Saponificación de Acetato de Etilo Con Hidróxido de Sodio en Reactor Tubular

UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA LABORATORIO LABORATORIO DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS PRÁCTICA 3 SAPONIFICACIÓN DE ACETATO DE ETILO CON HIDRÓXIDO DE SODIO EN REACTOR TUBULAR ELIANA LLANO CARDONA, MANUELA SANTAMARÍA SANTAMARÍA JARAMILLO RESUMEN En este artículo se estudia estudia la reacción de saponifcación saponifcación de acetato acetato de etilo con hidróxido de sodio en un reactor tubular tipo PFR, se busca determinar el eec eecto to del del tiem tiempo po espa espaci cial al en la conv conver ersi sión ón,, adem además ás se anal analizó izó la inuencia de las velocidades de uo sobre la conversión del reactor! "e encontró #ue el reactor no presenta un comportamiento ideal debido a #ue el uo presentado en el reactor es laminar, lo #ue no permite un mezclado perecto $ el cambio en la concentración no se presenta sólo en la dirección del uido, sino tambi%n en dirección radial! &e otro lado se determinó tanto teórica como experimentalmente #ue la reacción estudiada es exot%rmica!

P'(')R'" *('+E" reactor tubular, tiempo espacial, reacción exot%rmica!

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OBJETIVOS &eterminar el r%-imen de uo en el reactor tubular utilizado! *alc *alcul ular ar la conv conver ersi sión ón de la reacción ión de producción de acetato de sodio! Establecer el eecto del tiempo espacial en la conversión lo-rada en el reactor tubular! &eter etermi mina narr la idea ideali lida dad d del del reactor tubular utilizado! &eterminar el calor de reacción $ anali naliza zarr si en la reacc eacció ión n estu estudi diad ada a se desp desprrende ende o se absorbe calor! .btener la dist istribución ión de tiem tiempo poss de resid esiden enci cia a de un reacto ctor de uo uo pistó istón n $ un reactor de uo laminar! INTRODUCCIÓN

/n reactor PFR es básicamente un tubo donde se realiza una reacción con cambios axiales en la con concent centra raci ción ón,, la pres presió ión n $ la

temperatura! (a ecuación ión de dise0o de un reactor tubular es

"iendo "iendo +, el volumen volumen del reactor, reactor, F'o, el uo uo mola molarr del del react eactiv ivo o límite, 1, el tiempo espacial, *'o, la concentración del reaccionante reaccionante ' en la corriente de entrada, 2 ', la conversión de ' $ r ', la velocidad de reacción de '! (os reactores PFR, a menudo, se cons constr tru$ u$en en de much muchos os tubos tubos de pe#ue0os diámetros $ de -randes lon-itudes $ se emplean con uidos a -randes velocidades $ pe#ue0os tiempos espaciales! Esto minimiza el mezclado axial del uido, limita los perfles radiales de temperatura $ provee el área de trans transer erenc encia ia de calor calor neces necesar aria! ia! (os tubos se arre-lan en un banco

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como en los intercambiadores de calor! "i no se desea intercambio calórico en la zona de reacción, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de diámetros más -randes! 345 El reactor tubular es relativamente ácil de mantener, no tiene partes móviles, $ por lo re-ular tiene la conversión más alta por volumen de reactor de todos los reactores de uo! (a desventaa del reactor tubular es #ue es diícil controlar la temperatura dentro del reactor, $ pueden presentarse puntos calientes cuando la reacción es exot%rmica! 365 En esta práctica se estudia la reacción de saponifcación de acetato de etilo con hidróxido de sodio en un reactor tubular tipo PFR, se busca determinar el eecto del tiempo espacial en la conversión, además se analizará la inuencia de las velocidades de uo sobre la conversión del reactor! "e obtuvo #ue el reactor no presenta un comportamiento ideal debido a #ue el uo presentado en el reactor es laminar, lo #ue no permite un mezclado perecto $ el cambio en la concentración no se presenta sólo en la dirección del uido, sino tambi%n en dirección radial!  7ambi%n se determinó tanto teórica como experimentalmente #ue la reacción estudiada es exot%rmica debido a #ue el 89 de reacción o calor de reacción es ne-ativo esto indica #ue la entalpía de los productos es ma$or #ue la entalpía de los reactivos $ por lo tanto durante la reacción se libera calor! ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS DEL PREINFORME Y DE LOS

CÁLCULOS SOLICITADOS EN LA GUÍA Núme! "e Re#$!%"&'

ℜ= v D ( 1 ) υ

&onde, + : +elocidad & : &iámetro del reactor υ  : +iscosidad cinemática v

=

Q  ( 2 )  A

&onde, ; : *audal ' : m? @!@@6 A!4B4CED 6 m ? @C A *audal prom>m s? !4CCGED

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+elocidad >ms? +iscosidad a 6H!4* >m6s? 3A5 +iscosidad a 6G!G* >m6s? 3A5 +iscosidad promedio Re

