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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
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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 6
veces, el valor de conductividad final fue de 5,34 mS. Con estos datos se calcularon las
concentraciones de NaOH y CH3COONa. Se repitió el mismo procedimiento pero con una
temperatura de 26 ºC, donde la conductividad final fue de 6,37 mS, donde se determinaron las
concentraciones y conversión de NaOH y CH3COONa en la cual la conversión para ambos
fue de 64,32 %. Por último, se dedujo que el orden de la reacción para ambas corridas es de 2º
orden y la constante cinética de la reacción según el método integral son K (296 k)= 0,0624
y K (299 K)= 0,0512 respectivamente.
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CONTENIDO
Pág.
Listado de Tablas y Figuras………………………………………………………………… 4
CAPITULO I. Introducción…………………………………………………………………6
1.1. Objetivos……………………………………………………………………………7
1.2. Objetivo General……………………………………………………………………7
1.3. Objetivos específicos………………………………………………………………..7
CAPITULO II. Marco Teórico……………………………………………………………....8
2.1. Reacción química……………………………………………………………………8
2.2 .Reactor tanque agitado continuo……………………………………………………9
2.3. Cinética química……………………………………………………………………11
2.5. Orden de reacción…………………………………………………………………..13
CAPITULO III. Desarrollo del proyecto…………………………………………………...17
3.1. Procedimiento experimental. ……………………………………………………....17
3.2. Diagrama y descripción del equipo. …………………………………………….…20
3.3. Tabla de datos. ……………………………………………………………………..21
3.4. Muestra de cálculo………………………………………………………………….26
CAPITULO IV. Resultados y Discusión……………………………………………………41
4.1. Tablas de resultados………………………………………………………………..41
4.2. Discusión de resultados…………………………………………………………….45
4.3 Conclusiones………………………………………………………………………...47
4.4. Recomendaciones. …………………………………………………………………48
Bibliografía…………………………...………………………………………………………49
Anexos………………………………………………………………………………..….……50
Cuestionario…………………………………………………………………………………..54
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LISTADO DE TABLAS Y FIGURAS
LISTADO DE TABLAS:
Pág.
Tabla 3.3.1. Datos registrados de conductividad en intervalos de 30 segundos para lahidrolisis de Acetato de Etilo en el RTAD a la temperatura de 23ºC ……………………….21
Tabla 3.3.2. Datos registrados de conductividad en intervalos de 30 segundos para lahidrolisis de Acetato de Etilo en el RTAD a la temperatura de 26ºC ……………………….23
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……………………………...…………………41
Tabla 4.1.2. Valores de concentración y conversión del NaOH y del Acetato de Sodio en
función del tiempo a la temperatura de 26ºC……………………………...…………………42
Tabla 4.1.3. Valor de concentración inicial, conductividad inicial e infinita, constante cinética
y orden de reacción a la Temperatura de 23ºC………………………………………………43
Tabla 4.1.4. Valor de concentración inicial, conductividad inicial e infinita, constante cinética
y orden de reacción a la Temperatura de 26ºC………………………………………………44
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LISTADO DE TABLAS Y FIGURAS
LISTADO DE FIGURAS:
Pág.
Figura 3.2. Diagrama del Reactor Tanque Agitado Discontinuo………………………..20
Figuras A: Conductividad Vs. Tiempo…………………………………………………..50
Figuras B: Concentración de NaOH y del CH3COONa vs. Tiempo……………………51
Figuras C: Conversión del NaOH y del CH3COONa vs. Tiempo………………………52
Figuras D: Inverso de las concentraciones (1/CA) Vs. Tiempo………………………….53
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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 tiempode 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.
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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.
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CAPITULO I: INTRODUCCION
• Expresar la ecuación cinética em función de La temperatura.
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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]
2.1.1. 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.
