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universidad michoacana de san nicolas de hidalgo
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA
Laboratorio de Ingeniería de Reactores
Practica N° 3: Reactores CSTR
Laboratorista: Ma. Teresa Reyes Reyes
Arturo Romo RamosMatricula: 0618097C
Modulo: 4°Sección: 0129/04/2013
29 de abril de 2013
Laboratorio de Ingeniería de Reactores
Reactores CSTRObjetivo
Demostración práctica del comportamiento de reactores CSTR y comparación con la teoría.
Introducción
El reactor de tanque agitado continuo (CSTR) consta de un tanque con una agitación casi perfecta, en el que hay un flujo continuo de mate reaccionante y desde el cual sale continuamente el material que ha reaccionado (material producido). La condición de agitación no es tan difícil de alcanzar siempre y cuando la fase líquida no sea demasiada viscosa.
El propósito de lograr una buena agitación es lograr que en el interior del tanque se produzca una buena mezcla de los materiales, con el fin de asegurar que todo el volumen del recipiente se utilice para llevar cabo la reacción, y que no existan o queden espacios muertos.
Se puede considerar que la mezcla es buena o casi perfecta, si el tiempo de circulación de un elemento reactante dentro del tanque es alrededor de una centésima del tiempo promedio que le toma al mismo elemento para entrar y salir del reactor. En el reactor continuamente agitado, ocurre la reacción exotérmica A B. Para remover el calor de la reacción, el reactor es rodeado por una cámara (camisa de refrigeración) a través del cual fluye un líquido refrigerante. Para efectos de estudio, se han hecho las siguientes suposiciones:
Las pérdidas de calor circundantes son despreciablesLas propiedades termodinámicas, densidades, y las capacidades caloríficasMezcla (agitación) perfecta en el reactor, por tanto la concentración, presióny temperatura son iguales en cualquier punto del tanqueTemperaturas Uniformes en ambas cámaras (camisa de enfriamiento y/o calentamiento)Volúmenes Constantes V, Vc
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En reactores de tanque agitado con corrientes continuas a régimen permanente en los flujos de alimentación y de productos, la alimentación adopta inmediatamente una composición final uniforme a lo largo del reactor, debido a la perfección del mezclado. De este modo, la corriente de salida tendrá la misma composición que la que existe en el interior del reactor.
Cuando varios reactores se conectan en serie, la concentración de la mezcla reaccionante en cada reactor es uniforme, pero cambia de un reactor a otro. Es decir, los reactores son conectados en serie de tal modo que la salida de corriente de un reactor es la corriente de alimentación para otro reactor. A medida que se incrementa el número de reactores tanque agitado, el comportamiento del sistema de reactores de mezcla perfecta se aproxima al del reactor de flujo en pistón.
Debe mantenerse una agitación adecuada en cada reactor para lograr una uniformidad de concentración. De manera, si, se considera el sistema como un todo, existe un gradiente de concentración escalonado.
En el caso, de un reactor de múltiples etapas en sentido horizontal, este está dividido por tabiques verticales de diferentes alturas, por encima de los cuales rebosa la mezcla reaccionante. Cuando los reactantes son parcialmente miscibles y sus densidades lo suficientemente distintas, se trabaja con un reactor vertical, el cual conduce la operación en contracorriente, efecto de suma importancia en las reacciones reversibles.
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
La siguiente imagen muestra el posible arreglo que pueden tomar los reactores cstr en serie:
Uno de los principales defectos del reactor tipo tanque agitado es precisamente el tiempo grande de residencia. Efecto que se analiza en el siguiente caso:
Reacción de primer orden irreversible.
Cuya ecuación cinética en términos de la concentración y conversión respectivamente, está dada por:
Donde el tiempo de residencia está dado por:
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Reemplazando resulta:
(1)
Dónde:
: Conversión del producto
K : Constante cinética
Si la reacción se conduce en un reactor discontinuo en las mismas condiciones se tendrá la siguiente ecuación.
