BALANCE DE MASA EN UN REACTOR QUÌMICO

BALANCE DE MASA EN UN REACTOR QUÌMICO.

INTRODUCCIÓN.

En la industria de los procesos químicos el reactor es un elemento primordial y la reacción química y los parámetros que la afectan son los puntos de proceso a controlar.

Desde el punto de vista de diseño de estos equipos, el ingeniero debe de ser capaz de contestar las siguientes preguntas:

1. Cómo seleccionar el mejor tipo de reactor químico para una reacción particular.
2. Cómo estimar el tamaño necesario del reactor.
3. Cómo determinar las mejores condiciones de operación del reactor.

Y para poder contestarlas en necesario que el ingeniero conozca cuando menos:

1. La capacidad o escala de operación.
2. La reacción química involucrada.
3. Las bases de diseño del proceso.

La capacidad o escala de operación se habrá determinado en función de un estudio previo de mercado que indicará cual es la cantidad de producto que se debe de fabricar para satisfacer una demanda determinada para algún sector en específico.

Mediante el conocimiento de la reacción química involucrada y su cinética se podrá determinar la dirección y extensión de la reacción, lo que permitirá obtener parámetros para las bases de diseño.

Las bases del proceso están dadas por el conocimiento paso a paso de cómo y con que equipos se pretende obtener el producto deseado. Esto normalmente involucra el diagrama de flujo de proceso y balance de materiales y de energía.  Los balances de materia y energía deberán de realizarse en función del tipo de alimentación u operación que presente el reactor.

De acuerdo con el tipo de operación los reactores se clasifican en intermitentes, continuos y semintermitentes.

Reactor intermitente: Se colocan todos los reactivos al principio de la operación y se procesa durante el tiempo necesario para obtener la conversión química deseada, sin agregar o extraer materiales del reactor. La composición de la mezcla y la velocidad de reacción cambian con respecto al tiempo.

Reactor continuo: Se introducen los reactivos y se remueven los productos en forma simultánea y continua. La composición de la mezcla varía con la posición en el equipo, y a cada posición  le corresponde una composición, la cual tiende a ser constante si el equipo se opera bajo condiciones de régimen permanente.

Reactor semicontinuo: Se opera de dos maneras:

a) Se coloca al principio solo un reactivo en el reactor y después, durante el proceso se agrega continuamente el otro reactivo de acuerdo con un programa dictado por las necesidades de la reacción química.

b) Se colocan todos los reactivos a un tiempo y se remueve en forma continua uno de los productos durante el tiempo que dure el proceso.

OBJETIVO GENERAL.

Aplicar los conocimientos adquiridos de balance de masa en reacciones químicas.

OBJETIVOS ESPECIFICOS.

1. Conocer el principio de la unidad de servicio del reactor batch Armfield CEB MKII.
2. Determinar cual es el reactivo limitante y cual es el reactivo en exceso, en la producción de acetato de sodio e hidróxido de etilo.
3. Conocer métodos indirectos para la evaluación de la extensión de una reacción química. En este caso mediante la evaluación continua del cambio en la conductividad.

EQUIPO.

Reactor Batch Armfield CEB MK II.

MATERIALES.

2 Probetas graduadas de 500 ml.

3 Vasos de precipitado de 1000 ml.

Agua desionizada.

Un cronómetro.

Un embudo.

REACTIVOS.

Preparar las siguientes soluciones:

Hidróxido de sodio 0.05 M.

Acetato de etilo  0.05 M.

Cloruro de potasio 0.1 M.

PROCEDIMIENTO DE OPERACIÓN.

Nota: Verifique que el conductímetro funcione correctamente una semana antes del inicio de las sesiones prácticas, esto se realiza de la siguiente forma:

Calibre el conductímetro introduciendo el sensor a la solución  de cloruro de potasio  0.1 M, con una lectura de 12.88 mS a una temperatura de 15 C.  (Si el equipo no se encuentra calibrado habrá que llamar a servicio).

Los pasos 1 al 14 deberán ser realizados por el profesor 30 min antes de  iniciar la práctica.

1. Asegurarse que el equipo esté limpio.
2. Colocar el reactor batch en la unidad de servicio correspondiente
3. Identificar las partes de ésta unidad de servicio. Figura 1.

[pic 1]

Fig. 1.  Unidad de servicio del reactor químico.

Descripción del equipo.

