DESHIDRATACIN DE ALCOHOLES EN REACTOR SEMICONTINUO DE LECHO FIJOEXPERIMENTACIN EN INGENIERA QUMICA IV
Curso 2011-2012
Arantzazu Martnez PrezRafael Sanchs PastorRaul Albert Bernab
INDICE1. Objetivo
2. Introduccin
3. Equipo experimental
4. Procedimiento experimental
5. Presentacin de resultados
6. Conclusin
7. Bibliografa
1. OBJETIVOObtencin de los parmetros cinticos de la reaccin de deshidratacin
Factor pre-exponencial, k0
Energa de activacin, Ea
2. INTRODUCCIN
2.1 Definicin Que es la deshidratacin de alcoholes?
Se trata de la obtencin de alquenos mediante la eliminacin de una molcula de agua del alcohol.
Aporte de temperatura
Adiccin de un cido desecante. Almina
2.1 DefinicinEjemplos reacciones de deshidratacin
Conversin de alcoholes a teres:2 R-OH R-O-R + H2O
Conversin de alcoholes a alquenos:R-CH2-CHOH-R R-CH=CH-R + H2O
Conversin de cidos carbxlicos a anhdridos de cido (o anhdridos carboxlicos):2 RCO2H (RCO)2O + H2O
Conversin de amidas a nitrilos:RCONH2 R-CN + H2O
2.2 ReaccionesReaccin de deshidratacin de alcoholes
Deshidratacin del etanol:
CH3-CH2OH(g) CH2=CH2 (g) + H2O (g)
Deshidratacin del 1-propanol:
CH3-CH2-CH2OH(g) CH3-CH=CH2 (g) + H2O (g)
2.2 ReaccionesUsos industriales:
Etileno
Obtencin de plsticos. Polietileno:
Caeras, envases, bolsas y aislantes elctricos
Propileno
Materia prima. Polipropileno
Industria textil, fabricacin de tubos y cuerdas
2.3 EcuacionesBalance de materiaSalida- Entrada + Acumulacin = Generacin(nj,0 + dnj) nj,0 + 0 = rj dV
Reactor cilndrico
2.3 Ecuaciones Ecuacin cintica Gases ideales
Relacin flujo molar con altura
Moles totales Conversin
En el caso estudiado, n1,0 = nt,0 , luego:2.3 Ecuaciones
2.3 Ecuaciones Derivando la conversin:
Conversin funcin de la altura del reactor.
2.3 Ecuaciones Clculo de la constante cintica. Ecuacin Arrhenius
Temperatura T (K),Energa de activacin E (kJ mol-1)Constante de los gases R (kJ kmol-1 K-1)Factor pre-exponencial (s-1).
2.3 EcuacionesCLCULO DE LOS PARMETROS CINTICOS
Calculo del flujo molarPara la fase lquida: Para la fase gaseosa:
Calculo de la conversin molar. Mtodo de Euler
3. EQUIPO EXPERIMENTAL
3.1 Montaje general1. Deposito de alimentacin2. Bomba de dosificacin3. Vlvula de corte4. Vaporizador5. Horno + Reactor6. Refrigerante condensador7. Separador liquido-gas8. Medidor de flujo de gases
3.2 ReactorReactor semicontinuo de lecho fijo a escala de laboratorioReactor cilndrico (Req = 0,689 cm)Relleno: alminaEntrada: mezcla etanol y 1-propanol vaporizado.Salida: Agua, reactivos no convertidos, etileno y propilenoMedicin de temperatura: Unidad de control y escala graduada.
3.3 Otras partesDepsito alimentacin(mezcla etanol y 1-propanol)
Condensador
Medidor de flujo gasBurbujmetro
3.4 Equipo de controlUnidad de control- Control de T del horno- Almacenamiento de datos
Componentes del Sistema De Control- 4 Termopares- Transmisor de Presin relativa- Mdulos ICP- Regulador Manual de potencia electrnico- Ordenador Pentium 166 32 RAM
VaporizadorDepsitoBombaCondensadorHornoBurbujmetro
3.5 Programa de control
Programa de control
- Programa de adquisicin de datos y control integral en Visual Basic 6.0 y ejecutado con Windows 98. - El programa adquiere y graba: Tiempo transcurrido desde el comienzo del experimento Temperatura del vaporizador Temperatura del reactor Temperatura del horno Temperatura del gas de salida Presin en la cabeza del reactor
4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
4.1 Puesta en marchaPuesta en marcha Interruptor general (rojo) ON Conexin del ordenador Cambiar T consigna Comprobar que el circuito de refrigeracin Interruptores del vaporizador y del horno en ON.
