HIDROGENACIÓN DE ACEITE CON UN REACTOR NEUMATICO

1. Objetivos.

Adicionar los Hidrógenos a la cadena insaturada del aceite. Experimentar con los parámetros de reacciones exotérmicas.

2. Marco Teórico.

La hidrogenación de las grasas y aceites comestibles se ha realizado en gran escala desde principios de siglo. El proceso se lleva a cabo en un sistema trifásico (gas hidrógeno, aceite líquido y catalizador sólido), a temperaturas que varían desde unos 120 °C hasta unos 220 °C como máximo en las etapas finales de reacción. El catalizador consiste en pequeños cristales de níquel soportados por un óxido inorgánico, normalmente sílice o alúmina. Tras la reacción, se filtra el catalizador y se eliminan todas las trazas de níquel residual después del refinado, hasta conseguir un nivel de 0,1 mg/kg o inferior.

La hidrogenación consiste en una serie de reacciones consecutivas con una cinética de reacción de pseudo primer orden:

K3 K2 K1

18:3 18:2 18:1 18:0

en que K3, K2 y K1 son las constantes de velocidad de reacción de los ácidos linolénico, linoleico y oleico respectivamente. En casi todas las hidrogenaciones, el ácido linolénico se transforma en compuestos menos saturados. Dependiendo de las condiciones de reacción, puede cambiar considerablemente el llamado Cociente de Selectividad (K2/K1); así, con catalizadores de níquel, varía de aproximadamente 10 a bajas temperaturas a 50 ó 100 a altas temperaturas. Un cociente de selectividad elevado supone que se forma relativamente poco ácido saturado, y que los ácidos grasos monoinsaturados son el principal producto de reacción.

Aparte de la reducción de la insaturación, durante la hidrogenación también se da una isomerización de los dobles enlaces: isomerización geométrica (cis-trans), y de posición. Los mecanismos de hidrogenación y de isomerización se relacionan estrechamente (Koritala y Dutton, 1973; Rozendaal, 1976). Inicialmente se forma un intermedio mediohidrogenado, en el que la molécula adsorbida a la superficie del catalizador con un enlace sencillo puede rotar libremente. La adición de un segundo átomo de hidrógeno saturaría el enlace, mientras que la sustracción de un átomo de hidrógeno del estado intermedio mediohidrogenado de la superficie del níquel produce o bien la molécula original o bien un isómero de posición o geométrico. La hidrogenación de los ácidos grasos polienoicos se produce, al menos parcialmente, a través de isómeros conjugados (por ejemplo, c9, t11 o t10, c12), que son muy reactivos y por tanto se convierten rápidamente en ácidos monoenoicos en cis o en trans sin acumularse. De la cantidad total de ácidos grasos en trans presentes en los aceites de grasas hidrogenados, la mayor parte son, con mucha diferencia, los monoenos en trans. Dada la importancia del papel de la hidrogenación en la producción de grasas plásticas, los ácidos grasos en trans se pueden encontrar en importantes cantidades en muchos productos. La cantidad de dienos cis, trans y trans,cis es mucho menor, y el nivel de dienos trans,trans raramente supera el 1 por ciento (Gottenbos, 1983).

Aparte de la hidrogenación, existen otras dos importantes tecnologías de modificación de grasas. La primera es la interesterificación, el reordenamiento al azar de los ácidos grasos en la molécula del triglicérido, bajo la influencia de un catalizador moderadamente alcalino. Esto modifica el comportamiento de la grasa frente a la fusión, sin que cambie la naturaleza de sus ácidos grasos. La segunda es el fraccionamiento, la separación controlada de las fracciones de aceite/grasa a temperaturas bajas (fraccionamiento en seco) los disolventes (fraccionamiento con disolventes). En este proceso no se dan cambios en la naturaleza química de los ácidos grasos.

REACCIÓN

Se trata de una reacción química de hidrogenación. El hidrógeno, gracias a la acción de un catalizador, satura los enlaces insaturados del aceite, aumentando de esta forma su punto de fusión. La reacción tiene lugar a velocidades apreciables a partir de los 110 °C aproximadamente. La presión total, la concentración y la mayor cantidad de catalizador ayudan a que la velocidad de reacción sea alta.

