informe-2-reacciones

8/19/2019 Informe-2-Reacciones

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UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIAFACULTAD DE INGENIERIA

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA

PRÁCTICA 2

ESTUDIO DEL PERFIL DE FLUJO EN UN REACTOR DE

LECHO EMPACADO Y SU POSTERIOR EVALUACIÓN EN LASAPONIFICACIÓN DE ACETATO DE ETILO CONHIDRÓXIDO DE SODIO.

Natalia Ca!"#a Vi$a%& Al'(a#!" Ca%till" V)l'*& Cal"% F'#a#!"R'$'l" H+'ta%.

E%t+!ia#t'% !' I#,'#i'-a Q+-i/a& Fa/+lta! !' I#,'#i'-a& U#i$'%i!a! !'A#ti"0+ia& M'!'ll-#& C"l"1ia.

R'%+'#

Se llevó a cabo la saponifcación de acetato de etilo 0,2 M con hidróxido de sodio 0,2 M

en un reactor de lecho empacado (60 cm largo y 1 cm de dimetro! con 16"0 es#eras(0,$ cm de dimetro!% Mediante la toma de datos de conductividad se calcularon lasconcentraciones y a partir de estas, las concentraciones experimentales% Se utili&aron2' ml de cloruro de potasio 0,1 M como tra&ador para llevar a cabo la caracteri&acióndel u)o mediante una perturbación pulso% Mediante modelo de u)o pistón se evaluóla conversión teórica, encontrndose un valor de 0%'*1+6'21% Se encontró la #uncióntiempos de residencia externa, -(t!, y distribución de tiempo de residenciaacumulativa, .(t! en #unción del tiempo y se encontraron adems los tiempos deresidencia medio y la varian&a % /or ltimo se encontró la conversión predicha por medio de un modelo de segregación, obtenindose un valor de 0%'6* cuando el u)ono es ideal%

Palabras claves: /erfl de u)o, Saponifcación acetato de etilo, /erturbación tipo pulso, distribución de tiempos de residencia, conversión reactores reales%

O1('ti$"%

O1('ti$" ,'#'al

• Analizar el comportamiento

real de un reactor de lechoempacado.

O1('ti$"% '%'/-3/"%

Establecer la ecuación dediseño de reactores PFR.• Examinar cuantitativa y

cualitativamente el efecto delas desviaciones delcomportamiento ideal de losreactores.

• eterminar la función de

distribución de tiempos deresidencia de reactores realese ideales.

• !onocer y utilizar los modelos

para predecir la conversiónen reactores reales.

I#t"!+//i4#

"o todos los reactores de tan#ueest$n en perfecto mezclado ni todoslos reactores tubulares presentan un%u&o pistón. ebido a estecomportamiento se hace necesariotener en cuenta estas desviacionesdel comportamiento ideal'

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(



utiliz$ndose para esto las funcionesde distribución de tiempo deresidencia. !uando el %u&o no es

ideal dentro de los reactores existendiversos modelos con los cuales esposible evaluar la conversiónalcanzada dentro del reactordependiendo del orden de lareacción.

Aun#ue en al)unos casos dichocomportamiento se aproxima tantoa las condiciones ideales #ue

podemos asumir #ue estecomportamiento ideal sin incurrir enun error apreciable* en otros casos'las desviaciones pueden ser)randes y podr+an ori)inarse porformación de canalizaciones del%u&o o por la formación de zonasmuertas en el reactor ,1'(-. En estapr$ctica se aplicar$n los conceptosrelacionados con diseño dereactores isotrmicos' distribuciones

de tiempos de residencia enreactores #u+micos y modelos parareactores de %u&o no ideales.

C9l/+l"% : '%+lta!"%

/os reactivos empleados para laspruebas en la sesión experimentalse reportan en la tabla 1.

Ta1la 6. Reactivos empleados en lapr$ctica.

R'a/ti$"%

C"#/'#ta/i4#

Ca#ti!a!

0!l .1 2 34m/"a56 .( 2 34m/

!67!55!(

.( 2 34m/

G93/a% !' /"#/'#ta/i4# $%ti'".

• 8r$9ca de la concentración

de 0!l vs tiempo.

/a concentración de cloruro depotasio se determina a partir de lacurva de calibración' presentada enla tabla (' donde se utilizan losdatos de conductividad elctricaobtenidos a nivel de laboratorio yrealizando una re)resión lineal.

Ta1la 2. atos de concentración vsconductividad elctrica de 0!l a(:;!.

;M?

C"#!+/ti$i!a!'l)/ti/a& CE&

>%@/?.1

17.4.3

4

.(4 7.4(.

.

