practica 1 reactores(batch)

UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO FACULTAD DE INGENIERA QUMICA

Laboratorio de Ingeniera de ReactoresPractica N 1: Constante Cintica y Orden de Reaccin en un Reactor Tipo BatchLaboratorista: Ma. Teresa Reyes ReyesArturo Romo Ramos Matricula: 0618097C Modulo: 4 Seccin: 01 05/12/2012

Prctica N 1: Constante Cintica y Orden de Reaccin en un Reactor Tipo Batch

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Prctica N 1: Constante Cintica y Orden de Reaccin en un Reactor Tipo BatchObjetivo Determine el orden de reaccin con respecto a cada uno de los reactivos y la constante cintica aparente y real Analizar el comportamiento de un reactor Batch.

IntroduccinLos reactores se definen como los equipos en cuyo interior se da lugar a reacciones qumicas, estando estos diseados para tratar de maximizar la conversin y dirigir la selectividad de la reaccin, todo al menor costo posible. Hay diversos tipos de reactores, aqu los dividiremos en dos categoras, 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 reaccin. Puede ser simplemente un tanque, el cual puede o no contener un agitador y se le da tiempo para que se lleve acabo la reaccin; es decir hasta que homogenice la mezcla. En los reactores discontinuos, todos los reactivos son cargados inicialmente en el reactor y la reaccin 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 contencin, esto es particularmente til para producir procesos txicos o componentes altamente potentes. A pesar que estos reactores son usados a nivel de procesos industriales y aplicaciones de control de contaminacin, para tratamiento de aguas residuales no es muy prctico pues se necesita tener entrada y salida de agua para que se pueda tratar volmenes de agua residual considerables. Para en tender este tipos de reactores se plantea la ecuacin de balance de masa en el cual esta sustentado su diseo. TASA DE MATERIA ACUMULADA=TASA DE MATERIA ENTRANTE-TASA DE MATERIASALIENTETASA DE MATERIA REACCIONANTE Por consecuencia en un reactor batch no hay flujo de entrada ni salida por lo tanto los dos trminos de la ecuacin son ceros.

5 de diciembre de 2012


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El primer paso en el procedimiento de diseo lgico de reactores es obtener una expresin de velocidad de reaccin qumica del proceso y esto requiere datos experimentales. Los datos pueden ser obtenidos a travs de un reactor de laboratorio a pequea escala para operar a temperatura y presin constantes, como es el caso del reactor batch. La velocidad de una reaccin qumica es la velocidad a la cual una reaccin procede y se mide por la velocidad de desaparicin de uno de los reactivos o la aparicin de uno de los productos. La velocidad de reaccin puede expresarse como una forma matemtica conocida como una ecuacin cintica de velocidad de reaccin, como sigue:

Siendo A, B y C las sustancias de cuyas concentraciones depende la velocidad de reaccin. Los corchetes [] significan concentraciones de moles de reactivo por litro de mezcla de reaccin. La constante especfica de velocidad (k) depende de la naturaleza de los reactivos y de la temperatura a la cual se lleva a cabo la reaccin. Los exponentes , y son los rdenes con respecto a A, B y C respectivamente y tienen que ser determinados experimentalmente. Es comn que sean nmeros enteros positivos pequeos, pero puede presentarse el caso de que sean fraccionarios y/o negativos. Estos exponentes describen el orden de reaccin, siendo el orden total de reaccin la suma de los exponentes. La reaccin qumica que se estudiara en este experimento ser: C25H30ClN3 + NaOH C25H31N3O + NaCl Violeta cristal pararosanilina base

La cintica de la reaccin se va estudiar midiendo la concentracin de violeta cristal en tiempos conocidos durante el transcurso de la misma. La expresin de velocidad para la reaccin aplicada en un reactor discontinuo de volumen constante es:



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

Donde:

Material y Reactivos 1 Espectrofotmetro UV-Visible 4 celdas para espectrofotmetro 4 matraces aforados de 100 ml Pipetas de 5, 10, 20, 25 ml 1 termmetro 1 cronmetro Solucin de violeta de cristal 3.5x10-5 M (A) Solucin de NaOH 0.1 M (B) Termo bao

Procedimientoa) Determinacin del orden con respecto al violeta cristal y kA (aparente) En un matraz aforado de 100 ml se colocan 10 ml de una solucin de NaOH y aproximadamente 60 ml de agua. Para iniciar la reaccin pasar una alcuota de 20 ml de la solucin 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 espectrofotmetro y tomar lecturas de transmitancia a la longitud de onda de 590 nm cada 2 minutos aproximadamente. Anotar los resultados. Medir la temperatura de reaccin al principio y al final del experimento. b) Determinacin de (orden de reaccin con respecto a la sosa) y k Usar el mismo procedimiento que en caso anterior, pero esta vez en tres matraces aforados diferentes, aadiendo a cada uno respectivamente 5, 15 y 20 ml de la solucin de sosa; cuidado que al agradar el agua no exceda 70 ml del volumen total antes de aadir la solucin de violeta de cristal. El procedimiento subsiguiente es el mismo que en el experimento a)



