LABORATORIO DE INGENIERA DE LAS REACCIONES QUMICAS

PRCTICA 3

SAPONIFICACIN DE ACETATO DE ETILO CON HIDRXIDO DE SODIO EN REACTOR TUBULARELIANA LLANO CARDONA, MANUELA SANTAMARA JARAMILLO

RESUMENEn este artculo se estudia la reaccin de saponificacin de acetato de etilo con hidrxido de sodio en un reactor tubular tipo PFR, se busca determinar el efecto del tiempo espacial en la conversin, adems se analiz la influencia de las velocidades de flujo sobre la conversin del reactor. Se encontr que el reactor no presenta un comportamiento ideal debido a que el flujo presentado en el reactor es laminar, lo que no permite un mezclado perfecto y el cambio en la concentracin no se presenta slo en la direccin del fluido, sino tambin en direccin radial. De otro lado se determin tanto terica como experimentalmente que la reaccin estudiada es exotrmica.

PALABRAS CLAVES: reactor tubular, tiempo espacial, reaccin exotrmica. UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA FACULTAD DE INGENIERADEPARTAMENTO DE INGENIERA QUMICA

OBJETIVOS Determinar el rgimen de flujo en el reactor tubular utilizado. Calcular la conversin de la reaccin de produccin de acetato de sodio. Establecer el efecto del tiempo espacial en la conversin lograda en el reactor tubular. Determinar la idealidad del reactor tubular utilizado. Determinar el calor de reaccin y analizar si en la reaccin estudiada se desprende o se absorbe calor. Obtener la distribucin de tiempos de residencia de un reactor de flujo pistn y un reactor de flujo laminar.

INTRODUCCIN

Un reactor PFR es bsicamente un tubo donde se realiza una reaccin con cambios axiales en la concentracin, la presin y la temperatura. La ecuacin de diseo de un reactor tubular es:

Siendo V, el volumen del reactor, FAo, el flujo molar del reactivo lmite, , el tiempo espacial, CAo, la concentracin del reaccionante A en la corriente de entrada, XA, la conversin de A y rA, la velocidad de reaccin de A. Los reactores PFR, a menudo, se construyen de muchos tubos de pequeos dimetros y de grandes longitudes y se emplean con fluidos a grandes velocidades y pequeos tiempos espaciales. Esto minimiza el mezclado axial del fluido, limita los perfiles radiales de temperatura y provee el rea de transferencia de calor necesaria. Los tubos se arreglan en un banco como en los intercambiadores de calor. Si no se desea intercambio calrico en la zona de reaccin, puede utilizarse uno o una serie de lechos empacados de dimetros ms grandes. [1]El reactor tubular es relativamente fcil de mantener, no tiene partes mviles, y por lo regular tiene la conversin ms alta por volumen de reactor de todos los reactores de flujo. La desventaja del reactor tubular es que es difcil controlar la temperatura dentro del reactor, y pueden presentarse puntos calientes cuando la reaccin es exotrmica. [2]En esta prctica se estudia la reaccin de saponificacin de acetato de etilo con hidrxido de sodio en un reactor tubular tipo PFR, se busca determinar el efecto del tiempo espacial en la conversin, adems se analizar la influencia de las velocidades de flujo sobre la conversin del reactor. Se obtuvo que el reactor no presenta un comportamiento ideal debido a que el flujo presentado en el reactor es laminar, lo que no permite un mezclado perfecto y el cambio en la concentracin no se presenta slo en la direccin del fluido, sino tambin en direccin radial. Tambin se determin tanto terica como experimentalmente que la reaccin estudiada es exotrmica debido a que el H de reaccin o calor de reaccin es negativo esto indica que la entalpa de los productos es mayor que la entalpa de los reactivos y por lo tanto durante la reaccin se libera calor.

ANLISIS DE LOS RESULTADOS DEL PREINFORME Y DE LOS CLCULOS SOLICITADOS EN LA GUA

Nmero de Reynolds.

Donde, V = VelocidadD = Dimetro del reactor = Viscosidad cinemtica

Donde, Q = CaudalA = rea de seccin transversal Nota: Para el caudal de entrada se suman los flujos de los reactivos a la entrada y el valor resultante se promedia con el caudal total de salida para obtener un caudal promedio a lo largo del reactor.Se va a suponer que las viscosidades de los reactivos es la misma del agua, ya que se encuentran muy diluidos, por lo tanto se toman las viscosidades del agua a una temperatura promedio entre las temperaturas de entrada y de salida, para obtener un valor promedio a lo largo de reactor.

