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CÁTEDRA : CATALISIS DE HIDROCARBUROS

CATEDRÁTICO : SALVADOR TEODULO ORE VIDALON

ESTUDIANTES : BASTIDAS GUTIERREZ Alberto Juan

SEMESTRE : X

HUANCAYO – PERÚ

2015

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL

CENTRO DEL PERÚ

Universidad Innovadora Un ingeniero químico una empresa

FACULTAD INGENIERÍA QUIMICA

CINETICA DE REACCION DEL ANHIDRIDO ACETICO CON EL AGUA PARA FORMAR ACIDO ACETICO

I.RESUMEM:

El presente informe se estudia la cinética DE REACCION DEL AHIDRIDO ACETICO CON AGUA FROMANDO EL ACIDO ACETICO, todo procedimiento se trabajó tomando la temperatura en función del tiempo para conocer como este llega a su equilibrio , el desarrollo experimental se realizó en el laboratorio de Operaciones Unitarias “LOPU”, de la facultad de Ingeniería Química. Con El objetivo fundamental es comprobar los datos obtenidos en el laboratorio con los datos calculados de la reacción anhídrido acético más agua; cuyos valores es la temperatura en función del tiempo utilizando un reactor discontinuo agitado (Batch), en el cual a través de corridas experimentales, se notará que según pase el tiempo la temperatura irá aumentando; para esto se hicieron 3 pruebas en los cuales se utilizaron los siguientes volúmenes

Pruebas experimentales:

8ml de anhídrido acético+32ml de agua5ml de anhídrido acético+35ml de agua3ml de anhídrido acético+37ml de agua

En cada prueba se trabaja a un volumen constante. Donde finalmente se verifica que los datos obtenidos en el laboratorio cumplen con los datos calculados de la temperatura respecto al tiempo, dando similares resultados de la reacción mencionada anteriormente, utilizando un modelo de reactor Batch.

II.INTRODUCCIÓN:

El concepto de reactor Batch asume que la mezcla de reacción es instantáneamente cargada (es decir, llenado) y perfectamente homogenizada en el reactor. También, su temperatura es inmediatamente ajustada a la del medio de transferencia de calor. Luego, la reacción química se lleva a cabo a la temperatura del medio de transferencia de calor bajo mezclado perfecto. El proceso es detenido tan pronto como sea logrado el grado de conversión.

Los reactores Batch son extensamente usados en un escalamiento final de una planta industrial. La elección de una reacción Batch sobre un sistema continuo es a menudo un resultado de consideraciones especiales. El rango de tamaño de reactores Batch va desde 5 gal (19 litros) en pequeñas plantas piloto industriales hasta 10 000–20 000 galones (38 000–76 000 litros) en grandes plantas.

III.OBJETIVOS

III.1.OBJETIVO GENERAL

Conocer los principios básicos de la cinética de reacciones.

III.2.OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Conocer como varias la temperatura en función del tiempo y cuando este llega a su equilibrio.

Realizar la gráfica concentración vs tiempo teóricamente. Realizar la gráfica concentración vs temperatura teóricamente. Comparar los datos teóricos y experimentales de la reacción que indica

en el título.

IV. MARCO TEÓRICO

IV.1. CONCEPTOS GENERALES

IV.1.1. DEFINICIÓN DE 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:

CLASES DE REACCIONES QUÍMICAS

Existen muchas maneras de clasificar las reacciones químicas. En la Ingeniería de las Reacciones Químicas probablemente el esquema más útil es el que resulta de dividirlas, de acuerdo con el número y tipo de fases implicadas, en dos grandes grupos: sistemas homogéneos y heterogéneos.

Una reacción es homogénea si se efectúa sólo en una fase, y es heterogénea si, al menos, se requiere la presencia de dos fases para que transcurra a la velocidad que lo hace.

Superpuestas a estos dos tipos de reacciones tenemos las catalíticas cuya velocidad está alterada por la presencia, en la mezcla reaccionante, de materiales que no son reactantes ni productos. Estos materiales, denominados catalizadores, no necesitan estar presentes en grandes cantidades. Los catalizadores actúan, en cierto modo, como mediadores retardando o acelerando la reacción.