@G @!A4HCHC HCC I!4ED@G I!BAED@G I!CCGED @G G6I!4I

 7')(' 6! Resultados para el cálculo del núero de Re!nolds para un caudal de entrada de &#l$%n CÁLCULO NUEMRO DE REYNOLDS PARA CAUDALES DE +(m%)m*$ &iámetro reactor>m? @!@@6 A!4B4CED 6 m ? @C @!@@@@@@ A *audal prom>m s? CH @!6@C@@ +elocidad >ms? B6 +iscosidad a 6H!* >m6s?3A5 I!GCED@G +iscosidad a 6I!I* >m6s? 3A5 I!66ED@G I!B4HED +iscosidad promedio @G Re BIG!A4 *omo se puede ver en las tablas 4 $ 6, para ambos experimentos se obtuvo #ue el uo es laminar, debido a #ue Re$nolds menores a 6@@@ son uos laminares! Esto indica #ue en el perfl de velocidad dentro del reactor es parabólico

FJK/R' 4! 'er(l de )eloc%dad dentro del reactor de *u+o la%nar &e modo #ue el uido #ue está en el centro del tubo es el #ue menos tiempo pasa en el reactor! 365 T*em,! e&,-.*-%'

τ =

V  ( 4) νo

&onde, + : +olumen del reactor! L@ : +elocidad de uo volum%trico #ue entra en el reactor! V = A∗ L ( 5 )

&onde, ' : O? "e encuentra #ue para ambos uos la conversión oscila entre @!I6 $ @!IB, los resultados más detallados se muestran en las tablas de los anexos! &e los resultados obtenidos >ver tablas de anexos? se puede observar #ue se presenta una ma$or conversión cuando se trabaa con un uo menor esto debido a #ue con un uo menor aumenta el tiempo espacial o de residencia media dentro del reactor lo #ue se resume en un ma$or tiempo de contacto entre los reactivos provocando una conversión más alta de reactivos a productos! C!$/e&*0$ *"e-%

)alance de moles en un PFR  X 

V = F  A 0

∫ −dxr 0

 A

−r A= k C  α A C  A =k C  Ao ( 1− X )

Q :.rden de la reacción : 6 "e inte-ra $ se despea la conversión Vk C  Ao  X 

=

2

 F  Ao

−

1

2

Vk C  Ao  F  Ao

 7')(' H! Resultados para el cálculo de la con)ers%-n %deal para un caudal de entrada de "#l$%n CONVERSIÓN IDEAL PARA CAUDALES DE 3(m%)m*$ E >mol? BC!HGA A '>m molSs? BG!4I@  a 6H!4* >(molSs? BCA@4!CIC  a 6G!G *>(molSs? BCA@!64@ prom BCA@H!BBI Fao >mols? @!@@@6@@ volumen reactor >(? @!@@I x @!ICH  7')(' C! Resultados para el cálculo de la con)ers%-n %deal para un caudal de entrada de &#l$%n CONVERSIÓN IDEAL PARA CAUDALES DE +(m%)m*$ E >mol? BC!HGAB '>mAmolSs? BG!4I  a 6H!* BC!A@B@4H@ >mTAmolSs? 6  a 6I!I BC!A46AHBB *>mTAmolSs?  BC!A@I4IBG prom C Fao >mols? @!@@@6@ volumen reactor >(? @!@@I x @!IG 1E& e% e-.2! e,e*me$2! *"e-%4

"e%

=o es ideal, por#ue en un reactor de uo ideal todos los átomos de

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material #ue salen del reactor han estado en su interior exactamente el mismo tiempoU además en un reactor ideal el r%-imen de uo debe ser turbulento, $a #ue bao esta condición ha$ mezclado completo en la dirección radialU esto hace #ue la concentración $ las propiedades de las sustancias permanezcan constantes en dicha dirección!  como se observa en los cálculos el r%-imen de uo es laminar! 1C56% e& %- e.5-.*0$ "e %75$.*0$ "e "*&2*85.*0$ "e 2*em,!& "e e&*"e$.*- 9DTR: "e 5$ e-.2! "e ;5N-OH? C!C 6H! C!GB 6H! C!GC 6H! C!G 6H! C!I 6H! C!IA 6H! C!I6 6H! C!I6 6H! C!IH 6H! C!IG 6H! C!4 6H! C!B 6C C!B 6C C!H 6C C!C 6C C!I 6C C!G 6C!4 G!@4 6C!4 G!@6 6C!4 G!@B 6C!6 G!@A 6C!6 G!@A 6C!6 G!@C 6C!A G!@I 6C!A G!@I 6C!A G!@ 6C!B G!@ 6C!B G!4 6C!H G!4 6C!H G!4 6C!C G!44 6C!C G!44 6C!G G!4A 6C!I G!4A 6C!I G!4A 6C! G!4B 6C! G!4A 6G G!4A 6G!4 G!4B 6G!4 G!46 6G!6

