Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Rosario Cátedra de Ing. De las Reacciones

Trabajo practico Nº 4: HIDRÓLISIS ALCALINA DE ACETATO DE ETILO EN UN REACTOR TUBULAR CONTINUO AÑO 2013

Ing. Roque Masciarelli - Ing Silvia Stancich - Ing. Stoppani Fernando

OBJETIVO Estudiar el comportamiento de un reactor tubular determinando experimentalmente el grado de conversión alcanzado en el mismo y compararlo con el determinado teóricamente con distintos modelos de flujo ideal y no ideal. También se desea construir la gráfica de puesta en marcha del reactor, gráfica que muestra como va evolucionando la conversión alcanza en la salida del reactor en el tiempo, hasta que finalmente se alcanza el estado estacionario.

FUNDAMENTOS Como vimos en el TP Nº1 la reacción en estudio es la saponificación del Acetato de Etilo en medio alcalino. Esta se realiza en fase homogénea (líquida), y a temperatura y volumen constante. La estequiometría de la reacción es: k CH 3COOCH 2CH 3 + NaOH  → CH 3COONa + CH 3CH 2OH

El mecanismo propuesto es: O (-) ||

O (-) | H3C – C – O – C2H5 | OH

k1 +

CH3 – C (+) – O - C2H5

HO:

k2

Ión Carboxilato

O (-) | H3C – C – O – C2H5 | OH

O || CH3 - C – O -- H

+

O || CH3 - C - OH

k3

CH3CH2-O (-)

+

Ión alcóxido

CH3CH2-O (-)

k4 Na (+)

O || CH3 - C – ONa Acetato de Sodio

+ C2H5 - OH Etanol

La ecuación cinética para esta reacción es (se considera reacción irreversible):

( −rA ) = −

dC A = kC ACB dt

Donde los subíndices A y B representan Acetato de Etilo e Hidróxido de Sodio respectivamente. La constate cinética viene dada como una función de la temperatura de acuerdo a la ecuación de Arrhenius: k (T ) = 4,6 *109 * e

−5817 T

l    mol − min    1

EQUIPOS A UTILIZAR •

Reactor Flujo Pistón: colocado verticalmente, con alimentación por la parte inferior.

•

Bomba 1: de desplazamiento positivo. El caudal de la bomba se puede regular variando la carrera del pistón. Se utiliza para impulsar la solución de hidróxido de sodio a través del reactor. Este tipo de bomba tiene la característica de brindar un caudal constante.

•

Bomba 2: Esta bomba de marca ARES (Modelo DS6-0910-M-PP-2-S), del tipo a diafragma accionado por un electroimán, posee un modo de regulación manual, un cabezal de polipropileno y dos válvulas de cerámica y vitón; además la ejecución de la bomba es estándar. El modelo DS60910 tiene un rango de caudal de 0.1 a 9 l/h, trabaja a una presión máxima de 10 bar y las dimensiones se muestran en la figura.

Sirve para líquidos corrosivos ácidos o alcalinos. Además el cuerpo de la bomba es de plástico, ideal para ambientes agresivos; aptos para la intemperie. El diafragma está recubierto por teflón lo cual lo hace apto para todo tipo de líquidos. No requiere lubricación; una única pieza en movimiento reemplaza motor, reductor, rodamientos, etc; por lo cual requiere mínimo mantenimiento. El caudal de la bomba se puede regular variando la frecuencia de los impulsos o la carrera del diafragma. Se utiliza para alimentar la solución de acetato de etilo. •

Recipiente 1: Para contener la solución de NaOH, es de plástico.

•

Recipiente 2: Para contener la solución de Acetato de Etilo; es de vidrio y de menor tamaño que el anterior.

DROGAS Soluciones a utilizar (por cada comisión): •

15 Lts de NaOH 0,008 N, para alimentar el reactor.

•

2 Lt de Acetato de Etilo (5ml/Lt).

•

1/2 Lt de NaOH 0,01 N, para titulación.

•

1/2 Lt de HCl 0,01 N (considerar que el ácido también se utiliza para titular las solución de hidróxido si éstas no se valoran con droga patrón).

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MATERIALES DE LABORATORIO •

Termómetros (1).

•

Pipeta o volpipeta de 20 ml (2): para dosificación del HCl en los recipientes donde se recogen las muestras y para la toma de muestras a la salida del reactor.

•

Vaso de ppdo. de 150 ml (1): para recoger las muestras a la salida del reactor.

•

Pera de aspiración (2).

•

Erlenmeyers de 150 ml aprox. (7 u 8).

•

Bureta, Piseta.

•

Fenolftaleína.

•

Soporte universal.

•

Hielo: para refrigerar los recipientes donde se colocan las muestras donde se colocan las muestras.

•

Recipientes para mezcla refrigerante (3): para los erlenmeyers con ácido previamente refrigerado, para el vaso de ppdo donde se recoge la muestra y para el erlenmeyer dónde se realiza la titulación.