4.2 Calibrado tornillo manomtrico
Bomba de dosificacin Calibrado del tornillo manomtrico
Llave de tres vas: salida al exterior del circuito.Se coloca el tornillo en una determinada posicin (entre 1- 4, caudales entre 0.2 y 0.4 g/min)Medir masa de alcohol en un determinado tiempo.
Mover la rueda dentada (A) hasta la posicin deseada y seguidamente, determinar la posicin leyendo en la escala roja (C) valores enteros y en la negra (D) los decimales, evitando en lo posible tocar el tornillo (B).
4.3 Caudal de salidaFormacin de burbujascon solucin jabonosa
Medida de caudal degas de salida
Se mide tiempo del gas en recorrer 25 cm3
Rgimen estacionarioMedida de caudal de gas de salidaSuponiendo gas ideal Clculo de ngas PQv = nRT - Caudal volumtrico - Presin atmosfrica - T gas de salida
4.4 Perfil de temperatura
Obtencin del perfil de temperatura
Rgimen estacionario
Valores temperatura-distancia
Desde base de reactor (0 cm)
Hasta cabeza de reactor (20 cm)
4.5 Cromatografa de gasesQu es?Tcnica de identificacin de componentes de una muestra basada en los distintos tiempos de retencin de cada componente en una columna cromatogrfica.
4.5 Cromatografa de gasesProcedimiento
Gas Bolsa Tedlar 50 mL (jeringuilla) 100 C
Lquido- Matraz erlenmeyer1 mL (jeringuilla) 150 C
4.5 Calibrado del cromatgrafo
4.5 Calibrado del cromatgrafoPatrones de mezclas gaseosas
Recta del calibrado del propileno - etileno
4.6 Experimentos propuestos
Serie de experimentos
5. PRESENTACIN DE RESULTADOS
5.1 Resultados experimentalesCondiciones experimentales. EXPERIMENTO 1
% Etanol en mezcla0,34% 1- propanol en mezcla0,66Patm (Pa)101325Thorno (K)598,15Deq reactor (m)1,38E-02Qmezcla inicial (g/s)5,18E-03Qlquido (g/s)4,47E-03Tgas (K)296,65Qgas (m3/s)1,29E-07Pman (Pa)5066reareactor (m2)1,49E-04P ( Pa)101325
5.2 Perfil de temperatura. Reactor no isotermoEXPERIMENTO 1
5.3 Composicin fase lquida Reactor no isotermoComposicin de la fase lquidaEXPERIMENTO 1R. Calibrado
Cromatografa del lquidoTiempo aguaTiempo 1-propanolTiempo etanolA aguaA 1-propanolA etanol0,7785,9182,5421750052937881577560,7825,9072,537164256295365155588Promedio169631294577156672
Composicin del liquido (fracciones msicas)Aprop/AaguaAetanol/Aaguamprop/maguameta/maguagtotalmaguampropmetanolxaguaxpropanolxetanol1,7370,9242,2080,9460,2680,0650,1430,0610,2410,5320,228
5.4 Composicin fase gas Reactor no isotermoComposicin de la fase gaseosaEXPERIMENTO 1R. Calibrado
Cromatografa del gasTiempo etilenoTiempo propilenoA etilenoA propileno0,681,90212300142810,6751,8991192016941Promedio1211015611
Composicin del gas (fraccin molar)Apropil/Aetilmolproil/moletilQtotal/ mols-1Qetileno/ mols-1Qpropileno/ mols-1xetilenoxpropileno1,2891,5435,279E-062,076E-063,203E-060,3930,607
5.5 Determinacin de parmetros cinticos Reactor no isotermoSe supone ko EIntegracin numricaNOClculo calc
Etanol5.5 Determinacin de parmetros cinticos Reactor no isotermoEXPERIMENTO 11-propanol
Parmetros cinticos. Etanolk10 (s-1) 10-212,120E (Jmol-1) 10-52,505
Parmetros cinticos. 1-propanolk10 (s-1) 10-211,991E (Jmol-1) 10-52,515
calc0,4219exp0,4220F.O9,58E-09
calc0,3051exp0,3051F.O6,38E-11
5.6 Perfil de conversin Reactor no isotermoEXPERIMENTO 1
5.7 Determinacin de parmetros cinticos Reactor isotermoSe supone ko EaIntegracin numricaNOClculo calc