Integrando está ecuación
Resulta:
(2)
t es el tiempo requerido para alcanzar la misma conversión que en un reactor continuo.
Relacionando las ecuaciones (1) y (2) el tiempo de residencia en el tanque agitado es siempre superior al tiempo de residencia de un reactor discontinuo.
En la figura 4.1.1.A se muestra la gráfica de la razón :
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De manera que en la curva n =1 se ve que esta razón se eleva muy rápidamente cuando la reacción se aproxima a su finalización. Las otras curvas en la figura 4.1.1.A son para reacciones irreversibles de orden n.
Otra forma de demostrar que el tiempo de residencia necesario en el tanque agitado es siempre superior al tiempo de residencia en un reactor discontinuo a la misma temperatura es comparar las dos fórmulas
(4.1.1-1 )
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(4.1.1-2)
Dónde:
: Conversión del producto
: Conversión de la alimentación
Si, se grafica frente a la conversión , a T constante, se obtendrá una curva como la mostrada en la figura 4.1.1.B. Esto debido a que
es siempre negativa, de modo que si r disminuye aumenta.
Para , ; donde es la conversión en el equilibrio,
por tanto la curva tiene una asíntota vertical en este punto.
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La ecuación 4.1.1-1 muestra que el tiempo de reacción para el reactor
discontinuo es el área bajo la curva comprendida entre las dos
ordenadas y la parte positiva del eje de las abscisas (ABGCD) . El tiempo de residencia en el tanque agitado t es el área del rectángulo AECD de
base y de altura .
Es claro que t siempre es mayor que ya que la relación no tiene límite
cuando . Sin embargo, se puede evitar este inconveniente,
obteniendo la conversión deseada en varias etapas en el mismo.
Por ejemplo, se desea alcanzar la conversión xA,f para un sistema de dos etapas. Como se puede observar en el gráfico anterior, el tiempo de residencia para una sola etapa es el área del rectángulo AECD para lograr la misma conversión. Suponiendo que en el primer reactor la conversión aumenta
de hasta y en el segundo reactor de , de manera que el tiempo de residencia del primer reactor es el área AFGH y del segundo reactor HJCD. A partir del gráfico anterior se puede observar que el tiempo total de residencia en los tanques es inferior al de un solo tanque y que la diferencia de áreas es igual a FEJG. La razón de este hecho es que el primer tanque trabaja en condiciones para las que la velocidad de reacción es máxima. Por tanto, si se utiliza un número n de tanques agitados se tendría el mismo número n de rectángulos con sus vértices superiores derechos sobre la curva. Entonces, cuanto mayor sea el número de etapas, menor será el tiempo total de residencia.
Material y Reactivos
1 espectrofotómetro UV-Visible4 celdas para espectrofotómetro4 matraces aforados de 100 ml2 bombas1 matraz kitasato de 500 ml3 agitadores magnéticos3 parrillas con agitación1 termómetro
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3 cronómetros3 vasos de precipitados de 600 ml2 matraces kitasato de 250 ml1 probeta de 250 ml1 probeta de 10 mlMangueras de conexiónSolución de Violeta Cristal 2 x 10-5 MSolución de NaOH 0.0200 M
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Procedimiento
a) Para el “CSTR”: montar el aparato que se muestra en la figura del manual utilizando un kitasato de 500 ml. Medir los gastos de la bomba para cada corriente utilizando agua destilada. Los gastos deben de ser de 5 ml/min (aprox.) tanto para violeta cristal como para sosa.Las mangueras de las bombas deben llegar al fondo del kitasato el cual debe estar perfectamente agitado, y la manguera de salida debe de drenar a un recipiente. Se pone en marcha el sistema tomando el tiempo. Cuando empiece a drenar la manguera de salida marcar el nivel al cual llega el líquido dentro del matraz. Con esta medida se determinara el volumen real del reactor. Se toman muestras de la corriente de salida del rector cada 3 minutos. Hacer lecturas de transmitancia en el espectrofotómetro a 590 nm. Tomar lecturas hasta que se estabilice. Tomar la temperatura de la reacción.
b) Reactores “CSTR” en serie (VR2 + VR2’): para el “CSTR” en serie se monta el aparato de la figura del manual con las recomendaciones del aparato anterior. Se tomaran muestras cada 3 minutos a la salida de cada reactor hasta que se estabilicen. Determinar el volumen de cada reactor y la temperatura de reacción.