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
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 losaspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción. [1]
2.2. 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
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
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:
-R A=K.CAα.CB
β
CA=CB, entonces se tiene:
-R A=K.CAα+β (Ec-2.1)
Y su ecuación cinética:
-R A=dCA/dt (Ec-2.2)
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
Dónde:
CA Y CB= Concentraciones de los reactivos
K= Constante cinética
-R A= Velocidad de reacción
α y β =Órdenes de reacción
dCA/dt= Variación de la concentración con el tiempo.
2.3. 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 fueradel 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
está 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.
2.4. Velocidad de reacción12
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
La velocidad de reacción respecto a un componente cualquiera A se define como:
tiempo)de(unidadvolumen)de(unidad
reacción) por aparecenqueAde(moles1
reacción por
=
=
dt
dN
V R 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, A R− 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
sistemadelestado
f
f R A
==
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:
( )ncomposicióa,temperatur f R A =
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
Para muchas reacciones la velocidad de desaparición de A,(A R−), puede ser escrito
como el producto de la constante cinética, k , y una función de concentraciones de las especies
involucradas en la reacción:
( ) ( ),...., B AT A C C f k R =−
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]
2.5. 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:
- R A= K [A]α[B]β (2.4)
Donde:
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
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]
2.6. 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.15
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
( )α
A A A KC dt
dC R =−=−
Esta ecuación puede integrarse según
∫ ∫ −=CA
CAo
t
A dt K dC 0
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]
2.7. Método diferencial
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CAPITULO II: MARCO TEORICO
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
( ) α
A A
A KC dt
dC R =−=−
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]
17
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
3.1. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:
Fase preparatoria
Experiencia N° 1.
18
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 delos reactivos a utilizar a las concentraciones requeridas
C
C
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
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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 inmediatamenteel cronómetro
Tomar medidas de conductividad durante aproximadamente 45minutos en intervalos de 30 segundos
Desconectar el reactor
Lavar el tanque y los sensores de
conductividad y temperatura con aguadestilada
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 Etilohasta ue ten a la tem eratura de 23ºC a roximadamente
Destapar cuidadosamente el reactor lavar el reactor
C
C
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
Experiencia N° 2.
3.2. DIAGRAMA Y DESCRIPCIÓN DEL EQUIPO.
20
Apagar el agitador, el Chiller y posteriormente el equipo, una vez repetidas 5 vecesla misma medida de conductividad.
Lavar el tanque, los sensores de conductividad y el detemperatura con agua destilada
Ensamblar el reactor al equipo para su posterior uso
Destapar cuidadosamente el reactor
Repetir todo el procedimiento anterior con unatemperatura de 26ºC
Fin
Desconectar el reactor
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
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Leyenda:
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
Figura 3.2. Diagrama del Reactor Tanque Agitado Discontinuo.
3.3. TABLAS DE DATOS
Tabla 3.3.1. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la Hidrólisis del Acetato de Etiloen el RTAD a la temperatura de 23oC.
22
1. Motor del agitador.
2. Sensor deconductividad.
3. Sensor de temperatura.
4. Bobina.
5. Tapa del reactor.
6. Pinzas.
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
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 5,75420 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):
Tiempo (s) Conductividad (mS) Tiempo (s) Conductividad (mS)
1140 5,64 1770 5,44
1170 5,63 1800 5,43
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
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 5,371650 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):
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
Tabla 3.3.2. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la hidrólisis del acetato de etiloen el RTAD a la temperatura de 26oC.
