RTAD 2013 Armandos Carias

UNIVERSIDAD DE ORIENTE

NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI

ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA

LABORATORIO DE REACTORES

“REACTOR TANQUE AGITADO DISCONTINUO (RTAD)”

Grupo N° 6

Profesor: Integrantes:

Armando Carias Johan Hernández C.I: 19.854.542

Sección: 20 Jorge L. Gómez C.I: 19.316.025

María Castillo C.I: 19357796

Mary Osorio C.I: 17.911.266

Barcelona, 11 de Junio de 2013

RESUMEN

En la práctica de Reactor Tanque Agitado Discontinuo (RTAD), se determinó la

ecuación de velocidad de reacción de hidrólisis del acetato de etilo, y para ello en el

laboratorio se agregaron soluciones de hidróxido de sodio y acetato de etilo en un reactor por

cargas y con agitación continua a una temperatura de 23°C. Seguido de esto se tomaron

medidas de conductividad en intervalos de 30 segundos hasta alcanzar una condición estable,

esto se logro durante 45 minutos, cuando el valor de la conductividad se repitió más de 5

veces, el valor de conductividad final fue de 6,18 mS. Con estos datos se calcularon las

concentraciones de NaOH y CH3COONa que resultaron ser de 0,017750 Mol/L y 0,032250

mol/L respectivamente. Se repitió el mismo procedimiento pero con una temperatura de 26 ºC,

donde la conductividad final fue de 6,18 mS. Las concentraciones de NaOH y CH3COONa

resultaron ser de 0,017750 Mol/L y 0,032250 mol/L respectivamente, y para ambos la

conversión fue de 64,5%. Por último, se dedujo que el orden de la reacción es de 2º orden y la

constante cinética de la reacción según el método integral L/mol.s.

CONTENIDO

Pág.

Listado de Tablas y Figuras………………………………………………………………….

CAPITULO I. Introducción…………………………………………………………………

1.1. Objetivos……………………………………………………………………………

1.2. Objetivo General…………………………………………………………………..

1.3. Objetivos específicos………………………………………………………………

CAPITULO II. Marco Teórico……………………………………………………………...

2.1. Reacción química…………………………………………………………………..

2.2. Cinética química……………………………………………………………………

2.3. Velocidad de reacción………………………………………………………………

2.4. Orden de reacción…………………………………………………………………..

2.5 .Reactor tanque agitado continuo……………………………………………………

CAPITULO III. Desarrollo del proyecto……………………………………………………

3.1. Procedimiento experimental. ……………………………………………………….

3.2. Diagrama y descripción del equipo. ………………………………………………..

3.3. Tabla de datos. ……………………………………………………………………..

3.4. Muestra de cálculo………………………………………………………………….

CAPITULO IV. Resultados y Discusión……………………………………………………

4.1. Tablas de resultados.……………………………………………………………….

4.2. Discusión de resultados…………………………………………………………….

4.3 Conclusiones………………………………………………………………………..

4.4. Recomendaciones. …………………………………………………………………

Bibliografía…………………………………………………………………………………..

Anexos………………………………………………………………………………………..

LISTADO DE TABLAS Y FIGURAS

LISTADO DE TABLAS:

Pág.

Tabla 3.3.1. Datos registrados de conductividad en intervalos de 30 segundos para la hidrolisis de Acetato de Etilo en el RTAD a la temperatura de 23ºC …………………………

Tabla 3.3.2. Datos registrados de conductividad en intervalos de 30 segundos para la hidrolisis de Acetato de Etilo en el RTAD a la temperatura de 26ºC …………………………

Tabla 4.1.1. Valores de concentración y conversión del NaOH y del Acetato de Sodio en

función del tiempo a la temperatura de 23ºC……………………………...……………………

Tabla 2.2 Valores de concentración y conversión del NaOH y del Acetato de Sodio en función

del tiempo a la temperatura de 26ºC……………………………...…………………………

Tabla 3. Valor de concentración inicial, conductividad inicial e infinita, constante cinética y

orden de reacción de la hidrólisis de Acetato de Etilo……………………..………………….

Tabla 3. Valor de concentración inicial, conductividad inicial e infinita, constante cinética y

orden de reacción de la hidrólisis de Acetato de Etilo……………………..………………….


LISTADO DE FIGURAS:

Pág.

Figura 3.2. Diagrama del Reactor Tanque Agitado Discontinuo.

Figuras : Concentración Vs. Tiempo.

Figuras : Conversión de NaOH vs. Tiempo.

Figuras : Conversión de Acetato de Etilo vs. Tiempo.

Figura : Método Integral orden cero (0).

Figura . Método Integral orden uno (1).

Figura . Método Integral orden dos (2).

Figura . Inverso de las concentraciones Vs. Tiempo.

Figura . por Método Diferencial.

Figura . .


CAPITULO I: INTRODUCCION

Las reacciones químicas a nivel industrial son las operaciones que tienen por objeto

transformar los átomos de las especies reactivas para formar los productos de la reacción. El

diseño y operación del equipo para llevar a cabo reacciones químicas requiere un análisis de

los procesos tanto físicos como químicos que ocurren en su interior, ya que los principios que

gobiernan las transferencias de masa y energía son tan importantes como los que rigen a la

cinética química. Es por esto que se estudia el comportamiento de los diferentes reactores,

para este caso la hidrólisis del acetato de etilo a pequeña escala para demostrar el

funcionamiento de un reactor tanque agitado discontinuo (RTAD).