TABLA 1. Resultados para el clculo del nmero de Reynolds para un caudal de entrada de 30ml/minCLCULO NUEMRO DE REYNOLDS PARA CAUDALES DE 30ml/min

Dimetro reactor(m)0.002

rea(m2)3.1416E-06

Caudal prom(m3/s)9.91667E-07

Velocidad (m/s)0.315656566

Viscosidad a 25.1C (m2/s) [3]8.91E-07

Viscosidad a 27.7C (m2/s) [3]8.43E-07

Viscosidad promedio8.6697E-07

Re728.18

TABLA 2. Resultados para el clculo del nmero de Reynolds para un caudal de entrada de 20ml/minCLCULO NUEMRO DE REYNOLDS PARA CAUDALES DE 20ml/min

Dimetro reactor(m)0.002

rea(m2)3.1416E-06

Caudal prom(m3/s)0.00000065

Velocidad (m/s)0.206900942

Viscosidad a 25.9C (m2/s)[3]8.76E-07

Viscosidad a 28.8C (m2/s) [3]8.22E-07

Viscosidad promedio8.4915E-07

Re487.31

Como se puede ver en las tablas 1 y 2, para ambos experimentos se obtuvo que el flujo es laminar, debido a que Reynolds menores a 2000 son flujos laminares. Esto indica que en el perfil de velocidad dentro del reactor es parablico:

FIGURA 1. Perfil de velocidad dentro del reactor de flujo laminar. De modo que el fluido que est en el centro del tubo es el que menos tiempo pasa en el reactor. [2] Tiempo espacial.

Donde,V = Volumen del reactor.0 = Velocidad de flujo volumtrico que entra en el reactor.

Donde,A = rea de seccin transversal L = Longitud del reactor

TABLA 3. Resultados para el clculo del tiempo espacial para un caudal de entrada de 30ml/minCLCULO TIEMPO ESPACIAL PARA CAUDALES DE 30ml/min

Vo (m3/s)1E-06

Longitud el reactor (m)2.55

Volumen reactor (m3)8.011E-06

(s)8.011

TABLA 4. Resultados para el clculo del tiempo espacial para un caudal de entrada de 20ml/minCLCULO TIEMPO ESPACIAL PARA CAUDALES DE 20ml/min

Vo (m3/s)6.67E-07

Longitud el reactor (m)2.55

Volumen reactor (m3)8.011E-06

(s)12.016

Teniendo en cuenta la definicin de tiempo espacial: EL espacio tiempo es el tiempo que el fluido tarda en entrar por completo en el reactor [2], se puede decir que los resultados obtenidos son confiables, debido a que al trabajar con un flujo de 20ml/min se obtiene un mayor tiempo espacial que con un flujo de 30 ml/min.

Conversin real

Es indiferente utilizar cualquiera de los dos reactivos ya que tienen una relacin de 1:1, adems sus concentraciones iniciales son equimolares, por tanto CA0 = 0.2 M

Para encontrar la concentracin final CA se utiliza la curva de calibracin que se encuentra en la parte final de la gua del laboratorio.

Donde,X = conductividad (mS/cm)Y = Concentracin de NaOH (M)Se encuentra que para ambos flujos la conversin oscila entre 0.82 y 0.84, los resultados ms detallados se muestran en las tablas de los anexos.De los resultados obtenidos (ver tablas de anexos) se puede observar que se presenta una mayor conversin cuando se trabaja con un flujo menor esto debido a que con un flujo menor aumenta el tiempo espacial o de residencia media dentro del reactor lo que se resume en un mayor tiempo de contacto entre los reactivos provocando una conversin ms alta de reactivos a productos.

Conversin ideal

Balance de moles en un PFR:

=Orden de la reaccin = 2

Se integra y se despeja la conversin:

TABLA 5. Resultados para el clculo de la conversin ideal para un caudal de entrada de 30ml/min.CONVERSIN IDEAL PARA CAUDALES DE 30ml/min

E (Kj/mol)46.573

A(m3/mol*s)47.180

K a 25.1C (L/mol*s)46301.686

K a 27.7 C(L/mol*s)46309.210

Kprom46305.448

Fao (mol/s)0.000200

volumen reactor (L)0.008

x0.9999865

TABLA 6. Resultados para el clculo de la conversin ideal para un caudal de entrada de 20ml/min.CONVERSIN IDEAL PARA CAUDALES DE 20ml/min

E (Kj/mol)46.5734

A(m3/mol*s)47.18

K a 25.9C (m^3/mol*s)46.30401502

K a 28.8 C(m^3/mol*s)46.31235449

Kprom46.30818476

Fao (mol/s)0.00020

volumen reactor (L)0.008

x0.987

Es el reactor del experimento ideal?