En la Tabla 1.3 se puede ver una clasificación general de reacciones químicas distinguiendo entre sistemas homogéneos y heterogéneos, junto con la posibilidad de que las reacciones sean catalizadas o no.

Además de la clasificación anterior se pueden establecer otro tipo de clasificaciones.

IV.1.2. REACTOR QUÍMICO

Un reactor químico es una unidad procesadora diseñada para que en su interior se lleve a cabo una o varias reacciones químicas. Dicha unidad procesadora está

constituida por un recipiente cerrado, el cual cuenta con líneas de entrada y salida para sustancias químicas, y está gobernado por un algoritmo de control.

Los reactores químicos tienen como funciones principales:

Asegurar el tipo de contacto o modo de fluir de los reactantes en el interior del tanque, para conseguir una mezcla deseada con los materiales reactantes.

Proporcionar el tiempo suficiente de contacto entre las sustancias y con el catalizador, para conseguir la extensión deseada de la reacción.

Permitir condiciones de presión, temperatura y composición de modo que la reacción tenga lugar en el grado y a la velocidad deseada, atendiendo a los aspectos termodinámicos y cinéticos de la reacción.

IV.1.3. TIPOS DE REACTORES QUÍMICOS

Existen infinidad de tipos de reactores químicos, y cada uno responde a las necesidades de una situación en particular, entre los tipos más importantes, más conocidos, y mayormente utilizados en la industria se puede mencionar los siguientes:

REACTOR 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.

REACTOR CONTINUO:

Mientras tiene lugar la reacción química al interior del reactor, éste se alimenta constantemente de material reactante, y también se retira ininterrumpidamente los productos de la reacción.

REACTORES BATCH

Es un reactor donde no existe flujo de entrada ni de salida, es simplemente un reactor con un agitador que homogenice la mezcla.

Cuando se habla de reactores discontinuos, se habla de reactores tipo Batch o reactor por lotes. Este tipo de reactores, se caracteriza por no tener flujo de entrada de reactivos, ni de salida de productos mientras se lleva a cabo la reacción.

Puede ser simplemente un tanque, el cual puede o no contener un agitador y se le da tiempo para que se lleve a cabo la reacción; es decir hasta que homogenice la mezcla. En los reactores discontinuos, todos los reactivos son cargados inicialmente en el reactor y la reacción continua entonces hasta completarse.

Una de las ventajas de este reactor es que un solo recipiente realiza una secuencias de diversas de operaciones sin tener que romper la contención, esto es particularmente útil para producir procesos tóxicos o componentes altamente potentes. A pesar que estos reactores son usados a nivel de procesos industriales y aplicaciones de control de contaminación, para tratamiento de aguas residuales no es muy práctico pues se necesita tener entrada y salida de agua para que se pueda tratar volúmenes de agua residual considerables. Para entender este tipo de reactores se plantea la ecuación de balance de masa en el cual está sustentado su diseño.

REACTORES DE FLUJO PISTON (PFR)

Estos reactores trabajan en estado estacionario. Es decir, las propiedades en un punto

determinado del reactor son constantes con el tiempo. Este modelo supone un flujo ideal

de pistón, y la conversión es función de la posición. En este tipo de reactor la composición

del fluido varia de un punto a otro a través de la dirección del flujo, esto implica que el

balance para un componente dado de la o las reacciones químicas implicadas o debe

realizarse en un elemento diferencial de volumen.

REACTOR CONTINUO TIPO TANQUE AGITADO (CSTR)

Estos reactores trabajan en estado estacionario, es decir, que sus propiedades no varían

con el tiempo. Este modelo ideal supone que la reacción alcanza la máxima conversión en

el instante en que la alimentación entra al tanque. Es decir, que en cualquier punto de este

equipo las concentraciones son iguales a las de la corriente de salida. Además para este

tipo de reactor se considera que la velocidad de reacción para cualquier punto dentro del

tanque es la misma y suele evaluarse a la concentración de salida. Para este reactor suele

asumirse que existe un mezclado perfecto, en la práctica esto no es así, pero puede

crearse un mezclado de alta eficiencia que se aproxima a las condiciones ideales.