Tiempo (s) Conductividad (mS) Tiempo (s) Conductividad (mS)
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 etiloen el RTAD a la temperatura de 26oC. (CONTINUACIÓN):
25
Tiempo (s) Conductividad (mS) Tiempo (s) Conductividad (mS)
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
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
Tabla 3.3.2. Conductividad en intervalos de 30 segundos, de la hidrólisis del acetato de etiloen el RTAD a la temperatura de 26oC. (CONTINUACIÓN):
26
Tiempo (s) Conductividad (mS) Tiempo (s) Conductividad (mS)
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 6,391110 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
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
27
Tiempo (s) Conductividad (mS) Tiempo (s) Conductividad (mS)
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
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
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):
V
gr eq N
−=
#(1)
Peq
mgreq# =− (2)
E
PM Peq NaOH = (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
28
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
Para el NaOH, (Na+OH-) se tiene que el E es 1, por lo tanto, de la Ecuacion (3), obtenemos:
NaOHPMPeq =
Sustituyendo (3) en (2) y, a su vez, en (1):
NaOHPMV
mN
⋅
= (4)
Sabiendo que:
PM
mn = (5)
Donde: n = Número de moles (mol)
Se tiene que la ecuación (5) queda:
MV
nN ==
N = M (6)
Tenemos que N M 0,1
Sustituyendo (6) en (4) y despejando:
NaOH PM V M m ..= (7)
29
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Sustituyendo los datos en la Ecuación (7):
240.50,.1,0mol
gr == Lml
mol 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 (ρ) del mismo es igual a 0,90ml
g y su peso molecular (PM) es
88,11mol
g , con una pureza de 99,9% de acetato de etilo.
Sabemos que:
(8)
(9)
Sabemos que por dilución: 2211 V C V C = (10)
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
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:
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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:
32
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∆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 fuede 23ºC es decir 296º K.
∆ao = 0.195 [1 + 0.0184 (296 - 294)] 0, 05 mol/L
ao
0, 0101088siemens∆ =
El equipo usado expresa la conductividad en unidades de milisiemens (ms) por ende debemos
transformar a esta unidad, sabemos que por lo cual:
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∆ao = 0, 0101088 siemens x (1000mS/1s)
10,1088 mSo a o
∆ = ∆ =
• 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 unvalor 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.
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∆c∞ = 0.070 [1 + 0.0284 (296 - 294)] 0,05 mol/L
∆c∞ =3,6988x10-3 Siemens
c 3,6988 ms∞ ∞∆ = ∆ =
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:
35
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
( ) 0
0
1001 × a+
Δ Δ
Δ Δaa=a
−−
−∞
∞ (15)
Donde:
a0 =Concentración del NaOH inicial (mol/L)
a1 = Concentración del NaOH al tiempo t (mol/L)
Δ0 = Conductividad inicial (mS)
Δ1 = Conductividad al tiempo t (mS)
Δ∞ = Conductividad al tiempo infinito (mS)
Sustituyendo los datos de la tabla 3.3.1 se obtiene lo siguiente:
Para t=30 seg
( )1
10,1088 9,520 0,05 / × 0,05 /
10,1088 3,6988
mS mS a = mol L + mol L
mS mS
− − −
10,0454mol / La =
Se procede para el resto de los valores en ambas corridas. Y los resultados se muestran en latabla 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”:
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
−−
∞∞
Δ Δ
Δ Δc=c
0
101 × (16)
Dónde:
c1 = Concentración del Acetato de Sodio al tiempo t (mol/L)
c∞ = Concentración del acetato de sodio al tiempo infinito (mol /L)
Δ0 = Conductividad inicial (mS)
Δ1 = Conductividad al tiempo t (mS)
Δ∞ = Conductividad al tiempo infinito (mS)
Utilizando los datos mostrados en la tabla 3.3.1 se realiza la siguiente sustitución:
Para t=30 seg
1
10,1088 9,520,05 / ×
10,1088 3,6988
mS mS c = mol L
mS mS
− −
1 0,0046mol / LC =
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:
0 1
0
a
a a X =
a
−(17)
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
1 0c co
c X = Para C
c∞
=(18)
Se sustituyen los valores requeridos para cada Ecuación (17) de la tabla 4.1.1 y con losvalores calculados anteriormente, se tiene que:
Para T=30 seg
0.05 0.0454 0,0920.05
Xa − = =
Igualmente se sustituye los valores para la Ecuación (18) de la tabla 4.1.2:
0,004600,092
0.05 Xc
= =
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
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
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=C b ; -Ra= - =K. (20)
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
Separando variables e integrando:
(21)
(22)
Linealizando queda: (23)
Sustituyendo los valores en:
1 122,023
0,0454 A
L
C mol = =
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:
LK 0,0624
.mol s=
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
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
3.4.7. Expresando la ecuacion cinética en función de la Temperatura
Partiendo de la Ecuacion cinética tenemos que:
( ). . Ra K T a b− = (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:
..