El reactor discontinuo es un dispositivo relativamente sencillo, adaptable a experiencias

de laboratorio en pequeña escala y necesita solo algunos instrumentos auxiliares, por ello

puede decirse que se trata de un dispositivo ideal para la obtención de datos cinéticos en el

caso de sistemas homogéneos. EL RTAD es un reactor por lotes que trabaja a condiciones

determinadas de temperatura, se caracteriza por trabajar con diferentes cargas en las que puede

alcanzar la máxima conversión de la reacción en cada una de ellas, siendo este más eficiente

en la primera corrida que el reactor mezcla completa y el flujo pistón, debido a que el tiempo

de residencia es mayor y obtiene una conversión máxima ya que los reactivos están en

contacto hasta que se consume el limitante completamente. Existen dos métodos que nos

permiten analizar los datos cinéticos derivados de la operación del reactor, éstos son el integral

y el diferencial. La mayoría de las reacciones a nivel industrial son comprobadas a

velocidades, situadas entre los extremos de cero a infinito; y estos son los casos para los cuales

el diseñador necesita valerse de los datos cinéticos para determinar los tamaños finitos del

equipo de reacción. Es importante conocer las formas en que la velocidad cambia con los

parámetros de operación como lo son la temperatura, presión y composición de la mezcla a

reaccionar.

CAPITULO I: INTRODUCCION

1.1. OBJETIVOS

1.2. Objetivo general:

Determinar la ecuación de velocidad de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo.

NAOH + CH3OOC2H5 CH3COONa + C2H5OH

1.3. Objetivos específicos:

Monitorear el transcurso de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo a través de

medidas de conductividad en función del tiempo.

Graficar la conductividad en función del tiempo.

Escoger máximo 15 de todos los puntos (conductividad, tiempo)

Determinar la concentración del hidróxido de sodio y del acetato de sodio en el reactor

en función del tiempo.

Determinar la conversión del hidróxido de sodio y del acetato de sodio en el reactor.

Graficar la concentración y la conversión del hidróxido de sodio y del acetato de sodio

en función del tiempo.

Calcular la constante cinética y el orden de la reacción de hidrólisis básica del acetato

de etilo por el método integral.

Expresar la ecuación cinética em función de La temperatura.

CAPITULO II: MARCO TEORICO

2.1. Reacción Química

Se conoce como reacción química a aquella operación unitaria que tiene por objeto

distribuir de forma distinta los átomos de ciertas moléculas (compuestos reaccionantes o

reactantes) para formar otras nuevas (productos). El lugar físico donde se llevan a cabo las

reacciones químicas se denominan reactor químico.

Los factores que hay que tener en cuenta a la hora de llevar a cabo o desarrollar una

reacción química son:

Condiciones de presión, temperatura, y composición necesarias para que los

materiales entren en estado de reacción.

Las características termodinámicas y cinéticas de la reacción

Las fases (sólido, líquido, gaseoso) que se encuentran presentes en la reacción

Formas de cambios químicos:

Descomposición, consiste en que una molécula se divide en moléculas más pequeñas,

átomos o radicales. Combinación, ésta se realiza cuando una molécula o átomo se une con otra

especie para formar un compuesto nuevo.

Isomerización, en este caso la molécula no efectúa ninguna descomposición externa o

adición a otra, es simplemente un cambio de configuración estructural interna. [1]

2.2. Reactor Químico

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 esta 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. [1]

2.3. Reactor tanque agitado discontinuo

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. [1]

En el RTAD es simplemente un recipiente en el que están contenidas las sustancias

mientras reaccionan. Se utilizan principalmente para determinar parámetros de la ley de

velocidad para reacciones homogéneas lo que se ha de determinar es la extensión de la

reacción para diversos tiempos.

La nomenclatura síntesis del acetato de etilo puede simplificarse de la siguiente forma:

AcEt + NaOH → AcNa + EtOH


Dónde:

AcEt= CH3OOC2H5

AcNa= CH3COONa

EtOH=C2H5OH

y para su estudio cinético, puede expresarse como:

A + B → Productos

Se puede expresar la velocidad de reacción como:

-RA=K.CAα.CB

β

CA=CB, entonces se tiene:

-RA=K.CAα+β (Ec-2.1)

Y su ecuación cinética:

-RA=dCA/dt (Ec-2.2)


Dónde:

CA Y CB= Concentraciones de los reactivos

K= Constante cinética

-RA= Velocidad de reacción

α y β =Órdenes de reacción

dCA/dt= Variación de la concentración con el tiempo.

2.4. Cinética de la reacción.

El estudio de fenómenos de velocidad se llama cinética o dinámica. Un sistema puede

estar fuera de equilibrio por que la materia o la energía, o ambas, están siendo transportadas

entre el sistema y sus alrededores o entre una y otra parte del sistema. Aun cuando ni la

materia ni la energía esté siendo transportada a través del espacio, un sistema puede estar fuera

del equilibrio porque ciertas especies químicas del sistema están reaccionando para producir

otras especies. La parte de la cinética que estudia las velocidades y los mecanismos de las

reacciones químicas es la cinética química o la cinética de reacciones. Un sistema reactivo no

esta en equilibrio, es por esto que la cinética de las reacciones no se considera parte de la

termodinámica, sino como una rama de la cinética.


2.5. Velocidad de reacción

La velocidad de reacción respecto a un componente cualquiera A se define como:

tiempo)de (unidad volumen)de (unidad

reacción)por aparecen queA de (moles1

reacciónpor

dt

dN

VR A

A

(2.3)

De acuerdo con esta definición, la velocidad será positiva si A aparece como producto,

mientras que será negativa si A es un reactante que se esta consumiendo; es decir, AR es la

velocidad de desaparición del reactante.

