1221O5 Prácticas Experimentales de Ingeniería Química

Prácticas Experimentales de Ingeniería Química para
tiempos de crisis: algunos ejemplos aplicados en la
USC
Juan M. Garrido y Jose Luis Campos
Departamento de Ingeniería Química
Universidad de Santiago de Compostela
Indice
1.- Contexto
2.- Grado en Ingeniería Química de la USC
3.- Prácticas experimentales en el Grado
4.- Cinética heterogénea S-L.
5.- Conclusiones
Contexto
Evolución del presupuesto
(base, año 2008=100)
Universidad
Escuela, ETSE
Departamento
200%
180%
160%
140%
120%
100%
80%
60%
2005
2006
2007
2008
Año
2009
2010
2011
2012
Grado en Ingeniería Química de la USC: Distribución Temporal
Básicas
1.2.
1.1.
2.1.
Rama Industrial
2.2
Específicas
3.1
3.2
4.1
Física
(9)
Química
Analítica
(6)
Expresión
Gráfica
(6)
Ciencia de
Materiales
(4,5)
Control de
Procesos
(6)
Laboratorio
Procesos
Químicos
(6)
Informática
(9)
Ecuaciones
Diferenciales
(6)
Organización y
economía de
empresas
(6)
Transferencia
de Materia
(6)
Reactores
Químicos
(6)
Proyectos y
diseño de
instalaciones
(6)
Termodinámica
Aplicada a la
Ingeniería
(6)
Transmisión
de Calor
(6)
Sistemas
de producción
Industrial
(4,5)
Ingeniería
de Procesos
(4,5)
Simulación y
optimización
(4,5)
Química
Orgánica
(6)
Ingeniería de la
Reacción
Química
(4,5)
Ingeniería
Ambiental
(4,5)
Automatica
Industrial
(4,5)
Matemáticas
(9)
Química
Fundamental
(6)
Química
Inorgánica
(6)
Electrotecnia
(6)
Fundamentos
de Procesos
Químicos
(6)
Análisis de
Procesos
Químicos
(4,5)
Transporte
de
Fluidos
(6)
Inglés
Técnico
(4,5)
Estadística
(6)
Fundamentos
Lab. Fluidos de Maquinas y
Y Calor
Resist. Mat
(6)
(6)
Ingeniería
Bioquímica
(4,5)
Optativa I
(4,5)
Optativa III
(4,5)
Optativa II
(4,5)
Optativa IV
(4,5)
4.2
Trabajo
Fin de
Grado
(24)
Aula
Profesional
(6)
Grado en Ingeniería Química de la USC: Distribución Temporal
Básicas
1.2.
1.1.
2.1.
Rama Industrial
2.2
Específicas
3.1
3.2
4.1
Física
(9)
Química
Analítica
(6)
Expresión
Gráfica
(6)
Ciencia de
Materiales
(4,5)
Control de
Procesos
(6)
Laboratorio
Procesos
Químicos
(6)
Informática
(9)
Ecuaciones
Diferenciales
(6)
Organización y
economía de
empresas
(6)
Transferencia
de Materia
(6)
Reactores
Químicos
(6)
Proyectos y
diseño de
instalaciones
(6)
Termodinámica
Aplicada a la
Ingeniería
(6)
Transmisión
de Calor
(6)
Sistemas
de producción
Industrial
(4,5)
Ingeniería
de Procesos
(4,5)
Simulación y
optimización
(4,5)
Química
Orgánica
(6)
Ingeniería de la
Reacción
Química
(4,5)
Ingeniería
Ambiental
(4,5)
Automatica
Industrial
(4,5)
Matemáticas
(9)
Química
Fundamental
(6)
Química
Inorgánica
(6)
Electrotecnia
(6)
Fundamentos
de Procesos
Químicos
(6)
Análisis de
Procesos
Químicos
(4,5)
Transporte
de
Fluidos
(6)
Inglés
Técnico
(4,5)
Estadística
(6)
Fundamentos
Lab. Fluidos de Maquinas y
Y Calor
Resist. Mat
(6)
(6)
Ingeniería
Bioquímica
(4,5)
Optativa I
(4,5)
Optativa III
(4,5)
Optativa II
(4,5)
Optativa IV
(4,5)
4.2
Trabajo
Fin de
Grado
(24)
Aula