Cálculos y Resultados
Reportar los datos experimentales y elaborar una curva de calibración del violeta cristal.
Curva de calibraciónConcentración abs
0.000035 2.6920.0000175 1.503
0.00000875 0.7940.000004375 0.37
2.1875E-06 0.1611.09375E-06 0.0795.46875E-07 0.0141.36719E-07 0.007
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0 0.00001 0.00002 0.00003 0.000040
0.5
1
1.5
2
2.5
3
f(x) = 79311.6619421342 xR² = 0.996904215483296
concentración vs abs
Valores YLinear (Valores Y)
Datos del Reactor 1
Vreal: 525 ml
min seg t (seg) abs concentración
ln conc 1/conc % ZA
2 34 154 1.046 1.31884E-05 -11.2361714
75824.0918
34.0578979
6 12 372 0.887 1.11837E-05 -11.401055 89416.009 44.0816018
9 21 561 0.616 7.76679E-06 -11.765653 128753.247
61.1660278
12 43 763 0.563 7.09855E-06 -11.8556204
140873.89 64.5072625
16 40 1000 0.52 6.55638E-06 -11.9350712
152523.077
67.2180754
23 5 1385 0.473 5.96379E-06 -12.0298046
167678.647
70.1810571
26 30 1590 0.398 5.01816E-06 -12.202448 199276.382
74.9092193
30 2 1802 0.311 3.92122E-06 -12.4491071
255022.508
80.3938874
33 9 1989 0.267 3.36645E-06 -12.6016513
297048.689
83.1677426
36 19 2179 0.237 2.9882E-06 -12.7208399
334649.789
85.0590075
40 21 2421 0.2 2.52169E-06 - 396560 87.391567
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12.8905826 543 53 2633 0.183 2.30734E-06 -
12.9794138433398.90
788.463284
248 17 2897 0.162 2.04257E-06 -
13.1013037489580.24
789.787169
751 27 3087 0.155 1.95431E-06 -
13.1454749511690.32
390.228464
854 38 3278 0.15 1.89126E-06 -
13.1782647528746.66
790.543675
6
0 500 1000150020002500300035000
20
40
60
80
100f(x) = 0.0159036273353574 x + 46.3930885159924R² = 0.865229273458933
% ZA
% ZALinear (% ZA)
tiempo
convers
ión Z
a
Como CB0>>CA0 podemos suponer que CB0=CB en cualquier tiempo por lo que podemos obtener la representación con los datos obtenidos de una cinética de primer orden, aunque este es un pseudo-orden.