Fi,+a 6. urva de calibración 3l a264%

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e lo anterior' se proporciona unaexpresión #ue se a&usta a los datosde la curva de calibración?

!E@ 1(: C1D

!on?

(@.


4/9

>



.34 mscm @ 13


5/9

4



valor de la constante de velocidadde reacción J@. /mols.

−r A=

kC A

2

(6

)

Ka #ue la reacción se lleva a cabo enfase l+#uida?

C A=C A0(1− X )(7)

Iustituyendo la ecuación C3D en C:D?

−r A=kC A02(1− X )2(8)

Reemplazando la anterior expresiónen C4D

V = F A0∫0

X dX

kC A02(1− X )2

(9)

Resolviendo la inte)ral de laecuación anterior?

V = F A0

k C A02 ( 11− X −1)(10)

El volumen de reacción' se puedeescribir de la si)uiente forma?

V =V reactor−[V esferas(1−φ)](11)

espe&ando de C1D la conversión'teniendo en cuenta la expresiónC11D' se lle)a a?

X =1− 1

[1+kC A02 [V reactor−(V esferas(1−φ)) ]

FA 0 ](

Para efectuar dicho c$lculo' esnecesario remitirse a la si)uientetabla #ue contiene lasespeci9caciones del reactor tubular.

Ta1la B. Lnformación sobre elreactor

L"#,it+! >/? :

Di9't" i#t'i" >? 1

Di9't" i#t'i" >/? 1

Ra!i" i#t'i" >/? .4

N'" !' '%'a% 1:3Di9't" !' la '%'a

>? 7Di9't" !' la '%'a

>/? .7

Ra!i" !' la '%'a >/? .14

V"l+'# !'l 'a/t">/?

>3.1(7<

V"l+'# !' la '%'a>/? .1>1

P""%i!a! !'l l'/" >? .7:

>68? .:>V"l+'# !' '%'a %"li!a

>/? ./?

14.1<=

V"l+'# !' 'a//i4#>/?

7(.1>1

V"l+'# !' 'a//i4#>L? .7(

< >L@"l%? .

< >/@"l%?

CA5 >"l@/? .(

FA5 >"l@%? .1

e acuerdo con los valoresreportados en la tabla anterior' yreemplazando en la ecuación C1(D'se obtiene el valor de la conversiónpara el reactor de %u&o pistón.

X =1− 1

[1+ (0.0924 ) (0.2)2 [0.03044 ]

0.0001 ] X =0.541965281

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:



Paa la U#i!a! .6

• !onstruir las )r$9cas de

distribución de tiempos deresidencia externa' ECtD' ydistribución de tiempo deresidencia acumulativa' FCtDen función del tiempo para el0!l.

Para la determinación de ladistribución de los tiempos deresidencia se realizó unaperturbación tipo pulso.

/o primero #ue se encontró fue E CtD

E ( t )= C (t )

∫0

α

C (t )dt

(13)

F ( t )=∫0

t

E (t )dt (14)

/ue)o de #ue se ten+a la función ECtDy FCtD se )ra9caron con respecto al

tiempo.

Fi,+a . 8istribución de tiempo deresidencia externa respecto al tiempo%

Fi,+a K. 8istribución de tiempo deresidencia acumulado respecto altiempo%

• !$lculo del tiempo de

residencia medio y lavarianza de la función dedistribución de tiempos deresidencia

Para calcular el tiempo deresidencia medio y la varianza' seutilizaron las ecuaciones 14 y 1:.

t m=∫

0

∞

t ∗ E (t )dt (15)

σ 2=∫

0

∞

(t −t m)2∗ E (t )dt (16 )

Ta1la 7. Resultados tiempo medio yvarianza.

Tiempo de

residencia medio

Varianza

84,02 36

• Predicción de la conversión

del "a56 a la salida delreactor en estado estable'con un modelo de %u&o noideal.

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Para el c$lculo de la conversión de"a56 a la salida del reactor enestado estable se utiliza el modelo

de se)re)ación' el cual de9ne laconversión media como?

´ X =∫0

∞

X (t ) E (t )dt (17)

onde

dX

dt =

−r AC A0

(18)

Para la determinación de lavelocidad de reacción se utilizaronlos par$metros M y 0 obtenidos dela practica 1

−r A=kC A02 (1− X )2(19)

Reemplazando C1=D en C1' se observa #ue la

concentración de hidróxido de sodioa la salida del reactor vaaumentando a medida #uetranscurre el tiempo hasta lle)ar aun valor donde se estabiliza' estodebido a #ue a medida #ue losreactivos se mueven dentro delreactor y se mide su concentracióna la salida' la medida de dichaconcentración ir$ en aumento hasta#ue empiecen a reaccionar' despus

ir$ decreciendo a medida #ue se dala reacción.

