Practica 1 Reactores(batch)

UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

Laboratorio de Ingeniería de Reactores Practica N° 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch Laboratorista: Ma. Teresa Reyes Reyes Arturo Romo Ramos Matricula: 0618097C Modulo: 4° Sección: 01 05/12/2012

Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

Práctica N° 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch Objetivo  Determine el orden de reacción con respecto a cada uno de los reactivos y la constante cinética aparente y real  Analizar el comportamiento de un reactor Batch.

Introducción Los reactores se definen como los equipos en cuyo interior se da lugar a reacciones químicas, estando estos diseñados para tratar de maximizar la conversión y dirigir la selectividad de la reacción, todo al menor costo posible. Hay diversos tipos de reactores, aquí los dividiremos en dos categorías, aquellos que son de flujo continuo y los de flujo discontinuo. 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 acabo la reacción. Puede ser simplemente un tanque, el cual puede o no contener un agitador y se le da tiempo para que se lleve acabo 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 en tender este tipos de reactores se plantea la ecuación de balance de masa en el cual esta sustentado su diseño. TASA DE MATERIA ACUMULADA=TASA DE MATERIA ENTRANTE-TASA DE MATERIASALIENTE±TASA DE MATERIA REACCIONANTE Por consecuencia en un reactor batch no hay flujo de entrada ni salida por lo tanto los dos términos de la ecuación son ceros.

5 de diciembre de 2012

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Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

El primer paso en el procedimiento de diseño lógico de reactores es obtener una expresión de velocidad de reacción química del proceso y esto requiere datos experimentales. Los datos pueden ser obtenidos a través de un reactor de laboratorio a pequeña escala para operar a temperatura y presión constantes, como es el caso del reactor batch. La velocidad de una reacción química es la velocidad a la cual una reacción procede y se mide por la velocidad de desaparición de uno de los reactivos o la aparición de uno de los productos. La velocidad de reacción puede expresarse como una forma matemática conocida como una ecuación cinética de velocidad de reacción, como sigue:

Siendo A, B y C las sustancias de cuyas concentraciones depende la velocidad de reacción. Los corchetes [] significan concentraciones de moles de reactivo por litro de mezcla de reacción. La constante específica de velocidad (k) depende de la naturaleza de los reactivos y de la temperatura a la cual se lleva a cabo la reacción. Los exponentes α, β y γ son los órdenes con respecto a A, B y C respectivamente y tienen que ser determinados experimentalmente. Es común que sean números enteros positivos pequeños, pero puede presentarse el caso de que sean fraccionarios y/o negativos. Estos exponentes describen el orden de reacción, siendo el orden total de reacción la suma de los exponentes. La reacción química que se estudiara en este experimento será: C25H30ClN3 + NaOH C25H31N3O + NaCl Violeta cristal

pararosanilina base

La cinética de la reacción se va estudiar midiendo la concentración de violeta cristal en tiempos conocidos durante el transcurso de la misma. La expresión de velocidad para la reacción aplicada en un reactor discontinuo de volumen constante es:

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Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

A menos que se escojan condiciones muy especiales de concentraciones, los resultados de tales experimentos darán información acerca del orden total de reacción, donde el orden esta definido como (α+β). Para nuestro experimento podemos evaluar los datos que deseamos obtener con las siguientes expresiones:

Donde:

Material y Reactivos  1 Espectrofotómetro UV-Visible  4 celdas para espectrofotómetro  4 matraces aforados de 100 ml  Pipetas de 5, 10, 20, 25 ml  1 termómetro  1 cronómetro  Solución de violeta de cristal 3.5x10-5 M (A)  Solución de NaOH 0.1 M (B)  Termo baño

Procedimiento a) Determinación del orden con respecto al violeta cristal y kA (aparente) En un matraz aforado de 100 ml se colocan 10 ml de una solución de NaOH y aproximadamente 60 ml de agua. Para iniciar la reacción pasar una alícuota de 20 ml de la solución de violeta cristal y empezar a tomar el tiempo cuando la mitad de la pipeta se haya vaciado. Aforar con agua a 100 ml y agitar. Pasar inmediatamente a una celda del espectrofotómetro y tomar lecturas de transmitancia a la longitud de onda de 590 nm cada 2 minutos aproximadamente. Anotar los resultados. Medir la temperatura de reacción al principio y al final del experimento. b) Determinación de β (orden de reacción con respecto a la sosa) y k Usar el mismo procedimiento que en caso anterior, pero esta vez en tres matraces aforados diferentes, añadiendo a cada uno respectivamente 5, 15 y 20 ml de la solución de sosa; cuidado que al agradar el agua no exceda 70 ml del volumen total antes de añadir la solución de violeta de cristal. El procedimiento subsiguiente es el mismo que en el experimento a)