Es de esperar que el transcurso de este tipo de reacciones dependa de la composición de

las sustancias en la fase considerada, así como de la temperatura y presión del sistema no

deben influir sobre la velocidad de las reacciones homogéneas la forma del recipiente, las

propiedades de las superficies de los sólidos en contacto con la fase. Por consiguiente, para la

velocidad de reacción del componente A, podemos escribir:

ncomposició presión, a,temperatur

sistema del estado

f

fRA

Estas variables: presión, temperatura y composición, son interdependientes, en el sentido

de que la presión queda determinada dada la temperatura y la composición de la fase. En

consecuencia, podemos escribir, sin perder generalidad:


ncomposició a,temperaturfRA

Para muchas reacciones la velocidad de desaparición de A,( AR ), puede ser escrito

como el producto de la constante cinética, k , y una función de concentraciones de las especies

involucradas en la reacción:

,...., BATA CCfkR

Las velocidades no pueden medirse directamente sino que se obtienen por medio de la

interpretación de datos medidos de un reactor y los resultados específicos dependen del tipo

del reactor usado. Esto de debe a que las concentraciones suelen ser afectadas por procesos

físicos tales como la convección y la propia reacción. El análisis de datos de reactor para

obtener la velocidad intrínseca es, en esencia, el proceso inverso al procedimiento de diseño

para un reactor a escala comercial. Sin embargo, el problema se simplifica debido a que el

reactor a pequeña escala puede construirse de tal manera que se obtenga la velocidad

intrínseca en forma precisa y fácil a partir de las mediciones de concentración. [2]

2.6. Orden de la reacción

Considérese la reacción general homogénea:

aA + bB Productos

La ley de velocidad para esa reacción puede expresarse de la siguiente forma:

- RA= K [A]α[B]β (2.4)


Donde:

K= Constante de velocidad.

[A] y [B]= Concentraciones de los reactantes.

α y β= Orden de la reacción, pueden ser números enteros o fracciones, donde α es el orden de

la reacción con respecto al reactivo A, y β es el orden de la reacción con respecto al

reactivo B. El orden global de la reacción, n, es la sumatoria de los ordenes

individuales.

n= α + β+

El orden de la reacción representa el número de moléculas de las sustancias involucradas

en la ecuación de la reacción real, y esta puede o no ser igual a la ecuación estequiometria

para toda la reacción. Para el caso donde los coeficientes estequiométricos de una reacción

química son iguales a los órdenes de reacción individual, la reacción recibe el nombre de

elemental, mientras que para aquellas donde difieren, reciben el nombre de no elementales, es

decir, no se realizan exactamente como aparecen escritas. [2]

2.7. Método integral

En el método integral de análisis de datos se ensaya una ecuación cinética particular, se

integra y se comparan los datos calculados para cada tiempo t con los datos experimentales. Si

el ajuste no es satisfactorio se sugiere y ensaya otra ecuación cinética.


Por ejemplo si se tiene una reacción A productos en un sistema discontinuo de volumen

constante la expresión cinética será como hemos dicho.

Esta ecuación puede integrarse según

De acuerdo con esto una representación del término de la izquierda frente al tiempo

conduce a una recta de pendiente k. A partir de los datos experimentales y suponiendo una

determinada forma para f (CA) se calcula entonces el término de la integral y se representa

frente a los tiempos correspondientes.

Se observa si estos datos se distribuyen sobre una recta que pasa por el origen. En caso

afirmativo se puede decir que la ecuación cinética ensayada se ajusta a los datos

experimentales. [3]


2.8. Método diferencial

En el método diferencial se emplea directamente la ecuación diferencial a ensayar: se

evalúan todos los términos de la ecuación, incluida la derivada dCA/dt y se ensaya la bondad

del ajuste de la ecuación con los datos experimentales.

Supongamos que tenemos como en el caso anterior

A partir de las experiencias se obtienen los datos concentración-tiempo y se

representan gráficamente. Se traza la curva continua ajustada a los puntos presentados. Se

determinan las pendientes de esta curva, que son las velocidades de reacción dCA/dt. Se

evalúa f(CA) para cada concentración. Se representa - ln (dCA/dt) frente a ln (CA). Si se

obtiene una recta el procedimiento estuvo correctamente realizado, la pendiente de esa curva

es el orden de reacción y la ordenada en el origen nos da la constante cinética. El error más

Importante de este método es la evaluación gráfica de las pendientes, aunque tiene la

ventaja frente al anterior que no es necesario presuponer un orden de reacción. [3]

CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO

3.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Fase preparatoria

Experiencia N° 1.

Lavar todos los materiales a utilizar.

Enchufar el equipo ARMAFIELD

Colocar el Brecker en posición ON

Encender el Chiller, colocando el botón de la consola en posición Chiller a la Temperatura de 23°C

Inicio

Preparar las soluciones con los cálculos de las cantidades necesarios de los reactivos a utilizar a las concentraciones requeridas

C


Verificar que el reactor no contenga agua en su interior

Proceder a cargar el reactor con 500 ml de la solución previamente preparada de hidróxido de sodio 0,1 N.

Esperar que el reactor alcance la temperatura fijada

Añadir la solución de Acetato de Etilo rápidamente al reactor

Poner en funcionamiento inmediatamente el cronómetro

Tomar medidas de conductividad durante aproximadamente 45 minutos en intervalos de 30 segundos

Desconectar el reactor

Lavar el tanque y los sensores de conductividad y temperatura con agua

destilada

Ensamblar el reactor al equipo para su posterior uso

Encender el agitador, colocando la velocidad de agitación en 7.0

Colocar en agua fría el balón aforado que contiene la solución de Acetato de Etilo hasta que tenga la temperatura de 23ºC aproximadamente

Destapar cuidadosamente el reactorlavar el reactor

C

C


Experiencia N° 2.

Apagar el agitador, el Chiller y posteriormente el equipo, una vez repetidas 5 veces la misma medida de conductividad.

C

Lavar el tanque, los sensores de conductividad y el de temperatura con agua destilada

Ensamblar el reactor al equipo para su posterior uso

Destapar cuidadosamente el reactor

Repetir todo el procedimiento anterior con una temperatura de 26ºC

Fin

Desconectar el reactor


3.2. DIAGRAMA Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.


Leyenda:


Figura 3.2. Diagrama del Reactor Tanque Agitado Discontinuo.

