UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 1 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 REACTOR DE TANQUE AGITADO EN SERIE I.OBJETIVOS -Determinacindelaconstanteespecificadevelocidadenlareaccinenla saponificacin.-Determinar cmo varia la conductividad en relacin al tiempo. -Determinar cmo varia la concentracin de NaOHy CH3COONa con el tiempo. -Determinar cmo varia la conversin de NaOH yCH3COONa con el tiempo. II.FUNDAMENTO TEORICO La expresin general para un balance de materia es la siguiente: {Caudaldeacumulacindemateria}={Caudaldeentradademateria}- {Caudal de salida de materia} + {Caudal de generacin de materia}(1) Que tambin puede expresarse como: {Caudaldeacumulacindemateria}={Caudalnetodeentradade materia} + + {Caudal de generacin de materia}(2) De la figura, el balance de materia anterior aplicado al componente i ser: iNniR mdtdMi n+ ==1,C i ,..., 2 , 1 =donde: dMi/dt:Variacindelacantidaddecomponenteienel sistema con el tiempo. mn,i:Caudaldecomponenteiqueentraosaledelsistema con la corriente n. Ri: Cantidad de componente i generado por unidad de tiempo en el sistema, debido a una o varias reacciones qumicas (en general r reacciones) en las que i interviene. Enelsumatoriodelaecuacin(3)seadoptarelsigno(+) para las corrientes de entrada y el signo (-) para las de salida. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 2 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Reactor continuo de tanque agitado funcionando idealmente Unreactorcontinuodetanqueagitadoes,bsicamente,unrecipienteporel quecirculauncaudaldefluidom,yencuyosenoelfluidoseencuentra perfectamente agitado de manera que, en un momento dado, todos los puntos del mismo poseen idnticas propiedades, variando stas con el tiempo. Siseaplicaelbalancemacroscpicodemateriaauntanqueagitadode volumenconstante(caudalvolumtricodeentrada=caudalvolumtricode salida)dondenoocurrereaccinqumica,elbalance(3)sepuedeexpresar como: 0 ) (2 1= j jim mdtdM donde(m1,i-m2,i)esladiferenciaentreloscaudalesmsicosdeentraday salidadelcomponentei,yMilamasadelcomponenteidentrodeltanquede volumen V en un momento dado. Si se tiene en cuenta: (1)Queladiferenciaentreloscaudalesdeentradaysalidapuede expresarse como:) ( ) (2 1 2 1 j j j jC C Q m m = donde Q es el caudal volumtrico que fluye a travs del sistema (y que sesuponeconstante)yC1,iyC2,ison,respectivamente,las concentraciones de componente i a la entrada y salida del mismo. (2) Que la masa de componente i dentro del volumen V es: dV C MVi j}=y por tanto:dtdCVdtdVCdtdMi+ =donde Ci es la concentracin de componente i en el tanque. El balance quedar de la siguiente forma: 0 ) (1 2= + dtdCV C C Qij j ecuacinque,unavezintegrada,permiteobtenerlafuncinCi=Ci(t) queexpresalavariacindelaconcentracindelcomponenteienel tanque con el tiempo. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 3 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Sisesuponequeporelreactorcontinuodetanqueagitadocirculauncaudal constante de agua y que, en un momento dado, se introduce en el mismo una ciertacantidaddecomponentei;paradeterminarlavariacindela concentracin del componente i dentro del tanque con el tiempo, debe tenerse en cuenta: (a) que la concentracin del componente i a la salida es la misma que la concentracin del componente i dentro del tanque, es decir, C2, i = Ci. (b)quelaconcentracindelcomponenteienelcaudaldeentradaes cero. Por tanto podr escribirse: 0 . = +dtdCV C Qii |.|