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Clculos y Resultados Primera parte a) 1. Reportar todos tus datos experimentales incluyendo una grfica de calibracin. 2. Calcular la concentracin inicial en el reactor de cada uno de los reactivos 3. Demostrar que cuando el violeta cristal ha reaccionado completamente en la concentracin de sosa es menor al 2%. 4. Por medio del mtodo integral obtener el orden de reaccin 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 condicin inicial. 3. Calcular el orden de reaccin con respecto al hidrxido de sodio y calcular la k (constante de velocidad especfica). 4. Plantear la ecuacin cintica de velocidad de reaccin. 5. Hacer una grafica de conversin vs tiempo para cada una de las cuatro reacciones. 6. Interpretar esta grafica y explicar si es posible utilizarla para determinar los parmetros de la ecuacin de velocidad de reaccin. 7. Deducir la ecuacin (1) del instructivo, ecuacin para un reactor batch.

Curva de calibracin Concentracin 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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abs3 2.5 Absorbancia 2 1.5 1 0.5 0 0 0.00001 0.00002 Concentracin 0.00003 0.00004 y = 79312x R = 0.995

y = 78459x + 0.02 R = 0.9953

abs Linear (abs) Linear (abs)

Determinacin del orden de reaccin respecto al violeta cristal y determinacin 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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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

1089708.33 1401053.57 1601204.08 1669340.43 1669340.43

ln [conc] vs tiempo0 0 -2 -4 -6 Ln [Conc] -8 -10 -12 -14 -16 y = -0.0005x - 11.522 R = 0.9942 tiempo (seg) ln conc Linear (ln conc) 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Como podemos observar los datos experimentales obtenidos en la parte a) de la prctica se pueden ajustar de muy buen modo a la cintica 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 cintica y la concentracin del reactivo en exceso, los cuales se determinaran en la siguiente parte.



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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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Ln [Conc]0 0 -2 -4 -6 ln [Conc] -8 -10 -12 -14 -16 y = -0.0007x - 11.464 R = 0.9958 tiempo (seg) Valores Y Linear (Valores Y) 1000 2000 3000 4000 5000 6000



9

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

Para 15 ml de NaOH min 3 6 9 12 15 17 18 20 22 24 26 28 32 35 37 39 41 42 48 52 56 59 62

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



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ln [Conc] vs tiempo0 -2 -4 -6 ln [conc] -8 -10 -12 -14 -16 -18 y = -0.0022x - 11.286 R = 0.9182 Tiempo Valores Y Linear (Valores Y) 0 500 1000 1500 2000 2500

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

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



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41

56

2516

0.004

-2.03928E07

#NUM!

-4903687.5

ln [Conc] vs tiempo0 0 -2 -4 -6 ln [Conc] -8 Valores Y -10 -12 -14 -16 -18 y = -0.0026x - 11.165 R = 0.9934 Tiempo Linear (Valores Y) 500 1000 1500 2000



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Determinacin del orden de reaccin con respecto al NaOH y la constante cintica de la ecuacin de velocidad. No 1 2 3 Ml de NaOH 5 15 2 (Cbo)i 0.005 0.015 0.02 Ka 0.0007 0.0022 0.0026 Ln Cbo -5.29831737 -4.19970508 -3.91202301 ln Ka -7.26443022 -6.11929792 -5.95224383

Linelizando la ecuacin anterior:

Con los datos experimentales realizamos una grafica:

Determinacin de k y 0 -8 -6 -4 -2 -1 -2 ln [kA] -3 -4 y = 1.0209x + 2.1103 R = 0.9935 -5 -6 Valores Y Linear (Valores Y) 0

ln [NaOH]

Del grafico podemos observar:



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Anlisis de resultadosLos resultados que obtuvimos pueden presentar cierto margen de error ya que aun cuando la curva de calibracin se realizo con el mayor cuidado posible esta puede presentar algn error en el blanco prueba de ello es que en algunos de los datos experimentales la concentracin calculada se vuelve negativa lo cual no significa nada fsicamente.

ConclusionesEl realizar esta practica nos permite observar con un ejemplo el como funciona un reactor batch ya que con su ecuacin de diseo y la ecuacin cintica de la reaccin podemos seguir el transcurso de esta dentro del reactor y poder calcular parmetros como la conversin de uno de los reactivos as como la concentracin de los productos o la constante cintica de la reaccin.


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reaccin en

reactor y

los reactivos y

reaccin aplicada en

agitador y se

constante cintica y

cual una reaccin

y se mide por