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Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

Cálculos y Resultados  Primera parte a) 1. Reportar todos tus datos experimentales incluyendo una gráfica de calibración. 2. Calcular la concentración inicial en el reactor de cada uno de los reactivos 3. Demostrar que cuando el violeta cristal ha reaccionado completamente en la concentración de sosa es menor al 2%. 4. Por medio del método integral obtener el orden de reacción con respecto al violeta de cristal y la constante aparente kA.  Segunda parte b) 1. Calcular las concentraciones iniciales de violeta cristal y sosa. 2. Trazar una grafica para cada una de las muestras corridas determinando el valor de kA para cada condición inicial. 3. Calcular el orden de reacción con respecto al hidróxido de sodio β y calcular la k (constante de velocidad específica). 4. Plantear la ecuación cinética de velocidad de reacción. 5. Hacer una grafica de conversión vs tiempo para cada una de las cuatro reacciones. 6. Interpretar esta grafica y explicar si es posible utilizarla para determinar los parámetros de la ecuación de velocidad de reacción. 7. Deducir la ecuación (1) del instructivo, ecuación para un reactor batch.

Curva de calibración Concentración abs 0.000035 2.692 0.0000175 1.503 0.00000875 0.794 0.000004375 0.37 2.1875E-06 0.161 1.09375E-06 0.079 5.46875E-07 0.014 1.36719E-07 0.007

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Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

abs

y = 78459x + 0.02 R² = 0.9953

y = 79312x R² = 0.995

3 Absorbancia

2.5 2 abs

1.5 1

Linear (abs)

0.5

Linear (abs)

0 0

0.00001

0.00002

0.00003

0.00004

Concentración

Determinación del orden de reacción respecto al violeta cristal y determinación de kA apartir de los datos experimentales Para 10 ml de NaOH hr min seg t (Seg) abs Conc ln conc 1/conc 0 5 0 300 0.643 7.94045E-06 -11.74354023 125937.4 0 10 20 620 0.589 7.2522E-06 -11.83420632 137889.279 0 13 16 796 0.544 6.67865E-06 -11.91659507 149730.916 0 15 30 930 0.509 6.23255E-06 -11.98572426 160447.853 0 17 48 1068 0.473 5.77372E-06 -12.06219463 173198.675 0 20 25 1225 0.437 5.31488E-06 -12.14500053 188151.079 0 23 31 1411 0.402 4.86878E-06 -12.23266614 205390.052 0 25 50 1550 0.371 4.47367E-06 -12.31730053 223529.915 0 28 20 1700 0.34 4.07856E-06 -12.40976576 245184.375 0 31 11 1871 0.316 3.77267E-06 -12.4877273 265064.189 0 33 25 2005 0.295 3.50502E-06 -12.56131566 285305.455 0 38 40 2320 0.255 2.99519E-06 -12.71850124 333868.085 0 41 35 2495 0.222 2.57459E-06 -12.86981906 388410.891 0 44 35 2675 0.202 2.31968E-06 -12.97408007 431093.407 0 46 45 2805 0.193 2.20497E-06 -13.02479516 453520.231 0 51 20 3080 0.173 1.95006E-06 -13.14764883 512803.922 0 55 5 3305 0.165 1.8481E-06 -13.20135301 541096.552 0 58 50 3530 0.153 1.69515E-06 -13.28773763 589917.293 1 1 45 3705 0.137 1.49122E-06 -13.41591282 670589.744 1 6 38 3998 0.125 1.33828E-06 -13.5241264 747228.571 1 11 20 4280 0.098 9.9415E-07 -13.82137793 1005884.62

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Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

1 1 1 1 1

15 19 23 31 34

5 40 50 20 30

4505 4780 5030 5480 5670

0.092 0.076 0.069 0.067 0.067

9.17677E-07 7.13749E-07 6.2453E-07 5.99039E-07 5.99039E-07

-13.90142063 -14.15273506 -14.28626646 -14.32793915 -14.32793915

6

1089708.33 1401053.57 1601204.08 1669340.43 1669340.43

ln [conc] vs tiempo 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

-2 -4

Ln [Conc]

-6 ln conc

-8

Linear (ln conc) -10 -12 -14 -16

y = -0.0005x - 11.522 R² = 0.9942 tiempo (seg)

Como podemos observar los datos experimentales obtenidos en la parte a) de la práctica se pueden ajustar de muy buen modo a la cinética de un primer orden donde:

Cabe mencionar que este es un seudo-orden ya que uno de los reactivos se encuentra en exceso, y en la constante aparente se encuentra englobado la constante cinética y la concentración del reactivo en exceso, los cuales se determinaran en la siguiente parte.