3.3. TABLAS DE DATOS

1. Motor del agitador.2. Sensor de

conductividad.3. Sensor de temperatura.4. Bobina.5. Tapa del reactor.6. Pinzas.7. Parte externa del

reactor.8. Agitador de hélice.9. Tuerca.


Tabla 3.3.1. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la Hidrólisis del Acetato de Etilo en el RTAD a la temperatura de 23oC.

Tiempo (s) Conductividad (mS) Tiempo (s) Conductividad (mS)

0 10,23 570 6,18

30 9,52 600 6,13

60 8,82 630 6,09

90 8,31 660 6,05

120 8,05 690 6,00

150 7,73 720 5,97

180 7,50 750 5,94

210 7,31 780 5,91

240 7,07 810 5,88

270 6,94 840 5,85

300 6,84 870 5,82

330 6,74 900 5,80

360 6,64 930 5,78

390 6,55 960 5,75

420 6,48 990 5,73

450 6,40 1020 5,71

480 6,35 1050 5,69

510 6,28 1080 5,68

540 6,23 1110 5,66

TABLA 3.3.1. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la hidrólisis del acetato de etilo en el RTAD a la temperatura de 23oC.( CONTINUACIÓN):



1140 5,64 1770 5,44

1170 5,63 1800 5,43

1200 5,61 1830 5,43

1230 5,60 1860 5,42

1260 5,59 1890 5,42

1290 5,57 1920 5,41

1320 5,56 1950 5,41

1350 5,55 1980 5,40

1380 5,54 2010 5,4

1410 5,53 2040 5,39

1440 5,52 2070 5,39

1470 5,51 2100 5,39

1500 5,50 2130 5,38

1530 5,49 2160 5,38

1560 5,49 2190 5,37

1590 5,48 2220 5,37

1620 5,47 2250 5,37

1650 5,46 2280 5,37

1680 5,46 2310 5,36

1710 5,45 2340 5,36

1740 5,45 2370 5,36

TABLA 3.3.1. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la hidrólisis del acetato de etilo en el RTAD a la temperatura de 23oC.( CONTINUACIÓN):



2400 5,35 2550 5,34

2430 5,35 2580 5,34

2460 5,35 2610 5,34

2490 5,35 2640 5,34

2520 5,34 2670 5,34

Tabla 3.3.2. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la hidrólisis del acetato de etilo en el RTAD a la temperatura de 26oC.


0 9,86 360 7,15

30 9,24 390 7,08

60 8,77 420 7,02

90 8,43 450 6.82

120 8,2 450 7,96

150 7,98 480 6,91

180 7,81 510 6,87

210 7,66 540 6,82

240 7,53 570 6,79

270 7,41 600 6,75

300 7,32 630 6,72

330 7,22 660 6,7

Tabla 3.3.2. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la hidrólisis del acetato de etilo en el RTAD a la temperatura de 26oC. (CONTINUACIÓN):



690 6,67 1290 6,42

720 6,65 1320 6,42

750 6,62 1350 6,42

780 6,6 1380 6,41

810 6,59 1410 6,41

840 6,57 1440 6,41

870 6,55 1470 6,4

900 6,64 1500 6,4

930 6,53 1530 6,4

960 6,61 1560 6,4

990 6,5 1590 6,39

1020 6,49 1620 6,39

1050 6,48 1650 6,39

1080 6,47 1680 6,39

1110 6,46 1710 6,38

1140 6,46 1740 6,38

1170 6,45 1770 6,38

1200 6,44 1800 6,38

1230 6,44 1830 6,38

1260 6,43 1860 6,38

Tabla 3.3.2. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la hidrólisis del acetato de etilo en el RTAD a la temperatura de 26oC. (CONTINUACIÓN):



1890 6,38 2040 6,37

1920 6,38 2070 6,37

1950 6,38 2100 6,37

1980 6,37 2130 6,37

2010 6,37 2160 6,37


3.4 MUESTRA DE CÁLCULO

3.4.1 Cálculos previos a la práctica para la preparación de los sustancias a utilizar.

Solución de NaOH 0,1 N

V= 500ml = 0,5 L

C= 0,1 N

Comprobando que la normalidad es igual a la molaridad en este caso (N=M):

(1)

(2)

(3)

Donde:

N=Normalidad (#eq-gr/L)

M = Molaridad (g/gmol)

#eq-gr = Número de equivalentes gramos (eq-gr)

V = Volumen (L)

m = masa (g)

Peq = Peso equivalente

PM = Peso molecular (g/mol)

E = Número de radicales hidroxilos


Para el NaOH, (Na+OH-) se tiene que el E es 1, por lo tanto, de la Ecuacion (3), obtenemos:

Sustituyendo (3) en (2) y, a su vez, en (1):

(4)

Sabiendo que:

(5)

Donde: n = Número de moles (mol)

Se tiene que la ecuación (5) queda:

N = M (6)

Tenemos que N M 0,1

Sustituyendo (6) en (4) y despejando:

(7)


Sustituyendo los datos en la Ecuación (7):

g

Por lo tanto se necesitan 2 g de NaOH sólido para diluirlos en 0.50 L agua destilada.

Solución de AcOEt de 0,1 N.

V= 500 ml = 0,5 L

C= 0,1 N

Sabiendo que la densidad () del mismo es igual a 0,90 y su peso molecular (PM) es

88,11 , con una pureza de 99,9% de acetato de etilo.

Sabemos que:

(8)

(9)

Sabemos que por dilución: (10)


Donde:

C1= Concentración de la solución concentrada (mol/L).

V1= Volumen de la solución concentrada (L).

C2= Concentración de la solución diluida (mol/L).

V2= Volumen de la solución diluida (L).