V.MÉTODO Y MATERIALES

MATERIALES Y REACTIVOS

PRIMERA PRUEBA EXPERIMENTAL

1 Vaso de 100ml1 equipo de agitador magnético1 termómetro 1 probeta de 50 ml1 pipeta de 10ml1 soporte8 ml de Anhídrido Acético32 ml Agua destilada.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Armar nuestro sistema de trabajo con los materiales que contamos, el cual asemejara al funcionamiento de un reactor Batch adiabático, colocando el termómetro dentro del vaso sin que toque la base de este, sujetado por un soporte. Debajo del vaso se colocara el equipo de agitador magnético, el cual empezara su funcionamiento cuando se agregue el agua a la solución de anhídrido acético.

Preparar la solución de anhídrido acético y agua en concentraciones determinadas. Para nuestro caso las cantidades fueron 8 mL de anhídrido acético Q.P. y 32 mL de agua destilada.

Agregar la solución de anhídrido acético al vaso y luego el agua destilada, tapar

inmediatamente y comenzar el funcionamiento del equipo de agitador magnético, tomándose así la primera Temperatura en un tiempo cero. Sucesivamente se seguirá tomando la temperatura en cada min hasta que la temperatura sea constante o disminuya.

DATOS EXPERIMENTALES:

TIEMPO (mim) TEMPERATURA( ºc) T (K)0 15.8 288.951 16.9 290.052 17.6 290.753 18.5 291.654 19.4 292.555 20.4 293.556 21.4 294.557 22.3 295.458 23.4 296.559 24.4 297.55

10 25.4 298.5511 26.4 299.5512 27.4 300.5513 28.4 301.5514 29.3 302.4515 30.1 303.2516 30.9 304.0517 31.8 304.9518 32.5 305.6519 33.1 306.2520 33.7 306.8521 34.3 307.4522 34.7 307.8523 35.1 308.2524 35.4 308.5525 35.8 308.9526 36 309.1527 36.1 309.2528 36.2 309.3529 36.2 309.3530 36.2 309.35

CÁLCULOS

Reacción:

(CH3CO)2 O + H2O 2CH3COOH

A + B C

PRUEBA 1

8ml de anhídrido acético +32 ml de agua destilada

Cp( J/mol*K)

DENSIDAD(g/cm^3) PESO MOLECULAR (g/mol)

(CH3CO)2O 99.5 1.08 102.1

H2O 70.224 1 18.02

CH3COOH 120.35

Halando la masa de anhídrido acético:

m= D(CH3CO)2O * V (CH3CO)2O= 1.08*8=8.64 gr

Halando la masa del agua:

m= DH2O* VH2O= 1*32= 32gr

Halando los moles anhídrido acético:

N(CH3CO)2O= m(CH 3CO)2OM (CH 3CO)2O

= 8.64102.1

=0.085

Halando los moles del agua:

NH2O =mH 2OM H 2O =

3218.02

=1.776

Hallando la concentración molar inicial del anhidro acético:

Cao=N (CH 3CO)2OV SOLUCION

=0.0850.04 = 2.125 M

REALIZANDO EL BALANCE MATERIA:

dtdxa = Caora ……………… (1)

REALIZANDO UN BALANCE DE ENERGIA:

dTdxa

=−Hr∗Na0mT∗Cp ……………(2)

Se tiene:

Ra = K*Ca ……….. (3)

Ca = Cao*(1-xa) ………..(4)

De tablas se tiene un valor de K

En el paper que nos brindó, se calcula el LN (K0),

LN (K)=LN (K0) -−EaR∗T …………ecuación de Arrhenius

0.00333 0.00334 0.00335 0.00336 0.00337 0.00338 0.00339 0.0034 0.00341 0.00342

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

f(x) = − 6032.10508333776 x + 18.3189079870815R² = 0.986815105612199

1/T vs LN(K)

1/T

LN(K

)

En la gráfica se observa que:

T ( ºc) K ( mim^-1) 1/T( K) Ln (K)20 0.106 0.003411223 -2.24431618523 0.1253 0.003376667 -2.07704441726 0.1602 0.003342805 -1.831332244

LN (K) =LN (K0) -−EaR∗T

Se obtuvo la ecuación lineal que representa la ecuación de Arrhenius.