Profesional
(6)
Grado en Ingeniería Química
•
Fundamentos de Procesos Químicos (0,9 de 6 ECTS):
El alumno realiza 2 prácticas:
•
•
•
•
•
•
•
Determinación de viscosidad
Determinación de conductividad térmica
Ecuación de Hagen-Poiseuille
Experimento de Osborn-Reynolds
Determinación de temperatura húmeda y temperatura seca
Destilación diferencial
Convección natural y forzada
Grado en Ingeniería Química
•
Fundamentos de Procesos Químicos (0,9 de 6 ECTS):
• Determinación de viscosidad
Grado en Ingeniería Química
•
Fundamentos de Procesos Químicos (0,9 de 6 ECTS):
• Coeficiente de convección natural y forzada
Grado en Ingeniería Química
Laboratorio de transporte de fluidos y transmisión de calor
(6 créditos):
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Calibrado de un estrechamiento (líquidos y gases)
Demostración teorema de Bernouilli
Tiempo de descarga de un depósito
Planta de fluidos
Flujo de fluidos en lechos porosos
Lecho fluidizado
Planta de ensayo de válvulas
Estudio de bombas centrífugas
Aislamiento térmico
Determinación de propiedades de transporte
Analogía eléctrica conducción de calor
Transferencia de calor en dos fases (líquido-vapor)
Estudio de intercambiadores de calor
Grado en Ingeniería Química
•
Estudio de bomba centrífuga
Grado en Ingeniería Química
•
Intercambiadores de calor: doble tubo
Grado en Ingeniería Química
•
Laboratorio de Procesos Químicos (primer curso 2012-13):
El alumno realiza prácticas:
Cinética y reactores químicos
Operaciones básicas
Simulación y Control (ordenador)
Grado en Ingeniería Química
•
Laboratorio de Procesos Químicos:
Operaciones unitarias (y complementarias):
Rectificación discontinua
Evaporador de película ascendente
Evaporador de doble efecto
Determinación de curvas de solubilidad en sistemas ternarios
Extracción continua líquido-líquido
Extracción sólido-líquido
Absorción en columna de relleno
Absorción en tanque agitado
Operación en columnas de intercambio iónico
Determinación de curvas de potencia de agitación
Torre de humidificación
Planta de ósmosis inversa
Grado en Ingeniería Química
Grado en Ingeniería Química
Grado en Ingeniería Química
•
Laboratorio de Procesos Químicos:
Cinética y reactores químicos:
Cinética reacciones homogéneas
Cinética heterogénea S-L
Catálisis heterogénea
Simulación hidráulica reacciones químicas
Reactor adiabático
Reactor continuo tanque agitado
Reactor flujo pistón
Cinética heterogénea S-L
Cinética heterogénea sólido-líquido.
Determinación de las constantes cinéticas de una reacción química
heterogénea de una solución diluida de ácido acético y grageas antiácido.
Medida de la conversión:
pH
Seguimiento radio de la gragea (r)
Determinación de las constantes cinéticas empleando agitación moderada y
agitación fuerte de la disolución.
Sanders, S.A. and Sommerfeld J.T.; "A Laboratory experiment on
combined mass transfer and kinetics", Chem. Eng. Education, Spring, 86-91
(1989).