5bservando la 9)ura 4' se ve #ue amedida #ue transcurre el tiempo laconversión del hidróxido de sodiodisminuye' esto es de esperarse ya#ue a medida #ue se lleva a cabo la

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=



reacción' el hidróxido de sodio al serun reactivo se ir$ consumiendo ypor lo tanto su concentración ir$

disminuyendo a lo lar)o del reactory consecuentemente su conversióndisminuir$' hasta lle)ar a un puntodonde se estabiliza. Al transcurrir 37se)undos de reacción se obtuvo unvalor de conversión 9nal de '=747.

!omparando los valores deconversión obtenidos mediante el%u&o pistón' %u&o no ideal y losencontrados experimentalmente'vemos #ue la conversión predicha

por el %u&o pistón y %u&o no idealson menores al experimental. Esteresultado no es esperado ya #ue sesupondr+a #ue al utilizar el modelode %u&o pistón el cual es un modelode reactor ideal' la conversiónhallada mediante dicho modelodeber+a ser mayor al experimental'aun#ue la diferencia no es tan)rande. En el caso de comparar elvalor de conversión del %u&o pistón y

el de %u&o no ideal' vemos #ue seobtiene un valor mayor para el %u&ono ideal y se espera #ue sea alcontrario' ya el #ue modelo de %u&ono ideal tiene en cuentadesviaciones de la idealidad'aproxim$ndose m$s a uncomportamiento real' por lo tanto seesperar+a #ue el valor de conversiónde respecto al modelo de %u&opistón' fuera menor. Adem$s hay

#ue recordar #ue en el modelo %u&opistón y el modelo de %u&o no idealse utilizan los par$metros cinticosobtenidos en una pr$ctica previa'utilizando otro tipo de reactor' por lotanto dichos valores pueden )enerarun error al utilizarlos en el modelode %u&o pistón y modelo de %u&o no

ideal' de ah+ #ue la conversión realdi9era de las conversionesencontradas teóricamente.

En las 9)uras : y 3 se puedeobservar #ue la distribución detiempos de residencia externa yacumulativa' presentan uncomportamiento muy bueno y es elesperado para una perturbación tipopulso En el caso de función dedistribución externa' se observanal)unos picos y desviaciones #ue esposible #ue se presenten por elpaso de burbu&as #ue detecta el

conduct+metro. Ii se tienen un buenmezclado y dentro del reactor nohay zonas muertas estas dosfunciones' la externa deber+apresentar un comportamiento tipocampana' con un decrecimientolo)ar+tmico' si se compara con elencontrado vemos #ue el mezcladoy el %u&o dentro del reactor puedepresentar zonas muertas y no est$bien mezclado ya #ue la distribución

est$ un poco desviada de la ideal./a distribución acumulada' presentaun comportamiento tambindesviado de la idealidad' pero en)eneral' las curvas se a&ustan alcomportamiento esperado.

C"#/l+%i"#'%

Fue posible evidenciar el efecto de

las desviaciones delcomportamiento ideal de losreactores' a nivel cuantitativo ycualitativo' a la hora de encontrarlas conversiones por cada uno delos modelos* es por eso #ue laselección de un modelo paradeterminar el comportamiento real

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de un reactor es bastante comple&o'pues en la realidad elcomportamiento de los reactores no

se a&usta perfectamente a lassituaciones de un reactor ideal'debido a #ue existen desviaciones#ue pueden provocar unadisminución en la e9ciencia delproceso como lo son lascanalizaciones' zonas muertas'cortocircuito etc.

/a distribución de tiempo es de vitalimportancia determinarla' ya #ue el%uido #ue reacciona no %uye de

manera uniforme a travs delreactor' ya #ue por la naturaleza deltipo de reactor utilizado existensecciones del lecho empacado #ueofrecen poca resistencia al %u&o y espor ello #ue las molculas en sutotalidad no pasaran el mismo

tiempo en el reactor. Adem$s' laobtención de estos tiempos deresidencia facilitan el modelamiento

del reactor' pues da una ideaaproximada del patrón de %u&o' lo#ue )enera contactos menose9cientes y conversiones ba&as.

R'''#/ia%

,1- /aboratorio de in)enier+a de lasreacciones #u+micas. (141.Pr$ctica (. Estudio del per9l de %u&oen un reactor de lecho empacado ysu posterior evaluación en la

saponi9cación de acetato de etilocon hidróxido de sodio.

,(- Fo)ler' Icott 6. NElements of !hemical Reaction En)ineerin)O 7rded. En)leood !liQs' Prentice6all'1

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