Etanol5.7 Determinacin de parmetros cinticos Reactor isotermoEXPERIMENTO 11-propanol
calc0,4220exp0,4220F.O4,29E-11
Parmetros cinticos. Etanolk10 (s-1) 10-211,985E (Jmol-1) 10-52,537
Parmetros cinticos. 1- propanolk10 (s-1) 10-212,575E (Jmol-1) 10-52,571
calc0,3051exp0,3051F.O5,51E-09
5.8 Perfil de conversin Reactor isotermoEXPERIMENTO 1
Perfiles de temperatura
5.9 Perfil de conversin Reactor no isotermo
5.10 Conversin final alcanzada. Reactor no isotermoEtanol
ExperimentoMezcla reactivaT (C)Q (g/min)n10105(mol/s)1expetanol1calc,etanolF. Objetivo134% Etanol +3250,253,830,4220,4229,58E-0920,354,800,3600,3598,95E-07366% 1-propanol3400,253,590,3180,3188,04E-0940,354,800,3790,3793,64E-12566% Etanol +3250,256,970,5670,5672,35E-0960,359,320,4050,4058,93E-09734% 1-propanol3400,257,440,5860,5852,14E-0780,359,320,5650,5659,80E-09
5.10 Conversin final alcanzada. Reactor no isotermo1-propanol
ExperimentoMezcla reactivaT (C)Q (g/min)n10105(mol/s)1exp, 1-propanol1calc, 1-propanolF. Objetivo166% Etanol +3250,255,700,3050,3066,38E-1120,357,140,1800,1804,02E-10334% 1-propanol3400,255,340,8130,8136,03E-0840,357,140,4250,4252,89E-07534% Etanol +3250,252,750,4360,4373,01E-0760,353,680,1360,1359,72E-07766% 1-propanol3400,252,940,7350,7354,82E-0780,353,680,4900,4899,68E-07
5.11 Perfil de conversin Reactor isotermo
Etanol5.12 Conversin final alcanzada. Reactor isotermo
ExperimentoMezcla reactivaT (C)Q (g/min)n10105(mol/s)1exp,etanol1calc,etanolF. Objetivo134% Etanol +3250,253,830,4220,4224,29E-1120,354,800,3600,3598,11E-07366% 1-propanol3400,253,590,3180,3174,78E-0840,354,800,3790,3793,31E-12566% Etanol +3250,256,970,5670,5679,26E-0860,359,320,4050,4052,20E-07734% 1-propanol3400,257,440,5860,5856,54E-0780,359,320,5650,5654,01E-07
1-propanol5.12 Conversin final alcanzada. Reactor isotermo
ExperimentoMezcla reactivaT (C)Q (g/min)n10105(mol/s)1exp, 1-propanol1calc, 1-propanolF. Objetivo134% Etanol +3250,255,700,3050,3055,51E-0920,357,140,1800,1802,19E-08366% 1-propanol3400,255,340,8130,8134,27E-0840,357,140,4250,4246,60E-07566% Etanol +3250,252,750,4360,4362,57E-1160,353,680,1360,1363,59E-08734% 1-propanol3400,252,940,7350,7352,64E-0780,353,680,4900,4898,85E-08
5.13 Diseo de un reactorDATOSn10 = 0,5 g/minTconsigna = 325 Cdato = 0,7Perfil T y P (Tconsigna=325 C) 66% etanol + 34% 1-propanolk10 = 2,120 10-21 s-1E = 2,505 10-5J/mol
Dequivalente (m) = 5,334 10-2
6. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS
6.ConclusionesConversiones altas a temperaturas elevadas y caudales pequeos
Conversiones muy prximas en el reactor isotermo y no isotermo
Difcil optimizacin de los parmetros cinticos debido a la convergencia
Mayor conversin del etanol que del 1-propanol
7.Bibliografa Guin e informe de prcticas de deshidratacin de alcoholes en un reactor semidiscontinuo de lecho fijo
FIN
Factor de expansin 1Para la determinacin de los parmetros cinticos es necesario determinar el valor de la conversin, para ello es necesario calcular el flujo molar en cada experimento. Este puede determinarse, bien a partir de los datos de la fase gas generada o bien a partir de los datos de la fase liquida obtenida. 3
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