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
-13.5
-13
-12.5
-12
-11.5
-11
-10.5
-10
f(x) = − 0.000626012113374565 x − 11.2764439530002R² = 0.977104269482093
ln conc
ln concLinear (ln conc)
tiempo
Ln [
conc}
α = 1
κ = 0.0006
−(rA )=κCAα=0.0006∗C A
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Datos para el Reactor 2
Vreal: 270 ml
min seg t (seg) abs concentración
ln conc 1/conc % ZA
3 12 192 0.475 5.98901E-06 -12.0255852
166972.632
70.0549728
6 16 376 0.421 5.30815E-06 -12.1462672
188389.549
73.4592495
9 57 597 0.365 4.60208E-06 -12.2890026
217293.151
76.9896107
12 35 755 0.316 3.98426E-06 -12.4331578
250987.342
80.0786766
14 52 892 0.289 3.64384E-06 -12.5224733
274435.986
81.780815
22 31 1351 0.265 3.34123E-06 -12.6091702
299290.566
83.2938269
25 45 1545 0.257 3.24037E-06 -12.6398239
308607.004
83.7981642
28 49 1729 0.244 3.07646E-06 -12.6917318
325049.18 84.6177123
31 15 1875 0.241 3.03863E-06 -12.7041031
329095.436
84.8068388
33 40 2020 0.227 2.86211E-06 -12.76395 349392.07 85.6894291
36 50 2210 0.203 2.55951E-06 -12.875694 390699.507
87.202441
40 0 2400 0.183 2.30734E-06 -12.9794138
433398.907
88.4632842
43 10 2590 0.181 2.28213E-06 -12.990403 438187.845
88.5893686
46 58 2818 0.179 2.25691E-06 -13.0015142
443083.799
88.7154529
51 30 3090 0.163 2.05517E-06 -13.0951498
486576.687
89.7241275
54 1 3241 0.16 2.01735E-06 -13.1137262
495700 89.913254
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
0 500 1000150020002500300035000
20
40
60
80
100
f(x) = 0.00569333850107356 x + 73.7237450674549R² = 0.886115127713736
% ZA
% ZALinear (% ZA)
tiempo
convers
ión Z
a
Como CB0>>CA0 podemos suponer que CB0=CB en cualquier tiempo por lo que podemos obtener la representación con los datos obtenidos de una cinética de primer orden, aunque este es un pseudo-orden.
-13.2-13
-12.8-12.6-12.4-12.2
-12-11.8-11.6-11.4
f(x) = − 0.000334768664788662 x − 12.1009021632931R² = 0.958845072940663
ln conc
ln concLinear (ln conc)
tiempo
Ln [
conc]
α = 1
κ = 0.0003
−(rA )=κCAα=0.0003∗C A
Datos para el Reactor 3
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
Vreal: 270 ml
min seg t (seg) abs concentración
ln conc 1/conc % ZA
5 20 320 0.278 3.50514E-06 -12.5612789
285294.964
82.4742788
8 45 525 0.253 3.18993E-06 -12.6555105
313486.166
84.0503329
12 20 740 0.238 3.00081E-06 -12.7166293
333243.697
84.9959653
15 20 920 0.228 2.87472E-06 -12.7595544
347859.649
85.6263869
19 10 1150 0.22 2.77386E-06 -12.7952725
360509.091
86.1307242
22 20 1340 0.219 2.76125E-06 -12.7998283
362155.251
86.1937664
25 30 1530 0.216 2.72342E-06 -12.8136216
367185.185
86.3828929
28 30 1710 0.212 2.67299E-06 -12.8323137
374113.208
86.6350615
31 45 1905 0.204 2.57212E-06 -12.87078 388784.314
87.1393988
35 5 2105 0.203 2.55951E-06 -12.875694 390699.507
87.202441
38 45 2325 0.201 2.53429E-06 -12.8855951
394587.065
87.3285253
43 20 2600 0.2 2.52169E-06 -12.8905826
396560 87.3915675
46 20 2780 0.193 2.43343E-06 -12.9262098
410943.005
87.8328626
49 5 2945 0.185 2.33256E-06 -12.9685442
428713.514
88.3371999
52 25 3145 0.176 2.21908E-06 -13.018416 450636.364
88.9045794
55 30 3330 0.17 2.14343E-06 -13.0531016
466541.176
89.2828324
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 350078
80
82
84
86
88
90
f(x) = 0.00174067747187689 x + 83.4240699041871R² = 0.905800360339958
% ZA
% ZALinear (% ZA)
tiempo
convers
ión Z
a
Como CB0>>CA0 podemos suponer que CB0=CB en cualquier tiempo por lo que podemos obtener la representación con los datos obtenidos de una cinética de primer orden, aunque este es un pseudo-orden.