No es ideal, porque en un reactor de flujo ideal todos los tomos de material que salen del reactor han estado en su interior exactamente el mismo tiempo; adems en un reactor ideal el rgimen de flujo debe ser turbulento, ya que bajo esta condicin hay mezclado completo en la direccin radial; esto hace que la concentracin y las propiedades de las sustancias permanezcan constantes en dicha direccin. Y como se observa en los clculos el rgimen de flujo es laminar.

Cul es la ecuacin de la funcin de distribucin de tiempos de residencia (DTR) de un reactor de flujo pistn y de un reactor de flujo laminar?

Reactor de flujo pistn [2]En este caso todos los tomos que salen han pasado exactamente el mismo tiempo dentro del reactor, la funcin de distribucin en un caso as es un pico de altura infinita y anchura cero, cuya rea es igual a 1, el pico ocurre en t=V/v=, matemticamente este pico se representa con la funcin delta de Dirac.

Esta funcin presenta las siguientes propiedades:

FIGURA 2. Respuesta de flujo pistn a una entrada de trazada por pulso.

Reactor de flujo laminar. [2]

La funcin de la DTR completa para un reactor de flujo laminar es:

Luego la forma adimensional de la funcin DTR es:

FIGURA 3. Curva de la DTR para un reactor de flujo laminar. Calor de reaccin

TABLA 7. Resultados para el clculo del calor de reaccin.CALOR DE REACCIN

Tprom (C) 26.4

H etanol (Kcal /mol)[4]-56.12

H acetato de sodio (Kcal /mol) [4]-169.8

H productos (Kcal /mol) [4]-225.92

H acetato de etilo (Kcal /mol) [4]-105.86

H NaOH (Kcal /mol) [4]-101.99

H reactivos (Kcal /mol) [4]-207.85

H reaccin(Kcal /mol) [4]-18.07

H reaccin(J/mol) [4]-75655.47

Cp reactivos (J/mol*K) [4]258.5865

Cp productos (J/mol*K) [4]195.0076

Cp-63.57891

T1.4

H reaccin(J/mol)-75566.465

Como se puede observar en la tabla anterior el H de reaccin o calor de reaccin es negativo esto indica que la entalpa de los productos es mayor que la entalpa de los reactivos y por lo tanto durante la reaccin se libera calor, esto nos permite concluir que la reaccin de saponificacin de acetato de etilo con hidrxido de sodio es una reaccin exotrmica. Adems en los datos tomados experimentalmente se observa que a medida que avanza la reaccin la temperatura aumenta lo que corrobora que se presenta una liberacin de calor durante el proceso.

CONCLUSIONES

Se observa que a medida que aumenta el flujo de los reactivos dentro del reactor, disminuye el tiempo espacial y por tanto el tiempo de contacto entre ellos, lo que hace que haya una conversin menor. Tambin se observa que si el flujo dentro del reactor es laminar el comportamiento se aleja de la idealidad del reactor, esto debido a que los reactivos no presentan un buen mezclado y no todos los tomos permanecen el mismo tiempo dentro del reactor y por tanto se presentar un cambio de concentracin tanto en direccin radial como en la direccin de flujo, lo que hace que el reactor no presente un flujo tapn. De otro lado segn los datos de temperatura obtenidos experimentalmente y el resultado del clculo terico del calor de reaccin para la saponificacin de acetato de etilo con hidrxido de sodio, se evidencia que la reaccin de saponificacin de acetato de etilo con hidrxido de sodio es una reaccin exotrmica.

Conocer y comprender el diseo y operacin de diferentes tipos de reactores es fundamental para la produccin de casi todas las sustancias qumicas industriales, este conocimiento, que se adquiere a nivel de laboratorio, le permite al ingeniero qumico establecer las caractersticas operacionales adecuadas que requiere un determinado proceso industrial, adems de darle criterios que le permitan transformar procesos ya existentes con el fin de hacerlo mas eficiente.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS

[1] Reactor PFR. Publicacin electrnica en lnea: http://www.ga leon.com/mcoronado/PRACTICAS_I/14Practica14.pdf. Consultada el 6 de mayo de 2011.

[2] H.S. Fogler, Elementos de ingeniera de las reacciones qumicas, 3 ed. Mxico: Prentice Hall, 2001.

[3] L.S. Aguilar, Mecnica de fluidos, Medelln-Colombia, 2009.

[4] base de datos bibliogrfica knovel. http://why.knovel.com/. Consultada el 6 de mayo de 2011.

