UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

Facultad de Ingeniería Química

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA

QUÍMICA

CURSO: Laboratorio de Ingeniería Química II

TEMA: Reactor Tanque Agitado.

Grupo: 01 Q Lunes13-17

Profesor:

Ing. Jorge López.

Alumno:

BALLENA COLAN, LUIS C.

RAMIREZ SILVA, LUIS E.

RODRIGUEZ VASQUEZ, LUZ

Bellavista – Callao

2012

REACTOR TANQUE AGITADO

I. OBJETIVOS

Determinar la constante especifica de velocidad en la reacción en la saponificación.

Determinar cómo varia la conductividad en relación al tiempo.

Determinar cómo varia la concentración de NaOH y CH 3COONa

con el tiempo

Determinar cómo varia la conversión de NaOH y CH 3COONa con el tiempo

II. FUNDAMENTO TEÓRICO

Consta de tres recipientes de reactor conectados en serie, cada uno de

los cuales contiene un agitador de hélice impulsado por un motor

eléctrico de velocidad variable.

Dos recipientes de reactivo y dos bombas de alimentación de velocidad

variable alimentan reactivos al primer reactor de la línea.

Cada reactor está equipado con sondas de conductividad de precisión

para monitorear el proceso. La conductividad es mostrada en un

medidor digital sobre la consola usando un interruptor de selección, y

las cuatro sondas pueden ser conectadas al accesorio de registro de

datos CEX-303IFD opcional de Armfield

Los reactores son conectados en serie. Así, un flujo de salida de un

reactor puede ser el flujo de alimentación de un segundo. Cuando estos

arreglos son utilizados, es posible agilizar los cálculos mediante el uso

de la conversión. Es decir, la conversión, X, es el número total de moles

de A que ha reaccionado hasta un punto por mol de A para el primer

reactor.

Cuando hay mezcla perfecta la concentración es uniforme a lo largo de

toda la etapa e igual a la de salida, por lo que ha dicha etapa se le

denomina IDEAL.

Un ejemplo de cómo se puede relacionar la conversión con los

volúmenes de reactores conectados en serie, es la siguiente ilustración:

Encontramos cómo están relacionadas las velocidades de flujo molar y la

conversión mediante las siguientes ecuaciones:

Donde de esta forma encontramos las definiciones para X1 y X3.

El balance de moles sobre la especie A para el CSTR en serie es :

Donde el volumen es:

⇒

Reactor continúo de tanque agitado (CSTR)

El reactor CSTR consiste en un tanque al que continuamente fluye el

alimento y descarga o productos a flujos volumétricos tales que el

volumen de reacción permanece constante.

Es un tipo de reactor de uso muy común en procesos industriales, es un

tanque con agitación que opera continuamente, que se conoce como

reactor de tanque con agitación continua CSTR (Continuos Stirred Tank

Reactor) o también llamado Reactor de Retromezcla.

El CSTR normalmente opera en estado estacionario y de modo que está

bien mezclado. Como resultado de esto último funciona en el estado

constante con flujo continuo de reactivo y de productos; la alimentación

asume una composición uniforme a través del reactor, corriente de la

salida tiene la misma composición que en el tanque.

Consideramos mezclado perfecto, así en cualquier punto la

concentración y la temperatura son las mismas. El balance de materia

se planteará para un elemento de volumen VR, pues en éste la

concentración y la temperatura no varían. Esto presupone contar con

agitación adecuada para este fin.

Relación de la conductividad con la concentración

La conductividad de una solución reaccionante en un reactor cambia con

el grado de conversión y esto provee un método conveniente para

monitorear el progreso de una reacción química. Esto es útil para el

estudio de reacciones en que intervienen iones que presentan

conductividades iónicas relativamente altas (particularmente iones H+ y

OH-). En soluciones diluidas la sustitución de un Ion por otro de diferente

conductividad iónica será proporcional a la velocidad de la

concentración del Ion activo. Por ejemplo la hidrólisis alcalina de un

Ester.

Veamos entonces la reacción de saponificación del acetato de etilo por

hidróxido de sodio.

La reacción de saponificación

NaOH+CH 3COOC 2H5→CH 3COONa+C2H5OH

a b c d

Tanto el hidróxido de sodio y el acetato de sodio contribuyen a la

conductancia en la solución reaccionarte, mientras que el acetato de

etilo y el alcohol etílico no. La conductividad del hidróxido de sodio a una

concentración y temperatura dada es la misma que del acetato de sodio

a la misma concentración y temperatura por tanto las reacciones han

sido establecidas para permitir deducir la conversión a partir de la

conductividad. Esta reacción es de segundo orden y puede ser

considerada irreversible a conversiones bajas, temperaturas y presión

moderada.