-13.1
-13
-12.9
-12.8
-12.7
-12.6
-12.5
-12.4
-12.3
f(x) = − 0.000128627877230634 x − 12.6028207297802R² = 0.932160954639262
ln conc
ln concLinear (ln conc)
tiempo
Ln [
conc]
α = 1
κ = 0.0001
−(rA )=κCAα=0.0001∗CA
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
A partir de la ecuación θ=V R
Q=CAE−CASrAS
en función de la conversión de violeta
cristal, determinar la conversión a la salida de cada uno de los reactores, para cada uno de los sistemas considerados, cuando ya se haya estabilizado el reactor:
Método analítico:Para el reactor 1:C AS=C A0(1−Z AS)
CBS=CB 0−Z ASCA 0
V RQ
=CA 0−C A0(1−Z AS)
K2CA 0 (1−Z AS )(CB 0−Z ASCA 0)=
C A0−C A0+Z ASC A0
K2C A0 (1−Z AS )(CB0−Z ASCA 0)
V RQ
=Z AS
K2 (1−ZAS ) (CB0−Z ASC A0)
V RK 2 (1−Z AS ) (CB0−Z ASC A0 )=Z ASQ
V RK 2CB0−(V RK2 ) (C A0+CB0+Q )Z AS+C A0V RK2Z AS2 =0
C A0=0.00002M
CB0=0.02M
V R=0.525 L
K2=0.0006
Q=0.001L/min
0.525 (0.0006 ) (0.02 )−0.525 (0.0006 ) (0.00002+0.02+0.001 ) ZAS+0.00002 (0.525 ) (0.0006 )Z AS2 =0
0.0000063-6.6213*10-06ZAS+6.3*10-09ZAS2 =0
Resolviendo la ecuación anterior:
X1=0.95233 Bien
X2=1050.04 X
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
Suponiendo un pseudo orden:
CB0≫C A0
Debido a que: r AC A=k CA 0(1−Z AS)
:. CB>CB0
θ=V R
Q=CA 0−C AS
rA=V R
QT=C A0−CA 0(1−Z AS)KC A0 (1−Z AS )
=CA 0−C A0+ZASC A0
KC A0 (1−Z AS )
V RQT
=Z AS
K (1−Z AS )❑⇒
V RK (1−Z AS )=Z ASQT
ZAS=V RK
V RK+QT=
(0.525 )(0.0006)[ (0.525 ) (0.0006 )+0.001]
=0.239543
Para el reactor 2:
V R=0.27 L
C A0=0.00002M
CB0=0.02M
K2=0.0003
Q=0.001L/min
θ=V R
Q=CAE−CASrAS
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
θ=V R
QT=
CA 0−CA 0(1−Z AS)
K2[C ¿¿ A0 (1−Z AS )(CB0−Z ASC A 0)]=C A0−CA 0+Z ASCA 0
K2[C¿¿ A 0 (1−Z AS ) (CB0−Z ASC A0)]¿¿
θ=V R
Q=
Z ASK2 (1−Z AS )(CB 0−Z ASC A0)
V RK 2CB0−(V RK2 ) (C A0+CB0+Q )Z AS+C A0V RK2Z AS2 =0
0.27 (0.0003 ) (0.02 )−0.27 (0.0003 ) (0.00002+0.02+0.001 )ZAS+0.00002 (0.27 ) (0.0003 )Z AS2 =0
0.00000162-1.70262E-06ZAS+1.62E-09ZAS2 =0
Resolviendo la ecuación:
ZAS1=¿1050.04 X¿
ZAS2=¿ 0.9523377 ¿
Para el reactor 3:
V R=0.27 L
C A0=0.00002M
CB0=0.02M
K2=0.0001
Q=0.001L/min
θ=V R
Q=
Z ASK2 (1−Z AS )(CB 0−Z ASC A0)
V RK 2CB0−(V RK2 ) (C A0+CB0+Q )Z AS+C A0V RK2Z AS2 =0
0.27 (0.0001 ) (0.02 )−0.27 (0.0001 ) (0.00002+0.02+0.001 )Z AS+0.00002 (0.27 ) (0.0001 )Z AS2 =0
5.4*10-7-5.6754*10-7ZAS+5.4*10-10ZAS2 =0
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
Resolviendo la ecuación:ZAS1=¿1051 ¿
ZAS2=¿ 0.9601¿
Calcular la conversión para dos reactores en paralelo tipo CSTR con
condiciones iguales a las utilizadas en la práctica (V R2 ,V R2' ,C A0 yQ ¿.
