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RESUMEN
En la reacción del anhídrido acético y el agua, podemos observar que existe una
variación de la temperatura respecto al tiempo.En el presente informe haremos
una comparación entre los datos experimentales y los datos teóricos,obtenidos a
partir de una ecuación.La cual se obtendrá después de realizar el balance de
materia y el balance de energía de la reacción.
Por ello,a continuación se definirán los conceptos de reactor,de balance de
materia y energía , cuales son las características de los instrumentos usados en la
practica entre otros.
En la practica; la reacción del anhídrido acético y agua se hizo en un REACTOR
BACHT que se trato de mantener aislado;imitando un sistema adiabático;para la
obtención del ácido acético.La proporción del anhídrido acético y agua fue de
25mL y 15mL respectivamente, haciendo un total de un volumen de 40mL, la
temperatura inicial fue de 24.3°C, Se registraron las temperaturas cada
minuto,hasta llegar a una temperatura constante;el total de temperaturas
registradas fue de 35.Los cuales serán comparados con los datos teóricos como
se dijo.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Comparar los datos experimentales; de la variación de la temperatura respecto al
tiempo; con los datos teóricos.
OBJETIVO ESPECIFÍCO
Realizar el balance de materia y energía en un reactor batch.
Obtener una comparación grafica de datos experimentales y teóricos.
MARCO TEORICO
REACTORES QUIMICOS
Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se
lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está
constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida
para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control.
Los reactores químicos tienen como funciones principales:
Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior
del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.
Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el
catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.
Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la
reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los
aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.
TIPOS DE REACTORES QUÍMICOS:
Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las
necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más
conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los
siguientes:
a. REACTOR CONTINUO
Mientras tiene lugar la reacción química al interior del reactor, éste se
alimenta constantemente de material reactante, y también se retira
ininterrumpidamente los productos de la reacción.
b. REACTOR SEMICONTINUO
Es aquel en el cual inicialmente se carga de material todo el reactor, y a
medida que tiene lugar la reacción, se va retirando productos y también
incorporando más material de manera casi continúa.
c. REACTOR TUBULAR
En general es cualquier reactor de operación continua, con movimiento
constante de uno o todos los reactivos en una dirección espacial
seleccionada, y en el cual no se hace ningún intento por inducir al
mezclado. Tienen forma de tubos, los reactivos entran por un extremo y
salen por el otro.
d. 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.
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.
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.
VdCdt
=0−0−k CnV
lnCC0
=−kt
C=C0 e−kt
dCdt
=−kC
Balance de energía
ENTRA + SALE + GENERA + TRANSMITE = ACUMULA
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.
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.
TERMOMETRO
Un termómetro es un instrumento que permite medir la temperatura. Los más
populares constan de un bulbo de vidrio que incluye un pequeño tubo capilar; éste
contiene mercurio (u otro material con alto coeficiente de dilatación), que se dilata
de acuerdo a la temperatura y permite medirla sobre una escala graduada.
CRONOMETRO
Un cronómetro es un reloj de precisión que se emplea para medir fracciones de
tiempo muy pequeñas. A diferencia de los relojes convencionales que se utilizan
para medir los minutos y las horas que rigen el tiempo cotidiano, los cronómetros
en la industria para tener un registro de fracciones temporales más breves, como
milésimas de segundo. El cronómetro es un reloj cuya precisión ha sido
comprobada y certificada por algún instituto o centro de control de precisión. En la
actualidad el Control Oficial Suizo de Cronómetros (COSC) es el organismo que
certifica la mayor parte de los cronómetros fabricados.
AGITADOR MAGNÉTICO
Un agitador magnético es un tipo de equipo del laboratorio que consiste en rotar
imán o electro magnetos inmóviles que crean un campo magnético que rota. El
agitador se utiliza a la causa a revuelva la barra, sumergido en un líquido que se
revolverá, para hacer girar muy rápidamente, revolviéndolo. A menudo, el agitador
puede proporcionar la calefacción.
PARTE EXPERIMENTAL
1. MATERIALES
Reactor Batch
Termómetro
Cronómetro
Soporte universal
2. REACTIVOS
Anhídrido acético
Agua
3. PROCEDIMIENTO
1. Medimos los volúmenes de los reactantes ;25 mL de anhídrido acético y
15 mL de agua.
2. Ambos volúmenes los vertimos en un reactor Batch,el cual esta
aislado;con el objetivo de tener un sistema adiabático; este sistema se
encuentra sobre un agitador magnético.
3. Despues de poner la mezcla en el reactor se tapa y en él se coloca un
termómetro para la lectura de las temperaturas.
4. Inmediatamente se toma la temperatura inicial a un tiempo 0 segundos
y se registran las temperaturas cada minuto,hata llegar a una
temperatura constante.