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Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

Para 5 ml de NaOH hr min seg t (Seg) abs Conc ln Conc 1/Conc 0 2 29 149 0.774 9.61011E-06 -11.5526944 104057.029 0 4 48 288 0.685 8.47576E-06 -11.6782997 117983.459 0 7 30 450 0.62 7.64731E-06 -11.7811571 130765 0 9 48 588 0.571 7.02278E-06 -11.8663519 142393.829 0 12 1 721 0.527 6.46197E-06 -11.9495757 154751.479 0 14 7 847 0.479 5.85019E-06 -12.0490365 170934.641 0 16 0 960 0.457 5.56979E-06 -12.0981536 179540.046 0 17 26 1046 0.422 5.1237E-06 -12.1816347 195171.642 0 19 28 1168 0.394 4.76682E-06 -12.253831 209783.422 0 21 18 1278 0.37 4.46093E-06 -12.3201536 224168.571 0 23 12 1392 0.336 4.02758E-06 -12.4223445 248287.975 0 25 5 1505 0.318 3.79816E-06 -12.4809933 263285.235 0 27 28 1648 0.293 3.47952E-06 -12.568615 287395.604 0 31 28 1888 0.251 2.94421E-06 -12.735669 339649.351 0 34 12 2052 0.221 2.56185E-06 -12.8747818 390343.284 0 36 18 2178 0.214 2.47263E-06 -12.9102286 404427.835 0 38 1 2281 0.2 2.29419E-06 -12.9851299 435883.333 0 39 50 2390 0.185 2.10301E-06 -13.0721413 475509.091 0 41 40 2500 0.17 1.91183E-06 -13.1674515 523060 0 44 10 2650 0.156 1.73339E-06 -13.2654319 576904.412 0 46 22 2782 0.149 1.64417E-06 -13.3182743 608209.302 0 49 7 2947 0.133 1.44024E-06 -13.4506989 694327.434 0 50 57 3057 0.123 1.31279E-06 -13.5433578 761737.864 0 53 6 3186 0.113 1.18533E-06 -13.6454873 843645.161 0 54 38 3278 0.112 1.17259E-06 -13.6562982 852815.217 0 56 48 3408 0.099 1.0069E-06 -13.8086389 993151.899 0 58 49 3529 0.097 9.81404E-07 -13.8342813 1018948.05 1 0 28 3628 0.096 9.68659E-07 -13.8473534 1032355.26 1 3 0 3780 0.082 7.90222E-07 -14.0509524 1265467.74 1 7 0 4020 0.071 6.50021E-07 -14.2462611 1538411.76 1 9 0 4140 0.066 5.86293E-07 -14.3494454 1705630.43 1 12 35 4355 0.059 4.97075E-07 -14.5145251 2011769.23 1 14 29 4469 0.055 4.46093E-07 -14.6227387 2241685.71 1 16 11 4571 0.055 4.46093E-07 -14.6227387 2241685.71 1 24 12 5052 0.055 4.46093E-07 -14.6227387 2241685.71

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Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

8

Ln [Conc] 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

-2 -4

ln [Conc]

-6 Valores Y

-8

Linear (Valores Y)

-10 -12 -14 -16

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y = -0.0007x - 11.464 R² = 0.9958 tiempo (seg)

Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

Para 15 ml de NaOH min

hr 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

3 6 9 12 15 17 18 20 22 24 26 28 32 35 37 39 41 42

0

48

0

52

0

56

0

59

0

62

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seg t (Seg) abs conc ln conc 1/conc 47 227 0.435 5.28939E-06 -12.1498082 189057.831 23 383 0.366 4.40995E-06 -12.331648 226760.116 56 596 0.271 3.19912E-06 -12.6526338 312585.657 19 739 0.225 2.61283E-06 -12.8550768 382726.829 0 900 0.176 1.9883E-06 -13.1282307 502942.308 1 1021 0.15 1.65692E-06 -13.3105523 603530.769 45 1125 0.141 1.54221E-06 -13.3822962 648421.488 57 1257 0.111 1.15984E-06 -13.6672272 862186.813 50 1370 0.098 9.9415E-07 -13.8213779 1005884.62 34 1474 0.066 5.86293E-07 -14.3494454 1705630.43 25 1585 0.061 5.22566E-07 -14.4645147 1913634.15 17 1697 0.035 1.91183E-07 -15.4700366 5230600 26 1946 0.028 1.01964E-07 -16.0986452 9807375 2 2102 0.02 0 #¡NUM! #¡DIV/0! 22 2242 0.024 5.0982E-08 -16.7917924 19614750 17 2357 0.022 2.5491E-08 -17.4849396 39229500 8 2468 0.016 -5.0982E-08 #¡NUM! -19614750 45 2565 0.014 -7.64731E#¡NUM! -13076500 08 27 2907 0.012 -1.01964E#¡NUM! -9807375 07 49 3169 0.012 -1.01964E#¡NUM! -9807375 07 8 3368 0.008 -1.52946E#¡NUM! -6538250 07 50 3590 0.008 -1.52946E#¡NUM! -6538250 07 21 3741 0.008 -1.52946E#¡NUM! -6538250 07

9

Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

ln [Conc] vs tiempo 0 -2

0

500

1000

1500

2000

2500

-4

ln [conc]

-6 -8

Valores Y

-10

Linear (Valores Y)

-12 -14 -16 -18

y = -0.0022x - 11.286 R² = 0.9182 Tiempo

Para 20 ml de NaOH min seg t (Seg) abs conc ln conc 3 20 200 0.695 8.60322E-06 -11.6633741 6 5 365 0.411 4.98349E-06 -12.2093792 8 42 522 0.295 3.50502E-06 -12.5613157 10 50 650 0.224 2.60008E-06 -12.8599668 13 6 786 0.17 1.91183E-06 -13.1674515 15 38 938 0.123 1.31279E-06 -13.5433578 17 58 1078 0.095 9.55913E-07 -13.8605986 19 33 1173 0.078 7.3924E-07 -14.1176437 21 34 1294 0.06 5.0982E-07 -14.4892073 23 35 1415 0.051 3.95111E-07 -14.7440995 25 37 1537 0.036 2.03928E-07 -15.405498 27 25 1645 0.036 2.03928E-07 -15.405498 32 54 1974 0.012 -1.01964E#¡NUM! 07 35 39 2139 0.011 -1.1471E-07 #¡NUM! 38 13 2293 0.005 -1.91183E#¡NUM! 07 40 6 2406 0.005 -1.91183E#¡NUM! 07

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1/conc 116235.5556 200662.4041 285305.4545 384602.9412 523060 761737.8641 1046120 1352741.379 1961475 2530935.484 4903687.5 4903687.5 -9807375 -8717666.67 -5230600 -5230600

10

Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

41

56

2516

0.004

-2.03928E07

#¡NUM!

11

-4903687.5

ln [Conc] vs tiempo 0 0

500

1000

1500

2000

-2 -4

ln [Conc]

-6 -8 Valores Y -10

Linear (Valores Y)

-12 -14 -16 -18

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y = -0.0026x - 11.165 R² = 0.9934 Tiempo

Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

Determinación del orden de reacción con respecto al NaOH y la constante cinética de la ecuación de velocidad. No

Ml de NaOH 1 2 3

(Cbo)i 5 15 2

Ka

0.005 0.015 0.02

Ln Cbo 0.0007 0.0022 0.0026

ln Ka

-5.29831737 -4.19970508 -3.91202301

-7.26443022 -6.11929792 -5.95224383

Linelizando la ecuación anterior:

Con los datos experimentales realizamos una grafica:

Determinación de k y β 0 -8

-6

-4

-2

0 -1

ln [kA]

-2 -3

Valores Y Linear (Valores Y)

-4 y = 1.0209x + 2.1103 R² = 0.9935

ln [NaOH]

Del grafico podemos observar:

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-5 -6

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Práctica N 1: Constante Cinética y Orden de Reacción en un Reactor Tipo Batch

Análisis de resultados Los resultados que obtuvimos pueden presentar cierto margen de error ya que aun cuando la curva de calibración se realizo con el mayor cuidado posible esta puede presentar algún error en el blanco prueba de ello es que en algunos de los datos experimentales la concentración calculada se vuelve negativa lo cual no significa nada físicamente.

Conclusiones El realizar esta practica nos permite observar con un ejemplo el como funciona un reactor batch ya que con su ecuación de diseño y la ecuación cinética de la reacción podemos seguir el transcurso de esta dentro del reactor y poder calcular parámetros como la conversión de uno de los reactivos así como la concentración de los productos o la constante cinética de la reacción.

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