Y=-6032.1*x+18.319

K= exp(18.319− 6032.1

T)

REALIZANDO EL BALANCE DE MATERIA :

Del balance de energía se tiene que calcular el mT* Cp:

SOLUCION:

mt*Cp=Na*Cpa+Nb*Cpb+Nc*Cpc

mt*Cp =( Na0-xa*Na0) * Cpa+ (Nb0- xa*Na0)* Cpb+ (Nc0+ xa*Na0)* CPc

Mt*Cp= Na0(1-xa)+ Na0*(Nb0Na0

– xa)*Cpb+ Na0*xa*CPc

REALIZANDO EL BALANCE DE ENERGIA:

dTdxa

= −Hr∗¿

(1−xa )∗Cpa+( Nb0Na0−xa)∗Cpb+xa∗Cpc

¿

Donde:

Nb0Na0

=1.7760.085

=20.894

Hr=-56000Jmol

INGRESANDO DATOS AL POLYMATH SE TIENE

d(t)/d(Xa) = 1 / (K * (1 - Xa))

d(T)/d(Xa) = 56000 / (1566.197 - 49.374 * Xa)K = 2.7182 ^ (18.319 - 6032.1 / T) # VELOCIDAD ESPECIFICA DE LA REACCIONR = 8.3144Xa(0) = 0.01t(0) = 0T(0) = 291Xa(f) = 0.99

En el CD esta los datos obtenidos por el polymath.

Comparando los datos Experimentales con los datos calculados para la segunda prueba.

0 5 10 15 20 25 30270

280

290

300

310

320

330

REACCION DEL ANHIDRIDO ACETICO CON EL AGUA PARA FORMA ACIDO ACETICO ,PRIMERA PRUEBA

t vs T Experiemntal t vs T calculado

tiempo(min)

TEM

PERA

TURA

K

SEGUNDA PRUEBA EXPERIMENTAL






Agregar la solución de anhídrido acético al vaso y luego el agua destilada, tapar inmediatamente y comenzar el funcionamiento del equipo de agitador magnético, tomándose así la primera Temperatura en un tiempo cero. Sucesivamente se seguirá tomando la temperatura en cada min hasta que la temperatura sea constante o disminuya.

DATOS

EXPERIMENTALES:

TEMPERATURA ºc TEMPERATURA (K) TIEMPO

14.2 287.35 015.2 288.35 1

16 289.15 226.7 290.85 317.4 290.55 418.1 291.25 518.7 291.85 619.3 292.45 719.9 293.05 820.5 293.65 921.1 294.25 1021.7 294.85 1122.2 295.35 1222.6 295.75 1323.1 296.25 1423.5 296.65 1523.9 297.05 1624.2 297.35 1724.5 297.65 1824.8 297.95 19

25 298.15 2025.2 298.35 2125.3 298.45 2225.5 298.65 2325.6 298.75 2425.7 298.85 2525.7 298.85 2625.8 298.95 2725.8 298.95 2825.8 298.95 29

CALCULOS:

(CH3CO)2 O+ H2O 2CH3COOH

A + B C

PRUEBA EXPERIMENTAL II


Cp( J/mol*K) DENSIDAD(g/cm^3) PESO MOLECULAR (g/mol)

(CH3CO)2O 99.5 1.08 102.1

H2O 70.224 1 18.02

CH3COOH 120.35




m= DH2O* VH2O= 1*35= 35gr



= 5.4102.1

=0.053


NH2O =mH 2OM H 2O =

3518.02

=1.942



=0.0530.04 = 1.325 M




dTdxa

=−Hr∗Na0mT∗Cp ……………(2)