V R2=V R2' =0.27 L
C A0=0.00002M
K=0.0003
Q=0.001L/min
C A0QZ ASV
=kCA 02 (1−Z AS)
2
QZ ASV
=k CA 0(1−Z AS)2=kC A0(Z AS
2 −2 ZAS+1)
k C A0Z AS2 −(2k CA 0+QV )Z AS+k CA 0=0
(0.0003 ) (0.00002 )Z AS2 −(2 (0.0003 ) (0.00002 )+ 0.001
0.27 )Z AS+(0.0003 ) (0.00002 )=0
6∗10−9ZAS2 −3.7037∗10−3Z AS+6∗10
−9=0
Resolviendo la ecuación nos queda:
ZAS=¿ 1.62∗10−6¿
Hacer un estudio comparativo de los valores de conversión tanto calculado analíticamente como los obtenidos a partir de los datos experimentales, para:a) Un reactor CSTR de volumen VR2 VR2=0.27L
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
C A0QZ ASV
=kCA 02 (1−Z AS)
2
QZ ASV
=k CA 0(1−Z AS)2=kC A0(Z AS
2 −2 ZAS+1)
k C A0Z AS2 −(2k CA 0+QV )Z AS+k CA 0=0
Sustituyendo:
(0.0003 ) (0.00002 )Z AS2 −(2 (0.0003 ) (0.00002 )+ 0.001
0.27 )Z AS+(0.0003 ) (0.00002 )=0
6∗10−9ZAS2 −3.7037∗10−3Z AS+6∗10
−9=0
Resolviendo la ecuación nos queda:
ZAS=¿ 1.62∗10−6¿
b) Un reactor CSTR de volumen VR1 VR1= 0.525L K2=0.0006
Q=0.001L/min
C A0QZ ASV
=kCA 02 (1−Z AS)
2
QZ ASV
=k CA 0(1−Z AS)2=kC A0(Z AS
2 −2 ZAS+1)
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
k C A0Z AS2 −(2k CA 0+QV )Z AS+k CA 0=0
Sustituyendo:
(0.0006 ) (0.00002 ) ZAS2 −(2 (0.0006 ) (0.00002 )+ 0.001
0.525 )Z AS+ (0.0006 ) (0.00002 )=0
1.2∗10−8Z AS2 −1.9047∗10−3Z AS+1.2∗10
−8=0
Resolviendo la ecuación:ZAS=¿ 6.3∗10−6¿
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
c) Dos reactores CSTR en serie VR2+VR2’
0.003832Z AS22 −0.3107Z AS2
❑ +0.007822=0
Resolviendo la ecuación:ZAS=¿ 0.0261¿
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Laboratorio de Ingeniería de Reactores
Conclusión
Los resultados mostrados en la realización de esta práctica muestran la ventaja de trabajar con reactores CSTR en serie ya que se puede lograr una mayor conversión de los reactivos. Aunque estos datos presentan desviaciones de lo ideal esto se puede deber a las variaciones del flujo cuando pasaba de un reactor a otro ya que estos solo se conectaban con una manguera y se llevaba a cabo por acción de la gravedad.
Bibliografía
http://www.umss.edu.bo/epubs/etexts/downloads/35/IMAGENES/texto_estudiante/tema%204/index.htm
http://www.unac.edu.pe/documentos/organizacion/vri/cdcitra/Informes_Finales_Investigacion/Enero_2011/BENITES_SARAVIA_FIEE/INFORME.PDF
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