\| = tVQC Ci iexp .0 dondeCioeslaconcentracindecomponenteieneltanqueenel tiempo t=0. Volumen de control. En este caso es el volumen en el interior del reactor que seencuentraocupadoporellquido.Estoimplicaqueelvolumendecontrol est lleno de lquido entodo momento, que la fronteradelsistemaesmvilyportantola superficiedecontrolesvariable.EnlaFigura seobservaelvolumendecontrol seleccionado,seobservatambinqueel reactorcuentaconunacorrientede enfriamientoodecalentamiento(segnel caso), con un agitador y con una vlvula en la corriente de salida. UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 4 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 REACTOR DE MEZCLA COMPLETA O CSTR Un Reactor de Mezcla Completa o CSTR es un recipiente en donde se pueden realizar reacciones cinticas y algunos otros tipos. La simulacin de un reactor de mezcla completa requiere que se especifiquen las velocidades de cada una de las reacciones, adems de su estequiometra y los parmetros incluidos en la ecuacin de diseo del reactor Reactor de Mezcla Completa Unreactordemezclacompletaesuntanquedotadodeunmecanismode agitacin que garantice un mezclado que haga que toda la masa reaccionante seauniformeensus propiedades.LaFigura muestraunesquemadeun reactordemezclacompleta. Unreactordemezcla completaoperaenforma continua,esdecir,losflujos de entrada de reaccionantes y salidadeproductosson permanentes.Seasumeque lacorrientedeentradaes perfectaeinstantneamente mezcladaconlamasa presenteenelreactor,detal maneraquelaconcentracin de la corriente de salida es igual a la concentracin de la masa reaccionante dentro del reactor. Laconversinquesealcanzaenunreactorde mezclacompletadependedel volumen,eltiempoespacialylavelocidaddereaccinenelreactor,adems delflujoylaconcentracindelalimento.Estos factoresestn relacionadosen laecuacindediseopropiadeestetipodereactoryqueseescribe,ms adelante, en el planteamiento del modelo. Modelo matemtico de Reactor de Mezcla Completa En un reactor de mezcla completa, los flujos de cada uno de los componentes en la corriente de salida son los de la corriente de entrada ms el producido o consumido neto en la reaccin, de acuerdo a la velocidad de sta y al volumen de masa reaccionante en el reactor. El balance de materia para cada componente se puede escribir, por lo tanto, de la siguiente manera: C i V F FiriiiP,..., 10= + = El subndice p, se refiere a la corriente producto; o, a la corriente de entrada; i, a cada uno de los componentes; V el volumen de masa reaccionante en el reactor y r i , la velocidad de reaccin neta del componente i. Esta velocidad se expresa en trminos de la velocidad de reaccin para el componente lmite y teniendoencuentaloscoeficientesestequiomtricosencadaunadelas reacciones. El balance calrico se puede escribir de la siguiente forma, UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 5 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 estableciendo el balance de entalpa entre las corrientes de entrada y salida al reactor: ) (1 10 0 reaccionCiipipCii iH Vr h F Q h F A + = + = = Siendohp,h0,lasentalpas molaresdelcomponenteienla entrada y salida, respectivamenteyQ,elcalor absorbido o liberado en el reactor yreaccinH,elcalorde reaccin y r la velocidad neta de reaccin del componente lmite. Laecuacindediseodeun reactordemezclacompletaes dada por rXC Fv= =0 0t SiendoV,elvolumendel reactor;,eltiempoespacial; Fo,Co,elflujomolaryla concentracinmolardereactivolmiteenlacorrientedeentrada, respectivamente;Xyrlaconversinylavelocidaddereaccin, respectivamente, del reactivo lmite en el reactor. VADEMECUM: Para la siguiente reaccin, se tiene: NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH Kr: Constante de reaccin Lacinticadeestareaccinseconsiderade2 orden,sobretodoabajas temperaturas.Estareaccinesligeramenteexotrmicayengeneralproducealtas conversiones a temperaturas ambiente y presin atmosfrica. 4007.263380.exp( )..KrTTtemperatura K | |= |\ .*lmol seg| | |\ .UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 6 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Se recomienda trabajar a una temperatura dentro de los reactores menores o iguales a 30C para evitar reacciones indeseadas. De manera experimental: | |0.195 1 0.0184( 294)aT a A = + 000 0 00 0 0=+=+= uuaa aa bbb ba bC b b aC a b aFC x CF FFC x CF FC C para C CC C para C C( )( )0 00.07 1 0.0284 294 2940.195 1 0.0184 294 294 . = + >( . = + >( C Ca aT C ParaTT C ParaT( )( )0 00 0 0 000.195 1 0.1284 294 0 = . = + =( . = . + .a a ba a b a ba a aC aC para C CC C C para C CT C ParaC no( )( )0 00 0 0 000.195 1 0.1284 294 0 = . = + =( . = . + .a a ba a b a ba a aC aC para C CC C C para C CT C ParaC no( )0 000 (. .= + (. . ta a a aC C C C0000 ( . .= = (. . tc c cC C Para CUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 7 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 La conversin xa Evaluamos la constante de velocidad a partir del balance de materia en el reactor. Para un reactor continuo que se asume que est operando en un estado de volumen constante. En el equilibrio:

El estado estacionario de la concentracin del hidrxido de sodio en el reactor se usa para calcular la constante de velocidad (K). NomenclaturaFa, FbFlujo de los reactantes a y b. Concentracin de los reactantes a, b y producto c. Concentracin en el tiempo infinito de los reactantes a, b y c. Conductividad del reactante a y el producto c. Conductividad enel tiempo infinito del reactante a y el producto c. V Volumen del reactor. ( )0000= = =a aca c ca CC CCX X Para CC C2| | | = + | |\ .a aVelocidadde cambio Entrada F C V KCen el reactor( )( ) ( )0002220a a aa aaa aa baF C FC V K CC CFKV CC CF FKV C= =+=0 0 0, ,a b cC C C, , a b cC C C0 0, . .a c, . .a cUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 8 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Dependencia de la temperatura de la reaccin y la constante de velocidad Esteprocedimientoessimilaralexperimento,linealizandoahoralaecuacinde Arrhenius. Aqu las temperaturas debe variarse para obtener diferentes constantes de velocidad, se analizar la grfica: Kcon1/T. III.PARTE EXPERIMENTAL Materiales y Equipos Solucin de NaOH 0.05M Solucin de Acetato de Etilo 0.05M Agua destilada Vaso de precipitados Cronmetro Balanza 2 baldes de 15 litros PipetaEquipo de 3 reactores de tanque agitado en serie ARMFIELD 1ln ln== ERTK AeEK AT RUNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 9 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Procedimiento Experimental Preparar 5 litros de NaOH 0.04MPreparar 5 litros de Acetato de Etilo 0.04M Depositarambassolucionesenlostanquesdealmacenamiento,aun nivel aproximadamente de 5 cm del tope y taparlos. Fijarloscontrolesdevelocidaddeflujodelasbombasalrededorde70 ml/min de caudal. Establecer la velocidad de los agitadores a un valor de 7.0. Encenderamboscontroles(bombayagitadores)enelmodomanualy luego encender el equipo. Procederalalecturadedatosdelaconductividadcada60seghasta queestesemantengaconstante,alrededorde45min.aprox(se seleccionar un sensor de conductividad). IV.RESULTADOS Y DISCUSION Formulasa utilizar ( )( )( )( )( )000 0 00 0 00 00 0para para 0.070 1 0.0284 294para T2940.195 1 0.0184 294para T2940 para a aa bba bcaFa aF FFb bF Fc b b ac a b aT cT aa ba a b (=(+ ( (=(+ ( = Z= Z. = + >( . = + >( = Z= ( )0 0para a0.195 1 0.0184 294si no=0ac abT a a >. = + ( . = . + . UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 10 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Resultados Datos: T (k) =297.15 V (dm3) = 0.7 Fa (dm3/s) = 0.001167 Fb (dm3/s) = 0.001167 au (mol/dm3) = 0.04 bu (mol/dm3) = 0.04 ao (mol/dm3) =0.02 bo (mol/dm3) =0.02 c (mol/dm3) =0.02 c (ms) =1.525244 ao (ms) =4.126044 Ca =0 o (ms) =4.126044 (ms) =1.525244 co =0 t (s) conductividad (ms) a (mol/dm3) c (mol/dm3) XaXc 0.000003.630000.020000.000000.000000.00000 30.000003.600000.019710.000290.014250.01425 60.000003.580000.019520.000480.023760.02376 90.000003.570000.019430.000570.028510.02851 120.000003.540000.019140.000860.042760.04276 150.000003.520000.018950.001050.052260.05226 180.000003.490000.018670.001330.066520.06652 210.000003.470000.018480.001520.076020.07602 240.000003.460000.018380.001620.080770.08077 270.000003.430000.018100.001900.095020.09502 300.000003.420000.018000.002000.099770.09977 330.000003.400000.017810.002190.109280.10928 360.000003.380000.017620.002380.118780.11878 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 11 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 390.000003.360000.017430.002570.128280.12828 420.000003.340000.017240.002760.137780.13778 450.000003.320000.017050.002950.147290.14729 480.000003.310000.016960.003040.152040.15204 510.000003.290000.016770.003230.161540.16154 540.000003.270000.016580.003420.171040.17104 570.000003.260000.016480.003520.175790.17579 600.000003.240000.016290.003710.185290.18529 630.000003.230000.016200.003800.190050.19005 660.000003.220000.016100.003900.194800.19480 690.000003.210000.016010.003990.199550.19955 720.000003.200000.015910.004090.204300.20430 750.000003.190000.015820.004180.209050.20905 780.000003.190000.015820.004180.209050.20905 810.000003.180000.015720.004280.213800.21380 840.000003.170000.015630.004370.218550.21855 870.000003.170000.015630.004370.218550.21855 900.000003.160000.015530.004470.223300.22330 930.000003.160000.015530.004470.223300.22330 960.000003.160000.015530.004470.223300.22330 990.000003.150000.015440.004560.228050.22805 1020.000003.150000.015440.004560.228050.22805 1050.000003.150000.015440.004560.228050.22805 1080.000003.150000.015440.004560.228050.22805 1110.000003.140000.015340.004660.232810.23281 1140.000003.140000.015340.004660.232810.23281 1170.000003.140000.015340.004660.232810.23281 1200.000003.140000.015340.004660.232810.23281 1230.000003.140000.015340.004660.232810.23281 1260.000003.140000.015340.004660.232810.23281 1290.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1320.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1350.000003.140000.015340.004660.232810.23281 1380.000003.140000.015340.004660.232810.23281 1410.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1440.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1470.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1500.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1530.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1560.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1590.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1620.000003.130000.015250.004750.237560.23756 1650.000003.130000.015250.004750.237560.23756 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 12 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 GRAFICAS: 0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.50.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0 1800.0Conductividad (ms) Tiempo (s) Tiempo vs. Conductividad Reactor 1 0.0000.0050.0100.0150.0200.0250 500 1000 1500 2000NaOH y CH3COONa (mol/dm3) Tiempo (s) Tiempo vs. NaOH y CH3COONa Reactor 1 NaOH CH3COOH UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 13 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Determinando la constante de velocidad especifica (k) para el REACTOR 1 ao (mol/dm3) =0.02 a (mol/dm3) =0.01525 La velocidad de reaccin ser: Y para reacciones en fase liquida: Reemplazando los valores, se tiene 0.0000.0500.1000.1500.2000.2500 500 1000 1500 2000Xa y Xb Tiempo (s) Tiempo vs. Xa y Xc Reactor 1