ANEXOS

TABLA 8. Resultados para la conversin real obtenidos para un caudal de entrada de reactivos de 30 ml/min.conductividad (mS/cm)T(C)[NaOH]X

6.7425.10.0316326530.841836735

6.8225.10.0320836620.839581689

6.8525.10.0322527910.838736047

6.9925.10.0330420570.834789717

7.0425.20.0333239370.833380313

7.1625.20.0340004510.829997745

7.1825.20.0341132030.829433984

7.1825.20.0341132030.829433984

7.2125.20.0342823320.828588341

7.2725.30.0346205890.826897057

7.3125.30.0348460930.825769534

7.3325.30.0349588450.825205773

7.3425.40.0350152220.824923892

7.3525.50.0350715980.824642012

7.3525.50.0350715980.824642012

7.3725.60.035184350.82407825

7.4225.70.0354662310.822668847

7.425.70.0353534780.823232608

7.4125.80.0354098550.822950727

7.4225.90.0354662310.822668847

7.42260.0354662310.822668847

7.4126.10.0354098550.822950727

7.426.20.0353534780.823232608

7.3926.20.0352971020.823514489

7.3926.30.0352971020.823514489

7.426.40.0353534780.823232608

7.3926.50.0352971020.823514489

7.3726.60.035184350.82407825

7.3626.70.0351279740.824360131

7.3626.80.0351279740.824360131

7.3426.90.0350152220.824923892

7.32270.0349024690.825487654

7.3127.10.0348460930.825769534

7.2927.20.0347333410.826333296

7.2827.30.0346769650.826615176

7.2727.40.0346205890.826897057

7.2527.50.0345078360.827460819

7.2427.60.034451460.827742699

7.1527.70.0339440750.830279626

TABLA 9. Resultados para la conversin real obtenidos para un caudal de entrada de reactivos de 20 ml/min.conductividad (mS/cm)T(C)[NaOH]X

6.6925.90.0313507720.843246138

6.7425.90.0316326530.841836735

6.7625.90.0317454050.841272973

6.7925.90.0319145340.840427331

6.825.90.031970910.84014545

6.8325.90.0321400380.839299808

6.8225.90.0320836620.839581689

6.8225.90.0320836620.839581689

6.8525.90.0322527910.838736047

6.8725.90.0323655430.838172285

6.9125.90.0325910470.837044763

6.94260.0327601760.836199121

6.94260.0327601760.836199121

6.95260.0328165520.83591724

6.96260.0328729280.835635359

6.98260.032985680.835071598

6.9726.10.0329293040.835353478

7.0126.10.0331548090.834225956

7.0226.10.0332111850.833944075

7.0426.20.0333239370.833380313

7.0326.20.0332675610.833662194

7.0326.20.0332675610.833662194

7.0626.30.033436690.832816552

7.0826.30.0335494420.832252791

7.0826.30.0335494420.832252791

7.0926.40.0336058180.83197091

7.0926.40.0336058180.83197091

7.126.50.0336621940.831689029

7.126.50.0336621940.831689029

7.126.60.0336621940.831689029

7.1126.60.033718570.831407148

7.1126.70.033718570.831407148

7.1326.80.0338313230.830843387

7.1326.80.0338313230.830843387

7.1326.90.0338313230.830843387

7.1426.90.0338876990.830561506

7.13270.0338313230.830843387

7.1327.10.0338313230.830843387

7.1427.10.0338876990.830561506

7.1227.20.0337749460.831125268

7.127.20.0336621940.831689029

7.1127.30.033718570.831407148

7.1127.40.033718570.831407148

7.1227.40.0337749460.831125268

7.1127.50.033718570.831407148

7.1227.60.0337749460.831125268

7.1227.60.0337749460.831125268

7.1127.70.033718570.831407148

7.1327.80.0338313230.830843387

7.1127.80.033718570.831407148

7.127.90.0336621940.831689029

7.127.90.0336621940.831689029

7.1280.0336621940.831689029

7.06280.033436690.832816552

7.0928.10.0336058180.83197091

7.0628.20.033436690.832816552

7.0828.20.0335494420.832252791

7.0528.30.0333803130.833098433

7.0828.30.0335494420.832252791

7.0628.40.033436690.832816552

7.0528.40.0333803130.833098433

7.0528.50.0333803130.833098433

7.0728.50.0334930660.832534671

7.0628.60.033436690.832816552

7.0528.60.0333803130.833098433

7.0428.60.0333239370.833380313

7.0228.70.0332111850.833944075

7.0328.70.0332675610.833662194

6.9528.80.0328165520.83591724

6.9128.80.0325910470.837044763