El mecanismo de reacción implica varias etapas. El hidrógeno gas disuelto en el aceite, es adsorbido en el catalizador metálico (níquel, platino, paladio...), separándose sus dos átomos. Estos átomos reaccionan con los dobles o triples enlaces del aceite, adicionándose al mismo y produciendo un compuesto intermedio, en el cual el doble o triple enlace puede rotar sobre sí mismo. El compuesto intermedio es inestable y rápidamente capta un segundo átomo de hidrógeno, por lo que el enlace insaturado se satura, o cede de nuevo el átomo, produciéndose a veces la isomerización de los enlaces cis, que es la configuración de los dobles enlaces en las grasas naturales, a trans.

La reacción de hidrogenación es fuertemente exotérmica

EL PROCESO DE HIDROGENACION

Los usos tecnológicos de H2 a mayor escala son la hidrogenación y la hidrogenolisis reacciones asociadas tanto a las grandes como a pequeñas industrias químicas. La hidrogenación es la adición de H2 a compuestos orgánicos insaturados, como alquenos para dar alcanos, o aldehídos para dar alcoholes .La hidrogenolIsis es la separación del enlace C-X (X=O, S, N) mediante H2 para dardos enlaces C-H y H-X . Las aplicaciones a gran escala de la hidrogenolIsis están relacionadas con la mejora de combustibles fósiles.

Tanto la hidrogenación como la hidrogenolosis necesitan catalizadores metálicos, puesto que sin su presencia el H2 no consigue reaccionar con ningún compuesto orgánico a velocidades apreciables.

La reacción típica de hidrogenación de un alquenos es:

RCH=CH2 +H2 ---RCH2CH3 ( R=alquilo , arilo)

HIDROGENACION

La hidrogenación consiste en el aumento del punto de fusión de los aceites comestibles insaturados, mediante la aportación de hidrogeno en presencia de un catalizador y en condiciones de presión, agitación y temperatura controladas.

Al tratarse de instalación automatizada mediante autómata programable (PLC) y SCADA , se puede controlar la evolución de la reacción de forma permanente ,pudiéndose ajustar en todo momento los parámetros óptimos de reacción (velocidad ,presión, temperatura y grado de agitación) para obtener un producto final repetitivo y con bajo contenido en ácidos grasos trans.

Proceso de Produccion de una Planta de Hidrogenacion de acites

3. Procedimiento Experimental.

3.1 Materiales y Equipos.

- Reactor con agitación y chaqueta.

- Matraz.

- Vaso precipitado.

- Termómetro.

- Aceite vegetal insaturado.

- Granallas de Zinc.

- Acido Clorhídrico.

- Recipiente.

- Probeta.

- Balanza electrónica.

Procedimiento.

- Armar el equipo a utilizar, según el esquema, debe ser un reactor con sistema de agitación y calefacción.

- Verificar que el reactor este en perfecto funcionamiento.

- Limpiar el reactor.

- Medir 200 ml de aceite y verter en el reactor.

- Poner en funcionamiento el sistema de calefacción y elevar la temperatura del sistema hasta por lo menos 90ºC.

- Por otro lado en un matraz mezclar cuidadosamente el ácido clorhídrico con las granallas de Zinc y tapar enseguida, para evitar fugas de hidrogeno.

- Hacer las conexiones necesarias para que el hidrogeno burbujee en el aceite.

- Destapar el reactor y luego proceder al vaciado del producto.

- Observar las características del producto.

4. Resultados.

CÁLCULOS

Determinación de volumen de HCL para 10 g de Zn

Zn + 2 HCL ZnCl2 + H2

(65.38g/mol) 2(36.5g/mol) 136.37g/mol 2g/mol

65.38g/mol Zn 73g/mol HCL

10g Zn X

X= 11.165g de HCL

Balance de materia (reactor semilotes)

Aceite : Densidad (25ºC): 0.9229 g/cm3

A+B ---------- C+D

Entrada – salida + generación = acumulación

0 - 0 + rAdV = dNA/dT

rAdV = dNA/dT

Ley de velocidad -rA=KCACB

(Psoluto/Psolución) x 100%=38%

Psolución = 11.165g/0.38

Vsolución = 29.368 g de HCL/ 1.7 g/ml

Volumen del reactor en función del tiempo V=Vo+uot

CA=CAo(1-X)

CB=CAo(-υX)/ (1+εX) CB=Cao=(1-X)/(1-0.5X)

Calculo de la cantidad de Hidrogeno producido.

