ×T  d

Entonces: Reemplazando datos:

INTEGRANDO (d)

  − ∫0.4680.929×10 ×T =∫16. 8 51∗ dx A   −  − 0. 9 29×10 ×T 0. 9 29×10 ×T  0.468T 2 0.468T  2 =16.851 − T 0.468T0.468T  0.929×10− ×T 16. 8 51=0 0.929×10  2 2  − − .  × .  × ×   .√ . ∗  ∗.   . = ∗ .×−



1.3 RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES: Tabla 1: RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES

Tiempo (min) 0 1 2 3

Temperatura (ºC) 23,8 25,2 26,6 27,5

Temperatura (K) 296,8 298,2 299,6 300,5

4 5 6

28,7 29,9 30,9

301,7 302,9 303,9

7

31,9

304,9

8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

32,7 33,4 34,1 34,6 35 35,4 35,6 35,8 35,9 36

305,7 306,4 307,1 307,6 308 308,4 308,6 308,8 308,9 309

Fuente:Elaboración Propia

PROCESAMIENTO DE LOS DATOS TEÓRICOS Y EXPERIMENTALES EN MATLAB clear all disp('======================================================================') disp(' (CH3CO)2O + H2O ---> 2CH3COOH ') disp('======================================================================') syms x TK0=269; To=(-0.468+((0.468^2)-4*0.929*10^(-3)/2*(-16.851*x-0.468*TK0-0.929*10^(-3)/2*TK0^2))^(1/2))/(2*0.929*10^(-3)/2); Xo=0; Xf=0.99; t0=0; n=15; h=(Xf-Xo)/n; i=0; tiempo=t0; fprintf(' i x(i) TK(i) tmin(i)\n') fprintf('%10.1f %12.5f %12.5f %12.5f\n',i,Xo,TK0,t0) for i=1:n; x=Xo+h; TK=eval(To); x=Xo; T1=eval(To); k1=h*(1/(exp(18.309-6026/(T1))*(1-x))); x=Xo+h/2; T2=eval(To); k2=h*(1/(exp(18.309-6026/(T2))*(1-x))); x=Xo+h/2; T3=eval(To); k3=h*(1/(exp(18.309-6026/(T3))*(1-x))); x=Xo+h; T4=eval(To); k4=h*(1/(exp(18.309-6026/(T4))*(1-x))); t0=t0+1/6*(k1+2*k2+2*k3+k4); Xo=Xo+h; fprintf('%10.1f %12.5f %12.5f %12.5f\n',i,Xo,TK,t0) TK0=[TK0,TK]; end

%GRÁFICO 1 subplot(2,2,1),plot(tiempo,temper,'m*-') title('CÀLCULOS TEÒRICOS - t(min) vs T (K)') xlabel('tiempo, min') ylabel('Temperatura, K') grid('on') disp('======================================================================') disp('DATOS EXPERIMENTALES')

disp('======================================================================') tEXP=[0;1;2;3;4;5;6;7;8;9;10;11;12;13;14;15;16;17]; TEXP=[23.8;25.2;26.6;27.5;28.7;29.9;30.9;31.9;32.7;33.4;34.1;34.6;35;35.4;35.6;35.8;35.9];

]; TEXPER=[TEXP+273]; disp(' tmin(EXP) TK(EXP)') disp([tEXP TEXPER]) disp('======================================================================') %GRÁFICO 2 subplot(2,2,2),plot(tEXP,TEXPER,'c-*') title('DATOS EXPERIMENTALES - t(min) vs T (K)') xlabel('tiempo, min') ylabel('Temperatura, K') grid('on') %GRÁFICO 3 subplot(2,2,3),plot(tiempo,temper,'m*-',tEXP,TEXPER,'c-*') title('CÀLCULOS TEÒRICOS - DATOS EXPERIMENTALES') xlabel('tiempo, min') ylabel('Temperatura, K') legend('Teòrico- t(min) vs T (K) ','Experimental- t(min) vs T (K)') grid('on')

CORRIENDO PROGRAMA ====================================================================== (CH3CO)2O + H2O ---> 2CH3COOH ====================================================================== CÀLCULOS TEÒRICOS ====================================================================== i x(i) TK(i) tmin(i) 0.0 0.000000 293.000000 0.000000 1.0 0.066000 294.501113 0.619240 2.0 0.132000 295.999408 1.218083 3.0 0.198000 297.494902 1.801054 4.0 0.264000 298.987610 2.372850 5.0 0.330000 300.477547 2.938534 6.0 0.396000 301.964729 3.503831 7.0 0.462000 303.449172 4.075557 8.0 0.528000 304.930889 4.662322 9.0 0.594000 306.409896 5.275744

10.0 0.660000 307.886209 5.932727 11.0 0.726000 309.359841 6.660212 12.0 0.792000 310.830807 7.506572 13.0 0.858000 312.299122 8.575433 14.0 0.924000 313.764800 10.172788 15.0 0.990000 315.227854 15.391949 ====================================================================== **********************CALCULOS EXPERIMENTALES********************** ====================================================================== (CH3CO)2O + H2O ---> 2CH3COOH ====================================================================== i x(i) TK(i) tmin(i) 0.0 0.00000 269.00000 0.00000 1.0 0.06600 270.54764 3.83462 2.0 0.13200 272.09220 7.45824 3.0 0.19800 273.63368 10.90680 4.0 0.26400 275.17212 14.21490 5.0 0.33000 276.70752 17.41707 6.0 0.39600 278.23991 20.54933 7.0 0.46200 279.76930 23.65139 8.0 0.52800 281.29571 26.77013 9.0 0.59400 282.81916 29.96527 10.0 0.66000 284.33966 33.31999 11.0 0.72600 285.85724 36.96290 12.0 0.79200 287.37191 41.12051 13.0 0.85800 288.88368 46.27270 14.0 0.92400 290.39257 53.82894 15.0 0.99000 291.89860 78.00818 ======================================================================

DISCUSIÓN Y RESULTADOS DE DATOS EXPERIMENTALES: No se encuentran los datos muy diferentes por lo tanto la pendiente es semejante. La temperatura teórica es superior a la temperatura tomada en el caso real-. En el experimento el aumento de temperatura es casi inmediato, esto puede haber sido debido a que la cocina se encontraba un poco caliente y a la mala toma de datos.

CONCLUSIONES

Se comparó que los datos obtenidos en el laboratorio con los datos calculados de la reacción anhídrido acético más agua, teniendo como variable a la temperatura en función del tiempo en un modelo de reactor batch, hay un poco de diferencia, porque se cometió algunos errores al momento de realizar las mediciones respectivas de ml a cada componente. Se realizó el balance de materia y energía a la reacción del anhídrido acético más agua, de lo cual se puede decir que es una reacción exotérmica. Se realizó la comparación la comparación gráfica y la diferencia se produce por la condición adiabática de la reacción.