1. Mesa de la unidad de servicio.

1. Contenedores (No se utilizan en esta práctica).

1. Tuercas (No se utilizan en esta práctica).
2. Dosificador (No se utiliza en esta práctica).

1. Reactor Batch (Tanque de acero inoxidable, en la base del reactor dice Reactor Batch).
2. Bomba  peristáltica (No se utiliza en esta práctica).
3. Bomba peristáltica (No se utiliza en esta práctica).
4. Interruptor del equipo.
5. Agitador de propela.
6. Sensor de conductividad (k)
7. Motor eléctrico.
8. Sensor de temperatura (T)
9. Control de la velocidad de agitación.
10. Contenedor de agua (No se utiliza en esta práctica).
11. Conexión del medidor de conductividad (k)
12. Conexión del medidor de temperatura (T)
13. Registro de temperatura.

1. Interruptor.

1. Registro de conductividad.
2. Registro del intercambiador de calor (chill).

1.  Interruptor.
2.  Conexión.

1. Asegurarse que el reactor batch esté bien cerrado.
2. Conectar todas las mangueras de la válvula de 3 vías con los números correspondientes hacia la tapa del reactor batch. Según se muestra en la  Figura 4.
3. Asegúrese que el Chiller tenga agua (desionizada)  hasta el nivel por encima de los   tubos.
4. Adicionar  0.5 litros de la solución de NaOH al reactor batch con ayuda de un embudo  por el orificio que se encuentra en la parte superior (tapa) del reactor.
5. Conectar el enfriador de agua (Chiller water  circulator) a la toma de corriente  eléctrica (110 v)
6. Conectar la unidad de servicio a la toma de corriente eléctrica (110 v). El enfriador cuenta con un regulador que transformará esta corriente a 220 v. por lo que se debe tener cuidado que la Unidad se conecte a un voltaje de 110 volts.
7. Encender el equipo con el interruptor que se encuentra en la parte frontal de la mesa del equipo (Fig.1 No.6).
8. Corroborar que todos  los controles frontales de la mesa de servicio se encuentren en posición manual (Fig. 2, No. 4, 5 y 11).

[pic 2]

Fig. 2.  Mesa de servicio.

1. Verificar que el interruptor del medidor de Temperatura (15a) esté en posición 1, así como el interruptor del enfriador (17a) se encuentre en posición chill, y conectar el cable espiral a la conexión (17b) que se encuentra junto a esté interruptor como se muestra en la Figura 3.

[pic 3]

Figura 3.

1. Mediante el registro de temperatura (Fig.3):

1. Ajustar   la temperatura de la siguiente forma: L1= 15      L2=  14.9

1. Presionar el botón superior  del lado izquierdo (que tiene el termómetro) con las flechas del lado derecho; seleccione L1 a 15 C y con el botón inferior L2 seleccione a 14.9 C.

1. Encienda el agitador que está en la parte frontal del equipo y ajuste a una velocidad de 7.0 (Ver figura 1).
2. Anote  la lectura de conductividad inicial en la tabla de datos.
3. Adicione lentamente 0.5 litros de la solución de acetato de etilo 0.05 M por el orificio de la tapa superior del reactor y a la vez comenzar a tomar el tiempo.
4. Tome las lecturas de conductividad cada dos minutos durante 40 min. Escriba estos datos en el cuadro anexo.
5. Apague el equipo con el interruptor No 6 (Fig.1)
6. Desconecte las clavijas de la toma de corriente.
7. Vacíe el reactor Batch y enjuague con agua desionizada con el embudo por el orificio que se encuentra en la parte superior (tapa) del reactor batch.
8. Tape el reactor Batch.

Cuadro 1. Cambios en la conductividad respecto al tiempo de reacción.

DATOS A REPORTAR

1. Dibuje una gráfica de tiempo contra A (concentración de hidróxido de sodio a cada tiempo t) .( 1 punto)
2. Dibuje una gráfica de tiempo contra “ln  [pic 4]”.  La pendiente de la gráfica (-k), representa la constante específica de velocidad de reacción en    mol/ l s  para la reacción de NaOH y acetato de etilo en sistema en lote a temperatura constante de 15  o C. La definición de las literales se da en la parte de tratamiento de datos. (4 puntos)

1. Obtenga la pendiente de los datos por regresión lineal o cuadrática dando el coeficiente de correlación de la recta.  Para estos datos sólo trabaje con 30 minutos de la reacción, tomando los datos de tiempo infinito a los 40 minutos y tampoco tome el dato t = 0. (3 puntos )

1. Determine cuál es el reactivo en exceso y cuál es el reactivo limitante. (1 punto)

1. Diga cómo se pueden obtener las concentraciones de acetato de etilo, de acetato de sodio de acetato de sodio y del y del alcohol etílico, repórtelos. (1 punto).

OBTENCION Y TRATAMIENTO DE DATOS

Realice una hoja de cálculo para que se le faciliten la obtención de datos con los siguientes valores y ecuaciones. Convierta la medida de conductividad a milisiemens

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