Cinética heterogénea S-L
Cinética heterogénea S-L
Materiales:
Vaso de precipitados (1 L)
Placa agitadora magnética y agitador magnético
pH-metro con bajo tiempo de respuesta
Cronómetro
Termómetro
Pie de Rey
Agua destilada
Vinagre comercial 1:20
Grageas antiácido (principio activo: CaCO3 o NaAl(OH)2CO3)
Cinética heterogénea S-L
Estequiometría de la Reacción:
2 H3 O+ + CO32- 3 H2O + CO2
2A + B  3C + D
Balance de componente (A):
1/V·dNA/dt=-k a CAn
dCA/dt=-k a CAn
pH = -log[A]
Se medía la evolución del tamaño de la gragea y se relaciona C A con r
CA=CA0-(2   m  xB/MBV)·(R3-r3)
Cinética heterogénea S-L
Método
rA= ΔCA/Δt = -k a CAn
t (s)
diferencial
pH
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
Ln(-ΔCA/Δt) = Ln(k a)+n·Ln(CA)
[H+]
LnH+
ln rH+
3,16 6,92E-04
3,22 6,03E-04
3,23 5,89E-04
3,38 4,17E-04
-7,78 -12,07
3,44 3,63E-04
-7,92 -13,23
3,49 3,24E-04
-8,04 -13,54
3,57 2,69E-04
-8,22 -13,22
3,62 2,40E-04
-8,34 -13,84
3,66 2,19E-04
-8,43 -14,17
3,71 1,95E-04
-8,54 -14,05
3,76 1,74E-04
-8,66 -14,16
3,85 1,41E-04
-8,86 -14,43
3,92 1,20E-04
-9,03 -14,86
4 1,00E-04
-9,21 -14,90
4,06 8,71E-05
-9,35 -15,35
4,11 7,76E-05
-9,46 -15,66
4,16 6,92E-05
-9,58 -15,78
4,21 6,17E-05
-9,69 -15,89
4,25 5,62E-05
-9,79 -16,22
4,3 5,01E-05
-9,90 -16,10
Cinética heterogénea S-L, método diferencial
rA= ΔCA/Δt = -k a CAn
Ln(-ΔCA/Δt) = Ln(k a)+n·Ln(CA)
Orden de reacción, n= 1,5
Cinética heterogénea S-L, método integral
Orden de reacción, n= 1,5
dCA/dt=-k a
CAn
-0,5
-0,5
CA-CAo=-k·a·t/2
Cinética heterogénea S-L
Problemas:
Problemas con la medida del radio de la gragea
La gragea antiácido se disolvía (excipiente)
ΔNA ≠ 2ΔNB , (3-10 veces)
Error en el artículo original de medida de cinética de la reacción
“A differential analysis of the experimental data of Table 2 (pH versus
time) was next performed. For this purpose, the pH data of Table 2 were
converted to CA, numerically differentiated with respect to time, and
the resulting rate normalized with respect to the instantaneous surface
area of the tablets.”
Sanders, S.A. and Sommerfeld J.T.; "A Laboratory experiment on combined mass
transfer and kinetics", Chem. Eng. Education, Spring, 86-91 (1989).
Cinética heterogénea S-L
Cambios:
Se reemplazan las grageas por 3 conchas de
bivalvos con tamaño diferente
(Almeja reloj o similar)
Reacciones:
[1]
2 H3 O+ + CO32- 3 H2O + CO2
[2]
2AcH + CO32-  H2O + Ac- + CO2
Cinética heterogénea
Cinética heterogénea S-L
[1]
Además:
Reactantes + CO32- Productos
AcH + H2O
Reactantes: H+ y AcH
Ac- + H3 O+
A= [H30+] + [AcH]
Medida del consumo de reactantes: pH-metro
Keq=
[H3O+]·[Ac-]
[AcH]
[Ac-]0 = [H+]0
Keq= 10-4,76
Cinética heterogénea S-L
Método
rA= ΔCA/Δt = -k a CAn
tiempo (s)