Entonces tendremos que mediante el despeje de la la ecuación (8) y el uso de la ecuación (9):

Usando la ecuación (2), (3) y (10) y sustituyendo valores:


3.4.2 Cálculo para obtener C∞

Cálculo de la concentración del NaOH en la alimentación y del Acetato de

Etilo en la alimentación b(o)

Donde:

=Concentración del NaOH inicial (mol/L)

=Concentración de Acetato de etilo en el recipiente de alimentación.

Se tiene que se agregan en las mismas proporciones al realizar el experimento.

3.4.3 Cálculos para obtener conductividades:

Conductividad inicial a la Temperatura de 23°C (296k)

Mediante el uso la ecuación:


∆ao = 0.195 [1 + 0.0184 (T-294)] Cao (11) T ≥ 294 k

Donde:

∆ao = Conductividad inicial del hidróxido de sodio (Siemens)

T= Temperatura (K)

Cao = Concentración inicial del hidróxido de sodio (mol/L)

Se tiene que: (12)

Pero ya que inicialmente no existe acetato de sodio, por lo cual la ecuación queda:

Si Cco=0

Sustituyendo los datos de la Tabla 3.3.1 en la ecuación (11), cuyo valor de la temperatura fue de 23ºC es decir 296º K.

∆ao = 0.195 [1 + 0.0184 (296 - 294)] 0, 05 mol/L

El equipo usado expresa la conductividad en unidades de milisiemens (ms) por ende debemos

transformar a esta unidad, sabemos que por lo cual:


∆ao = 0, 0101088 siemens x (1000mS/1s)

Conductividad final a la Temperatura de 23°C (296k)

Mediante el uso de la ecuación:

∆c∞ = 0.07 [1 + 0.0284*(T-294)] C∞ (13) ) T ≥ 294 K

Donde:

∆c∞ = Conductividad final del acetato de sodio (Siemens)

T= Temperatura (K)

Cc ∞ = Concentración final del acetato de sodio (mol/L)

Se tiene que: ∆∞ = ∆c∞ + ∆a∞ (14)

Pero ∆a ∞ = 0 ya que inicialmente no hay NaOH, por lo cual la ecuación queda:

∆∞ = ∆c∞ Si CA∞=0

El valor de la temperatura fue de 23 ºC es decir 296 K, y C∞ es igual que ao, el cual tiene un

valor de 0.05 mol/L, ya que la reacción es equimolar y el volumen de la mezcla se duplica.

Sustituyendo los datos de la Tabla 3.3.1 en la ecuación (13), cuyo valor de la temperatura fue

de 23ºC es decir 296º K.


∆c∞ = 0.070 [1 + 0.0284 (296 - 294)] 0,05 mol/L

∆c∞ =3,6988x10-3 Siemens

NOTA: Para la segunda corrida con los datos de la Tabla 3.3.2 cuya temperatura es de 26ºC,

es decir 299º K, se tiene una conductividad inicial (10,647 mS) de y una conductividad final

de (3,997 mS) respectivamente.

Los resultados de y obtenidos están referidos a datos ideales, pero para la

realización de los cálculos de concentración de NaOH ( y (c) para cada tiempo

medido en el laboratorio se utilizarán los valores de y obtenidos experimentalmente al

graficar la conductividad en función del tiempo y extrapolando según la tendencia de la curva

el valor del intercepto en Y ( ).

3.4.4 Cálculos para obtener concentraciones a partir de las conductividades.

El estudio de esta práctica se llevo a cabo mediante la siguiente reacción:

A + B C + D

Cálculo de la concentración de NaOH en el reactor en un tiempo T:


(15)

Donde:

=Concentración del NaOH inicial (mol/L)

= Concentración del NaOH al tiempo t (mol/L)

= Conductividad inicial (mS)

= Conductividad al tiempo t (mS)

= Conductividad al tiempo infinito (mS)

Sustituyendo los datos de la tabla 3.3.1 se obtiene lo siguiente:

Para t=30 seg

Se procede para el resto de los valores en ambas corridas. Y los resultados se muestran en la tabla 4.1.1 para la temperatura de 23ºC, y la tabla 4.1.2 para la temperatura de 26ºC

Cálculo de la concentración de Acetato de Sodio en el reactor en un tiempo “t”:


(16)

Dónde:

= Concentración del Acetato de Sodio al tiempo t (mol/L)

= Concentración del acetato de sodio al tiempo infinito (mol /L)

= Conductividad inicial (mS)

= Conductividad al tiempo t (mS)

= Conductividad al tiempo infinito (mS)

Utilizando los datos mostrados en la tabla 3.3.1 se realiza la siguiente sustitución:

Para t=30 seg

Se procede para el resto de los valores en ambas corridas. Y los resultados se muestran en la

tabla 4.1.1 para la temperatura de 23ºC, y la tabla 4.1.2 para la temperatura de 26ºC.

3.4.5 Cálculo de la conversión para el NaOH y el Acetato de Sodio:


Se sustituyen los valores requeridos para cada Ecuación (17) de la tabla 4.1.1 y con los valores calculados anteriormente, se tiene que:

Para T=30 seg

Igualmente se sustituye los valores para la Ecuación (18) de la tabla 4.1.2:

Se realiza el mismo procedimiento para los datos correspondientes a las corridas mencionadas

anteriormente que se encuentran en la tabla 4.1.1 para la temperatura de 23ºC, y la tabla 4.1.2

para la temperatura de 26ºC.