Se tiene:

ra=K*Ca ……….. (3)

Ca=Cao*(1-xa) ………..(4)



0.00332 0.00334 0.00336 0.00338 0.0034 0.00342

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

f(x) = − 6032.08343557443 x + 18.3188344140489R² = 0.986816887254947

LN ( K) VS 1/(T) Linear ( LN ( K) VS 1/(T))

1/T

LN (K)

T ( ºc) K ( mim^-1 1/T( K) Ln (K)20 0.106 0.003411223 -2.24431618523 0.1253 0.003376667 -2.07704441726 0.1602 0.003342805 -1.831332244



Y=-6032.1*x+18.319

K= exp(18.319− 6032.1

T)

Del balance de energía se tiene que calcular el mT* Cp :

SOLUCION:





QUEDANDO EL BALANCE DE ENERGIA DE LA SIGUIENTE FORMA:

dTdxa

= −Hr∗¿


¿

Donde

Nb0Na0

=1.9420.053

=36.642

Hr=-56000Jmol


d(t)/d(Xa) = 1 / (K * (1 - Xa))d(T)/d(Xa) = 56000 / (2672.647 - 49.374 * Xa)K = 2.7182 ^ (18.319 - 6032.1 / T) # VELOCIDAD DE LA REACCIONR = 8.3144Xa(0) = 0.01t(0) = 0T(0) = 291Xa(f) = 0.99

Este es el reporte que nos brinda el Software.

En el CD esta los datos obtenidos por el polymath.

Comparando los datos Experimentales con los datos calculados para la segunda prueba.

TERCERA PRUEBA EXPERIMENTAL

0 5 10 15 20 25 30275

280

285

290

295

300

305

310

315

reaccion anhidrido acetico con agua para formar acido ace-tico segunda prueba

IDEAL t vs T t vs T EXPERIMENTAL

tiempo(min)

TEM

PER

ATU

RA

(K)






Agregar la solución de anhídrido acético al vaso y luego el agua destilada, tapar inmediatamente y comenzar el funcionamiento del equipo de agitador magnético, tomándose así la primera Temperatura en un tiempo cero. Sucesivamente se seguirá tomando la temperatura en cada min hasta que la temperatura sea constante o disminuya.

DATOS EXPERIMENTALES:

TEMPERATURA ( ºc) TEMPERATURA( K) TIEMPO mim15 288.15 016 289.15 1

16.5 289.65 217 290.15 3

17.5 290.65 418 291.15 5

18.4 291.55 618.9 292.05 7

19.2 292.35 819.6 292.75 919.9 293.05 1020.2 293.35 1120.5 293.65 1220.8 293.95 13

21 294.15 1421.2 294.35 1521.4 294.55 1621.5 294.65 1721.7 294.85 1821.8 294.95 1921.9 295.05 20

22 295.15 21

CALCULOS:

(CH3CO)2 O+ H2O 2CH3COOH

A + B C

PRUEBA EXPERIMENTAL III


Cp( J/mol*K) DENSIDAD(g/cm^3)

PESO MOLECULAR (g/mol)

(CH3CO)2O 99.5 1.08 102.1

H2O 70.224 1 18.02

CH3COOH 120.35




m= DH2O* VH2O= 1*37= 37gr



= 3.24102.1

=0.032


NH2O =mH 2OM H 2O =

3718.02

=2.053



=0.0320.04 = 0.8M




dTdxa

=−Hr∗Na0mT∗Cp ……………(2)

Se tiene:

ra=K*Ca ……….. (3)

Ca=Cao*(1-xa) ………..(4)




0.00332 0.00334 0.00336 0.00338 0.0034 0.00342

-2.5

-2

-1.5

-1

-0.5

0

f(x) = − 6032.08343557443 x + 18.3188344140489R² = 0.986816887254947

LN ( K) VS 1/(T) Linear ( LN ( K) VS 1/(T))

1/T

LN (K)

T ( ºc) K ( mim^-1 1/T( K) Ln (K)20 0.106 0.003411223 -2.24431618523 0.1253 0.003376667 -2.07704441726 0.1602 0.003342805 -1.831332244