@!@ABBH4BC @!@AABB@GH

@!I6GGB6C @!IA@6GC6C

real o/ten%dos para un caudal de

X

@!@A4AH@GG6 @!@A4CA6CHA @!@A4GBHB@H @!@A44BHAB @!@A4G@4 @!@A64B@@AI @!@A6@IACC6 @!@A6@IACC6 @!@A66H6G4 @!@A6ACHHBA @!@A6H4@BG @!@A6GC@4GC @!@A6GC@4GC @!@A6I4CHH6 @!@A6IG66I @!@A6IHCI @!@A66A@B @!@AA4HBI@ @!@AA6444IH @!@AAA6AAG @!@AA6CGHC4 @!@AA6CGHC4 @!@AABACC @!@AAHBBB6 @!@AAHBBB6 @!@AAC@HI4I @!@AAC@HI4I @!@AACC64B @!@AACC64B @!@AACC64B @!@AAG4IHG @!@AAG4IHG @!@AAIA4A6A @!@AAIA4A6A @!@AAIA4A6A @!@AAIIGC @!@AAIA4A6A @!@AAIA4A6A @!@AAIIGC @!@AAGGBBC

@!IBA6BC4AI @!IB4IACGAH @!IB46G6GA @!IB@B6GAA4 @!IB@4BHBH @!IA6I@I @!IAHI4CI @!IAHI4CI @!IAIGAC@BG @!IAI4G66IH @!IAG@BBGCA @!IAC4464 @!IAC4464 @!IAH4G6B @!IAHCAHAH @!IAH@G4HI @!IAHAHABGI @!IAB66HHC @!IAABB@GH @!IAAAI@A4A @!IAACC64B @!IAACC64B @!IA6I4CHH6 @!IA66H6G4 @!IA66H6G4 @!IA4G@4 @!IA4G@4 @!IA4CI@6 @!IA4CI@6 @!IA4CI@6 @!IA4B@G4BI @!IA4B@G4BI @!IA@IBAAIG @!IA@IBAAIG @!IA@IBAAIG @!IA@HC4H@C @!IA@IBAAIG @!IA@IBAAIG @!IA@HC4H@C @!IA446H6CI

G!4 G!44 G!44 G!46 G!44 G!46 G!46 G!44 G!4A G!44 G!4 G!4 G!4 G!@C G!@ G!@C G!@I G!@H G!@I G!@C G!@H G!@H G!@G G!@C G!@H G!@B G!@6 G!@A C!H C!4

6G!6 6G!A 6G!B 6G!B 6G!H 6G!C 6G!C 6G!G 6G!I 6G!I 6G! 6G! 6I 6I 6I!4 6I!6 6I!6 6I!A 6I!A 6I!B 6I!B 6I!H 6I!H 6I!C 6I!C 6I!C 6I!G 6I!G 6I!I 6I!I

@!@AACC64B @!@AAG4IHG @!@AAG4IHG @!@AAGGBBC @!@AAG4IHG @!@AAGGBBC @!@AAGGBBC @!@AAG4IHG @!@AAIA4A6A @!@AAG4IHG @!@AACC64B @!@AACC64B @!@AACC64B @!@AABACC @!@AAC@HI4I @!@AABACC @!@AAHBBB6 @!@AAAI@A4A @!@AAHBBB6 @!@AABACC @!@AAAI@A4A @!@AAAI@A4A @!@AABA@CC @!@AABACC @!@AAAI@A4A @!@AAA6AAG @!@AA6444IH @!@AA6CGHC4 @!@A6I4CHH6 @!@A6H4@BG

@!IA4CI@6 @!IA4B@G4BI @!IA4B@G4BI @!IA446H6CI @!IA4B@G4BI @!IA446H6CI @!IA446H6CI @!IA4B@G4BI @!IA@IBAAIG @!IA4B@G4BI @!IA4CI@6 @!IA4CI@6 @!IA4CI@6 @!IA6I4CHH6 @!IA4G@4 @!IA6I4CHH6 @!IA66H6G4 @!IAA@IBAA @!IA66H6G4 @!IA6I4CHH6 @!IAA@IBAA @!IAA@IBAA @!IA6HABCG4 @!IA6I4CHH6 @!IAA@IBAA @!IAAAI@A4A @!IAABB@GH @!IAACC64B @!IAH4G6B @!IAG@BBGCA