CALCULOS Y RESULTADOS
1. DATOS EXPERIMENTALES
N°
Datot (min)
T
(°C)N° Dato
t
(min)T (°C)
N°
Dato
t
(min)T (°C)
1 0 24.3 13 12 34.5 25 25 48.7
2 1 25.7 14 13 35.3 26 26 50.9
3 2 27.0 15 14 35.9 27 27 53.2
4 3 28.0 16 15 36.1 28 28 55.7
5 4 28.8 17 16 37.5 29 29 58.6
6 5 29.6 18 18 39.1 30 30 62.2
7 6 30.3 19 19 40.1 31 31 66.5
8 7 31.2 20 20 41.3 32 32 71.4
9 8 31.8 21 21 42.5 33 33 76.5
10 9 32.5 22 22 44.0 34 34 81.3
11 10 33.2 23 23 45.5 35 35 83.2
12 11 33.9 24 24 47.1 36
Grafica de la temperatura versus el tiempo:
0 5 10 15 20 25 30 35 40260
280
300
320
340
360
380
TEMPERATURA VS. TIEMPO
Datos experimentales
TIEMPO(MIN)
TEM
PERA
TURA
(K)
2. OBTENCION DE DATOS TEORICOS
Datos bibliográficos:
ρt=1.05g
cm3
∆ H=−9000cal
molanh .acet .
C p=0.88calg° K
ρanh .acet .=1.08g
cm3
logK=5.233−2323T
−γA=k CA 0
2 ( 1−x A )( CB0
C A0
−x A)
La reacción es:
A B S
(CH3CO)2O + H2O 2CH3COOH
PM(CH3CO)2O = 102
PM H2O = 18
PM CH3COOH = 60
Balance de material:
dtd x A
=C A0
(−γ A)
t=C A0∫0
xA dx A
−γA(1)
Determinando –rA:
−γA=k CA 0
2 ( 1−x A )( CB0
C A0
−x A)(2)
Como:
logK=5.233−2323T
Determinando CAo y CBo:
ρ=mv→m=ρ×v
Determinando las masas:
manh .acet .=1.08×25=27 g
magua=1×15=15 g
mt=1.05×40=42 g
Determinando las moles:
nA=27
102=0.265mol
nB=1518
=0.833mol
C A0=nA 0
× ρt
mt
=0.265×1.0542
=6.625molL
CB0=nB0
×ρt
mt
=0.833×1.0542
=20.825molL
Reemplazando k y los valores obtenidos en (2):
−γA=105.233−2323
T ×6.6252(1−x A)( 20.8256.625
−x A)Finalmente obtenemos el tiempo reemplazando en (1):
t=∫0
xA d xA
105.233−2323
T ×6.625(1−x A)( 20.8256.625
−x A)(3)
Balance de energia:
T=T 0−∆ H R×nA×x A
mt×C p
Reemplazando datos:
T=297.3−−9000×0.265×x A
42×0.88
T=297.3+64.529 x A (4 )
Graficando la ecuación (4) se obtiene:
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000260
280
300
320
340
360
380
TEMPERATURA VS. CONVERSION
CONVERSION
TEM
PERA
TURA
Resolviendo la integral (3)en Mathcad:
CBA
COOHCHOHOCOCH
3223 2)(
DatosHr 9000
Vt 0.04a 1.08Cp 0.88
Va 0.025 Lb 1.00
Vb 0.015
98%de pureza
Hallando las masas:Masa del anhidrido acetico:
ma a Va 0.98 1000
ma 26.46 g
Masa del Agua:mb b Vb 1000 0.02 15.876mb 16.176
))(1(0
2 xC
CxKCr
A
BOAO Hallando la masa total:
mt ma mbmt 42.636
PMa 102Hallando las concentracions inicialesPMb 18
Caoma
PMa Vt Cbo
mb
PMb Vt
Naoma
PMa
x 0 0.1 0.9
T x( ) 294.45 HrNao
mt Cp x
t x( )
0
x
x3.8912
10
5.2332323
T x( )
1 x( )
Cbo
Caox
d
t x( )
0
45.125
81.06
110.539
135.533
157.55
177.888
197.926
219.753
248.847
x
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
T x( )
294.45
300.673
306.895
313.118
319.34
325.563
331.786
338.008
344.231
350.454
CONCLUSIONES
Al comparar los datos teóricos y los experimentales podemos observar que hay
una pequeña variación entre ellos,probablemente,debido a las pequeñas
perdidas de calor en el reactor.
RECOMENDACIONES
0 10 20 30 40 50280
300
320
340
360
TEORICO T(x) VS t(X)
T x( )
t x( )
5
t2 t1T2 T1 273 t2
Por lo mencionado se recomienda minimizar las pérdidas de calor durante
la reacción con algún otro tipo de aislante y así acercarnos más a los
valores reales.
Calibrar los instrumentos para no tener errores en los cálculos al momento
de tomar los datos.
BIBLIOBGRAFIA
Smith J. M. Ingenieria De La Cinetica Quimica 6ª Ed 1991
Denbigh,K.G., Turner,J.C.R (1990). “Introducción a la teoría de los
reactores químicos”. Limusa. México.
Froment,G.F., Bischoff, K.B. (1990). “Chemical reactor analysis and
design”. Wiley. New York
Levenspiel,O. (1998). “Ingeniería de las reacciones químicas ”. Reverté.
México.
http://www.ilustrados.com/publicaciones/EplVFukuZyDhBkhsiu.php
http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/lic/munoz_c_r/
capitulo3.pdf
http://www.murciasalud.es/recursos/ficheros/137907-
ANHIDRIDO_ACETICO.pdf
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