Y=-6032.1*x+18.319

K= exp(18.319− 6032.1

T)

Del balance de energía se tiene que calcular el mT* Cp :

SOLUCION:





QUEDANDO EL BALANCE DE ENERGIA DE LA SIGUIENTE FORMA:

dTdxa

= −Hr∗¿


¿

Donde

Nb0Na0

=2.0530.032

=64.156

Hr=-56000Jmol


d(t)/d(Xa) = 1 / (K * (1 - Xa))d(T)/d(Xa) = 56000 / (4604.79 - 49.374 * Xa)K = 2.7182 ^ (18.319 - 6032.1 / T) # VELOCIDAD ESPECIFICA DE LA REACCIONR = 8.3144Xa(0) = 0.01t(0) = 0T(0) = 291Xa(f) = 0.99

Comparando los datos Experimentales con los datos calculados para la TERCERA prueba.

VI. RESULTADOS

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 100

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

composicion del acido acetico en funcion del tiempo PRUEBA I

t vs Xa

Tiempo

Com

posi

cion

0 5 10 15 20 25285

290

295

300

305

REACCION DEL ANHIDRIDO ACETICO CON EL AGUA PARA FORMAR ACIDO ACETICO TERCERA

PRUEBA

t vs T experimental t vs T CALCULADO

Tiempo (min)

Tem

pera

tura

(K)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200

0.10.20.30.40.50.60.70.80.9

1

COMPOSICION DEL ACIDO ACETICO EN FUNCION DE LA TEMPERATURA PRUEBA II

t vs Xa

tiempo(min)

Com

posi

cion

-4 1 6 11 16 21 260

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

COMPOSICION DEL ACIDO ACETICO EN FUNCION DEL TIEMPO PRUEBA III

t vs Xa

tiempo (min)

Com

posi

cion

del

aci

do a

cetic

o

VII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Como se puede observar en las gráficas obtenidas de TIEMPO VS TEMPERATURA (EXPERIMENTAL) y TIEMPO VS TEMPERATURA (TEÓRICO) discrepan mucho, de lo cual concluimos en que las diferentes tomas de temperatura y de tiempo no fueron tomas con exactitud, lo cual se debe a una falla experimental

VIII.CONCLUSIONES:

Para el funcionamiento del reactor Batch se tomó un rango de temperaturas en diferentes tiempos Y ASI PODER CONOCER SU COMPORATMIENTO PARA LA REACCION ESPECIFICADA.

Utilizando el programa POLYMATH se consiguió REASOLVER LAS ECUACIONES DIFERENCIALES Y REPRESENTARLO EN FORMA GRAFICA la temperatura vs tiempo de forma teórica.

Con la ayuda de POLYMATH y con los datos tomados en el laboratorio realizamos las gráficas de CONCENTRACIÓN VS TEMPERATURA y CONCENTRACIÓN VS TIEMPO, Pará comparar el sistema real con datos obtenidos en la solución del problema matemáticamente.

IX. BIBLIOGRAFÍA

AUTOR: ANTONIO JOSÉ VERDE LÓPEZPEDRO GARCÍA HARO PONENTE: ÁNGEL LUIS VILLANUEVA PERALES ESCUELA SUPERIOR DE INGENIEROS (UNIVERSIDAD DE SEVILLA)

DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA Y AMBIENTAL.

FOGER H.S .(2001) ELEMENTOS DE INGENIERIA DE LAS REACCIONES QUIMICAS .EDITORIAL PEARSON EDUCACION,TERCERA EDICION.

SMITHJ.(1990) INGENIERIA DE LA CINETIC QUIMICA,EDITORIAL CECSA;MEXICO

BELFIORE L, A. (2003) TRANSPORT PHENOMENA FOR CHEMICAL REACTOR DESIGN.EDITORIAL JOHN WILLEY. NEW JERSEY.

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reaccin batch

reaccin mencionada

mezcla de reaccin

temperatura respecto

definicin de reaccin

concepto de reactor

modelo de reactor batch

reactores batch