UNIVERSIDAD NACIONAL DEL LITORAL FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA CÁTEDRA DE INGENIERÍA DE LAS REACCIONES QUÍMICAS Ic GUÍAS DE TRABAJOS PRÁCTICOS TRABAJO PRÁCTICO No. 3 TEMA: EFECTOS TÉRMICOS DISCONTINUO NINA EN REACTORES QUÍMICOS. REACTOR OBJETIVOS: Determinar la evolución temporal de la temperatura en un reactor discontinuo agitado con intercambio de calor (NINA) para una reacción exotérmica, y comparar los resultados con los obtenidos por simulación numérica en computadora. FUNDAMENTOS TEÓRICOS: Se estudiará el comportamiento del sistema reaccionante en solución acuosa: 2 Na2S2O3 + 4 H2O2 Na2S3O6 + Na2SO4 + 4 H2O Esta reacción es fuertemente exotérmica (HR 147 kcal/gmol Na2S2O3), prácticamente irreversible, y responde aproximadamente a la expresión cinética: r = k.[ Na2S2O3].[H2O2] [r] = gmol Na2S2O3/cm3.s y la constante cinética k varía con la temperatura de acuerdo a la expresión: k = 1014.23+0.0001.T.(16.08++0.127.T).e-18100/R.T En un reactor discontínuo con intercambio térmico, la evolución temporal de las concentraciones de tiosulfato (CA), agua oxigenada (CB) y de la temperatura del sistema reaccionante T quedan determinadas por las ecuaciones diferenciales de balance de masa y calor, la relación estequiométrica entre A y B, y las condiciones iniciales: dCA/d = - k(T).CA.CB V.Cpv.(dT/d) = k(T).CA.CB.(-HR) – A.U.(T-t) CB = CB0 – 2.(CA0 – CA) T(0) = 0 CA(0) = CA0 CB(0) = CB0 las cuales pueden resolverse utilizando algún método numérico adecuado (Euler, Runge-Kutta, etc.) para obtener dichas evoluciones. En las condiciones ordinarias de la realización del trabajo práctico, se observará inicialmente un aumento en la temperatura del sistema reaccionante debido que al comienzo la generación de calor por la reacción química supera a la velocidad de transferencia de calor del sistema hacia el fluido que lo rodea: k(T).CA.CB.(-HR) > A.U.(T-t) pasando luego por un máximo cuando ambos términos se igualan (debido a que la generación disminuye cuando la velocidad de reacción comienza a disminuír y a que el término de intercambio aumenta al aumentar la temperatura del sistema): k(T).CA.CB.(-HR) = A.U.(T-t) dT/d = 0 y disminuyendo posteriormente cuando la transferencia supera a la generación, la cual tiende a ser nula a medida que se agotan los reactivos y la velocidad de reacción tiende a cero. La temperatura del sistema reaccionante tenderá hacia el valor de la del fluido de intercambio a tiempo infinito: k(T).CA.CB.(-HR) < A.U.(T-t) [k(T).CA.CB.(-HR)] = 0 [dT/d] = A.U.(T – t) T = t T T0 t TÉCNICA OPERATORIA EQUIPO EXPERIMENTAL: El reactor consistirá en un vaso de precipitados, ubicado sobre un agitador magnético y eventualmente con un baño termostático para operar en régimen de transferencia térmica a temperatura de pared constante. Un termómetro digital fijo permitirá el seguimiento continuo de la temperatura del medio reaccionante. REACTIVOS Y MATERIALES NECESARIOS Solución de H2O2 1,2 M Solución de Na2S2O3 0,8 M Vaso de precipitados (típicamente 250 mL) Termómetro digital (resolución 0,1 °C) Agitador magnético Baño termostático (opcional) Cronómetro PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Cantidades adecuadas (típicamente volúmenes iguales) de las soluciones concentradas de tiosulfato de sodio y agua oxigenada se vertirán rápidamente en el reactor con agitación, dando comienzo inmediatamente (la reacción es bastante rápida en condiciones normales, y por lo tanto la evolución de temperatura también lo será) a las lecturas de temperatura mediante un termómetro digital, a intervalos adecuados y durante el tiempo necesario para apreciar el máximo de temperatura y el descenso posterior más lento cuando la reacción prácticamente ya se ha completado. Deberá registrarse además la temperatura del medio ambiente o del baño termostático. PROCESAMIENTO DE DATOS. INFORME DEL TRABAJO PRÁCTICO Se recomienda utilizar software especializado para integración de sistemas de ecuaciones diferenciales ordinarias (Matlab, Matcad, Scientist, etc.), teniendo en cuenta que el sistema es muy sensible (“stiff”). El parámetro A.U/V.Cpv puede estimarse previamente haciendo uso los valores de T() finales, correspondientes a velocidad de reacción nula, con lo cual: V.Cpv.(dT/d) A.U.(T-t) expresión que puede integrarse fácilmente y obtener así el valor de dicho parámetro utilizando los valores de T en el rango indicado. Estimado el valor de A.U/V.Cpv se podrá entonces proceder a la integración del sistema de ecuaciones diferenciales del balance de masa y calor, obteniéndose los perfiles temporales teóricos de temperatura, los cuales se compararán con los obtenidos experimentalmente.