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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).
2
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
5
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