3.4.6. Determinación de la constante y el orden de reacción general: (MÉTODO

INTEGRAL)

Siendo la reacción de hidrólisis del acetato de etilo la siguiente:


CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH

Realizando el análisis de la cinética de reacción, se tiene que para una reacción de segundo

orden global, la ecuación de velocidad se expresa de la siguiente manera:

= KCA CB (19)

Donde:

K : Constante cinética. (L/ mol.s)

CA: Concentración de NaOH (mol/L)

CB : Concentración de Acetato de Etilo (mol/L)

-Ra: Velocidad de desaparición de los reactantes (mol/L.s)

Debido a la estequiometria de la reacción entre los reactantes (1:1) y el hecho de que se

emplearon cantidades equimolares de estos, la ecuación de Velocidad puede escribirse de la

siguiente manera:

Ca=Cb ; -Ra= - =K. (20)


Separando variables e integrando:

(21)

(22)

Linealizando queda: (23)

Sustituyendo los valores en:

Realizando el mismo procedimiento para el resto de los valores tomados de la tabla 4.1.1, se

procede a graficar (1/CA) en función del tiempo (t). Cabe destacar que se tomaron los primeros

15 valores de concentraciones calculados, ya que en este intervalo es donde se observa el

comportamiento más lineal para construir la gráfica (ver Fig H) y con la ayuda del programa

Excel se determinó la pendiente, el cual es la constante cinética (K), que para esta reacción

tuvo un valor de:


Los valores obtenidos para (1/CA) se encuentran tabulados en función del tiempo en la

tabla .4.1.3 de los valores correspondientes a la T=23°C, y en la tabla 4.1.4 lo valores

correspondientes a la T=26°C

3.4.7. Expresando la ecuacion cinética en función de la Temperatura

Partiendo de la Ecuacion cinética tenemos que:

(24)

Dónde:

-Ra=La velocidad de la reacción

a=La Concentración de NaOH

b= La Concentración de CH3COONa

K=Constante cinética que depende de la temperatura.

Por otra parte conocemos también la Ecuacion de Arrhenius:

(25)

Sustituyendo la Ecuación (25 en la Ecuacion (24), obtenemos haciendo unas consideraciones:

Asumiendo que: ao=bo → a.b


(26)

Para calcular la constate es necesario linealizar la ecuacion:

(27)

Dónde:

A=Constante que no depende de la temperatura.

Ea= Energía de activación.

R=Constante universal de los gases.

T=Temperatura absoluta

K=Constante cinetica

CAPITULO IV: DISCUSION Y RESULTADOS

4.1 TABLA DE RESULTADOS.

Tabla 4.1.1 Valores de concentración y conversión para el NaOH y el Acetato de Etilo en el RTAD en función del Tiempo, para una temperatura de 23ºC.

Tiempo (s) CA (mol/lts) CC(mol/lts) Xa Xc

0 0,0500 0,0000 0 0

150 0,0314 0,0186 0,3711 0,3711

300 0,0245 0,0255 0,5100 0,5100

450 0,0211 0,0289 0,5786 0,5786

600 0,0190 0,0310 0,6207 0,6207

750 0,0175 0,0325 0,6504 0,6504

900 0,0164 0,0336 0,6722 0,6722

1050 0,0155 0,0345 0,6894 0,6894

1200 0,0149 0,0351 0,7018 0,7018

1350 0,0144 0,0356 0,7112 0,7112

1500 0,0140 0,0360 0,7190 0,7190

1650 0,0137 0,0363 0,7252 0,7252

1800 0,0135 0,0365 0,7299 0,7299

1950 0,0133 0,0367 0,7330 0,7330

2100 0,0132 0,0368 0,7362 0,7362

2250 0,0130 0,0370 0,7393 0,7393

2400 0,0129 0,0371 0,7424 0,7424

2550 0,0128 0,0372 0,7440 0,7440


Tabla 4.1.2 Valores de concentración y conversión para el NaOH y el Acetato de etilo en el

RTAD en función del Tiempo, para una temperatura de 26ºC.

Tiempo (s) CA (mol/lts) CC(mol/lts) Xa Xc

0 0,0500 0,0000 0 0

90 0,0333 0,0167 0,3334 0,3334

180 0,0287 0,0213 0,4266 0,4266

270 0,0257 0,0243 0,4868 0,4868

360 0,0237 0,0263 0,5259 0,5259

540 0,0212 0,0288 0,5755 0,5755

630 0,0205 0,0295 0,5905 0,5905

720 0,0199 0,0301 0,6011 0,6011

810 0,0195 0,0305 0,6101 0,6101

990 0,0188 0,0312 0,6236 0,6236

1080 0,0186 0,0314 0,6281 0,6281

1260 0,0183 0,0317 0,6341 0,6341

1350 0,0182 0,0318 0,6356 0,6356

1440 0,0181 0,0319 0,6371 0,6371

1530 0,0181 0,0319 0,6386 0,6386

1710 0,0179 0,0321 0,6417 0,6417

1980 0,0178 0,0322 0,6432 0,6432

2190 0,0178 0,0322 0,6432 0,6432


Tabla 4.1.3. Valor de concentración inicial, conductividad inicial e infinita, constante cinética

y orden de reacción a la T=23ºC

Tiempo(seg) CA(mol/L) 1/CA (L/mol)Orden de

reacción( )Constante Cinética(k)

0 0,0500 20,0000

2 0,0624

30 0,0454 22,0230

60 0,0399 25,0332

90 0,0360 27,8019

120 0,0339 29,4631

150 0,0314 31,8019

180 0,0297 33,7262

210 0,0282 35,5007

240 0,0263 38,0280

270 0,0253 39,5533

300 0,0245 40,8124

330 0,0237 42,1544

360 0,0229 43,5877

390 0,0222 44,9635

420 0,0217 46,0952


Tabla 4.1.4. Valor de concentración inicial, conductividad inicial e infinita, constante cinética

y orden de reacción a la T=26ºC

Tiempo(seg) CA(mol/L) 1/CA (L/mol)Orden de

reacción( )Constante Cinética(k)