Puede ser considerado equimolar, de segundo orden total, dentro de los

límites de la concentración (0 - 0.1M) y de la temperatura (20- 40°C)

dicha reacción alcanza el estado estacionario si cierta cantidad de

conversión de reactantes iníciales ha sido efectiva. Las condiciones del

estado constante variarán dependiendo de la concentración de

reactivos, caudal, volumen de reactor y temperatura de la reacción.

NaOH+C H 3COOC2 H 5→CH 3COONa+C2 H 5OH

t=0 CaO= 0.05 mol/dm3 CbO= 0.05 mol/dm3 CcO= 0

CdO= 0

t>0 Cx Cx Cx Cx

t=t Ca Cb Cc Cd

Ca=CaO- Cx Cb=CbO -Cx Cc=Cx

Cd=Cx

Formulas a emplear

a0=Fa

Fa+Fb

×aμ b0=Fa

Fa+Fb

×bμ

c∞=b0⃗ para …b0<a0

c∞=a0⃗ para …b0≥a0

Λc∞=0 .070×[1+0 . 0284 (T−294 ) ]×C∞ … para T≥294

Λa0=0 .195×[1+0 .0184 (T−294 ) ]×a0 … para T≥294

Donde:

aμ : Concentración de NaOH en el tanque de alimentación (mol/dm3)

a0 : Concentración de NaOH en la alimentación de mezclado (mol/dm3)

a1: Concentración de NaOH en el reactor después de un tiempo t

(mol/dm3)

a∞: Concentración de NaOH en el reactor después de un tiempo ∞

(mol/dm3)

OBS:

b: Concentración de CH3COOC2H5, usar los mismos subíndices de a

C: Concentración de CH3COONa, usar los mismos subíndices de a

F: Vo: Caudal total de alimentación (L/s)

Fa: Voa: Caudal de alimentación de NaOH (L/s)

Fb: Vob: Caudal de alimentación de CH3COOC2H5 (L/s)

a∞=0 … para a0<b0

a∞=(a0−b0) …para a0>b0

Λa0=0 .195 [1+0 . 0284 (T−294 ) ]×a∞ … para T≥294

Λ∞=Λc∞+Λa∞

a1=(a∞−a0 )×[ (Λ0−Λ1)(Λ0+Λ∞ ) ] +a∞

c1=c∞×[( Λ0−Λ1)( Λ0+Λ∞) ] … para c0=0

K: Constante de Velocidad especifica.

T: Temperatura del Reactor

V: Volumen del Reactor

CONVERSION EN LA REACCION

Donde:

xa : Conversión de NaOH

xc : Conversión de CH3COONa

Λ1 : Conductividad a un tiempo t1 (siemens)

Λ0 : Conductividad a un tiempo inicial (siemens)

Λ∞ : Conductividad a un tiempo infinito (siemens)

Calculando la constante de velocidad especifica, k:

Para reactores continuos operando en estado estacionario el volumen se asume constante:

xa i=a0−a1

a0

xci=cc∞

⋯( para c0 =0 )

d (V a1)

dt=Fa0−Fa0−Vka1

2

III. MATERIALES Y MÉTODOS

III.1 EQUIPOS:

Cronometro.

Equipo de reactores Tanque agitado en serie (ARMFIELD

CEP-MK II).

Termómetro.

Balanza Analítica.

Baldes de 7L.

Probetas y pipetas.

III.2 MATERIALES:

NaOH 0.05 M Acetato de Etilo 0.05 M Agua Destilada.

III.3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Preparación de la solución

Se prepara de 10 de litro de hidróxido de sodio de 0.05M e igual

cantidad de acetato de etilo a la misma concentración. Luego se

deposita cada solución en los tanques de almacenamiento de reactivo

del equipo.

Reactor tanque agitado

Fijamos el control de velocidad de flujo de la bomba 70ml/min

Prendemos el equipo y comenzamos a tomar lectura de la conductividad

cuando esta, después de subir al encendido del equipo comienza a bajar

las lectura de conductividad se tomaran cada minuto hasta que la

conductividad sea constante

IV. CALCULOS Y RESULTADOS ._

Se obtuvo los siguientes datos reportados en el laboratorio:

Tiempo (min)

Conductividad (mS)

0 4.231 4.152 4.093 4.034 3.975 3.926 3.97 3.888 3.869 3.8510 3.8411 3.8312 3.8313 3.8214 3.8215 3.8116 3.8117 3.8118 3.8119 3.8120 3.81

Desarrollo

Temperatura (T) = 298 K

Volumen del reactor (V) = 7 Litros.