pH
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
360
420
480
540
600
660
720
780
840
[H+]
AcH/Ac-
3,16 6,9E-04
3,22
3,23
3,38
6,03E-04
5,89E-04
4,17E-04
3,44 3,6E-04
3,49
3,57
3,62
3,66
3,71
3,76
3,85
3,92
4
4,06
4,11
4,16
4,21
4,25
4,3
diferencial
3,24E-04
2,69E-04
2,40E-04
2,19E-04
1,95E-04
1,74E-04
1,41E-04
1,20E-04
1,00E-04
8,71E-05
7,76E-05
6,92E-05
6,17E-05
5,62E-05
5,01E-05
Ln(-ΔCA/Δt) = Ln(k a)+n·Ln(CA)
[AcH]
[AcH]+[H+] rA
ln [A]
39,5 2,7E-02 2,8E-02
34,43
33,65
23,82
-3,58
-3,58
-3,60
-11,98
-13,76
-11,02
20,7 2,7E-02 2,7E-02 7,1E-06
-3,61
-11,85
-3,61
-3,63
-3,64
-3,64
-3,65
-3,66
-3,69
-3,71
-3,73
-3,75
-3,77
-3,80
-3,82
-3,84
-3,87
-11,98
-11,42
-11,81
-11,96
-11,67
-11,59
-11,59
-11,71
-11,46
-11,64
-11,74
-11,67
-11,61
-11,78
-11,50
2,66E-02
2,63E-02
2,61E-02
2,60E-02
2,57E-02
2,55E-02
2,50E-02
2,45E-02
2,39E-02
2,34E-02
2,29E-02
2,24E-02
2,18E-02
2,14E-02
2,08E-02
2,79E-02
2,78E-02
2,73E-02
-3,57
6,30E-06
1,05E-06
1,64E-05
18,49
15,38
13,71
12,50
11,14
9,93
8,07
6,87
5,71
4,98
4,44
3,95
3,52
3,21
2,86
2,73E-02
2,72E-02
2,69E-02
ln[rA]
2,69E-02
2,66E-02
2,64E-02
2,62E-02
2,59E-02
2,57E-02
2,51E-02
2,46E-02
2,40E-02
2,34E-02
2,30E-02
2,25E-02
2,19E-02
2,14E-02
2,08E-02
6,29E-06
1,09E-05
7,47E-06
6,38E-06
8,54E-06
9,24E-06
9,30E-06
8,22E-06
1,06E-05
8,80E-06
7,94E-06
8,51E-06
9,09E-06
7,69E-06
1,01E-05
Cinética heterogénea S-L, método diferencial
rA= ΔCA/Δt = -k a CAn
Ln(-ΔCA/Δt) = Ln(k a)+n·Ln(CA)
Concha utilizada
Grande
Mediana
Se aproxima a orden de reacción, n= 1
Pequeña
Cinética heterogénea S-L, método integral
Orden de reacción, n= 1
dCA/dt=-k a CAn
LnCA= -k·a·t + LnCAO
0,0000
0
1000
2000
3000
4000
5000
-1,0000
Ln[A]
-2,0000
-3,0000
y = -8,70E-05x - 3,53E+00
2
-4,0000
R = 1,00E+00
y = -2,05E-04x - 3,86E+00
2
R = 9,99E-01
-5,0000
y = -4,15E-04x - 3,53E+00
2
-6,0000
R = 9,99E-01
Tiempo (s)
Cinética heterogénea S-L, resultados
Pequeña
Mediana
Grande
k·a
-8,70E-05
-2,05E-04
Co
2,93E-02
2,11E-02
23,13
34,8
k
-3,76E-06
-5,89E-06
Co
2,93E-02
2,11E-02
2,93E-02 ajuste
Co
2,93E-02
2,13E-02
2,80E-02 experimental
area
pequeña
mol A
2·mol B
mediana
-4,15E-04 s-1
2,93E-02 mol/L
61,1 cm2
-6,79E-06 1/s/cm2
grande
2,48E-03
3,27E-03
6,33E-03 mol
3,4E-03
3,9E-03
4,39E-03 mol
Cinética heterogénea S-L, Conclusiones
Orden de reacción análogo a otras publicaciones*
Inversión pequeña, 700 €
Coste de mantenimiento por curso bajísimo (1-20 €)
Uso de conchas (Almeja Reloj o similar)…
Uso probetas de marmol…
Tiempos de crisis: Necesario compaginar con prácticas de
bajo con aquellas de mayor coste
Agradecimientos
Al personal del Departamento de I.Q. presente, pasado y futuro.
A nuestros estudiantes…
Agradecimientos
Gracias por su atención