Zn(s) + 2HCl → ZnCl2 + H2

10gr 30 ml- 10 gr = 1.52*10-1 MOL ZN

(65.39)

- 30 ml HCl . 1L = 6.69*10-4

2(22.4)L 1000ml

- 30 ml HCl = X gramos de H2 X = 1.34 gr de H2

2(22.4)*1000 1(2)

- (0.38) 30 ml HCl = X L de H2 X = 5.7 *10-3 L de H2

2(22.4)(1000) 1(22.4)

- 30ml HCL = X moles de H2 X = 6.69*10-4 moles de H2

2(22.4)(1000) 1(1)

Balance de Masa.

- = → 0.9229 gr/ ml =

de entrada al proceso

- = → 0.9229 gr/ ml =

X = 179.96 gr de Aceite de salida al proceso

Entradas Másicas al Proceso Salidas Másicas al Proceso184.58 gr de Aceite 179.96 gr de Aceite

Hidrogenado1.116 gr de H2

Según el balance de masa hay una pérdida de Aceite en la salida del reactor entonces esta puede haber sido causada a que no todo el producto salió del reactor, o también se llego a evaporizar una pequeña parte debido a que se trabajo con altas temperaturas.

Calculo de la conversión.

- K= Ae-E/RT

K=7.08*102e-(26600/mol)/(8.314J/molºK)*373K

K= 1.333

- - rA=K*Caceite*CH2

→ Caceite= 1 mol * 1000 ml * 1 * 184.58 gr = 3.25 mol 284 gr 1 L 200ml L

→ CH2 = 5.58*10-4 mol/L

- rA= (1.8329)*(3.25)*(5.58*10-4)- rA= 0.003324

= 1 h

XBM = * Ae-E/RT

1 + *Ae-E/RT

XBM = 1* 7.08*102e-26600/8.314*T

1 + 1* 7.08*102e-26600/8.314*T

- Cp aceite = 1600 J/KgKCP aceite hidrogenado = 2354.42 J/KgKCp hidrogeno = 14304J/KgK

H aceite = 2884.4 J/mol

H aceite hidrogenado = 962 J/mol

H hidrogeno = 0

→ Calor de Reacción y Calculo de Cp

HºRX = 962 - 2884.4

HºRX = -1922.4 J/mol

Cp = 2345.42-(14304+1600)

Cp = -13558 J/KgK

→ HRX (T) = -1922.4-13558(T-298)

→ iCpi =1600 + 2.46 + 2354.42

iCpi = 3956.88

XBE = 3956.88 (T – 373) -[ -1922.4-13558(T-298) ]

- Tabla y Grafica para encontrar la Toptima y Xoptima de la Hidrogenación de aceites.

5. Resultados y Conclusiones.

- En la práctica realizada se observó el producto y se concluyó que era un aceite semi-solido de color café oscuro esto debido a la hidrogenación, que del estado líquido con dobles enlaces en su cadena paso a una cadena con simples enlaces y estos son de

T XBE XBM300 0,04809766 0,01626569320 0,19986158 0,03119663340 0,23520148 0,05480434360 0,25094669 0,08908642380 0,2598567 0,13504269400 0,26558858 0,19214806410 0,2677506 0,22425748420 0,26958539 0,25822227422 0,26991952 0,26519764424 0,27024383 0,27222479426 0,27055876 0,27929975428 0,27086469 0,28641853430 0,27116202 0,29357711440 0,27253139 0,32982624460 0,27479284 0,40303801480 0,2765835 0,47426781500 0,27803652 0,54080871

estado sólido, pero en el resultado se observó que este era semisólido entonces porque no todo el aceite en su 100% se hidrogeno, tan solo una parte.

- Según los cálculos realizados se tuvo como resultado un conversión optima de 28.5% a una Temperatura de 425K esto alrededor de 1 hora y si usamos un catalizador entonces la reacción será más favorable obteniendo mas conversión a la misma temperatura.

U

N

S

A

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA QUÍMICA

CURSO: DISEÑO DE REACTORES INDUSTRIALES

TEMA: “HIDROGENACION DE ACEITE CON UN REACTOR NEUMATICO”

INTEGRANTES :

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TURNO: Jueves 8-11am

AREQUIPA – PERU

2015