0 0,0500 20,0000

2 0,0512

30 0,0394 25,3672

60 0,0359 27,8651

90 0,0333 30,0023

120 0,0316 31,6441

150 0,0299 33,3919

180 0,0287 34,8807

210 0,0275 36,3090

240 0,0266 37,6451

270 0,0257 38,9686

300 0,0250 40,0241

330 0,0242 41,2659

360 0,0237 42,1820

390 0,0232 43,1398

420 0,0227 43,9960


4.2 DISCUSIÓN DE RESULTADOS

La figura A.1 muestra que la conductividad disminuye con el tiempo, eso debido a que

la concentración de los iones en la solución disminuyen. La constante K disminuye, ya que no

hay relación directa entre los moles consumidos y la conductividad que estos poseen. Los

resultados de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo se muestran en la tabla 4.1.1; donde

se observa que a medida que disminuye la concentración de NaOH aumenta la concentración

de acetato de sodio, la razón por la que las conversiones de consumo y generación respectivas

son iguales es que la reacción es 1:1; obviamente habrá un punto en el que las concentraciones

de estas especies se igualan, y es aproximadamente 0,025mol/L alrededor de los 150 s, como

lo muestra la figura A.5. En teoría, las figuras A.7 y A.9 deberían ser rectas, la razón de que

no sea así, aparte de posibles errores experimentales o humanos, es el hecho de que la

temperatura no se mantuvo constante a lo largo de la experiencia, vario en casi un grado, lo

que conlleva a desviaciones debido a que la constante cinética depende del tipo de reacción y

de la temperatura, y los cambios en la K durante la experiencia implica variación en la

velocidad de consumo del reactivo limite; por ende variación en las pendientes de las

funciones antes mencionadas. La máxima conversión, como se muestra en la tabla 4.1.1 fue de

96,80%, lo cual tiene sentido ya que el tiempo de contacto entre los reactantes es muy grande,

contrario a el de el Reactor Tanque Agitado Continuo. Debido a que el valor de la constante

cinética y el orden de reacción se determinaron gráficamente y las funciones no son lineales,

se procedió a tomar una recta promedio y se obtuvo que para el método integral y diferencial

las constantes fueron 0,21 L/mol.s y 0,17 L/mol.s respectivamente; el orden de reacción de 2,

como se muestra en la tabla 4.1.2.


4.3 CONCLUSIONES

La concentración de NaOH y CH3COONa en el infinito fueron de 0,0016 mol/L y 0,0484

mol/L respectivamente.

Se alcanzó una conversión máxima de 74%, tanto para el Hidróxido de Sodio como para

el Acetato de Sodio.

Se determinó que el orden de reacción de la hidrolisis de acetato de etilo, aplicando el

Método Integral es de 2° orden.

Se determinó mediante comparación que a mayor temperatura mayor será el valor de la

Constante Cinética de reacción química, K (297 k)= 0,1766 y K (302 k)=0,3267 .


4.4 RECOMENDACIONES

Realizar todos los cálculos necesarios previos a la experiencia en el laboratorio.

Preparar con mucha precisión las soluciones a usar, con el fin de minimizar los errores.

Asegurarse de que el reactor no contenga agua en su interior.

Mantener limpia y seca la zona de trabajo con los reactivos, para así evitar accidentes.

Estar muy atento al cronometro y de la medida de la conductividad, a fin de que las

lecturas sean confiables.

BIBLIOGRAFIA

1.- Henry Mendiburu Díaz. http://www.galeon.com/hamd/pdf/reactorquimico.pdf

2.- LEVENSPIEL, Octave. “Ingeniería de las Reacciones Químicas”. Editorial Reverte, S.A.

España 1981.

3.- I. López (2009). INTRODUCCIÓN AL DISEÑO DE REACTORES.

4.- http://www.fing.edu.uy/iq/maestrias/DisenioReactores/materiales/notas1.pdf.

http://www.galeon.com/hamd/pdf/reactorquimico.pdf

ANEXOS

FIGURAS

Figura A.1 Conductividad de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo en función del tiempo, para la temperatura de 23ºC.

Figura A.2 Concentración del NaOH y del CH3COONa de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo en función del tiempo, para una temperatura de 23ºC.

ANEXOS

Figura A.3 Conversión del NaOH y del CH3COONa de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo en función del tiempo, para una temperatura de 23ºC.

Figura A. 4. (1/CA) Vs tiempo para la determinación de la constante cinética y orden de reacción por el método integral, para una temperatura de 23ºC.

ANEXOS

Figura A.5 Conductividad de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo en función del tiempo, para la temperatura de 26ºC.

Figura A.6 Concentración del NaOH y del CH3COONa de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo en función del tiempo, para una temperatura de 26ºC.

ANEXOS

Figura A.7. Conversión del NaOH y del CH3COONa de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo en función del tiempo, para una temperatura de 26ºC.

Figura A.8. (1/CA) vs tiempo para la determinación de la constante cinética y orden de reacción por el método integral, para una temperatura de 26ºC.

ANEXOS

CUESTIONARIO

¿Cuál es el balance de masa por un reactor por carga?

En el diseño de un reactor químico se necesitan también ecuaciones que representen los

balances de materia y energía. El balance de materia describe las velocidades de la

transformación química de varios componentes en lo que respecta a una expresión de la

velocidad específica, de la velocidad de flujo de alimentación y el volumen del reactor. En

consecuencia, la composición de la mezcla de reacción se calcula partiendo del balance de

materia.

El punto de partida para el diseño es un balance de materia referido a cualquier reactante

(o producto).

Figura A.9- Balance de materia para un elemento de volumen del reactor.

ANEXOS

Caudal de Caudal de Caudal que Caudal

Entrada - salida - interviene en = acumulado

de reactante de reactante la reacción en el reactor

Donde representa el número de moles de la especie en el sistema a tiempo t. Si todas las

variables del sistema son espacialmente uniforme en todo el volumen del sistema la velocidad

de desaparición de la especie , , es el producto del volumen de reacción, , y la velocidad

de desaparición de la especie , .