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 14 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 V.CONCLUSIONES -Sedebehacerusodeaguadesionizada,delocontrariosepueden registrardatosdeconductividaderrneosporlapresenciadeotrosionesenel agua. -El Na+ es el marca la conductividad, por lo tanto a medida que ocurre la reaccin (se consume el Na+) disminuye la conductividad. -Los reactores continuos agitados en serie se utilizan para aumentar la conversin delosreactivosconrespectoaunnicoreactoryobtenerasunproductocon mayor pureza. -DelagrficaTiempovs.Concentracin,seconcluyequeamedidaquepasael tiempolaconcentracin dereactantesyproductossehacenconstante, debidoa que la reaccin est llegando a su punto de equilibrio. VI.ANEXOS Problema Unareaccin en fase liquida se lleva a cabo en una batera de reactores de mezcla perfecta en serie la estequiometria de la reaccin es

La reaccin ocurre a

y la ecuacin cintica de la reaccines de

con una constante

, el flujo msicoes de 30 000 Kg/h y la densidad promediodela mezcla es de 900 Kg/m3 los tanques sonde 50 m3 y la concentraciones inciales de los reactantessonCAO = 1 Kmol/m3 y CBO= 3.8 Kmol/m3 Calcule el nmero de tanques necesariopara lograr la conversin de 70% deA UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 15 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Solucin1.- ECUACION ESTEQUIOMETRICA

2.- DE LA ECUACION CINETICA

..(2) 3.- ECUACION DE DISEO REACTORCSTR

Dividiendo en

SABEMOS

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 16 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Entonces

0(3) Reemplazando(3) en ( 4)

Ordenando tenemos

.(4) Hallando

En la ecuacin (4)

Parael primer tanque

DE (1)

Para el segundo tanque

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 17 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 DE (1)

Para el tercer tanque

DE (1)

Parael cuarto tanque

DE (1)

Para el quinto tanque

DE (1)

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 18 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2 Para el sexto tanque

DE (1)

Para el sptimo tanque

DE (1)

Para el octavo tanque

DE (1)

Para el noveno tanque

DE (1)

El nmero de tanque necesario para la conversin del70% de A es de 9 UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERIA QUIMICA 19 | LABORATORIO DE INGENIERIA 2