Ea
R T Ra A e
− ÷ − = (25)
Sustituyendo la Ecuación (25 en la Ecuacion (24), obtenemos haciendo unas consideraciones:
Asumiendo que: ao=bo → a.b
2.( ) . .
Ea
R T K T A e a
− ÷ = (26)
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CAPITULO III: DESARROLLO DEL PROYECTO
Para calcular la constate es necesario linealizar la ecuacion:
1( ) ( ) .
Ea Ln k Ln A
R T = − (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
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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 Sodio en elRTAD 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 0,5100450 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
43
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CAPITULO IV: DISCUSION Y RESULTADOS
Tabla 4.1.2 Valores de concentración y conversión para el NaOH y el Acetato de Sodio 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
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CAPITULO IV: DISCUSION Y RESULTADOS
Tabla 4.1.3. Valor de concentración inicial, conductividad inicial e infinita, constante cinética
y orden de reacción a la Temperatura de 23ºC.
Tiempo(seg) CA(mol/L) 1/CA (L/mol)Orden de
reacción( )ConstanteCinética(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 Temperatura de 26ºC.
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CAPITULO IV: DISCUSION Y RESULTADOS
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
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CAPITULO IV: DISCUSION Y RESULTADOS
4.2. DISCUSIÓN DE RESULTADOS.
En la experiencia del Reactor Tanque Agitado Discontinuo (RTAD) se llevó a cabo el
mecanismo de reacción de la Hidrólisis de Acetato de Sodio a una temperatura constante de
23ºC, en la que se obtuvo una conductividad en condiciones estable de 5,34 mS, la cual se
alcanzó en un tiempo infinito de 2670 segundos. De igual forma se repitió el procedimiento
para una segunda corrida a una temperatura de 26ºC donde dicha conductividad fue de 6,37
mS, en un tiempo infinito de 2190 segundo.
En las FIGURA A.1 y A.2, se puede observar el comportamiento que tuvo la conductividad
con respecto al tiempo para cada una de las corridas, la cual fue descendente, cada vez siendo
menor la variación y se vuelve casi constante al alcanzar un tiempo infinito. Esto es debido a
que la interacción entre los iones es no asociativa a concentraciones bajas y es asociativa a
concentraciones altas, siendo solamente alterado por los iones de Sodio presentes en la
reacción, trabajando a temperatura constante para cada una de las corridas. (Presente en las
TABLAS 3.3.1. y 3.3.2. respectivamente)
En la TABLA 4.1.1, se muestran los valores de la concentración y conversión de Hidróxido de
Sodio y Acetato de Sodio en función del tiempo. Nótese que la concentración del Hidróxido
de Sodio disminuye a medida que aumenta la de Acetato de Sodio, esto se representa para
cada corrida en las FIGURA B.1 y B.2, la razón por la que las conversiones de consumo y
generación respectivas son iguales se debe a la estequiometria de la reacción de hidrólisis, que
es 1:1, ya que a medida que se gasta el reactivo límite se generan en igual proporción los
productos. Esto demuestra que la reacción es irreversible ya que la concentración de NaOH va
disminuyendo y no se estabiliza con el tiempo, solo se consume completamente.
