P4. Reactor Tubular. Saponificación del Acetato de Etilo

Universidad Nacional Autónoma de México[pic 1][pic 2]

Facultad de Química

Laboratorio de Ingeniería Química IV

Grupo: 16

P4. Reactor Tubular. Saponificación del Acetato de Etilo

Integrantes:

Betancourt Vivar Obed

Lugo Guzmán Raquel

Rendón Moreno Alejandra Paola

Problema

Estimar el perfil de concentraciones en función de la longitud de un reactor tubular para la saponificación del acetato de etilo.

Fundamentos teóricos

Los reactores tubulares también reciben el nombre de reactor de flujo pistón (PFR- Plug Flow Reactor). Son reactores de tipo continuo que trabajan en régimen estacionario, donde los procesos de carga y descarga se realizan mediante corrientes de entrada y salida y no variando las propiedades del sistema a lo largo del proceso de reacción. Al no haber un instante inicial al que referir el resto del proceso, no suele hablarse de tiempo de reacción sino de tiempo espacial o de tiempo de residencia.

Esquema de un PFR

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En estos reactores no se realiza ningún intento para mezclar las corrientes de proceso como en los CSTR o Batch. Se tienen las siguientes consideraciones:

1. No existe mezclado axial del fluido dentro del recipiente.
2. Las propiedades del fluido, incluyendo la velocidad de flujo, es el plano radial (perpendicular al sentido de flujo) son uniformes. Esto puede lograrse si existe un mezclado completo en esa dirección.
3. La densidad de las corrientes puede cambiar en la dirección del flujo.
4. Puede existir transferencia de calor a través de las paredes del reactor.

Las consecuencias del modelo que presenta esas características son las siguientes:

• Todos los elementos de fluido presentan el mismo tiempo de residencia. No existe dispersión en los tiempos de residencia.
• Las propiedades del sistema (por ejemplo, CA) cambian continuamente en la dirección del flujo.
• En la dirección axial, cualquier porción de fluido se comporta como un sistema cerrado en movimiento. Esto es, no intercambia material con porciones de fluido que circulan antes o después.
• El volumen de un elemento no es necesariamente constante cuando circula a lo largo del recipiente. El cambio de volumen puede deberse a cambios en T,P y el número de moles debido a la reacción.

Para desarrollar la ecuación de diseño de un PFR se parte de los flujos en términos molares y de la conversión X:

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Diferenciando esta ecuación se obtiene:

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Entonces, considerando un estado ideal, la ecuación de diseño de un PFR es:

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Donde la ecuación para obtener el volumen del PFR a una conversión dada es:

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Existen desviaciones al comportamiento ideal en los PFR, algunas son:

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Este tipo de reactores suele utilizarse para grandes producciones en las que la reacción presenta altas velocidades de reacción. Cualquier cambio en la alimentación o en el proceso tarda en ser asumido por el sistema, por lo que resultan muy poco versátiles, aunque el producto obtenido es muy homogéneo y el sistema en sí mismo es fácilmente automatizable. Los costos de instalación y puesta en marcha suelen ser elevados, en contra de lo que sucede con los de operación que son bajos, por lo que repercuten poco en el precio final del producto.

Descripción del proceso

Se preparan las disoluciones de hidróxido de sodio y de acetato de etilo a 0.02mol/L, así como la disolución de referencia de ácido clorhídrico a 0.005 mol/L. Posteriormente, se mide el volumen del PFR. A continuación, se mide la longitud de cada punto de muestreo y el diámetro externo del reactor, así como el volumen real del reactor con una probeta y se establece un flujo con base al tiempo de residencia establecido.

Se arma el sistema que conecta las disoluciones con una bomba y esta al reactor PFR. Luego se establece el flujo requerido inicialmente con agua.

Al finalizar lo anterior, se alimentan las disoluciones de hidróxido de sodio y de acetato al reactor PFR mediante la bomba, midiendo el tiempo al iniciar la alimentación. Se espera a que los reactivos recorran todo el reactor para tomar muestras de 5 mL a las diferentes alturas del PFR. Finalmente se titularán estas muestras con la disolución de ácido clorhídrico previamente preparada, obteniendo así la concentración de sosa residual.

Memoria de cálculo (con tablas de resultados)

Tabla 1 Datos de reactivos

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Tabla 2 Datos experimentales

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Tabla 3 Datos experimentales de volúmenes

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Tabla 4 Concentraciones experimentales

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Para el cálculo de las concentraciones experimentales y la conversión, se realizó:

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Tabla 5 Resultados experimentales

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Donde se realizaron los siguientes cálculos:

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Tabla 6. Resultados para elaborar unas gráficas

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La velocidad de reacción se calcula igual que en la tabla anterior, solo que ahora la conversión es la obtenida en cada punto medido (Li).

Tabla 7. Concentraciones teóricas

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Para calculas las concentraciones teóricas se empleó el balance de materia en un PFR:[pic 23]

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Cuestionario

1. Calcular el perfil de concentraciones teórico en el reactor tubular a partir del balance de materia y compararlo con los resultados experimentales.

R= Comparando la tabla 4 y la tabla 7, se puede observar que los valores teóricos son un poco menores a los experimentales, esto causa un poco de conflicto ya que debería ser al revés, pero hay un factor que influye mucho que es la constante de rapidez, porque se está empleando un valor teórico, por lo que contribuye un poco al error.

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