¿Cuál es la ecuación de diseño del RTAD?

En reactores por carga mientras más tiempo un reactivo permanece en el reactor, mayor es la

conversión de los reactivos a productos hasta alcanzar el equilibrio o el reactivo desaparezca.

ANEXOS

En sistemas por carga la conversión es una función del tiempo que el reactante permanece

en el reactor. Si es el número de moles de inicialmente, entonces el número total de

moles de que ha reaccionado después de un tiempo es :

Ahora, el numero de moles de que permanece en el reactor después de un tiempo , ,

puede ser expresado en termino de y .

El numero de moles de en el reactor después que una conversión es alcanzada es:

(A)

ANEXOS

Cuando no hay variación espacial en temperatura y composición, el balance molar de la

especie para un sistema por carga se reduce a la siguiente ecuación:

(B)

Esta ecuación es válida donde el volumen del reactor es o no constante. La ecuación (B) puede

transformase por diferenciación de la ecuación (A)

Combinándola con la ecuación (B) nos queda, la ecuación de diseño en forma diferencial para

un reactor por carga.

(C)

Para un reactor por carga a volumen constante, la ecuación (B) puede ser arreglada en la

forma.

¿Cuál es la estequiometria de la reacción?

La reacción estudiada es la siguiente:

ANEXOS

NaOH + CH3COO2H5 CH3COONa + C2H5OH

Y como se puede apreciar la estequiometria es de 1:1

Describa el método diferencial y el método integral

Método Diferencial de análisis de Velocidad:

Cuando una reacción es irreversible, es posible en muchos casos determinar el orden de

la reacción y la constante cinética de velocidad numéricamente diferenciando

concentración contra los datos de tiempo. Este método es aplicable cuando las condiciones de

la reacción son tales que la velocidad es esencialmente una función de la concentración de

sólo un reactante, es decir de la forma:

A Productos

Con la ley de la velocidad:

(D)

Donde:

(-RA) : Velocidad de Desaparición de Reactivo (mol/L.s)

K: constante cinética de la reacción ((L/mol) α)

ANEXOS

α : orden de reacción (adimensional)

CA= concentración de Reactivo (mol/l)

Aplicando logaritmo natural en ambos miembros de la ecuación (D), se obtiene:

(E)

La ecuación (E), es análoga a la ecuación de una recta, donde la pendiente de una gráfica de

en función de , es el orden de reacción y el intercepto es el Ln K.

Figura A.10.- Método diferencial para determinar el orden de la reacción

Para la construcción de la gráfica Ln (-dCA / dt) vs Ln CA, se procede de la siguiente forma:

1. Se tabulan

2. Para cada intervalo, se calcula y .

3. Se calcula como una estimación de la pendiente promedio en intervalo de

a .

ANEXOS

4. Se grafica los valores de (∆CA / (∆t)n vs el tiempo promedio del intervalo tomado (t i =

t1+ t2).

5. Luego trace la curva que mejor aproxima el área bajo el histograma.

6. Lea las estimaciones de de esa curva de los datos señalados para

7. .

Figura A.11 Grafica del método diferencial para determinar el orden de la reacción.

Método Integral:

El método integral se usa a menudo cuando el orden de la reacción es conocido y se

desean evaluar las constantes cinéticas de velocidad de reacción a diferentes temperaturas

para determinar la energía de activación.

En este método de análisis de datos de la velocidad, se busca la función apropiada de

concentración que corresponde a una ley de la velocidad particular que es lineal con el tiempo;

para determinar el orden de la reacción aplicando este método, se supone dicho orden y se

ANEXOS

integra la ecuación diferencial usada para el sistema por carga. Si el orden supuesto es

correcto, la grafica determinada de esta integración de los datos de la concentración-tiempo

debe ser lineal y se concluye que la reacción es de orden cero, uno, dos o tres. Una limitación

de este método es que no permite obtener valores decimales del orden de la reacción solo

aproximaciones a enteros.

Para una reacción efectuada en cualquier reactor, la ecuación principal de velocidad y el

balance de moles combinados, vienen expresados por:

(F)

-. Asumiendo reacción de orden cero

De la ecuación (F) nos queda:

(G)

Integrando con CA = CA0 a t = 0, tenemos

(H)

CA = CA0 – Kt (I)

La ecuación (I), es también la ecuación de una línea recta, una grafica de la concentración de

A como una función de tiempo que será lineal con pendiente (-K) para una reacción de este

orden.

ANEXOS

Figura A.12. Reacción de orden cero.

Asumiendo que la reacción es primer orden:

La integración de la ecuación combinada de balance molar y la ley de la velocidad resultan:

(J)

Con los límites CA = CA0 a t = 0, tenemos:

(K)

Por consiguiente, vemos que la pendiente de la gráfica de Ln(CA) como una función de tiempo,

es lineal con pendiente (–K)

ANEXOS

Figure A.13. Reacción de primer orden.

- Si la reacción es de segundo orden

(L)

Integrando con CA = CA0 inicialmente,

(M)

Vemos que una grafica de (1/CA) como una función de tiempo debe ser lineal con pendiente

(K).

Figura. A.14. Reacción de segundo orden

ANEXOS

- Si la reacción es de tercer orden

(2.17)

Al resolver la integral, con CA = CA0

(2.18)

Y al graficar 1/2CA2 en función del tiempo, se obtiene una línea recta como en los casos

anteriores, y una pendiente positiva K.

Si se presenta el caso donde al graficar la concentración apropiada en función del tiempo no se

obtenga una línea recta, se concluye que el orden supuesto no es el correcto y se evalúa uno

diferente más elevado hasta obtener el comportamiento más cercano a una relación lineal.

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RTAD 2013 Armandos Carias