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CAPITULO IV: DISCUSION Y RESULTADOS
Se observa en las FIGURAS C.1 y C.2, que las conversiones tanto de Hidróxido de Sodio
como de Acetato de Sodio son idénticas en el tiempo, ya que la conversión del reactivo es una
relación de cantidad consumida sobre alimentada, mientras que la del producto describe la
relación entre lo producido y lo obtenido del Acetato de Sodio para un tiempo infinito. Se
obtuvo una conversión máxima en ambos casos de 74.40 % ya que los reactantes tuvieron un
elevado tiempo de residencia, pudiendo estar en contacto lo suficiente para que el reactivo
limitante se consuma completamente. Esto causa que la concentración de Acetato de Sodio en
el infinito sea igual a la concentración inicial de Hidróxido de Sodio.
El orden de reacción correspondiente es de 2° orden, ya que la reacción de hidrólisis de
Acetato de Etilo es elemental y esto se demuestra en la FIGURA D.1. y FIGURA D.2,
correspondiente al Método Integral, donde se graficó el inverso de la concentración en función
del tiempo, incluyendo solo los primeros 18 valores de concentración calculados, ya que en
este intervalo se demostró un comportamiento lineal de la gráfica trazada. En teoría, las
graficas deberían ser rectas, la razón de que no sea así, se debe a 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 con lleva 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. 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 entre los valores de las primeras concentraciones y
se obtuvo que para el método integral las constantes cinéticas K (296 k)= 0,0624 y K
(299 K)= 0,0512 respectivamente, como se muestra en la TABLA 4.1.3. y TABLA
4.1.4.
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CAPITULO IV: DISCUSION Y RESULTADOS
4.3 CONCLUSIONES
• La concentración del hidróxido de sodio disminuye a medida que aumenta
proporcionalmente la del acetato de sodio.
• El comportamiento que tuvo la conductividad con respecto al tiempo para cada una de las
corridas fue descendente.
• Se alcanzó una conversión máxima de 74.40 %, 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 que la Constante Cinética de reacción química son K (296 k)= 0,0624
y K (299 K)= 0,0512 .
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CAPITULO IV: DISCUSION Y RESULTADOS
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.
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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.
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ANEXOS
FIGURAS
Figura A.1 Conductividad de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo en función deltiempo, para la temperatura de 23ºC.
Figura A.2 Conductividad de la reacción de hidrólisis del acetato de etilo en función deltiempo, para la temperatura de 26ºC.
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ANEXOS
Figura B.1 Concentración del NaOH y del CH3COONa de la reacción de hidrólisis del acetatode etilo en función del tiempo, para una temperatura de 23ºC.
Figura B.2 Concentración del NaOH y del CH3COONa de la reacción de hidrólisis del acetatode etilo en función del tiempo, para una temperatura de 26ºC.
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ANEXOS
Figura C.1 Conversión del NaOH y del CH3COONa de la reacción de hidrólisis del acetato deetilo en función del tiempo, para una temperatura de 23ºC.
Figura C.2. Conversión del NaOH y del CH3COONa de la reacción de hidrólisis del acetatode etilo en función del tiempo, para una temperatura de 26ºC.
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ANEXOS
Figura D.1. (1/CA) Vs tiempo para la determinación de la constante cinética y orden dereacción por el método integral, para una temperatura de 23ºC.
Figura D.2. (1/CA) vs tiempo para la determinación de la constante cinética y orden dereacción por el método integral, para una temperatura de 26ºC.
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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.
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ANEXOS
Caudal de Caudal de Caudal que Caudal
Entrada - salida - interviene en = acumulado
de reactante de reactante la reacción en el reactor
dt
dN D F F
j
j j j =−−0
Donde j N representa el número de moles de la especie j 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 j , j D , es el producto del volumen de reacción, V ,
y la velocidad de desaparición de la especie j , j R− .
V R D j j −=
Volumenolumen)(tiempo)(V
moles
tiempo
moles⋅=
¿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.