Caudal de alimentación de NaOH (υ0A) = 90

mlmin =

1 .5×10−3dm3.

s

Caudal de alimentación de CH 3COOC 2 H5 (υ0B) = 90

mlmin =

1 .5×10−3dm3.

s

Concentración de NaOH en el tanque de alimentación (aμ)

= 0.05 mol/ dm3.

Concentración de CH3COOC2H5 (bμ) = 0.05 mol/ dm3.

au=0 . 05mol

dm3

bu=0 . 05mol

dm3

Ca0=(0 . 5 )×0 .05mol

dm3=0 . 025

moldm3

Cb0=(0 .5 )×0 .05mol

dm3=0 .025

moldm3

Ca0=F a

F a+F b∗aμ Cb0=

Fb

Fa+Fb

∗bμ

Como CB0 ≥ CA0 entonces CC∞ = CA0

CC∞ = 0.05 mol/dm3

ΛC∞ = 1.9563 mS

ΛA∞ = 0 mS

Λ A0=0 .195 [1+0 .0184 (298−294 ) ]0 . 025mol

dm3

Λ A0=5. 2472mS

Λ∞=ΛC∞+Λ A∞⇒ Λ∞=0+1 .9563mS=1 .9563mS

Resolviendo: CA∞ = 0 mol/lt

Λ c∞=0 . 07 [1+0. 0284 (T−294 )]CC∞

Λ Ao=0 . 195 [1+0 . 0184 (T−294 )]C Ao

C A=(CA ∞−C A0 )(Λ0−Λ t

Λ0−Λ∞)+C A0

C A=(0−0 .025 )(4 . 23 x10−3−Λ t

4 . 23 x10−3−1 .9563x 10−3)+0 . 025

CCt=CC∞(Λ0−Λt

Λ0−Λ∞)=(0 .025 )(

4 .23 x10−3− Λt

4 .23 x10−3−1 . 9563 x10−3)

X At=1−CAt

CA 0

X At=1−CAt

0.025

XCt=CCt

CA 0

=CCt

0 .025

Reemplazando valores:

Tiempo (min)

Conductividad (mS) CA XA CC XC

0 4.23 0.025 0 0 0

1 4.150.0241203

80.0351849

40.0008796

20.0351849

4

2 4.090.0234606

60.0615736

50.0015393

40.0615736

5

3 4.030.0228009

40.0879623

50.0021990

60.0879623

5

4 3.970.0221412

20.1143510

60.0028587

80.1143510

6

5 3.920.0215914

60.1363416

50.0034085

40.1363416

5

6 3.90.0213715

50.1451378

80.0036284

50.1451378

8

7 3.880.0211516

50.1539341

20.0038483

50.1539341

2

8 3.860.0209317

40.1627303

50.0040682

60.1627303

5

9 3.850.0208217

90.1671284

70.0041782

10.1671284

7

10 3.840.0207118

40.1715265

90.0042881

60.1715265

9

11 3.830.0206018

8 0.17592470.0043981

2 0.1759247

12 3.830.0206018

8 0.17592470.0043981

2 0.1759247

13 3.820.0204919

30.1803228

20.0045080

70.1803228

2

14 3.820.0204919

30.1803228

20.0045080

70.1803228

2

15 3.810.0203819

80.1847209

40.0046180

20.1847209

4

16 3.810.0203819

80.1847209

40.0046180

20.1847209

4

17 3.810.0203819

80.1847209

40.0046180

20.1847209

4

18 3.810.0203819

80.1847209

40.0046180

20.1847209

4

19 3.810.0203819

80.1847209

40.0046180

20.1847209

4

20 3.810.0203819

80.1847209

40.0046180

20.1847209

4

GRAFICOS DE LOS RESULTADOS:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 213.75

3.8

3.85

3.9

3.95

4

4.05

4.1

4.15

4.2

4.25

Tiempo vs Conductividad

CONCENTRACION NaOH Y ACETATO vs. TIEMPO

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03CA CC

0 5 10 15 20 250

0.020.040.060.080.1

0.120.140.160.180.2

Conversión vs Tiempo

Determinamos la CONSTANTE DE VELOCIDAD ESPECÍFICA para el REACTOR

1:

En el estado estacionario la concentración del Hidróxido de Sodio es:

a eq= 0 . 020381mol

dm3ao= 0. 025

mol

dm3

Hallando la constante de reacción

K=(1. 5×10−3+1 .5×10−3 ) (0 .025−0 .02038 )0.7×0 . 0203812

K=0.04767dm3

mol . s

V. CONCLUSIONES ._

1. Se observa que la conductividad es inversamente proporcional al tiempo.

2. Se observa como el hidróxido de sodio se consume conforme avanza el tiempo y el

aumento del CH 3COONa conforme avanza la reacción.

K=(Fa+Fb )(aO−a 1equilibrio )V a 1equilibrio 2

K=moldm3 s