TÉCNICA OPERATORIA Para poder utilizar los resultados obtenidos en el TP Nº 3, es necesario que el caudal de alimentación al reactor sea el mismo que el utilizado anteriormente. Además se precisa que la alimentación al reactor de Acetato de Etilo (A) e Hidróxido de Sodio (B) sea equimolar, ya sea porque se simplifican las expresiones matemáticas o bien porque se dispone de graficas en la bibliografía para esta condición. Para esto es necesario regular

FP

los caudales de ambas corrientes. Por tal motivo se realiza un balance en el punto de entrada al reactor. E

A

Balance global en el punto de mezcla:

v A + v B = vE

B

Balance por componentes en el punto de mezcla:

C AAvA = C AE vE CBB vB = CBE vE Las condiciones que se deben cumplir son:

vA + vB = vE = vo = 150 ml min * C AE = CBE *Caudal utilizado en la experiencia realizada para determinar la DTR

3

De las expresiones anteriores se deduce que:

C AAvA = CBB vB Y como C AA

y CBB son conocidas se llega finalmente a: vA =

vE  C AA  1 + B   CB 

Con las ecuaciones anterior calculamos los caudales de A y B para que la alimentación se equimolar. Se llena el reactor con la solución de NaOH utilizando la bomba de desplazamiento positivo, y se regula su caudal vA a la salida del reactor. Por otra parte se regula el caudal del acetato de etilo (vB) calculado anteriormente; el ajuste del caudal de trabajo deseado se regula variando la frecuencia y la carrera del diafragma. Se debe tener la precaución de sostener la conducción plástica a la altura de la salida del reactor (altura de descarga). A continuación se conecta la manguera al reactor. En el instante en que se comienza a alimentar el reactor con el éster se considera tiempo igual a cero. En ese instante y a intervalos de 5 min se toman muestras a la salida del reactor recogiendo una cantidad mayor a 20 ml en un vaso de ppdo refrigerado; luego se pipetean 20 ml y se trasvasan a un erlenmeyer donde previamente se han colocado 20 ml de HCl 0,01 M refrigerado. Se titula el exceso de ácido con solución de NaOH 0,01 N utilizando fenolftaleína como indicador. Esta operación se realiza hasta llegar al estado estacionario, es decir hasta que la conversión obtenida sea constante. Recordar que se debe tomar la temperatura de la experiencia y el volumen del reactor si no se lo conoce previamente.

CÁLCULOS Y RESULTADOS •

Determinación de las concentraciones de alimentación: Las concentraciones iniciales de los reactivos se calculan teniendo en cuenta que a la entrada del reactor hay dos corrientes de alimentación y por lo tanto la concentración de la mezcla será distinta de las concentraciones de cada corriente.

•

Determinación de la conversión real en el reactor: Se hacen los cálculos correspondientes para obtener la conversión alcanzada a cada instante a partir del volumen de hidróxido gastado en la titulación de la muestra a la salida del reactor. Indicar en el informe los cálculos realizados y graficar la conversión Vs tiempo. Se construye la siguiente tabla:

4

Alimentación

Titulación

Caudal NaOH (ml/min)

NaOH (N)

Caudal AcEt (ml/min)

HCl (N)

Concentración AcEt (N) en el tanque Concentración AcEt (N) en la alimentación Concentración NaOH (N) en el tanque

τ

Concentración NaOH (N) en la alimentación

Temp. (ºC)

Densidad AcEt (gr/ml)

V Reactor (ml)

Tiempo

Volumen HCl (ml)

Volumen muestra (ml)

Volumen NaOH gastado (ml)

(min)

Normalidad muestra

Conversión

0 5 10

•

Determinación de la conversión estimada aplicando distintos modelos:

Se realizan de igual forma que en el TP Nº3 I. Modelos ideales I.1. Flujo pistón ideal para n=2. I.2. Mezclado perfecto para n=2. II. Modelos no ideales II.1. Dispersión axial: considerar el Módulo de Dispersión obtenido en el T.P. anterior. Si la relación CAo/CBo es 1, se puede considerar a la reacción como del tipo: (-rA) = k CA2 y obtener el valor de la conversión para un reactor real según el Modelo de Dispersión Axial obteniendo los datos a partir de la gráfica 9-23 de O. Levenspiel. II.2. Serie de tanques agitados Con el valor de N calculado en el TP Nº 3

A partir del valor de N calcular el valor de la conversión para una serie de tanques agitados. Tener en cuenta cual será el valor más razonable a adoptar en caso de que N no sea un número entero. II.3. Segregación total ∞

x =∫x A

A,TAD

E (t )dt

0

CONCLUCIONES Por último efectuar la comparación de los valores obtenidos y sacar conclusiones. BIBLIOGRAFÍA

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TP Nº 4:HIDRÓLISIS ALCALINA DEL ACETATO DE ETILO EN UN REACTOR TUBULAR CONTINUO MAPA CONCEPTUAL

O B J E T I V O S

Obtener la conversión real para una saponificación en el reactor FP Comparar la conversión real con la obtenida por modelos de: • Flujo ideal • Flujo no-ideal

Se utiliza el FP de Pta Piloto, alimentando con Acetato de etilo e hidróxido de sodio, la alimentación en relación estequiométrica y el mismo caudal utilizado para det DTR

Obtenemos xA real

Extraemos CA0, CB0 V (Vol RX) v (caudal) T (Temp)

xA

Calculamos conversión para los modelos ideales: • FP • MC

Del TP de DTR en Rx FP, extraemos: • D (Módulo de dispersión) • N (Número de TK´s en serie) • Curva E(t)

Calculamos conversión para Modelo de Dispersión Axial (Utilizando gráfica) Calculamos conversión para el Modelo de TK´s en Serie Calculamos conversión para el modelo de Segregación

Real FP ideal MC ideal Modelo Disp axial Modelo N TK´s Modelo segregación