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ANEXOS
En sistemas por carga la conversión A X es una función del tiempo que el reactante
permanece en el reactor. Si 0 A N es el número de moles de A inicialmente, entonces el
número total de moles de A que ha reaccionado después de un tiempo t es [ ] A A X N 0 :
alimetadosdemoles
osreaccionaddemoles
salimentado
demoles
consumidos
demoles
A
A A A
[ ] [ ] A AX N
A
⋅=
0
consumidos
oosreaccionad
demoles
Ahora, el numero de moles de A que permanece en el reactor después de un tiempo t , A N ,
puede ser expresado en termino de 0 A N y A X .
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ANEXOS
−
=
=
quimica
reacciónpor
consumidosson
quedemoles
0a
reactoralalimentado
teinicialmen demoles
tiempoareactorelen
demoles A
t
A
t
A
[ ] [ ] [ ] A A A A X N N N 00 −=
El numero de moles de A en el reactor después que una conversión A X es alcanzada es:
( ) A A A A A A X N X N N N −=−= 1000 (A)
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ANEXOS
Cuando no hay variación espacial en temperatura y composición, el balance molar de la
especie A para un sistema por carga se reduce a la siguiente ecuación:
( ) V Rdt
dN A
A −=− (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)
A A A A X N N N 00 −=
dt
dX N
dt
dN A A
A0−=
Combinándola con la ecuación (B) nos queda, la ecuación de diseño en forma diferencial para
un reactor por carga.
( )V Rdt
dX N A
A A −=0 (C)
Para un reactor por carga a volumen constante, la ecuación (B) puede ser arreglada en la
forma.
A A
A
A Rdt
dC
dt
V N
d
dt
dN
V −=−=
−=−1
¿Cuál es la estequiometria de la reacción?
La reacción estudiada es la siguiente:
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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 α 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:
( ) α
A A
A KC dt
dC R =−=− (D)
Donde:
(-R A) : Velocidad de Desaparición de Reactivo (mol/L.s)
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ANEXOS
K: constante cinética de la reacción ((L/mol) α)
α : orden de reacción (adimensional)
CA= concentración de Reactivo (mol/l)
Aplicando logaritmo natural en ambos miembros de la ecuación (D), se obtiene:
A A C k
dt
dC lnlnln α +=
− (E)
La ecuación (E), es análoga a la ecuación de una recta, donde la pendiente de una gráfica de
( )[ ]dt dC A /ln − en función de ( ) AC ln , 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 ( )i Ai t C ,
2. Para cada intervalo, se calcula ( ) 1−−=∆ AN AN n A C C C y ( ) 1−−=∆ nnn t t t .
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ANEXOS
3. Se calcula ( )n A t C ∆∆ como una estimación de la pendiente promedio en intervalo
de nt a 1−nt .
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 dt dC A de esa curva de los datos señalados para
7. ,...,, 310t t t .
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;63
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ANEXOS
para determinar el orden de la reacción aplicando este método, se supone dicho orden y se
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:
A A R
dt dC = (F)
-. Asumiendo reacción de orden cero
De la ecuación (F) nos queda:
K dt
dCA=
− (G)
Integrando con CA = CA0 a t = 0, tenemos
∫ ∫ −=CA
CAo
t
A dt K dC 0
(H)
CA = CA0 – K t (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.
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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:
A A C K dt
dC .=
− (J)
Con los límites CA = CA0 a t = 0, tenemos:
kt CA
CAo =ln (K)
Por consiguiente, vemos que la pendiente de la gráfica de Ln(CA) como una función de tiempo,
es lineal con pendiente (– K )
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ANEXOS
Figure A.13. Reacción de primer orden.
- Si la reacción es de segundo orden
2
kCAdt
dCA
=−
(L)
Integrando con CA = CA0 inicialmente,
CAo Kt
CA
11+−= (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
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ANEXOS
- Si la reacción es de tercer orden
3kCAdT
dCA =−
(2.17)
Al resolver la integral, con CA = CA0
22
2
1
2
1
CAo
kt
CA
+=
(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.